【正文】 ()又由式（），則自由錨桿在瞬態(tài)沖擊載荷作用下，在強迫振動階段的動態(tài)響應為位移： ()速度： ()加速度： ()瞬態(tài)沖擊載荷對錨桿作用完成后，錨桿進入自由振動階段。由于函數(shù)滿足式（），因此可將看作變量的一元函數(shù)，將看作是關于的直線，設，則 ()將式（）代入定解問題中有()根據(jù)疊加原理，滿足齊次邊界條件下波動方程定解問題 （） 采用分離變量法對式（）進行求解，設，將其代入式（）波動方程的齊次方程中，得到常微分方程及定解條件。在下面的討論中，除有特殊說明外，否則位移，應變，軸向力，質(zhì)點速度，質(zhì)點加速度均表示軸向方向即方向的分量。 理論模型的求解自由錨桿對沖擊載荷的響應可分為兩個階段：第一階段稱為強迫振動階段，也就是沖擊載荷作用階段，這一階段；第二階段稱為自由振動階段，發(fā)生于瞬態(tài)沖擊載荷撤銷之后，該階段。 （a）自由錨桿模型 （b）微元隔離體模型 自由錨桿力學模型假設時刻，錨桿受到敲擊力作用，微元上下截面的位置坐標分別為和，那么 （）由于是一個微小量，所以可對位移和軸向力做泰勒展開，→0，則 （） （）微元應變 （）將（）式、（）式代入（）式，得 （）軸向力即可表示為 （）其中，為錨桿橫截面的面積，為錨桿材料的彈性模量。在將錨桿中應力波的傳播作為一維彈性桿的波動理論進行研究前，需要做以下幾個假設：首先假設材料的性能與坐標無關，即錨桿的材料均勻且各向同性；然后假設錨桿的振動是彈性的，不涉及到塑性范圍；最后須滿足波陣面為平面，忽略橫向效應[67]。此時彈性波在板中將不在以單獨的縱波或橫波的形態(tài)傳播，而是以導波的形態(tài)傳播。例如桿，管，板等結(jié)構(gòu)(稱為波導)中的波均為導波?？v波(Longitudinal wave)在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)中質(zhì)點的震動方向和縱波的傳播方向一致，并且振源不斷向外傳播出疏密相間的震動。對全文所作的工作進行總結(jié)，并對今后的工作方向做出展望。系統(tǒng)講述了檢測儀的設計與開發(fā)過程，包括硬件設計、軟件設計和上位機的軟件的開發(fā)。首先介紹國內(nèi)外錨桿支護技術的發(fā)展，然后對錨桿錨固質(zhì)量檢測的重要性以及傳統(tǒng)的錨桿錨固質(zhì)量檢測方法做簡要分析，之后介紹了國內(nèi)外錨桿錨固質(zhì)量無損檢測技術，最后說明了本文的目的、意義及主要工作。 本文的研究主要可以分為三個部分，第一部分是通過理論推導，對應力波法用于錨桿錨固質(zhì)量檢測進行系統(tǒng)研究，研究應力波在錨桿體系中的傳播規(guī)律和應力波法檢測錨桿錨固質(zhì)量的機理，為錨桿錨固質(zhì)量應力波無損檢測儀的開發(fā)提供理論基礎。何存富等[6466]通過對錨固錨桿中導波頻散曲線的理論分析，得到了高頻導波檢測錨桿長度的最優(yōu)頻率值。其中具有代表性的有北京理工大學的王成、太原理工大學的張昌鎖以及北京工業(yè)大學的何存富和吳斌。在實驗方面，王成等設計了一種錨桿錨固質(zhì)量檢測儀（），利用高頻和低頻應力波相結(jié)合的方法對錨桿的錨固質(zhì)量進行檢測[57]。這種方法取決于對錨桿底端的反射波的識別上，但是由于在實際中應力波在錨固錨桿中傳播時能量衰減會很大，經(jīng)常無法采集到來自錨桿底端的應力波反射信號，導致該檢測儀的可測深度較小。根據(jù)反射波的走時和錨桿中應力波的波速就可以計算出錨桿的長度。1995~1998年，郭世明等[47]在大朝山水電站采用應力波法對近千根錨桿進行了質(zhì)量檢測。Zou所做的實驗皆基于透射傳輸方法，與實際工程中的檢測還有一定差距。系統(tǒng)工作時，先通過該系統(tǒng)的空氣錘對錨固錨桿的頂端進行敲擊，然后采集錨固系統(tǒng)的振動響應信號，并作頻譜分析。這種方法的不足在于無法確定錨桿長度以及錨桿缺陷的具體位置。此儀器評價錨固質(zhì)量好壞的關鍵在于觀察是否出現(xiàn)反射回波信號，但是儀器故障或超聲探頭與錨桿耦合不良同樣會引起無反射回波，這將會導致將錨固質(zhì)量差的錨固錨桿被認為是錨固質(zhì)量好的錨固錨桿，從而產(chǎn)生誤判。1987年，瑞典的Thurner [29]提出用超聲波能量的衰減來確定錨桿錨固質(zhì)量的理念。 上述四種錨桿錨固質(zhì)量的檢測方法普遍存在成本高、檢測范圍有限、精度差等問題。 鉆孔取芯法是沿著錨桿軸向?qū)㈠^桿、錨固劑、以及部分圍巖整體取出來，通過肉眼觀察對錨固質(zhì)量進行評價。其中，扭矩扳手的精度不高，而且不適用于全長錨固錨桿的檢測[2123]，例如兗礦集團東宇選礦設備公司生產(chǎn)的MLC型錨桿測力儀的原理是通過摩擦扭緊力矩來控制錨桿軸向預緊力的大小，而通過應變扭力傳感器來測量扭緊力矩 [24 ]。四川宜賓懸索橋[17]以及英國威爾士YnysYGwas索橋[18]的垮塌就是由于錨索的失效而造成的；2002年南非煤礦的坍塌[19]則是因為錨固錨桿的失效，在這場事故中有123人喪生。 錨桿錨固質(zhì)量檢測的重要性及傳統(tǒng)的檢測方法我國20世紀60年代以來在各類工程中使用了大量錨桿、錨索以及土釘，總數(shù)以億萬記，國外情況亦大體如此。我國在煤礦中采用錨桿支護技術開始于1956年，經(jīng)過50多年的發(fā)展，煤礦錨桿支護技術取得了很大的進步。20世紀70年代，在深基坑工程中使用土層錨桿開始在我國出現(xiàn)，如北京國際信托大廈、王府井賓館、京城大廈、上海展覽中心、上海太平洋飯店、沈陽中山大廈等大型基坑工程均采用了預應力土層錨桿進行穩(wěn)定性維護[2]。20世紀60年代以后，砂漿錨桿與噴射混凝土支護技術在礦山巷道、鐵路隧道及邊坡加固中得到了普及 [10]。美國和澳大利亞幾乎所有的巷道均采用了錨桿支護技術，并認為不能用錨桿支護的煤層，開發(fā)是不經(jīng)濟的[69]。由于法國巷道發(fā)生了幾起嚴重的圍巖坍塌，促使法國煤炭科學研究院在Lorraine煤田對樹脂錨桿進行了深入的研究，使法國錨桿支護技術獲得了較快的發(fā)展，每千噸煤的錨桿用量從1970年的23根上升到了1982年底的80根[4]。1957年，前聯(lián)邦德國的Bauer公司在深基坑中使用了土層錨桿[2]。20世紀50年代，英、法、德、瑞典等西歐國家也開始研究并應用錨桿支護技術。1905年，在美國的礦山中也出現(xiàn)了類似的鋼筋加固工程[2]。目錄摘要 IABSTRACT II目錄 III第1章 緒論 1 本論文研究的背景和意義 1 國外錨桿支護技術的發(fā)展 1 國內(nèi)錨桿支護技術的發(fā)展 3 錨桿錨固質(zhì)量檢測的重要性及傳統(tǒng)的檢測方法 4 5 5 7 本文的目的及意義 9 9第2章 應力波法錨桿錨固質(zhì)量檢測技術的機理研究 11 自由錨桿瞬態(tài)敲擊下理論模型的建立及求解 12 理論模型的建立 12 理論模型的求解 14 錨固錨桿在瞬態(tài)敲擊下理論模型的建立及求解 20 理論模型的建立 20 理論模型的求解 21 應力波在錨桿體系中的傳播特征分析 24 本章小結(jié) 25第3章 錨桿錨固質(zhì)量無損檢測儀的開發(fā) 26 無損檢測儀硬件設計 26 無損檢測儀軟件設計 30 無損檢測儀上位機軟件開發(fā) 35 上位機通信功能的實現(xiàn) 36 數(shù)據(jù)處理模塊 39 數(shù)據(jù)曲線繪制模塊 40 本章小結(jié) 45第4章 錨桿錨固質(zhì)量無損檢測儀的實驗研究 46 無損檢測儀的準確性測試 46 自由錨桿模型實驗 46 端錨錨桿模型實驗 47 無損檢測儀的穩(wěn)定性測試 49 本章小結(jié) 50第5章 總結(jié)與展望 51 內(nèi)容總結(jié) 51 研究展望 51參考文獻 53攻讀碩士學位期間發(fā)表論文與研究成果清單 58致謝 5967第1章 緒論 本論文研究的背景和意義錨桿支護技術是指利用具有較大剛度、強度等力學性能的錨桿與周圍的巖體一起組成錨固體系，以此來加強和支護巖體與土體，同時發(fā)揮和調(diào)動巖土體的自身強度和自穩(wěn)能力并最終實現(xiàn)巖土工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的錨固工程技術[1]。關鍵詞：錨桿；無損檢測；錨固質(zhì)量；檢測儀；AbstractRock bolts have been widely used in fields of slope, foundation pit, tunnel, mine roadways and underground engineer because they can obviously stabilize surrounding rocks and their cost is low. Traditional ways to detect anchorage quality are: torque wrench method, pullout test method, overcoring method and force transducer method. All these four methods are costly, limited to certain area and their accuracy is poor. Besides, pullout test and overcoring method are destructive testing methods. Recently stress wave reflection method and guided wave method are used to test the anchorage quality. Stress wave reflection method has been used in some projects, but guided wave method is still in research stage. Both these two nondestructive testing methods have difficulties in practice although they are mature theoretically. In this thesis we studied theoretical bases of stress wave method for anchorage quality testing, built theoretical models and developed a nondestructive testing machine. The major contributions in this dissertation are as follows.1. Theoretical bases of stress wave method for anchorage quality testing is studied. Theoretical models of free bolt and cement grouted bolt under transient beat are built. Then characteristics of stress wave spreading in rock bolts system are analyzed.2. The development process of nondestructive testing machine for rock bolts bonding integrity based on stress wave is introduced, including the development of hardware, software and superior machine software. Communications protocol between machine and superior machine and munication function are made to ensure the accuracy of munication process. Estimate range and phase analysis are used to improve the precision of measure.3. Free bolt model and cement grouted bolt model are made. We tested free bolt model and cement grouted bolt model using the nondestructive testing machine. The test proved that the nondestructive testing machine can measure total length and effective anchorage length of rock bolt, estimate anchorage force and evaluate anchorage quality. Key Words: rock bolts。，其中包括檢測儀的硬件設計、軟件開發(fā)、上位機軟件的編制并制作了檢測儀樣機。以上兩種錨桿錨固質(zhì)量無損檢測方法雖然在理論上已經(jīng)比較成熟，但在實踐應用方面還存在很多問題需要解決。但由于錨桿支護屬于隱性支護，對錨固質(zhì)量的監(jiān)測和檢測并不容易。與我一同工作的合作者對此研究工作所做的任何貢獻均已在學位論文中作了明確的說明并表示了謝意。盡我所知，文中除特別標注和致謝的地方外，學位論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京理工大學或其它教育機構(gòu)的學位或證書所使用過的材料。 簽 名： 日期： 導師簽名： 日期：北京理