超声导波在锚杆锚固质量检测中的应用研究

摘要

目前，锚杆支护广泛地应用于铁路、公路、隧道、矿山等岩土工程中。然而，这些工程中的锚杆大多掩埋在地层或岩层中，具有很大的隐蔽性，如何有效的检测其锚固质量至今没有一个很好的方法，大多还是采用传统的方法。传统方法具有一定的破坏性，对于规模较大的锚杆锚固质量检测只能采用抽样检测，抽样本身就有一定的偶然性，在这种有一定危险系数的工程中抽样检测并不是最好的选择。无损检测方法的研究和出现很好的弥补了传统方法的不足，但由于检测理论的不成熟和现场条件的限制，至今仍然没有完美的测试设备出现。在无损检测方法的研究中，应力波和超声导波占主导地位，超声导波具有速度快、范围广、距离长、成本低的特点，本文将重点研究超声导波。在理论基础上，进行了大量的数值模拟和实验研究，为超声导波技术广泛地应用于锚杆锚固质量的检测打下一定的基础。
　　 本文的研究工作分为以下几个方面:
　　 (1)对超声导波在锚杆锚固质量检测方面的国内外研究现状进行了调查，尤其是在实验研究和数值模拟方面，并对其应用前景做了阐述。
　　 (2)介绍了锚杆支护相关理论以及超声导波的传播理论，并对导波在锚固锚杆中的传播规律进行了理论分析研究。
　　 (3)采用数值模拟的方法对超声导波在不同锚固质量的锚杆中的传播进行了模拟，在自由锚杆中模拟的频带宽度为20KHz-3MHz，锚固锚杆中的频带宽度为20KHz-200KHz。得到了一些结论。
　　 (4)用两套实验装置对超声导波在不同锚固质量的锚杆中的传播进行了实验研究，低频实验采用群速度变化的方法进行分析，而高频实验采用平均振幅比和峰值比的方法进行分析。提出用频谱分析的方法来说明导波频率较高时不合适用来作锚杆锚固质量的检测。
　　 (5)将数值模拟结果和实验结果进行了比较，得出了一些比较理想的结论。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 超声导波无损检测研究现状

1．2．2 超声导波检测的数值模拟的研究现状

1．3 本课题的主要研究内容

第二章 基本理论

2．1 锚杆基本理论

2．1．1 锚杆的特点、分类及失效

2．1．2 锚杆支护理论

2．1．3 灌浆锚固作用原理

2．2 超声导波的基本理论

2．2．1 导波的概述

2．2．2 导波的相速度和群速度

2．2．3 导波频散现象和多模态特征

2．2．4 L(0，1)模态的数学表达

2．2．5 高频纵向导波在锚固锚杆中传播特性的研究

2．3 本章小结

第三章 数值模拟

3．1 超声导波的数值模拟

3．1．1 数值模拟方法

3．1．2 模型的建立和选择

3．1．3 模型的加载方式和边界条件

3．1．4 有限元模拟参数的选择

3．2 超声导波在自由锚杆中传播的数值模拟

3．2．1 低频条件下各种频率导波的模拟

3．2．2 高频条件下各种频率导波的模拟

3．3 超声导波在锚固锚杆中传播的数值模拟

3．4 超声导波在自由锚杆和锚固锚杆中传播的比较

3．5 本章小结

第四章 实验研究

4．1 实验装置

4．1．1 低频超声导波的实验装置

4．1．2 高频超声导波检测系统

4．2 实验所用的试件

4．3 低频超声导波实验研究

4．3．1 自由锚杆低频超声导波群速度的实验研究

4．3．2 锚固锚杆低频超声导波群速度的实验研究

4．4 高频超声导波实验研究

4．4．1 超声导波的衰减

4．4．2 高频超声导波的衰减分析

4．5 本章小结

第五章 数值模拟与实验研究的对比

5．1 低频超声导波模拟与实验的对比

5．1．1 自由锚杆的模拟与实验对比

5．1．2 锚固锚杆的模拟与实验对比

5．2 高频超声导波模拟与实验的对比

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 内容总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录