第一章 緒 論

1.1 研究背景及意義
錨固技術(shù)是地下工程施工中十分重要的技術(shù)之一,在我國人們習慣稱之為錨桿支護技術(shù)，而國外一般稱之為錨固技術(shù)或者錨桿加固技術(shù)。其維持地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵就是利用土體或者巖體的錨固力，防止地下工程中出現(xiàn)災(zāi)害性的事故如坍塌、滑移等事故，保證工程的安全可靠性。錨固技術(shù)的原理便是其一側(cè)是與工程實體結(jié)構(gòu)連接在一起，作為支撐點；另一側(cè)則是插入至巖土體等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，起到承載結(jié)構(gòu)物的上托力和抗拔力的作用以達到穩(wěn)固結(jié)構(gòu)的效果，即錨固作用。錨固技術(shù)具有充分利用巖土體自身的條件來增加自穩(wěn)的能力；節(jié)約了大量基礎(chǔ)材料如鋼結(jié)構(gòu)支撐等，大大改善了施工條件；作業(yè)空間占用少；錨固地層范圍廣等特點[1]。錨固技術(shù)是一種經(jīng)濟可靠的技術(shù)，目前在鐵路、隧道、橋梁、礦山、地基建樓的工程項目中都得到了應(yīng)用[2-3]。由于錨固技術(shù)具有高度的隱蔽性，因而發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量問題很困難，處理事故就會更為困難。隨之而來的錨固系統(tǒng)質(zhì)量檢測便成為了錨固技術(shù)中不可缺少的環(huán)節(jié)，因為只有提高錨固系統(tǒng)的質(zhì)量才能使得錨固系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提高，進而才會提高錨固工程的安全性�，F(xiàn)如今，錨桿錨固系統(tǒng)質(zhì)量檢測的常用方法有拉拔試驗法和無損檢測法。拉拔試驗法是一種基于摩擦作用的復(fù)雜的、具有破壞性的試驗方法[4]。而無損檢測法則不會損壞錨桿錨固結(jié)構(gòu)僅通過應(yīng)力波波形得出錨桿錨固系統(tǒng)的質(zhì)量參數(shù)，判定缺陷的位置來評價其質(zhì)量的好壞。無損檢測技術(shù)的迅猛發(fā)展已經(jīng)成為一種趨勢，其應(yīng)用也更加廣泛。通過無損檢測方法就能夠在不破壞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下保證系統(tǒng)更為可靠的安全性，從而減免各種不必要的損失。
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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
在錨桿錨固系統(tǒng)質(zhì)量檢測中通常采用的檢測方法有拉拔試驗檢測法和無損檢測法兩大類，下面分別對其進行介紹。人們普遍習慣采用的檢測錨桿錨固系統(tǒng)質(zhì)量的方法就是拉拔試驗法，其原理就是利用輔助儀器(一般為液壓千斤頂)對錨桿施加拉拔力，根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定極限值，當達到這一極限值時停止施加拉拔力，并以曲線的形式記錄施加的拉拔力大小和錨桿的長度，即位移-載荷曲線，并對其進行分析來判斷錨桿錨固系統(tǒng)的質(zhì)量[8-9]。但是，這種方法具有一定的局限性，首先是預(yù)設(shè)定值的選擇，如果預(yù)設(shè)定值超出極限承載力則有可能會對錨桿錨固系統(tǒng)造成永久性的損壞。如若預(yù)設(shè)定值與極限承載力相比小很多，則得到的位移-載荷曲線可能只能表示其真實情況的一部分而無法達到檢測的效果；其次是經(jīng)濟性，該方法費時費力耗材，一旦錨桿錨固系統(tǒng)被損壞便不能恢復(fù)，不可再繼續(xù)使用。所以不適用于批量檢測。綜上分析考慮，傳統(tǒng)的拉拔試驗法的適用范圍有限，不具有普遍性，而且拉拔試驗并不能完全表達錨桿錨固系統(tǒng)的錨固狀態(tài)，因為表征錨固狀態(tài)的不僅是極限承載力，還包括錨桿的長度、錨固的長度和缺陷的位置等信息。與拉拔試驗不同的是無損檢測方法的檢測宗旨就是在不影響錨桿錨固系統(tǒng)本身應(yīng)用性能的基本原則下對其進行質(zhì)量檢測。該方法的技術(shù)主體是根據(jù)波的傳播原理和信號分析技術(shù)來研究錨桿錨固系統(tǒng)的參數(shù)以及是否存在質(zhì)量問題，以此確定拉拔試驗無法確定的錨桿長度、錨固長度和缺陷位置等表征錨固狀態(tài)的信息。常用的無損檢測方法有渦流檢測、磁粉檢測、超聲導波檢測、射線檢測和滲透檢測等等[10-13]。在二十世紀八十年代，瑞典學者利用超聲法研制出的可以檢測砂漿錨桿錨固狀態(tài)的儀器，但最終因為苛刻的激發(fā)條件和快速的衰減狀態(tài)等缺點，使得檢測儀器因無法評價錨桿錨固系統(tǒng)的施工質(zhì)量而無法適用于現(xiàn)場應(yīng)用。隨后，國內(nèi)學者對聲波探測技術(shù)展開了研究，郭世明學者利用應(yīng)力波技術(shù)對錨桿進行質(zhì)量檢測[14]，該研究取得了一定的成果，說明了應(yīng)力波法可以運用在錨桿錨固系統(tǒng)質(zhì)量檢測上。汪明武等學者采用聲頻應(yīng)力波法對錨桿錨固系統(tǒng)質(zhì)量進行快速普查和錨固力預(yù)測試驗[15-16] ，在這項研究實現(xiàn)了在不損壞錨桿錨固系統(tǒng)的情況下回執(zhí)除了拉拔曲線，在錨固系統(tǒng)臨近破壞時拉拔曲線會有明顯變化[17]。重慶大學許明主要利用聲波檢測測試了錨桿錨固系統(tǒng)工程的完整性，并在無損檢測方面利用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[18-20]。太原理工大學李義教授用應(yīng)力波反射法對實驗室模型和現(xiàn)場錨桿錨固系統(tǒng)進行了工作參數(shù)的檢測和質(zhì)量檢測，該方法基本上滿足了施工安全檢測和支護要求[21-24]。除上述研究外，學者們在理論和應(yīng)用上對錨桿錨固系統(tǒng)質(zhì)量的無損檢測都做了大量工作，促進了無損檢測技術(shù)在錨桿錨固系統(tǒng)質(zhì)量檢測上的發(fā)展，但還有許多問題亟待更深入的研究[25]。
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第二章 錨桿錨固系統(tǒng)有限元模型建立及其數(shù)值分析

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)逐步成為一門獨立科學，應(yīng)用在各個工程領(lǐng)域，如巖土工程、建筑工程、隧道工程、橋梁工程等。由于數(shù)值模擬技術(shù)可以準確的預(yù)測工程項目中的各項指標和數(shù)據(jù)，對工程項目起到了預(yù)測項目安全性、可靠性和穩(wěn)定性的作用，一定程度上減少人身和財產(chǎn)的損失[44]。在大量的數(shù)值模擬分析方法中，得以普遍應(yīng)用的就是有限元分析方法[44]。在本文中建立不同錨固狀態(tài)的錨桿錨固系統(tǒng)的模型并進行數(shù)值分析所采用的就是動力有限元分析方法。有限元分析方法，是對連續(xù)的結(jié)構(gòu)體進行劃分操作使之成為有限個離散的單元然后根據(jù)實際需要對離散單元進行相應(yīng)的操作，利用ANSYS/LS-DYNA 軟件完成不同錨固狀態(tài)的錨桿錨固系統(tǒng)模型的建立，根據(jù)應(yīng)力波反射法在模型建立中模擬小錘在鋼筋端頭敲擊的過程，也就需要在錨桿錨固系統(tǒng)模型的鋼筋頂端端面施加瞬時載荷來模擬應(yīng)力波的傳播，在模型的頂端面上取點模擬傳感器采集數(shù)據(jù)，為錨固狀態(tài)的智能預(yù)測提供分析基礎(chǔ)。

2.1 有限元分析軟件 ANSYS/LS-DYNA 概述
集 LS-DYNA 顯式有限元分析程序和 ANSYS 程序的強大的前后處理功能合為一體是 ANSYS/LS-DYNA 有限元分析軟件的一大特點，對于瞬時的大形變動力學問題、多重非線性的靜態(tài)問題以及復(fù)雜的接觸碰撞等問題它可以利用LS-DYNA 的顯式求解算法快速準確地求解，這是對 ANSYS 程序功能的補充完善。使用該程序可以通過利用 ANSYS 程序來完成模型的建立過程，借助LS-DYNA 程序的功能可以完成顯式求解過程，在呈現(xiàn)求解結(jié)果時可以利用傳統(tǒng)的 ANSYS 后處理程序，如果要實現(xiàn)隱式(顯式)－顯式(隱式)分析的話也可以綜合利用 ANSYS 和 ANSYS/LS-DYNA，借助他們之間的聯(lián)系來完成分析求解實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。
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2.2 錨桿錨固系統(tǒng)有限元模型的建立
有限元模型的建立過程是 ANSYS/LS-DYNA 顯示動力分析方法的一個重要環(huán)節(jié)，而且模型建立是顯示動力分析中花費的時間在整個過程中也是最多的。因此，為了能夠基于經(jīng)濟性、高效性和準確性的基本原則建立模型，下面講述的就是一般在建模過程中需要考慮的基本準則：(1)客觀真實性；必須保證建立的分析模型能夠客觀反映結(jié)果系統(tǒng)的真實的客觀主要特征，否則將影響數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。因此，在流程圖的第一層所設(shè)置的綜合考慮結(jié)果特點、計算精度和計算成本完成分析方案的總體規(guī)劃這一環(huán)節(jié)是十分必要的。(2)節(jié)省時間；例如對于模型中變形結(jié)構(gòu)并不重要的部分可以選擇節(jié)省 CPU時間的剛體來完成，但是需要考慮的是對剛體的彈性模量值的設(shè)置不可以選擇不切實際的很大的值。(3)單元和材料參數(shù)的設(shè)定；在建模的過程中設(shè)置單元和材料的參數(shù)時應(yīng)該選擇符合實際的值，例如，在設(shè)定殼單元厚度值時不能設(shè)置不切實際的值。對材料長度、時間和特性時應(yīng)該選擇自協(xié)調(diào)的單位系統(tǒng)。(4)盡量不選擇退化的實體單元；例如，棱柱、三角形和四面體，因為這些形狀較僵硬，影響彎曲時的效果，，而應(yīng)盡量選用令人滿意的立方體的磚塊單元。(5)盡可能地避免小單元；小單元往往會在很大程度使得時間步長降低，在特殊情況下選擇的話，應(yīng)利用質(zhì)量縮放使得極限的時間步長增加。
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第三章 基于差異演化算法的概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能預(yù)測.....32
3.1 傳統(tǒng)的概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò).... 32
3.2 差異演化算法........ 39
3.2.1 演化算法......... 39
3.2.2 差異演化算法......... 39
3.2.3 差異演化算法框架......... 40
3.3 錨桿錨固系統(tǒng)狀態(tài)的智能識別.... 41
3.4 本章小結(jié)........ 50
第四章 錨桿錨固系統(tǒng)質(zhì)量無損檢測實驗與分析.........51
4.1 實驗設(shè)計........ 51
4.2 實驗結(jié)果與分析.... 58
4.3 本章小結(jié)........ 66
第五章 結(jié)論與展望......... 67
5.1 結(jié)論........ 67
5.2 展望........ 68

第四章 錨桿錨固系統(tǒng)質(zhì)量無損檢測實驗與分析

在第二章中介紹了錨桿錨固系統(tǒng)有限元模型的建立，并通過對錨桿長度的計算來判斷有限元模型的精準程度；在第三章中，利用由第二章數(shù)值模擬中產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)進行錨桿錨固系統(tǒng)狀態(tài)的智能預(yù)測，達到了較為可靠的結(jié)果；然而并不能據(jù)此說明概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和改進的概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以在實際工程項目中得以應(yīng)用。為了證明其適用性，本章將介紹現(xiàn)場實驗然后根據(jù)實驗結(jié)果進行系統(tǒng)狀態(tài)的智能預(yù)測來驗證。

4.1 實驗設(shè)計

本節(jié)實驗是采用AGI-MG錨桿錨固質(zhì)量無損檢測儀對完整錨桿錨固系統(tǒng)和缺陷錨桿錨固系統(tǒng)進行實驗數(shù)據(jù)的采集。該實驗的原理是根據(jù)聲頻應(yīng)力波在傳播過程中遇到介質(zhì)的波阻抗大小發(fā)生變化時會產(chǎn)生透射現(xiàn)象和反射現(xiàn)象，如果在錨桿頂端收集反射信號，就會同模擬分析一樣，根據(jù)反射信號可以判斷錨桿錨固系統(tǒng)的質(zhì)量，可以計算錨桿錨固系統(tǒng)的錨桿長度、錨固長度以及缺陷的位置。錨桿錨固質(zhì)量無損檢測儀 AGI-MG 可以在對錨桿桿體及支護狀態(tài)沒有任何損傷的情況下測定其錨固特征長度和注漿密實度等錨桿錨固系統(tǒng)質(zhì)量參數(shù)，評價單體錨桿支護狀態(tài)。該儀器包括了平板電腦、無線路由器、無線數(shù)據(jù)采集儀、Chirp 信號發(fā)射器和加速度傳感器。如圖 4-1 所示。

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結(jié)論

隨著巖土錨固工程已在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，而且針對其施工具有高度的隱蔽性，發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量問題相當困難，對于事故處理則更為困難，因此錨桿錨固系統(tǒng)是否處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)等一系列的質(zhì)量檢測問題在錨桿錨固工程中的地位和作用也越來越廣泛。本文以錨桿錨固系統(tǒng)的錨固狀態(tài)的智能識別為主線，重點研究了錨桿錨固系統(tǒng)有限元模型的建立、試驗和概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，從而達到系統(tǒng)狀態(tài)智能識別的效果。本文研究是基于應(yīng)力波反射法，利用ANSYS/LS-DYNA 有限元分析軟件建立了不同錨固狀態(tài)的錨桿錨固系統(tǒng)，并對其進行分析，得到錨桿錨固系統(tǒng)模型的錨桿長度、錨固長度，從而確定模型建立的效果；本文基于概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用差異演化算法對其進行改進，利用改進算法和基本的概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)的錨固狀態(tài)進行智能預(yù)測，并對其預(yù)測結(jié)果做了對比。總結(jié)起來，本文主要完成了以下工作：
(1)通過大量查閱文獻資料，分析了對錨桿錨固系統(tǒng)質(zhì)量的重要意義，概述了錨固技術(shù)、有限元分析和概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向。
(2)深入學習了 ANSYS/LS-DYNA 有限元分析軟件，并利用其對完整錨桿錨固系統(tǒng)、過長錨桿錨固系統(tǒng)、欠長錨桿錨固系統(tǒng)和錨固中有缺陷錨桿錨固系統(tǒng)這四種錨固狀態(tài)的系統(tǒng)進行有限元模型的建立，并分析了各模型的受荷響應(yīng)，計算錨桿長度、錨固長度和缺陷的位置，將計算結(jié)果與實際設(shè)計長度相對比，誤差很小，有限元模型基本達到了設(shè)計要求。
(3)介紹了概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并在基本概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上利用差異演化算法對其進行了改進，對小波包分析理論進行了研究分析，利用了小波包的方法實現(xiàn)了對受荷響應(yīng)信號分解，并對分解后的系數(shù)進行重構(gòu)，應(yīng)用小波包能量譜的方法，完成了信號的能量特征值提取，并轉(zhuǎn)化為特征向量作為基本概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和基于差異演化算法的概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，并對這兩種智能預(yù)測方法對有限元模擬模型的智能識別效果進行了對比。
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參考文獻(略)

本文編號：313566