基于完整锚杆动测技术的围岩质量识别研究

完整锚杆系统是由完整的锚杆杆体、饱满的锚固介质以及围岩组成的有机体系。在描述锚杆低应变动力响应的数学力学模型中,将锚固介质与围岩对锚杆体的作用简化为沿杆长均匀分布的杆侧弹性系数与阻尼系数,以及均匀分布在杆底的刚度系数与阻尼系数,即锚杆系统的动力参数。它们不仅表征了锚杆锚固质量,而且体现出锚杆所处围岩的物理参数。通过建立围岩物理参数与完整锚杆系统动力参数的映射关系,可以对围岩质量进行识别。为此,建立了完整锚杆三维轴对称有限元计算模型,得到不同的围岩物理力学参数所对应的锚杆杆顶速度响应;根据完整锚杆低应变动力响应理论解和遗传算法建立了完整锚杆动力参数的识别方法;通过对不同围岩下完整锚杆的数值模拟结果的动力参数识别,建立了杆侧弹性系数与围岩变形模量之间的关系式,提出了一种基于完整锚杆动测技术的围岩质量识别方法。     

动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性

深部岩体工程中,锚杆在围岩变形后处于高承载应力状态,受到爆破振动、矿震等动载荷作用后极易失效,因此,亟待研究动力扰动下锚杆的力学响应机制。基于SHPB试验平台,自行研发了一套研究锚杆动力响应的试验装置,开展动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性研究。结果表明：初始动载荷作用下锚杆滑移量随着入射能的增加而增加,锚杆中应力波的波峰值随着传播距离的增加而逐渐减小,当应力波传播至锚杆最里端时,应力波峰值衰减较大;第2次动载荷后锚杆SG1处与SG2处应力波峰值差明显比第1次减小,表明动载荷下锚固界面从锚杆外端开始损伤;锚杆失效与锚固界面损伤有关,锚杆承载后初次受到动载荷的影响导致锚固界面产生损伤,损伤锚固段又受到外部载荷（如二次冲击、岩体挤压）作用时会进一步劣化,其不能抵抗围岩的变形而失效。研究结果为揭示锚杆支护失效行为,采取合理的设计与施工提供新的思路。     

扭转导波在锚固锚杆中传播的数值模拟

采用有限元数值模拟的方法研究了扭转导波在锚固锚杆中的传播性质。建立了自由锚杆和锚固锚杆的有限元模型,在锚杆顶端激发20～60 kHz扭转导波信号,计算得到导波在自由锚杆和锚杆锚固段的传播速度值与理论值吻合很好,证明了扭转导波数值模拟方法的有效性。数值模拟结果表明：随着激发波频率的增大,扭转导波在自由锚杆和锚杆锚固段中的衰减值均呈线性递增趋势,导波在锚杆锚固段上界面的反射回波逐渐减弱;扭转导波在锚杆锚固段的衰减值较大,无法在锚杆顶端采集到锚杆底端反射回波信号,所以扭转导波不适用于锚杆长度的检测;随着锚固介质弹性模量的增大,同一频率扭转导波在锚杆锚固段上界面的反射波逐渐增强。通过检测扭转导波在锚杆锚固段上界面的反射回波,可以确定锚固介质弹性模量的大小。     

山地和岩溶地区端承桩质量检测与加固技术研究

针对嵌岩桩桩底存在沉渣时,采用常规的低应变反射波法可能观测不到其同相反射信号,桩底软弱夹层（或溶洞）的顶面倾角接近或不小于45º时,反射法检测不到桩底软弱夹层（或溶洞）的反射信号。为弥补以上不足,提出了用低应变反射波法、频率-初速度法和钻芯法对端承桩质量及缺陷桩的加固效果进行组合检测。当反射波波形曲线异常或动刚度明显偏低时,可认为桩底沉渣较厚或桩端持力层性状异常,再用钻芯法验证;建立了桩身下部缺陷段的平均波速计算公式,有助于判断缺陷的严重程度;通过对比缺陷桩加固前后的反射波曲线和动刚度值,并将它们与其他同条件下正常桩对比,检验缺陷桩的加固效果     

现浇薄壁管桩低应变动力检测适应性探讨

现浇薄壁管桩是一种大直径的管桩,在低应变检测时必然存在平截面假定不满足以及桩头三维效应的问题。无桩帽管桩低应变检测时由于激发了非轴对称的弯曲模态,并不是达到一定的深度平截面假定就会满足,各截面不同的点会受到不同程度的高频干扰,桩顶90°点受到了较小的高频干扰,低应变检测时激振点与传感器夹角为90°时更容易得到清晰的反射波信号。解析解和有限元解的结果均表明,带帽桩在桩帽的动力响应信号能看到明显的桩底反射和缺陷反射时距离桩心不同点上所感受的高频干扰的频率一样,速度振幅不同,距桩心0.50 （ 为桩半径）的点受到最小的干扰。     

煤层反射波的频率特性和分辨率

我们知道,当地震波入射到厚层（即厚度比入射波波长大得多）,并在其表面发生反射时,反射波的频率只与入射波的频率有关。但是,当波入射到薄层（即厚度比入射波波长小得多）,并在其表面发生反射时,反射波的频率不仅与入射波的频率有关,而且还与薄层的厚度、密度、速度有关。由于煤层的厚度远远小于地震波波长,是薄层。而煤层本身的密度和速度往往都比围岩小得多,顶、底板都是良好的反射界面,因而煤层反射波是煤层层间多次反射波与顶、底板一次反射波的叠加和干涉。煤层反射波的频率不仅取决于入射波的频率,而且与煤层的厚度和速度有密切的关系。煤层可以看作是一个滤波器,入射波在煤层界面发生反射时,就好象经过了某种频率滤波。煤层滤波特性与煤层的厚度、波速及煤层和上、下岩层的波阻抗差有关。      

贵州李家寨隧道系统锚杆作用效果试验研究

隧道系统锚杆作用效果一直存在较多争议,尤其在软质围岩中,一种观点认为系统锚杆可减小围岩变形,支护效果良好,特别是边墙锚杆能发挥较好的支承和约束作用;相反观点则认为系统锚杆无明显作用效果,施作系统锚杆延误了初期支护的最佳时机并导致围岩变形量的增大,而取消系统锚杆后围岩变形和受力状态良好。本文依托贵州沿印松高速公路在建李家寨隧道Ⅳ级软质围岩地段,针对系统锚杆作用效果问题开展大量的现场试验,有、无系统锚杆对比试验段各设置3个量测断面,量测内容包括围岩压力、钢架内外应力、系统锚杆轴力、拱顶下沉、水平收敛等。得出如下结论:(1)隧道施作系统锚杆延长了初期支护闭合时间,导致围岩压力和钢架受力略大于无锚杆状态;隧道有无设置系统锚杆,围岩变形及受力都无明显差异,取消系统锚杆不影响支护结构安全。(2)拱顶系统锚杆大部分处于受压状态,作用效果较差,施作系统锚杆措施明显过于保守,存在很大优化空间;但隧道边墙锚杆可起到锁脚锚杆作用,取消系统锚杆时要保证施作锁脚锚杆。(3)李家寨隧道Ⅳ级软质围岩地段架设钢拱架并取消系统锚杆能够保证初期支护结构稳定性,技术上是安全可行的。     

土遗址全长黏结式锚固系统动力响应解析方法

以纵向宽大裂隙引起的夯土城墙遗址稳定问题为背景,建立危险土体?锚杆?稳定土体锚固系统简化力学模型。该模型将土体对锚杆的摩阻作用简化为一个线性弹簧和一个与速度相关的阻尼器的并联机构,将裂隙段锚杆对两侧土体的拉结作用简化为一个线性弹簧。基于弹性体动力理论建立锚固系统动力平衡方程,并推导了锚杆轴力和位移的动力响应解析解。最后,以新疆高昌故城南城墙某段锚固工程为例对提出的解析方法进行了说明,明确了锚杆轴力响应特征及其分布规律,并通过数值分析对其合理性进行了验证。结果表明：在动力作用下同一位置锚杆的轴力响应呈围绕静力平衡位置的波动形态,轴力峰值点位于裂隙附近,且逐渐向临空端和锚固端指数衰减。在考虑地震加速度沿遗址高度的放大效应后能够获得较精确的锚杆轴力响应。     

各向异性衰减与AVO分析

目前,对介质衰减各向异性性质的研究主要集中在均匀介质中,而衰减各向异性对反射地震数据的影响则较少考虑。针对粘弹各向异性盖层/储层反射模型,应用粘弹各向异性分界面反射、透射理论,研究了盖层Thomsen各向异性参数δ、ε变化时模型分界面P-P波、P-S波的AVO响应,分析了盖层中相速度各向异性、品质因子以及衰减各向异性;并综合以上研究结果分析了盖层的衰减各向异性对AVO分析的影响。研究结果表明:粘弹各向异性介质中不仅存在相速度各向异性,还存在衰减各向异性;并且后者的各向异性程度要大于前者,S波的衰减各向异性程度要大于P波。仅考虑界面反射时,随着各向异性参数δ的变化,P-P波反射的临界角位置变化,临界角前后反射系数也发生变化;随着各向异性参数ε的变化,P-P波反射的临界角位置以及临界角前的反射系数几乎不发生变化。盖层的衰减各向异性随各向异性参数δ、ε变化明显,会给AVO分析带来假相,在AVO分析前必须加以校正。     

回采工作面断层构造无线电波反射测量方法研究

矿井无线电波勘探可用于煤层地质构造探查,凭借其轻便和效果好等优势,成为煤层地质构造探查的常规和必备手段。现阶段无线电波信号在煤层中的能量衰减较快,大宽度煤层工作面透射无线电波探测面临制约。基于此,提出煤层工作面无线电波反射勘探方法。首先,数值模拟构建二维含煤地层电性模型,对无线电波H_x分量信号的场强值进行分析。模拟结果显示:无线电波在正常煤层巷道中H_x分量信号的场强值衰减与传播距离呈现近似线性关系,为无线电波反射成像算法奠定理论基础。其次,在模型中距巷道5、10、15、20、25、30 m处设置断层异常区。与正常无断层煤层相比:H_x分量场强值在断层处会发生数值突变,场强值先增大再减小,并且随着断层距巷道距离的增大反射场强值整体减小;当断层距巷道25 m以后,场强值变化不明显。最后,利用某煤矿工作面进行现场试验。试验采用0.965 MHz的频率进行整条巷道的无线电波反射探测,探测结果中地质异常附近无线电波场强值异常升高,显示出明显的直达波和反射波相叠加的现象。通过回采揭露验证,场值异常处与断层位置吻合较好,试验取得良好的效果。综上所述,无线电波在正常煤层巷道中场强值衰减与传播距离呈近似线性关系,当工作面内存在构造异常时会产生直达波和反射波相叠加的现象,其场值会发生跳跃升高。采用反射无线电波法进行煤层工作面地质异常探测具有可行性和有效性,为煤层工作面地质构造探查提供一种新的方法和思路。      

压力型锚杆支护滑坡的地震动力响应特性研究

为研究地震作用下锚固滑坡的动力响应特征及压力型锚杆的受力机制,采用ABAQUS有限元软件建立了压力型锚杆联合格构梁支护的锚固滑坡模型,在此基础上,分析了锚固滑坡的加速度响应规律、地震动参数对加速度响应的影响以及压力型锚杆的受力特征等。结果表明:地震作用下锚固滑坡具有明显的高程放大效应,坡顶响应最强;不同类型的地震波作用时,由于其频谱特性的差异,锚固滑坡的加速度响应不同,锚固滑坡对输入地震波的低频段存在放大作用,对高频段具有滤波作用;随地震波幅值的增大,锚固滑坡的加速度响应呈先减小后增大的趋势。对于同一根锚杆而言,锚杆杆体轴力分布较均匀;对于同列不同排的锚杆而言,各排锚杆杆体的轴力值差异较大,自上而下呈"C"型分布,底排锚杆和顶排锚杆承担大部分荷载。研究结果对于压力型锚杆支护滑坡的抗震设计具有一定的指导意义。      

钢筋混凝土管桩反射波法的三维有限元分析

对桩-土系统用三维有限元模型和Wilson- 直接积分法计算钢筋混凝土管桩顶面的瞬态动力响应,并由此分析了管桩顶面不同测点的反射波信号特征及其与桩身缺陷的对应规律。计算结果表明：管桩顶部波传播的三维效应对桩身浅部局部缺陷深度的判断有较大的影响,所得结论对由反射波法检测管桩全截面断裂和局部缺陷以及传感器的合理布置有较大的指导作用。     

端头扩大型土锚的新发展 ——船锚式注浆张开型土锚

作为提高锚固性能的一种有效手段，端头扩大型土锚被广泛应用于实际工程。介绍了端头扩大型锚杆的各种扩孔方法，重点阐述一种新型的船锚式注浆张开型土锚。带有锚抓的新型土锚，不需要专门的扩孔机械，在注浆作用下能连续完成端头扩张与灌浆，具有施工方便、锚固面大、效果好等优点。通过对土锚进行张开试验，证明了在上海等软土地区通过灌浆压力使锚抓张开并形成扩大头是能够实现的。     

沙漠公路风沙土路基风蚀破坏试验研究

以沙漠公路风沙土路基为研究对象,通过室内风蚀风洞试验研究路基的风蚀破坏规律,以及路基不同断面对风沙流运动的影响。以路基高度、路基边坡坡率和路基宽度作为路基断面主要设计参数,研究不同路基断面下风沙流扰动、增速、减速、恢复的过程,以及路基周围风速流场的变化特征,分析路基病害较未病害时路基周围流场的变化。试验结果表明：路基高度和边坡坡率对风沙流运动的影响较大。随路基高度增加,路基对风沙流流场扰动增强,迎风坡坡顶处吹蚀破坏和背风坡坡底处堆蚀破坏越显著,在确定的路基边坡坡率下,路基模型高度为250 mm较模型高度为60 mm时,迎风坡坡顶风速增加1.13倍,背风坡坡底风速减小2.53倍,建议沙漠公路路基高度宜小于2.5 m。进一步,在确定的路基高度下,比较不同的边坡坡率对路基沿程风速的影响,发现当路基边坡坡率为1:1.75时,路基沿程风速变化不明显,沙漠公路风沙土路基不宜被风蚀破坏。     

上埋式盖板涵受力特性及影响因素研究

现行公路桥涵设计通用规范中的土压力计算方法不能准确反映上埋式盖板涵的实际受力状态。结合现场测试和有限元数值模拟方法,分析了上埋式盖板涵在路堤填土荷载作用下的变形规律和受力特性,讨论了填土高度、填土性质、涵洞几何尺寸及地基弹性模量等因素对结构变形和受力状态的影响。研究结果表明：在填土荷载作用下,涵洞顶板、底板和侧墙均产生弯曲卸载现象,涵洞顶板、底板垂直土压力以及侧墙的水平土压力呈非线性分布,其实际受力状态与规范方法计算的结果存在较大差异。随着填土高度的增加,涵洞顶板和底板跨中及侧墙7h/8附近（h为涵洞侧墙高度）受到的土压力增长较慢,而在其他位置处土压力增长迅速。上埋式盖板涵设计和施工应综合考虑各种因素对结构受力状态的影响。     

反射波法在连临高速路基粉喷桩检测中的应用

采用反射波法对连临高速公路路基水泥土粉喷桩进行检测,结果表明,该路基粉喷桩反射信号有4种类型,分别对应桩顶、桩身缺陷和桩底的反射特征。证明反射波法应用于水泥土粉喷桩检测是可行的。     

滑坡防治格构梁锚固系统振动台模型试验

为研究地震作用下锚固系统的动力响应,采用振动台进行格构梁锚杆支护滑坡模型试验。试验分别输入汶川波、EL Centro波、正弦波作为地震激励,监测锚杆轴力、坡体加速度和位移时程,研究锚固滑坡在地震作用下的动力响应差别、不同位置锚杆在地震作用下的受力机制。结果表明：低量级地震波（0.05 g～0.40 g）作用下,坡脚相对坡体的其他部位,浅表效应表现明显,坡脚滑面由于反复的揉搓作用,更容易出现裂缝,影响整个锚固体的稳定;建议在拟静力法设计的基础上,在滑坡坡脚密集地打入短锚杆或土钉以平衡坡脚滑面处出现的不协调往复运动。高量级地震波作用（0.6 g～0.8 g）下,坡肩处坡表效应表现明显、坡顶滑面处裂缝宽度不断增长,更易出现崩裂、崩滑等现象;建议加长坡顶的第1排锚杆,以抑制坡顶滑面处裂缝的下切发展;同时在坡顶面垂直地打入短锚杆或种植根系发达的植物护坡。格构梁锚固系统不会出现素土边坡的整体性破坏,强震作用下,首先是坡脚锚杆的承载能力受到损伤,顶层锚杆的抗拉力则因坡顶面及上表面的拉裂急剧增长。研究结果为更加合理地进行锚杆抗震设计提供了良好的基础。