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(guó)人們習(xí)慣稱之為錨桿支護(hù)技術(shù)，而國(guó)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(shí)體結(jié)構(gòu)連接在一起，作為支撐點(diǎn)；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(dá)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(lái)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(diǎn)[1]。錨固技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)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(xiàng)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(wèn)題很困難，處理事故就會(huì)更為困難。隨之而來(lái)的錨固系統(tǒng)質(zhì)量檢測(cè)便成為了錨固技術(shù)中不可缺少的環(huán)節(jié)，因?yàn)橹挥刑岣咤^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(jìn)而才會(huì)提高錨固工程的安全性。現(xiàn)如今，錨桿錨固系統(tǒng)質(zhì)量檢測(cè)的常用方法有拉拔試驗(yàn)法和無(wú)損檢測(cè)法。拉拔試驗(yàn)法是一種基于摩擦作用的復(fù)雜的、具有破壞性的試驗(yàn)方法[4]。而無(wú)損檢測(cè)法則不會(huì)損壞錨桿錨固結(jié)構(gòu)僅通過(guò)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(lái)評(píng)價(jià)其質(zhì)量的好壞。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的迅猛發(fā)展已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，其應(yīng)用也更加廣泛。通過(guò)無(wú)損檢測(cè)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。
.........

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
在錨桿錨固系統(tǒng)質(zhì)量檢測(cè)中通常采用的檢測(cè)方法有拉拔試驗(yàn)檢測(cè)法和無(wú)損檢測(cè)法兩大類，下面分別對(duì)其進(jìn)行介紹。人們普遍習(xí)慣采用的檢測(cè)錨桿錨固系統(tǒng)質(zhì)量的方法就是拉拔試驗(yàn)法，其原理就是利用輔助儀器(一般為液壓千斤頂)對(duì)錨桿施加拉拔力，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定極限值，當(dāng)達(dá)到這一極限值時(shí)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(zhǎng)度，即位移-載荷曲線，并對(duì)其進(jìn)行分析來(lái)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(huì)對(duì)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(shí)情況的一部分而無(wú)法達(dá)到檢測(cè)的效果；其次是經(jīng)濟(jì)性，該方法費(fèi)時(shí)費(fèi)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(cè)。綜上分析考慮，傳統(tǒng)的拉拔試驗(yàn)法的適用范圍有限，不具有普遍性，而且拉拔試驗(yàn)并不能完全表達(dá)錨桿錨固系統(tǒng)的錨固狀態(tài)，因?yàn)楸碚麇^固狀態(tài)的不僅是極限承載力，還包括錨桿的長(zhǎng)度、錨固的長(zhǎng)度和缺陷的位置等信息。與拉拔試驗(yàn)不同的是無(wú)損檢測(cè)方法的檢測(cè)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(duì)其進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。該方法的技術(shù)主體是根據(jù)波的傳播原理和信號(hào)分析技術(shù)來(lái)研究錨桿錨固系統(tǒng)的參數(shù)以及是否存在質(zhì)量問(wèn)題，以此確定拉拔試驗(yàn)無(wú)法確定的錨桿長(zhǎng)度、錨固長(zhǎng)度和缺陷位置等表征錨固狀態(tài)的信息。常用的無(wú)損檢測(cè)方法有渦流檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、超聲導(dǎo)波檢測(cè)、射線檢測(cè)和滲透檢測(cè)等等[10-13]。在二十世紀(jì)八十年代，瑞典學(xué)者利用超聲法研制出的可以檢測(cè)砂漿錨桿錨固狀態(tài)的儀器，但最終因?yàn)榭量痰募ぐl(fā)條件和快速的衰減狀態(tài)等缺點(diǎn)，使得檢測(cè)儀器因無(wú)法評(píng)價(jià)錨桿錨固系統(tǒng)的施工質(zhì)量而無(wú)法適用于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。隨后，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)聲波探測(cè)技術(shù)展開(kāi)了研究，郭世明學(xué)者利用應(yīng)力波技術(shù)對(duì)錨桿進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)[14]，該研究取得了一定的成果，說(shuō)明了應(yīng)力波法可以運(yùn)用在錨桿錨固系統(tǒng)質(zhì)量檢測(cè)上。汪明武等學(xué)者采用聲頻應(yīng)力波法對(duì)錨桿錨固系統(tǒng)質(zhì)量進(jìn)行快速普查和錨固力預(yù)測(cè)試驗(yàn)[15-16] ，在這項(xiàng)研究實(shí)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(shí)拉拔曲線會(huì)有明顯變化[17]。重慶大學(xué)許明主要利用聲波檢測(cè)測(cè)試了錨桿錨固系統(tǒng)工程的完整性，并在無(wú)損檢測(cè)方面利用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[18-20]。太原理工大學(xué)李義教授用應(yīng)力波反射法對(duì)實(shí)驗(yàn)室模型和現(xiàn)場(chǎng)錨桿錨固系統(tǒng)進(jìn)行了工作參數(shù)的檢測(cè)和質(zhì)量檢測(cè)，該方法基本上滿足了施工安全檢測(cè)和支護(hù)要求[21-24]。除上述研究外，學(xué)者們?cè)诶碚摵蛻?yīng)用上對(duì)錨桿錨固系統(tǒng)質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)都做了大量工作，促進(jìn)了無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在錨桿錨固系統(tǒng)質(zhì)量檢測(cè)上的發(fā)展，但還有許多問(wèn)題亟待更深入的研究[25]。
.......

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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)逐步成為一門獨(dú)立科學(xué)，應(yīng)用在各個(gè)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(zhǔn)確的預(yù)測(cè)工程項(xiàng)目中的各項(xiàng)指標(biāo)和數(shù)據(jù)，對(duì)工程項(xiàng)目起到了預(yù)測(cè)項(xiàng)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(cái)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(jìn)行數(shù)值分析所采用的就是動(dòng)力有限元分析方法。有限元分析方法，是對(duì)連續(xù)的結(jié)構(gòu)體進(jìn)行劃分操作使之成為有限個(gè)離散的單元然后根據(jù)實(shí)際需要對(duì)離散單元進(jìn)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(guò)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(shí)載荷來(lái)模擬應(yīng)力波的傳播，在模型的頂端面上取點(diǎn)模擬傳感器采集數(shù)據(jù)，為錨固狀態(tài)的智能預(yù)測(cè)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(qiáng)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(diǎn)，對(duì)于瞬時(shí)的大形變動(dòng)力學(xué)問(wèn)題、多重非線性的靜態(tài)問(wèn)題以及復(fù)雜的接觸碰撞等問(wèn)題它可以利用LS-DYNA 的顯式求解算法快速準(zhǔn)確地求解，這是對(duì) ANSYS 程序功能的補(bǔ)充完善。使用該程序可以通過(guò)利用 ANSYS 程序來(lái)完成模型的建立過(guò)程，借助LS-DYNA 程序的功能可以完成顯式求解過(guò)程，在呈現(xiàn)求解結(jié)果時(shí)可以利用傳統(tǒng)的 ANSYS 后處理程序，如果要實(shí)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(lái)完成分析求解實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。
........

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(guò)程是 ANSYS/LS-DYNA 顯示動(dòng)力分析方法的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，而且模型建立是顯示動(dòng)力分析中花費(fèi)的時(shí)間在整個(gè)過(guò)程中也是最多的。因此，為了能夠基于經(jīng)濟(jì)性、高效性和準(zhǔn)確性的基本原則建立模型，下面講述的就是一般在建模過(guò)程中需要考慮的基本準(zhǔn)則：(1)客觀真實(shí)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(shí)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(diǎn)、計(jì)算精度和計(jì)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(shí)間；例如對(duì)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(shí)間的剛體來(lái)完成，但是需要考慮的是對(duì)剛體的彈性模量值的設(shè)置不可以選擇不切實(shí)際的很大的值。(3)單元和材料參數(shù)的設(shè)定；在建模的過(guò)程中設(shè)置單元和材料的參數(shù)時(shí)應(yīng)該選擇符合實(shí)際的值，例如，在設(shè)定殼單元厚度值時(shí)不能設(shè)置不切實(shí)際的值。對(duì)材料長(zhǎng)度、時(shí)間和特性時(shí)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(shí)體單元；例如，棱柱、三角形和四面體，因?yàn)檫@些形狀較僵硬，影響彎曲時(shí)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(huì)在很大程度使得時(shí)間步長(zhǎng)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(shí)間步長(zhǎng)增加。
........

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(cè).....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(shí)別.... 41
3.4 本章小結(jié)........ 50
第四章 錨桿錨固系統(tǒng)質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)與分析.........51
4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)........ 51
4.2 實(shí)驗(yàn)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(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)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(guò)對(duì)錨桿長(zhǎng)度的計(jì)算來(lái)判斷有限元模型的精準(zhǔn)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(jìn)行錨桿錨固系統(tǒng)狀態(tài)的智能預(yù)測(cè)，達(dá)到了較為可靠的結(jié)果；然而并不能據(jù)此說(shuō)明概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和改進(jìn)的概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以在實(shí)際工程項(xiàng)目中得以應(yīng)用。為了證明其適用性，本章將介紹現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)的智能預(yù)測(cè)來(lái)驗(yàn)證。

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本節(jié)實(shí)驗(yàn)是采用AGI-MG錨桿錨固質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)儀對(duì)完整錨桿錨固系統(tǒng)和缺陷錨桿錨固系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。該實(shí)驗(yàn)的原理是根據(jù)聲頻應(yīng)力波在傳播過(guò)程中遇到介質(zhì)的波阻抗大小發(fā)生變化時(shí)會(huì)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(hào)，就會(huì)同模擬分析一樣，根據(jù)反射信號(hào)可以判斷錨桿錨固系統(tǒng)的質(zhì)量，可以計(jì)算錨桿錨固系統(tǒng)的錨桿長(zhǎng)度、錨固長(zhǎng)度以及缺陷的位置。錨桿錨固質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)儀 AGI-MG 可以在對(duì)錨桿桿體及支護(hù)狀態(tài)沒(méi)有任何損傷的情況下測(cè)定其錨固特征長(zhǎng)度和注漿密實(shí)度等錨桿錨固系統(tǒng)質(zhì)量參數(shù)，評(píng)價(jià)單體錨桿支護(hù)狀態(tài)。該儀器包括了平板電腦、無(wú)線路由器、無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀、Chirp 信號(hào)發(fā)射器和加速度傳感器。如圖 4-1 所示。

.........

結(jié)論

隨著巖土錨固工程已在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而且針對(duì)其施工具有高度的隱蔽性，發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量問(wèn)題相當(dāng)困難，對(duì)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(yùn)行狀態(tài)等一系列的質(zhì)量檢測(cè)問(wèn)題在錨桿錨固工程中的地位和作用也越來(lái)越廣泛。本文以錨桿錨固系統(tǒng)的錨固狀態(tài)的智能識(shí)別為主線，重點(diǎn)研究了錨桿錨固系統(tǒng)有限元模型的建立、試驗(yàn)和概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，從而達(dá)到系統(tǒng)狀態(tài)智能識(shí)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(duì)其進(jìn)行分析，得到錨桿錨固系統(tǒng)模型的錨桿長(zhǎng)度、錨固長(zhǎng)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(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，利用改進(jìn)算法和基本的概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)的錨固狀態(tài)進(jìn)行智能預(yù)測(cè)，并對(duì)其預(yù)測(cè)結(jié)果做了對(duì)比�？偨Y(jié)起來(lái)，本文主要完成了以下工作：
(1)通過(guò)大量查閱文獻(xiàn)資料，分析了對(duì)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向。
(2)深入學(xué)習(xí)了 ANSYS/LS-DYNA 有限元分析軟件，并利用其對(duì)完整錨桿錨固系統(tǒng)、過(guò)長(zhǎng)錨桿錨固系統(tǒng)、欠長(zhǎng)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(jìn)行有限元模型的建立，并分析了各模型的受荷響應(yīng)，計(jì)算錨桿長(zhǎng)度、錨固長(zhǎng)度和缺陷的位置，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際設(shè)計(jì)長(zhǎng)度相對(duì)比，誤差很小，有限元模型基本達(dá)到了設(shè)計(jì)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(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)小波包分析理論進(jìn)行了研究分析，利用了小波包的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)受荷響應(yīng)信號(hào)分解，并對(duì)分解后的系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，應(yīng)用小波包能量譜的方法，完成了信號(hào)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(duì)這兩種智能預(yù)測(cè)方法對(duì)有限元模擬模型的智能識(shí)別效果進(jìn)行了對(duì)比。
.........
參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：313566