声激励锚杆轴力监测装置设计原理与方法研究

摘要

本文旨在研究一种锚杆轴力监测装置。锚杆支护作为岩土锚固技术的重要方式，由于其对巷道围岩的强化，显著提高了围岩的稳定性，加上它具有支护成本低、劳动强度低、明显改善作业环境和安全生产条件等优点，目前已成为世界各国矿井巷道的主要支护形式，同时也广泛应用在边坡稳定、深基坑维护、隧道及洞体支护、坝基桥基锚固等工程中。随着时间的推移，由于矿物的不断开采、地质条件的变化等因素，围岩的稳定性会发生改变，进而造成锚杆锚固失效，引起巷道的坍塌，这就需要及时的调整支护设计，以适应变化的围岩条件，因此对锚杆支护的质量进行监测成为关键，其中对锚杆的轴力监测是非常重要的内容。
　　在分析了国内外锚杆轴力监测装置的现状后，本文根据目前监测装置的不足，提出了一种利用声激励对锚杆轴力进行无损监测的装置和方法，即利用声固耦合和声谱分析，通过人耳来听取声音的大小和频率，来判断锚杆所承受轴力的大小。首先理论分析，为实现对锚杆轴力的监测，根据含有预应力的端锚锚杆的受力状态，从薄板的振动理论和预应力与模态的关系理论进行了分析，辅以声学部分的相关理论，为监测原理的实现奠定了理论基础。然后提出方案，为实现锚杆轴力的监测，根据锚杆的应用特点和应用场合，设计出了三种方案模型，分别对三种方案在力学、模态和声场进行了计算和分析，得出了方形锚杆轴力监测装置为最佳方案。最后分析组成部件，为研究监测装置的各组成零部件的参数对性能的影响，对支撑柱进行了压杆稳定性的计算，对压板的厚度变化，承载体的尺寸变化，共振板的厚度、尺寸、材料的不同，分别进行了详细的计算和分析。
　　本文提出了一种利用声激励实现锚杆轴力监测的装置和方法，首先在理论上进行了分析，实现了监测原理在理论上的可行性研究；然后使用ANSYS和Virtual.Lab Acoustics软件进行仿真计算，从模拟仿真的方面进行分析，仿真计算的结果满足设计要求，所以研究表明该方法可行有效。