錨桿無(wú)損檢測(cè)(應(yīng)力波反射法)原理

1、 小組成員：小組成員： 高松高松 鄭月敏鄭月敏錨桿無(wú)損檢測(cè)錨桿無(wú)損檢測(cè)( (應(yīng)力波反射法應(yīng)力波反射法) )原理原理1 1、錨桿圖片模型、錨桿圖片模型2 2、簡(jiǎn)單的分類、簡(jiǎn)單的分類3 3、利用、利用BPBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行錨桿承載力智能預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行錨桿承載力智能預(yù)測(cè)4、錨桿無(wú)損檢測(cè)u 對(duì)綜放回采巷道圍巖變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，有利于巷道支護(hù)設(shè)計(jì)和科學(xué)管理。對(duì)綜放回采巷道圍巖變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，有利于巷道支護(hù)設(shè)計(jì)和科學(xué)管理。綜放回采巷道為一復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，其支護(hù)方案選擇與其影響因素之間、綜放回采巷道為一復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，其支護(hù)方案選擇與其影響因素之間、圍巖變形量與其影響因素之間為復(fù)雜的非線性關(guān)系。對(duì)于這類問(wèn)題，

2、神經(jīng)網(wǎng)圍巖變形量與其影響因素之間為復(fù)雜的非線性關(guān)系。對(duì)于這類問(wèn)題，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較高的建模能力，能真實(shí)刻畫所求問(wèn)題與其影響因素之間的非線性關(guān)絡(luò)具有較高的建模能力，能真實(shí)刻畫所求問(wèn)題與其影響因素之間的非線性關(guān)系。我們希望能夠設(shè)計(jì)出一套更優(yōu)的算法，優(yōu)化訓(xùn)練結(jié)果，使預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確。系。我們希望能夠設(shè)計(jì)出一套更優(yōu)的算法，優(yōu)化訓(xùn)練結(jié)果，使預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確。u模糊邏輯，專家系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，學(xué)習(xí)控制，還有一些智能優(yōu)化方法，比如模糊邏輯，專家系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，學(xué)習(xí)控制，還有一些智能優(yōu)化方法，比如遺傳算法，粒子群優(yōu)化算法，蟻群優(yōu)化算法，人工免疫算法，分布估計(jì)算法遺傳算法，粒子群優(yōu)化算法，蟻群優(yōu)化算法，人工免疫算法，分布估計(jì)算

3、法等。等。分類(1)木錨桿。我國(guó)使用的木錨桿有兩種，即普通木錨桿和壓縮木錨桿。(2)鋼筋或鋼絲繩砂漿錨桿。以水泥砂槳作為錨桿與圍巖的粘結(jié)劑。(3)倒楔式金屬錨桿。這種錨桿曾經(jīng)是使用最為廣泛的錨桿形式之一。由于它加工簡(jiǎn)單，安裝方便，具有一定的錨固力，因此這種錨桿在一定范圍內(nèi)至今還在使用。(4)管縫式錨桿。是一種全長(zhǎng)摩擦錨固式錨桿。這種錨桿具有安裝簡(jiǎn)單、錨固可靠、初錨力大、長(zhǎng)錨固力隨圍巖移動(dòng)而增長(zhǎng)等特點(diǎn)。(5)樹脂錨桿。用樹脂作為錨桿的粘結(jié)劑，成本較高。(6)快硬膨脹水泥錨桿。采用普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥加入外加劑而成，具有速凝、早強(qiáng)、減水、膨脹等特點(diǎn)。(7)雙快水泥錨桿。是由成品早強(qiáng)水泥和

4、雙快水泥按一定比例混合而成的。具有快硬快凝、早強(qiáng)的特點(diǎn)。 目前，在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用中，絕大部分的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是采用 BP 網(wǎng)絡(luò)和它的變化形式，它也是前向網(wǎng)絡(luò)的核心部分。BP(Back Propagation)網(wǎng)絡(luò)，即誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是在模式分類器中用的最多的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。錨桿承受拉力的能力，一方面取決于預(yù)應(yīng)力筋的截面積和抗拉強(qiáng)度，另一方面，則取決于錨固體的抗拔力。錨固體的抗拔力事先不易準(zhǔn)確確定，它與許多因素有關(guān)，如錨固體幾何形狀、傳力方式、巖土體的滲透性、灌漿壓力及上覆層厚度等。當(dāng)用一個(gè)含有豐富頻率成份的信號(hào)作為輸入對(duì)錨固系統(tǒng)進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及其它物理力學(xué)性質(zhì)不同，對(duì)各

5、頻率成份的抑制和增強(qiáng)作用發(fā)生改變，輸出信號(hào)各頻率成份的能量中，包含著豐富的信息，某種或某幾種頻率成份能量的改變即代表了一種錨固狀態(tài)。因此，在錨固質(zhì)量的應(yīng)力波探測(cè)中可用聲時(shí)、幅值、波形等聲參數(shù)作為判斷的依據(jù)，若再加上實(shí)測(cè)到的彈性波的頻譜（振幅譜、相位譜、能量譜等）資料，可以得到比用單純彈性波速反映巖體結(jié)構(gòu)狀態(tài)更有效的資料。 錨桿的極限承載力預(yù)測(cè)在工程中的應(yīng)用采用低應(yīng)變動(dòng)測(cè)的五個(gè)數(shù)據(jù):錨固長(zhǎng)度L、錨固體的截面直徑 R、阻尼自振基頻 f1、錨固波速 C0和等效粘滯阻尼系數(shù)，作為網(wǎng)絡(luò)輸入層五個(gè)神經(jīng)元的輸入數(shù)據(jù),錨桿的極限承載力 Qu作為網(wǎng)絡(luò)輸出層神經(jīng)元的期望輸出，在能達(dá)到同樣效果的情況下使網(wǎng)絡(luò)盡量簡(jiǎn)單

6、，BP網(wǎng)絡(luò)設(shè)有一個(gè)隱層。 圖中，P為輸入向量，R 為輸入數(shù)，Q 為輸入矢量(樣本)，W1，b1和W2，b2分別為第 1 層、第2層神經(jīng)元的權(quán)值和閾值，S1，S2 分別為第 1 層、第 2 層神經(jīng)元數(shù)，al和 a2 為輸出向量。本例中，R=5，Q=5，S1=7，S2=1。 接收波的阻尼自振基頻可通過(guò)測(cè)量接收波周期的方法來(lái)計(jì)算，或通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)響應(yīng)的離散傅氏變換獲得。地層的等效粘滯阻尼系數(shù)的估計(jì)值為 (式 1)式中，ai，ai+1，為振動(dòng)響應(yīng)第 i 個(gè)振幅峰與第 i+1個(gè)振幅峰值。樣本中的極限承載力是通過(guò)靜載抗拔試驗(yàn)獲得的?！皣?guó)家體育總局航海運(yùn)動(dòng)學(xué)校經(jīng)營(yíng)用房及博物館”工程位于青島市南海路6號(hào)，選取7根

7、錨桿(圖 2)的低應(yīng)變動(dòng)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)參數(shù)作為數(shù)據(jù)樣本，其中5根(610 號(hào))，用于訓(xùn)練樣本,2根（1號(hào)、5號(hào)）作為檢驗(yàn)樣本，來(lái)驗(yàn)證利用訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)錨桿抗拔力。610號(hào)共 5 根錨桿的動(dòng)測(cè)數(shù)據(jù)如表 1 所示：將樣本集的數(shù)據(jù)代入 BP 網(wǎng)絡(luò)中，采用 Leven-berg-Marquardt 優(yōu)化算法，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后，網(wǎng)絡(luò) LA、LB、LC層各神經(jīng)元之間的權(quán)值如圖 3 所示：訓(xùn)練后神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)之間的輸入、輸出值。訓(xùn)練后神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)之間的輸入、輸出值結(jié)果如圖4。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后的 BP 網(wǎng)絡(luò)就具有聯(lián)想功能，可以對(duì)工程錨桿極限承載力進(jìn)行預(yù)測(cè)，輸入需預(yù)測(cè)工程錨桿的小應(yīng)變動(dòng)測(cè)參數(shù)；計(jì)算 LB層各神經(jīng)元激活

8、值；計(jì)算 LC層神經(jīng)元的激活值。iiiittaaL11n什么是最優(yōu)化，可分為幾大類？答：什么是最優(yōu)化，可分為幾大類？答：Levenberg-MarquardtLevenberg-Marquardt算法是最優(yōu)化算法中的一種。最優(yōu)化是尋找使得函數(shù)值最小的參數(shù)向量。它的應(yīng)用領(lǐng)算法是最優(yōu)化算法中的一種。最優(yōu)化是尋找使得函數(shù)值最小的參數(shù)向量。它的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，如：經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)分析、最優(yōu)設(shè)計(jì)、機(jī)械或電子設(shè)計(jì)等等。根據(jù)求導(dǎo)數(shù)的方法，可分為域非常廣泛，如：經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)分析、最優(yōu)設(shè)計(jì)、機(jī)械或電子設(shè)計(jì)等等。根據(jù)求導(dǎo)數(shù)的方法，可分為2 2大類。第一類，若大類。第一類，若f f具有解析具有解析

9、函數(shù)形式，知道函數(shù)形式，知道x x后求導(dǎo)數(shù)速度快。第二類，使用數(shù)值差分來(lái)求導(dǎo)數(shù)。根據(jù)后求導(dǎo)數(shù)速度快。第二類，使用數(shù)值差分來(lái)求導(dǎo)數(shù)。根據(jù) 使用模型不同，分為非約束最優(yōu)化、約束最優(yōu)化、最小二乘最優(yōu)化。使用模型不同，分為非約束最優(yōu)化、約束最優(yōu)化、最小二乘最優(yōu)化。什么是什么是Levenberg-MarquardtLevenberg-Marquardt算法？它是使用最廣泛的非線性最小二乘算法，中文為列文伯格算法？它是使用最廣泛的非線性最小二乘算法，中文為列文伯格- -馬夸爾特法。它是利用梯度求最大（?。┲档乃泷R夸爾特法。它是利用梯度求最大（?。┲档乃惴?，形象的說(shuō)，屬于法，形象的說(shuō)，屬于“爬山爬山”法的一

10、種。它同時(shí)具有梯度法和牛頓法的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)法的一種。它同時(shí)具有梯度法和牛頓法的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)很小時(shí)，步長(zhǎng)等于牛頓法步長(zhǎng)，當(dāng)很小時(shí)，步長(zhǎng)等于牛頓法步長(zhǎng)，當(dāng)很大時(shí)，步長(zhǎng)約等于梯很大時(shí)，步長(zhǎng)約等于梯度下降法的步長(zhǎng)。在作者的科研項(xiàng)目中曾經(jīng)使用過(guò)多次。圖度下降法的步長(zhǎng)。在作者的科研項(xiàng)目中曾經(jīng)使用過(guò)多次。圖1 1顯示了算法從起點(diǎn)，根據(jù)函數(shù)梯度信息，不斷爬升直到最高點(diǎn)（最大值）的迭代過(guò)顯示了算法從起點(diǎn)，根據(jù)函數(shù)梯度信息，不斷爬升直到最高點(diǎn)（最大值）的迭代過(guò)程。共進(jìn)行了程。共進(jìn)行了1212步。（備注：圖步。（備注：圖1 1中綠色線條為迭代過(guò)程）。中綠色線條為迭代過(guò)程）。圖圖1 1中，算法從山腳開始不斷迭代?？梢钥吹?，它

11、的尋優(yōu)速度是比較快的，在山腰部分直接利用梯度大幅度提升（參見(jiàn)后文例子程序中中，算法從山腳開始不斷迭代?？梢钥吹?，它的尋優(yōu)速度是比較快的，在山腰部分直接利用梯度大幅度提升（參見(jiàn)后文例子程序中l(wèi)amdalamda較較小時(shí)），快到山頂時(shí)經(jīng)過(guò)幾次嘗試（小時(shí)），快到山頂時(shí)經(jīng)過(guò)幾次嘗試（lamdalamda較大時(shí)），最后達(dá)到頂峰（最大值點(diǎn)），算法終止。較大時(shí)），最后達(dá)到頂峰（最大值點(diǎn)），算法終止。如何快速學(xué)習(xí)如何快速學(xué)習(xí)LMLM算法？學(xué)習(xí)該算法的主要困難是入門難。算法？學(xué)習(xí)該算法的主要困難是入門難。 要么國(guó)內(nèi)中文教材太艱澀難懂，要么太抽象例子太少。目前，我看到的最好的英文入要么國(guó)內(nèi)中文教材太艱澀難懂，要么

12、太抽象例子太少。目前，我看到的最好的英文入門教程是門教程是K. MadsenK. Madsen等人的等人的Methods for non-linear least squares problemsMethods for non-linear least squares problems本來(lái)想把原文翻譯一下，貼到這里。請(qǐng)讓我偷個(gè)懶吧。能找本來(lái)想把原文翻譯一下，貼到這里。請(qǐng)讓我偷個(gè)懶吧。能找到這里的讀者，應(yīng)該都是到這里的讀者，應(yīng)該都是E E文好手，我翻譯得不清不楚，反而事倍功半了。文好手，我翻譯得不清不楚，反而事倍功半了。LMLM算法是介于牛頓法與梯度下降法之間的一種非線性優(yōu)化方法，對(duì)于過(guò)參數(shù)化問(wèn)

13、題不敏感，能有效處理冗余參數(shù)問(wèn)題，使代價(jià)函數(shù)陷入局部極算法是介于牛頓法與梯度下降法之間的一種非線性優(yōu)化方法，對(duì)于過(guò)參數(shù)化問(wèn)題不敏感，能有效處理冗余參數(shù)問(wèn)題，使代價(jià)函數(shù)陷入局部極小值的機(jī)會(huì)大大減小，這些特性使得小值的機(jī)會(huì)大大減小，這些特性使得LMLM算法在計(jì)算機(jī)視覺(jué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。算法在計(jì)算機(jī)視覺(jué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。算法流程算法流程Levenberg-MarquardtLevenberg-Marquardt在在LMLM算法中，每次迭代是尋找一個(gè)合適的阻尼因子算法中，每次迭代是尋找一個(gè)合適的阻尼因子，當(dāng)，當(dāng)很小時(shí)，算法就變成了很小時(shí)，算法就變成了GAuss-NewtonGAuss-Newton

14、法的最優(yōu)步長(zhǎng)計(jì)算式，法的最優(yōu)步長(zhǎng)計(jì)算式，很大時(shí)，蛻化為梯度很大時(shí)，蛻化為梯度下降法的最優(yōu)步長(zhǎng)計(jì)算式。下降法的最優(yōu)步長(zhǎng)計(jì)算式。 錨桿承載力預(yù)測(cè)值與現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)所得值相差較小，說(shuō)明本文所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和所取的輸入?yún)?shù)是適用的，具有代表性。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)能力與訓(xùn)練樣本集的選擇有密切關(guān)系，樣本集愈大，參數(shù)覆蓋范圍愈寬，則預(yù)測(cè)效果愈好。 錨桿施工屬于隱蔽工程，水利水電工程錨桿多為全長(zhǎng)粘結(jié)型錨桿，錨桿長(zhǎng)度與錨桿飽錨桿施工屬于隱蔽工程，水利水電工程錨桿多為全長(zhǎng)粘結(jié)型錨桿，錨桿長(zhǎng)度與錨桿飽滿度是錨桿質(zhì)量重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的錨桿抗拔力檢測(cè)對(duì)錨桿的錨固力判斷非常準(zhǔn)確，但仍有滿度是錨桿質(zhì)量重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的錨桿抗拔力檢

15、測(cè)對(duì)錨桿的錨固力判斷非常準(zhǔn)確，但仍有不足之處，不足之處，一是抗拔力測(cè)試方法是一種破壞性檢測(cè)。二是抗拔力并不能完全反映錨桿的錨一是抗拔力測(cè)試方法是一種破壞性檢測(cè)。二是抗拔力并不能完全反映錨桿的錨固狀態(tài)。三是錨桿飽滿度對(duì)錨固質(zhì)量有較大影響，若注漿對(duì)鋼筋的包裹不好，鋼筋會(huì)很快固狀態(tài)。三是錨桿飽滿度對(duì)錨固質(zhì)量有較大影響，若注漿對(duì)鋼筋的包裹不好，鋼筋會(huì)很快腐蝕而失去錨固作用腐蝕而失去錨固作用。因此在傳統(tǒng)抗拔力檢測(cè)符合要求后，因錨桿飽滿度不足造成崩塌的。因此在傳統(tǒng)抗拔力檢測(cè)符合要求后，因錨桿飽滿度不足造成崩塌的事故仍時(shí)有發(fā)生。另外，傳統(tǒng)的拉拔力檢測(cè)也無(wú)法測(cè)出錨桿的實(shí)際長(zhǎng)度，而錨桿無(wú)損檢測(cè)事故仍時(shí)有發(fā)生。另

16、外，傳統(tǒng)的拉拔力檢測(cè)也無(wú)法測(cè)出錨桿的實(shí)際長(zhǎng)度，而錨桿無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確無(wú)損地檢測(cè)錨桿長(zhǎng)度與錨桿飽滿度。技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確無(wú)損地檢測(cè)錨桿長(zhǎng)度與錨桿飽滿度。 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)近年來(lái)快速發(fā)展，柯玉軍等人應(yīng)用聲波透射、散射和反射理論，提出了無(wú)損檢測(cè)技術(shù)近年來(lái)快速發(fā)展，柯玉軍等人應(yīng)用聲波透射、散射和反射理論，提出了預(yù)應(yīng)力孔道灌漿密實(shí)度檢測(cè)的方法預(yù)應(yīng)力孔道灌漿密實(shí)度檢測(cè)的方法; ; 宋克民采用雙排列電阻率法實(shí)現(xiàn)對(duì)垂直鋪塑防滲工程宋克民采用雙排列電阻率法實(shí)現(xiàn)對(duì)垂直鋪塑防滲工程施工質(zhì)量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果表明該方法是有效的施工質(zhì)量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果表明該方法是有效的; ; 董廷朋等人利用瞬變電磁法地下董

17、廷朋等人利用瞬變電磁法地下隱蔽工程質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。在錨桿無(wú)損檢測(cè)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究并取得豐富成隱蔽工程質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。在錨桿無(wú)損檢測(cè)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究并取得豐富成果。郭世明等果。郭世明等19951995年至年至19981998年在大朝山水電站采用應(yīng)力波法對(duì)近千根錨桿進(jìn)行了質(zhì)量檢測(cè)，年在大朝山水電站采用應(yīng)力波法對(duì)近千根錨桿進(jìn)行了質(zhì)量檢測(cè)，說(shuō)明采用應(yīng)力波法對(duì)錨桿質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)是可行的。李義等人在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了圓桶內(nèi)水泥、說(shuō)明采用應(yīng)力波法對(duì)錨桿質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)是可行的。李義等人在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了圓桶內(nèi)水泥、樹脂端錨實(shí)驗(yàn)和試塊內(nèi)水泥錨桿模擬夾層及離層實(shí)驗(yàn)，并對(duì)應(yīng)力波在不同邊界約束和軸向樹脂端錨

18、實(shí)驗(yàn)和試塊內(nèi)水泥錨桿模擬夾層及離層實(shí)驗(yàn)，并對(duì)應(yīng)力波在不同邊界約束和軸向拉伸荷載作用下錨桿中的傳播規(guī)律進(jìn)行了研究。在前人的研究基礎(chǔ)上，拉伸荷載作用下錨桿中的傳播規(guī)律進(jìn)行了研究。在前人的研究基礎(chǔ)上，采用波的時(shí)域、頻采用波的時(shí)域、頻域分析及瞬態(tài)導(dǎo)納法相結(jié)合的方法來(lái)檢測(cè)錨桿的錨固質(zhì)量，并且提出了運(yùn)用有效錨固長(zhǎng)度、域分析及瞬態(tài)導(dǎo)納法相結(jié)合的方法來(lái)檢測(cè)錨桿的錨固質(zhì)量，并且提出了運(yùn)用有效錨固長(zhǎng)度、幅值比、基頻、頻率比、衰減系數(shù)及基頻點(diǎn)的動(dòng)剛度來(lái)衡量錨桿錨固質(zhì)量的優(yōu)劣幅值比、基頻、頻率比、衰減系數(shù)及基頻點(diǎn)的動(dòng)剛度來(lái)衡量錨桿錨固質(zhì)量的優(yōu)劣。我國(guó)住。我國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國(guó)家能源局均發(fā)布了相關(guān)規(guī)程，但如何準(zhǔn)確可靠

19、地開展該檢測(cè)仍需大量房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國(guó)家能源局均發(fā)布了相關(guān)規(guī)程，但如何準(zhǔn)確可靠地開展該檢測(cè)仍需大量實(shí)驗(yàn)去積累經(jīng)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)去積累經(jīng)驗(yàn)。 錨桿質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)的內(nèi)容為錨桿長(zhǎng)度和錨桿飽滿度。在由錨桿、粘結(jié)劑錨桿質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)的內(nèi)容為錨桿長(zhǎng)度和錨桿飽滿度。在由錨桿、粘結(jié)劑和圍巖組成的錨固體系中，當(dāng)在錨桿錨固體系中傳播的應(yīng)力波波長(zhǎng)和圍巖組成的錨固體系中，當(dāng)在錨桿錨固體系中傳播的應(yīng)力波波長(zhǎng)10d(d10d(d為錨固體系直徑為錨固體系直徑) )且且L(LL(L為錨固體系長(zhǎng)度為錨固體系長(zhǎng)度) )，可將錨固體系簡(jiǎn)化為嵌入圍巖，可將錨固體系簡(jiǎn)化為嵌入圍巖的一維勻質(zhì)變截面桿件。錨桿飽滿度的變化表現(xiàn)為桿件截面面積的變化，錨的

20、一維勻質(zhì)變截面桿件。錨桿飽滿度的變化表現(xiàn)為桿件截面面積的變化，錨桿長(zhǎng)度表現(xiàn)為材質(zhì)的變化。無(wú)論錨桿長(zhǎng)度和錨桿飽滿度的改變，均表現(xiàn)為廣桿長(zhǎng)度表現(xiàn)為材質(zhì)的變化。無(wú)論錨桿長(zhǎng)度和錨桿飽滿度的改變，均表現(xiàn)為廣義波阻抗的變化。當(dāng)錨桿的幾何尺寸或材料性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，其波阻抗將發(fā)義波阻抗的變化。當(dāng)錨桿的幾何尺寸或材料性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，其波阻抗將發(fā)生變化，其變化分界面稱為波阻抗界面，桿的缺陷部位生變化，其變化分界面稱為波阻抗界面，桿的缺陷部位( (粘結(jié)劑缺失粘結(jié)劑缺失) ) 及桿底及桿底端均可視為波阻抗界面。當(dāng)在錨桿端頭作用一激振力時(shí)，就會(huì)在桿端產(chǎn)生應(yīng)端均可視為波阻抗界面。當(dāng)在錨桿端頭作用一激振力時(shí)，就會(huì)在桿端產(chǎn)生

21、應(yīng)力波，應(yīng)力波沿桿體向桿件底端傳播，遇到波阻抗界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射和透射力波，應(yīng)力波沿桿體向桿件底端傳播，遇到波阻抗界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射和透射應(yīng)力波，根據(jù)反射波的走時(shí)和錨桿中的應(yīng)力波傳播速度可以計(jì)算錨桿長(zhǎng)度應(yīng)力波，根據(jù)反射波的走時(shí)和錨桿中的應(yīng)力波傳播速度可以計(jì)算錨桿長(zhǎng)度( (桿桿底反射波底反射波) ) 和缺陷位置和缺陷位置( (桿中反射波桿中反射波) )。若錨桿中存在注漿不密實(shí)段，則復(fù)合。若錨桿中存在注漿不密實(shí)段，則復(fù)合桿件的截面面積及波阻抗發(fā)生變化，在波阻抗界面將產(chǎn)生反射應(yīng)力波，桿中桿件的截面面積及波阻抗發(fā)生變化，在波阻抗界面將產(chǎn)生反射應(yīng)力波，桿中反射應(yīng)力波的相對(duì)能量強(qiáng)度與錨桿飽滿度差異程度有關(guān)反射

22、應(yīng)力波的相對(duì)能量強(qiáng)度與錨桿飽滿度差異程度有關(guān); ; 一般錨桿飽滿度越一般錨桿飽滿度越差，反射波的能量越強(qiáng)，衰減越慢差，反射波的能量越強(qiáng)，衰減越慢; ;不飽滿區(qū)段越多，則波阻抗界面越多，反不飽滿區(qū)段越多，則波阻抗界面越多，反射應(yīng)力波越多。射應(yīng)力波越多。2. 1 2. 1 試驗(yàn)流程試驗(yàn)流程 本次研究包含室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，參照相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)了操作流程本次研究包含室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，參照相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)了操作流程: : 收集基礎(chǔ)資料、收集基礎(chǔ)資料、調(diào)試檢測(cè)儀器、模型錨桿的施工制作、無(wú)損檢測(cè)采集數(shù)據(jù)、剖管驗(yàn)證調(diào)試檢測(cè)儀器、模型錨桿的施工制作、無(wú)損檢測(cè)采集數(shù)據(jù)、剖管驗(yàn)證( (室內(nèi)試驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)) ) 、檢測(cè)、檢

23、測(cè)數(shù)據(jù)處理及對(duì)比分析。數(shù)據(jù)處理及對(duì)比分析。2. 2 2. 2 模型錨桿設(shè)計(jì)與制作模型錨桿設(shè)計(jì)與制作 室內(nèi)模型錨桿孔采用內(nèi)徑室內(nèi)模型錨桿孔采用內(nèi)徑80mm80mm的的PVCPVC管，其長(zhǎng)度比模擬的錨桿長(zhǎng)管，其長(zhǎng)度比模擬的錨桿長(zhǎng)1m1m以上以上; ; 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇具有代表性較強(qiáng)的深圳兩個(gè)水利工程，試驗(yàn)錨桿位置選擇在能代表被檢測(cè)工程錨桿條件擇具有代表性較強(qiáng)的深圳兩個(gè)水利工程，試驗(yàn)錨桿位置選擇在能代表被檢測(cè)工程錨桿條件的部位，并且不影響主體工程施工。本次研究采用直徑的部位，并且不影響主體工程施工。本次研究采用直徑20mm 20mm 熱扎帶肋鋼筋，桿端加工平熱扎帶肋鋼筋，桿端加工平整，膠結(jié)材料

24、采用水泥砂漿，設(shè)置缺陷空腔部位采用泡沫充填，缺陷模型材料在錨桿設(shè)計(jì)整，膠結(jié)材料采用水泥砂漿，設(shè)置缺陷空腔部位采用泡沫充填，缺陷模型材料在錨桿設(shè)計(jì)位置上固定，編號(hào)記錄位置上固定，編號(hào)記錄; ; 先插桿、后注漿、封口，完成后不得振動(dòng)、敲打及錨桿按齡期養(yǎng)先插桿、后注漿、封口，完成后不得振動(dòng)、敲打及錨桿按齡期養(yǎng)護(hù)護(hù); ; 錨桿檢測(cè)按錨桿檢測(cè)按 3d 3d、7d7d、14d14d、28d 28d 不同齡期進(jìn)行檢測(cè)不同齡期進(jìn)行檢測(cè); ; 檢測(cè)時(shí)改變激振方式、激振力、檢測(cè)時(shí)改變激振方式、激振力、儀器參數(shù)等，并取得全部記錄。儀器參數(shù)等，并取得全部記錄。2. 3 2. 3 檢測(cè)成果本次檢測(cè)資料分析檢測(cè)成果本次檢

25、測(cè)資料分析 以時(shí)域分析為主，輔以頻域分析，并結(jié)合工程地質(zhì)條件、施工工藝、錨固段長(zhǎng)度、激以時(shí)域分析為主，輔以頻域分析，并結(jié)合工程地質(zhì)條件、施工工藝、錨固段長(zhǎng)度、激振方式、錨桿外露長(zhǎng)度、水泥砂漿齡期和波形特征等多重因素進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)設(shè)振方式、錨桿外露長(zhǎng)度、水泥砂漿齡期和波形特征等多重因素進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)設(shè)置的與實(shí)測(cè)的缺陷位置和注漿密實(shí)度吻合程度很高，具體見(jiàn)表置的與實(shí)測(cè)的缺陷位置和注漿密實(shí)度吻合程度很高，具體見(jiàn)表 1 1 和表和表 2 2。3. 1 3. 1 錨桿飽滿度分析錨桿飽滿度分析 無(wú)缺陷錨桿波形分析：錨桿飽滿無(wú)缺陷的模擬錨桿波形特征如圖無(wú)缺陷錨桿波形分析：錨桿飽滿無(wú)缺陷的模擬錨

26、桿波形特征如圖(1(13)3)，錨桿飽滿度無(wú)缺陷的錨桿波形規(guī)則，除桿底外，沿錨桿方向波阻抗相同，沒(méi)有錨桿飽滿度無(wú)缺陷的錨桿波形規(guī)則，除桿底外，沿錨桿方向波阻抗相同，沒(méi)有明顯的波阻抗界面，在桿長(zhǎng)深度范圍內(nèi)沒(méi)有反射波，只在桿底可能產(chǎn)生微弱的明顯的波阻抗界面，在桿長(zhǎng)深度范圍內(nèi)沒(méi)有反射波，只在桿底可能產(chǎn)生微弱的反射信號(hào)。反射信號(hào)。 有缺陷錨桿波形分析錨桿飽滿度有缺陷的模擬錨桿波形特征如圖有缺陷錨桿波形分析錨桿飽滿度有缺陷的模擬錨桿波形特征如圖(4 (4 6)6)，錨桿飽滿度有缺陷的錨桿波形不規(guī)則，剖管驗(yàn)證不規(guī)則波形缺陷主要分錨桿飽滿度有缺陷的錨桿波形不規(guī)則，剖管驗(yàn)證不規(guī)則波形缺陷主要分 3 3 種。種

27、。一是圖一是圖 4 4所示，波形局部畸變，剖管驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)局部?jī)魸{不飽滿或者不密實(shí)或者所示，波形局部畸變，剖管驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)局部?jī)魸{不飽滿或者不密實(shí)或者輕微離析輕微離析; ; 二是圖二是圖 5 5 所示，波形某段嚴(yán)重衰減，剖管驗(yàn)證該段有空漿所示，波形某段嚴(yán)重衰減，剖管驗(yàn)證該段有空漿; ; 三是圖三是圖 6 6 所示，波形反射某段波振幅時(shí)大時(shí)小，剖管驗(yàn)證該段有少量?jī)魸{或者半漿。所示，波形反射某段波振幅時(shí)大時(shí)小，剖管驗(yàn)證該段有少量?jī)魸{或者半漿。桿中局部不飽滿時(shí)，在桿中存在多個(gè)波阻抗界面，每個(gè)界面均會(huì)產(chǎn)生正相位或桿中局部不飽滿時(shí)，在桿中存在多個(gè)波阻抗界面，每個(gè)界面均會(huì)產(chǎn)生正相位或負(fù)相位的反射波，在桿長(zhǎng)范圍內(nèi)有

28、多個(gè)反射波信號(hào)負(fù)相位的反射波，在桿長(zhǎng)范圍內(nèi)有多個(gè)反射波信號(hào); ; 當(dāng)桿口空漿而深部密實(shí)時(shí)，當(dāng)桿口空漿而深部密實(shí)時(shí)，錨桿孔口段將形成多次反射波，入射波的特點(diǎn)是第一次反射波為負(fù)相位，第二錨桿孔口段將形成多次反射波，入射波的特點(diǎn)是第一次反射波為負(fù)相位，第二次反射為正相位，交替出現(xiàn)。次反射為正相位，交替出現(xiàn)。3. 2 3. 2 桿體波速與桿系波速檢測(cè)與統(tǒng)計(jì)桿體波速與桿系波速檢測(cè)與統(tǒng)計(jì) 錨桿桿體波速應(yīng)通過(guò)所檢測(cè)工程錨桿同樣材質(zhì)、直徑的自由桿測(cè)試取得錨桿桿體波速應(yīng)通過(guò)所檢測(cè)工程錨桿同樣材質(zhì)、直徑的自由桿測(cè)試取得; ; 桿系波速應(yīng)采用錨桿模擬試驗(yàn)結(jié)果或類似工程錨桿的波速值。試驗(yàn)表明，一維桿系波速應(yīng)采用錨桿模

29、擬試驗(yàn)結(jié)果或類似工程錨桿的波速值。試驗(yàn)表明，一維自由彈線性體的波速和有一定邊界條件的一維彈線性體的波速存在一定的差異，自由彈線性體的波速和有一定邊界條件的一維彈線性體的波速存在一定的差異，即錨桿桿體的聲波縱波速度與包裹一定厚度砂漿的錨桿桿系的聲波縱波速度是即錨桿桿體的聲波縱波速度與包裹一定厚度砂漿的錨桿桿系的聲波縱波速度是不一樣的，計(jì)算砂漿包裹的錨桿桿體長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)采用桿系波速，計(jì)算自由桿桿體不一樣的，計(jì)算砂漿包裹的錨桿桿體長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)采用桿系波速，計(jì)算自由桿桿體長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)采用桿體波速。波速差異的因素與聲波波長(zhǎng)、錨桿直徑、膠粘物厚度、長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)采用桿體波速。波速差異的因素與聲波波長(zhǎng)、錨桿直徑、膠粘物厚度、

30、膠粘物波速及聲波尺度效應(yīng)等有關(guān)，因此錨桿桿長(zhǎng)計(jì)算時(shí)采用的波速平均值應(yīng)膠粘物波速及聲波尺度效應(yīng)等有關(guān)，因此錨桿桿長(zhǎng)計(jì)算時(shí)采用的波速平均值應(yīng)考慮密實(shí)度的影響。由于桿系平均波速受多方面因素的影響，尚無(wú)法準(zhǔn)確地確考慮密實(shí)度的影響。由于桿系平均波速受多方面因素的影響，尚無(wú)法準(zhǔn)確地確定與密實(shí)度的關(guān)系，但在實(shí)際檢測(cè)工作中應(yīng)考慮由此帶來(lái)的檢測(cè)桿長(zhǎng)誤差。一定與密實(shí)度的關(guān)系，但在實(shí)際檢測(cè)工作中應(yīng)考慮由此帶來(lái)的檢測(cè)桿長(zhǎng)誤差。一般錨桿桿體的波速比桿系的波速高，錨桿桿體波速一般為般錨桿桿體的波速比桿系的波速高，錨桿桿體波速一般為5120 m/s5120 m/s，經(jīng)此次研，經(jīng)此次研究對(duì)錨桿桿體和桿系波速進(jìn)行多次檢測(cè)與統(tǒng)計(jì)

31、，得出經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表究對(duì)錨桿桿體和桿系波速進(jìn)行多次檢測(cè)與統(tǒng)計(jì)，得出經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 1 1 和表和表 2 2，室內(nèi)模型錨桿桿系波速范圍室內(nèi)模型錨桿桿系波速范圍 3359 3359 4506m /s 4506m /s，平均波速，平均波速 3757m /s 3757m /s，波動(dòng)范，波動(dòng)范圍約圍約30% ; 30% ; 現(xiàn)場(chǎng)模型錨桿桿系波速范圍現(xiàn)場(chǎng)模型錨桿桿系波速范圍 3687 3687 4374m /s 4374m /s 之間，平均波速之間，平均波速4018 m / s4018 m / s，波動(dòng)范圍約，波動(dòng)范圍約 20 % 20 % 。即使能夠準(zhǔn)確測(cè)出錨桿桿底的反射波時(shí)間，。即使能夠準(zhǔn)確測(cè)出錨桿桿底的

32、反射波時(shí)間，由此計(jì)算的錨桿長(zhǎng)度的誤差也很大。由此計(jì)算的錨桿長(zhǎng)度的誤差也很大。3. 3 3. 3 反射波性質(zhì)的判定反射波性質(zhì)的判定反射波信號(hào)可能來(lái)自桿中或桿底，桿底反射信號(hào)計(jì)算錨桿長(zhǎng)度，桿中反射信號(hào)反射波信號(hào)可能來(lái)自桿中或桿底，桿底反射信號(hào)計(jì)算錨桿長(zhǎng)度，桿中反射信號(hào)計(jì)算缺陷位置，因此判斷反射波信號(hào)的性質(zhì)非常重要。本次實(shí)驗(yàn)得出以下經(jīng)驗(yàn)計(jì)算缺陷位置，因此判斷反射波信號(hào)的性質(zhì)非常重要。本次實(shí)驗(yàn)得出以下經(jīng)驗(yàn): : ( (1 1) ) 與入射波反相位與入射波反相位( (第一次反射第一次反射) ) 的反射信號(hào)，為桿中反射信號(hào)，其反射界面的反射信號(hào)，為桿中反射信號(hào)，其反射界面兩側(cè)的密實(shí)度是從不密實(shí)至密實(shí)兩側(cè)的

33、密實(shí)度是從不密實(shí)至密實(shí); (2) ; (2) 與入射波同相位的反射信號(hào)，可能為桿與入射波同相位的反射信號(hào)，可能為桿底反射信號(hào)或桿中反射信號(hào)，須結(jié)合其他因素綜合判定底反射信號(hào)或桿中反射信號(hào)，須結(jié)合其他因素綜合判定; (3) ; (3) 出現(xiàn)多次的同相出現(xiàn)多次的同相反射信號(hào)為桿底反射信號(hào)反射信號(hào)為桿底反射信號(hào); (4) ; (4) 桿中同相反射界面兩側(cè)的密實(shí)度是從密實(shí)至不桿中同相反射界面兩側(cè)的密實(shí)度是從密實(shí)至不密實(shí)密實(shí);(5) ;(5) 一般情況下，根據(jù)桿底反射信號(hào)計(jì)算的桿長(zhǎng)與設(shè)計(jì)長(zhǎng)度相近。一般情況下，根據(jù)桿底反射信號(hào)計(jì)算的桿長(zhǎng)與設(shè)計(jì)長(zhǎng)度相近。3. 4 3. 4 影響檢測(cè)結(jié)果的因素錨桿錨固質(zhì)量受諸

34、多因素影響，如工程地質(zhì)條件、施工工影響檢測(cè)結(jié)果的因素錨桿錨固質(zhì)量受諸多因素影響，如工程地質(zhì)條件、施工工藝、錨固段長(zhǎng)度、錨固介質(zhì)對(duì)錨固體的握裹力、錨桿類型等，本次實(shí)驗(yàn)針對(duì)桿頭平藝、錨固段長(zhǎng)度、錨固介質(zhì)對(duì)錨固體的握裹力、錨桿類型等，本次實(shí)驗(yàn)針對(duì)桿頭平整度、錘擊方式、錨桿外露長(zhǎng)度、水泥砂漿齡期等可能影響因素進(jìn)行了分析。整度、錘擊方式、錨桿外露長(zhǎng)度、水泥砂漿齡期等可能影響因素進(jìn)行了分析。桿頭平整度的影響桿頭平整度的影響：研究發(fā)現(xiàn)，桿頭平整度對(duì)檢測(cè)結(jié)果有較大影響，平整度越好檢：研究發(fā)現(xiàn)，桿頭平整度對(duì)檢測(cè)結(jié)果有較大影響，平整度越好檢測(cè)結(jié)果越準(zhǔn)確，平整度不好將產(chǎn)生干擾信息，因此檢測(cè)前應(yīng)對(duì)桿頭打磨。測(cè)結(jié)果越準(zhǔn)

35、確，平整度不好將產(chǎn)生干擾信息，因此檢測(cè)前應(yīng)對(duì)桿頭打磨。錘擊方式的影響錘擊方式的影響：針對(duì)不同長(zhǎng)度錨桿應(yīng)采用不同錘擊方式，錨桿長(zhǎng)度較長(zhǎng)應(yīng)擊振速：針對(duì)不同長(zhǎng)度錨桿應(yīng)采用不同錘擊方式，錨桿長(zhǎng)度較長(zhǎng)應(yīng)擊振速度慢，應(yīng)力波頻率較低，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，能量衰減慢，得出較好圖形度慢，應(yīng)力波頻率較低，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，能量衰減慢，得出較好圖形; ; 錨桿長(zhǎng)度短應(yīng)擊錨桿長(zhǎng)度短應(yīng)擊振速度快，應(yīng)力波頻率較高，波長(zhǎng)較短，可得出多次反射信號(hào)，有利于圖形分析。振速度快，應(yīng)力波頻率較高，波長(zhǎng)較短，可得出多次反射信號(hào)，有利于圖形分析。錨桿外露長(zhǎng)度的影響錨桿外露長(zhǎng)度的影響：通過(guò)對(duì)：通過(guò)對(duì) 0. 1m 0. 1m、0. 2m0. 2m、0. 3m

36、0. 3m、0. 5m 0. 5m 等等 4 4 種不同外露長(zhǎng)度種不同外露長(zhǎng)度的錨桿在的錨桿在 4 4 種水泥砂漿齡期進(jìn)行檢測(cè)表明，外露長(zhǎng)度越長(zhǎng)對(duì)波速指標(biāo)影響越大。主種水泥砂漿齡期進(jìn)行檢測(cè)表明，外露長(zhǎng)度越長(zhǎng)對(duì)波速指標(biāo)影響越大。主要原因是錨桿無(wú)損檢測(cè)時(shí)，外露鋼筋橫向擺動(dòng)產(chǎn)生的余振影響了初始脈沖的單一性，要原因是錨桿無(wú)損檢測(cè)時(shí)，外露鋼筋橫向擺動(dòng)產(chǎn)生的余振影響了初始脈沖的單一性，將掩蓋錨桿上部的缺陷信號(hào)，錨桿外露長(zhǎng)度越長(zhǎng)對(duì)初始波的影響越大。外露較長(zhǎng)時(shí)，將掩蓋錨桿上部的缺陷信號(hào)，錨桿外露長(zhǎng)度越長(zhǎng)對(duì)初始波的影響越大。外露較長(zhǎng)時(shí)，特別是直徑較小的，如果不能控制住外露鋼筋的橫向擺動(dòng)，余振不能衰減，影響到特別

37、是直徑較小的，如果不能控制住外露鋼筋的橫向擺動(dòng)，余振不能衰減，影響到桿底部后，致使桿底信號(hào)不能確定，無(wú)法得到準(zhǔn)確的波速，對(duì)整個(gè)錨桿的定性分析桿底部后，致使桿底信號(hào)不能確定，無(wú)法得到準(zhǔn)確的波速，對(duì)整個(gè)錨桿的定性分析可能造成誤差。可能造成誤差。水泥砂漿齡期的影響水泥砂漿齡期的影響：通過(guò)對(duì)：通過(guò)對(duì) 29 29 根錨桿根錨桿 3d 3d、7d7d、14d 14d 和和 28d 28d 檢測(cè)表明，同一錨檢測(cè)表明，同一錨桿不同齡期水泥砂漿的桿系波速檢測(cè)結(jié)果差異性很小，主要原因是水泥砂漿前期強(qiáng)桿不同齡期水泥砂漿的桿系波速檢測(cè)結(jié)果差異性很小，主要原因是水泥砂漿前期強(qiáng)度增長(zhǎng)很快，缺陷位置定型也很快，度增長(zhǎng)很快，

38、缺陷位置定型也很快，3d 3d 以后的砂漿強(qiáng)度基本上不再會(huì)較大幅度增長(zhǎng)。以后的砂漿強(qiáng)度基本上不再會(huì)較大幅度增長(zhǎng)。(1) (1) 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)利用反射波信號(hào)可判斷錨桿缺陷位置和錨桿飽滿度狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)利用反射波信號(hào)可判斷錨桿缺陷位置和錨桿飽滿度狀態(tài)。(2) (2) 桿頭平整度、錘擊方式、錨桿外露長(zhǎng)度對(duì)錨桿無(wú)損檢測(cè)有較大影響，而桿頭平整度、錘擊方式、錨桿外露長(zhǎng)度對(duì)錨桿無(wú)損檢測(cè)有較大影響，而 3d 3d 后水泥砂漿齡期影響較小。后水泥砂漿齡期影響較小。(3) (3) 錨桿無(wú)損檢測(cè)前應(yīng)做模擬錨桿，利用模擬試驗(yàn)結(jié)果確定桿系波速，從而更錨桿無(wú)損檢測(cè)前應(yīng)做模擬錨桿，利用模擬試驗(yàn)結(jié)果確定桿系波速，從而更好設(shè)置檢測(cè)

39、參數(shù)。好設(shè)置檢測(cè)參數(shù)。(4) (4) 現(xiàn)場(chǎng)錨桿與圍巖情況不盡相同，測(cè)出波形呈多樣化，因此有必要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)錨桿與圍巖情況不盡相同，測(cè)出波形呈多樣化，因此有必要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)的數(shù)量，爭(zhēng)取建立更多的模型錨桿圖譜，以提高錨桿無(wú)損檢測(cè)的準(zhǔn)確模型試驗(yàn)的數(shù)量，爭(zhēng)取建立更多的模型錨桿圖譜，以提高錨桿無(wú)損檢測(cè)的準(zhǔn)確性。性。恒阻大變形錨桿試樣恒阻大變形錨桿由恒阻裝置、具有恒阻體的桿體、盤和螺母組成（圖）。恒阻裝置包括恒阻套管和恒阻體，恒阻套管內(nèi)表面與桿體外表面均為螺紋結(jié)構(gòu)，恒阻套管材料強(qiáng)度低于恒阻體強(qiáng)度。恒阻大變形錨桿設(shè)計(jì)恒阻力為桿體材料屈服強(qiáng)度的80 90，在確保恒阻裝置發(fā)揮作用時(shí)，桿體不因外部荷載超過(guò)屈服

40、強(qiáng)度而發(fā)生塑性變形本次試驗(yàn)使用編號(hào)為 15的恒阻大變形錨桿，該錨桿恒阻套管長(zhǎng)度450，內(nèi)外徑分別為 25和33；桿體長(zhǎng)度 460，桿體直徑（下文稱為桿體內(nèi)徑）25，恒阻體直徑（下文稱為桿體外徑）最大處為 28。 試驗(yàn)系統(tǒng)恒阻大變形錨桿沖擊拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)（圖）主要由霍普金森桿動(dòng)力加載系統(tǒng)、錨桿沖擊拉伸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，以檢驗(yàn)恒阻大變形錨桿在動(dòng)力沖擊作用下的拉伸變形特性。圖恒阻大變形錨桿沖擊拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)恒阻大變形錨桿沖擊拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)工作原理如下：將錨桿的桿體端部固定，通過(guò)動(dòng)力加載系統(tǒng)發(fā)出一定初速度的子彈撞擊沖擊鋼管，沖擊鋼管再次撞擊托盤（裝有力與位移傳感器，此過(guò)程可看作圍巖瞬時(shí)沖擊托盤），托盤

41、和恒阻套管聯(lián)動(dòng)，使套管和桿體相互作用后套管產(chǎn)生軸向和徑向位移，最后通過(guò)與傳感器相連的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的受力與位移情況。沖擊拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)工作原理如圖所示。試驗(yàn)方法）進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，考察加載系統(tǒng)氣源強(qiáng)度、子彈速度和恒阻套管速度間的關(guān)系，如圖 所示。）設(shè)定對(duì)相應(yīng)的氣源強(qiáng)度進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，使試驗(yàn)時(shí)恒阻套管滿足、10m/sm/s的初始速度（每組速度試驗(yàn)10次）。）試驗(yàn)結(jié)束后，考察各次試驗(yàn)錨桿的受力和變形情況，繪制錨桿所受沖擊力、錨桿軸向位移和徑向變形關(guān)系曲線。u試驗(yàn)結(jié)果u）受力情況分析。在單根錨桿試驗(yàn)過(guò)程中，讀取單次沖擊后錨桿數(shù)據(jù)并繪制沖擊力時(shí)間曲線。15錨桿試樣在氣源壓強(qiáng) 、套管速度m/sm/s下的沖擊

42、力時(shí)間曲線如圖所示。從各套管速率沖擊下對(duì)應(yīng)的沖擊力峰值關(guān)系可知，沖擊拉伸試驗(yàn)中，沖擊時(shí)恒阻套管速率（隨氣源強(qiáng)度的增加）和錨桿所承受的沖擊力峰值呈明顯的正比關(guān)系。u）變形情況分析。 單根錨桿試驗(yàn)過(guò)程中，單次沖擊后測(cè)量恒阻大變形錨桿恒阻套管軸向位移數(shù)值，并在套管的軸向位移終止位置測(cè)量套管的徑向變形情況。因數(shù)據(jù)眾多，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總生成沖擊次數(shù)與恒阻套管軸向位移和徑向變形關(guān)系曲線，如圖所示。從圖可知：沖擊拉伸試驗(yàn)中，當(dāng)恒阻套管所受初始速度小于m/sm/s時(shí)（即沖擊力較?。坠芘c桿體幾乎沒(méi)有相對(duì)位移；當(dāng)套管速度達(dá)到m/sm/s時(shí)，套管因沖擊力的積累產(chǎn)生明顯的徑向變形；當(dāng)套管速度超過(guò)3m/sm/s時(shí)，單

43、次沖擊力足以迫使套管與桿體發(fā)生相對(duì)位移，且沖擊力幅值與軸向位移呈明顯的正比關(guān)系，此過(guò)程中套管的徑向位移最大為14。 整個(gè)沖擊過(guò)程宏觀表現(xiàn)為恒阻大變形錨桿（套管桿體）伸長(zhǎng)、（套管）變粗的現(xiàn)象（產(chǎn)生負(fù)泊松比效應(yīng)） 。 數(shù)值模型的建立在諸如航天、車輛和船舶的現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)中，多采用 軟件集成分析方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析。筆者采用SolidworksSolidworks( (三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件) )數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析，有限元分析流程如圖所示。uSolidWorksSolidWorks是個(gè)三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件。是個(gè)三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件。 Solid Works Solid Works本身含義是固體制作的

44、意思。本身含義是固體制作的意思。 SolidWorks 2008 SolidWorks 2008 的基本理念是幫助工程師設(shè)計(jì)偉大的產(chǎn)品。配合的基本理念是幫助工程師設(shè)計(jì)偉大的產(chǎn)品。配合3DLib3DLib插件，插件，直接調(diào)用幾十萬(wàn)模型庫(kù)，更方便快捷完成設(shè)計(jì)。具體體現(xiàn)在以下方面：直接調(diào)用幾十萬(wàn)模型庫(kù)，更方便快捷完成設(shè)計(jì)。具體體現(xiàn)在以下方面： 1. 1. 提升提升客戶體驗(yàn)：客戶體驗(yàn)： 改進(jìn)三維顯示效果。改進(jìn)三維顯示效果。SolidWorks 2008 SolidWorks 2008 提供了一種快速預(yù)覽三維輕提供了一種快速預(yù)覽三維輕量化模型的技術(shù)，使得大裝配模型的顯示速度進(jìn)一步提高。同時(shí)，支持在設(shè)計(jì)界

45、量化模型的技術(shù)，使得大裝配模型的顯示速度進(jìn)一步提高。同時(shí)，支持在設(shè)計(jì)界面下的真三維顯示效果，達(dá)到了以往專門的三維渲染軟件的顯示效果。方便地編面下的真三維顯示效果，達(dá)到了以往專門的三維渲染軟件的顯示效果。方便地編輯大裝配件?？梢员憬莸貜拇笱b配件中選取一部分零部件進(jìn)行顯示、編輯，進(jìn)行輯大裝配件?？梢员憬莸貜拇笱b配件中選取一部分零部件進(jìn)行顯示、編輯，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。運(yùn)動(dòng)仿真。 強(qiáng)化了強(qiáng)化了SWIFTSWIFT技術(shù)。在技術(shù)。在 SolidWorks 2007 SolidWorks 2007 已經(jīng)推出的已經(jīng)推出的Sketch ExpertSketch Expert、Mate ExpertMate Expe

46、rt和和Feature ExpertFeature Expert的基礎(chǔ)上，又推出了的基礎(chǔ)上，又推出了Corner ExpertCorner Expert（在復(fù)雜的拓（在復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中自動(dòng)生成合理的圓角）、撲結(jié)構(gòu)中自動(dòng)生成合理的圓角）、Tolerance ExpertTolerance Expert（合理分配公差）和（合理分配公差）和Large Large Assembly ExpertAssembly Expert（檢查大裝配是否正確），幫助客戶更加簡(jiǎn)便地生產(chǎn)零件和裝（檢查大裝配是否正確），幫助客戶更加簡(jiǎn)便地生產(chǎn)零件和裝配結(jié)構(gòu)。最大限度地減少客戶的重復(fù)操作，使用戶在使用過(guò)程中，更加專注于設(shè)配

47、結(jié)構(gòu)。最大限度地減少客戶的重復(fù)操作，使用戶在使用過(guò)程中，更加專注于設(shè)計(jì)本身。計(jì)本身。 2. 2. 幫助客戶設(shè)計(jì)更好的產(chǎn)品：幫助客戶設(shè)計(jì)更好的產(chǎn)品： SolidWorks SolidWorks以往的版本中已經(jīng)加入了以往的版本中已經(jīng)加入了CosmosXpressCosmosXpress，讓工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以體驗(yàn)仿真分析的效果。而，讓工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以體驗(yàn)仿真分析的效果。而SolidWorks2008SolidWorks2008中將提供中將提供Cosmos MotionXpressCosmos MotionXpress（運(yùn)動(dòng)仿真分析）、（運(yùn)動(dòng)仿真分析）、Cosmos Cosmos FloXp

48、ressFloXpress和和DFMXpressDFMXpress（可制造性的分析）等模塊，使得工程師能夠更好地進(jìn)行（可制造性的分析）等模塊，使得工程師能夠更好地進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。設(shè)計(jì)驗(yàn)證。）模型簡(jiǎn)化。 由試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理可知，恒阻大變形錨桿的受沖變形過(guò)程主要表現(xiàn)為恒阻套管和桿體的相互運(yùn)動(dòng)，且整個(gè)系統(tǒng)是軸對(duì)稱的。 因此在數(shù)值模擬中，將桿體視作剛體并約束一側(cè)，對(duì)恒阻套管設(shè)定反方向瞬時(shí)初速度模擬錨桿受沖過(guò)程。 簡(jiǎn)化后的系統(tǒng)模型參數(shù)和1/4模型網(wǎng)格分別見(jiàn)表和圖。）加載定義。 約束設(shè)置：對(duì)桿體左側(cè)端部全約束。 荷載設(shè)置：對(duì)恒阻套管定義其每隔20ms分別以 1、2、3、5和10/s的軸向初速度沖擊次。接觸

49、設(shè)置：對(duì)恒阻裝置和桿體接觸面設(shè)定自動(dòng)面接觸。 摩擦設(shè)置：拉伸模具表面和板料接觸面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)一般為0.18，筆者將恒阻裝置與桿體間的動(dòng)摩擦因數(shù)也設(shè)定成相同數(shù)值。）受力分析。）受力分析。 由恒阻套管的由恒阻套管的Von-MisesStressVon-MisesStress云圖（桿體視作剛體故應(yīng)力為云圖（桿體視作剛體故應(yīng)力為0 0） 可知：恒阻套管受沖擊時(shí)內(nèi)螺紋處所受應(yīng)力最大；由于單元間相互作用，沖擊可知：恒阻套管受沖擊時(shí)內(nèi)螺紋處所受應(yīng)力最大；由于單元間相互作用，沖擊未結(jié)束前恒阻套管各單元仍有殘余應(yīng)力存在，表明沖擊時(shí)未接觸桿體的恒阻套未結(jié)束前恒阻套管各單元仍有殘余應(yīng)力存在，表明沖擊時(shí)未接觸桿體

50、的恒阻套管部分也可以分擔(dān)部分沖擊力。次沖擊速率下恒阻套管整體受力如圖所示，管部分也可以分擔(dān)部分沖擊力。次沖擊速率下恒阻套管整體受力如圖所示，從圖可知：當(dāng)恒阻套管分別以從圖可知：當(dāng)恒阻套管分別以 1 1、2 2、3 3、5 5和和 1010m/sm/s 的軸向初速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，的軸向初速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，恒阻套管承受的沖擊力峰值依次為恒阻套管承受的沖擊力峰值依次為 134.6134.6、184.2184.2、268.6268.6、467.3467.3、748.2748.2。這與室內(nèi)沖擊拉伸試驗(yàn)的結(jié)果吻合度較高。這與室內(nèi)沖擊拉伸試驗(yàn)的結(jié)果吻合度較高。關(guān)于關(guān)于von Mises Stressvon Mises

51、Stress（馮米斯應(yīng)力）（馮米斯應(yīng)力） von Mises von Mises（馮米斯應(yīng)力，應(yīng)力云紋）。馮米斯應(yīng)力圖用于評(píng)價(jià)應(yīng)力分布情況（馮米斯應(yīng)力，應(yīng)力云紋）。馮米斯應(yīng)力圖用于評(píng)價(jià)應(yīng)力分布情況.catia.catia自動(dòng)生成的調(diào)色板，顏色從藍(lán)到紅，表示應(yīng)力逐漸變自動(dòng)生成的調(diào)色板，顏色從藍(lán)到紅，表示應(yīng)力逐漸變大。當(dāng)鼠標(biāo)指向節(jié)點(diǎn)時(shí)，顯示此節(jié)點(diǎn)的馮米斯應(yīng)力值。大。當(dāng)鼠標(biāo)指向節(jié)點(diǎn)時(shí)，顯示此節(jié)點(diǎn)的馮米斯應(yīng)力值。 von Mises von Mises屈服準(zhǔn)則是屈服準(zhǔn)則是von Misesvon Mises于于19131913年提出了一個(gè)屈服準(zhǔn)則。年提出了一個(gè)屈服準(zhǔn)則。 它的內(nèi)容是：當(dāng)點(diǎn)應(yīng)它的內(nèi)容是：

52、當(dāng)點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的等效應(yīng)力達(dá)到某一與應(yīng)力狀態(tài)無(wú)關(guān)的定值時(shí)，材料就屈服；或者說(shuō)材料處于塑性狀態(tài)時(shí)，等效應(yīng)力始終是一不變的定值。力狀態(tài)的等效應(yīng)力達(dá)到某一與應(yīng)力狀態(tài)無(wú)關(guān)的定值時(shí)，材料就屈服；或者說(shuō)材料處于塑性狀態(tài)時(shí)，等效應(yīng)力始終是一不變的定值。 等效等效=(1/2(1-2)2+(2-3)2+(3-1)2)(1/2) von mises=(1/2(1-2)2+(2-3)2+(3-1)2)(1/2) von mises應(yīng)力就是一種當(dāng)量應(yīng)力，它是根據(jù)第四強(qiáng)度理論得到的當(dāng)量應(yīng)力。應(yīng)力就是一種當(dāng)量應(yīng)力，它是根據(jù)第四強(qiáng)度理論得到的當(dāng)量應(yīng)力。 von von mises stress mises stress 是綜合

53、的概念，考慮了第一第二第三主應(yīng)力，可以用來(lái)對(duì)疲勞，破壞等的評(píng)價(jià)。是綜合的概念，考慮了第一第二第三主應(yīng)力，可以用來(lái)對(duì)疲勞，破壞等的評(píng)價(jià)。 YIELDING criterion YIELDING criterion （材料屈服標(biāo)準(zhǔn)）有基于（材料屈服標(biāo)準(zhǔn)）有基于stress analysisstress analysis也有基于也有基于strain analysisstrain analysis的。的。 von mises stress von mises stress（VMSVMS）其實(shí)是一個(gè)）其實(shí)是一個(gè)STRESS yielding criterion. STRESS yielding crit

54、erion. 我們認(rèn)為對(duì)于某一材我們認(rèn)為對(duì)于某一材料來(lái)說(shuō)，它都有一個(gè)料來(lái)說(shuō)，它都有一個(gè)yielding stress, yielding stress, 這個(gè)這個(gè)yielding stress yielding stress 對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的屈服點(diǎn)(yielding point). (yielding point). 當(dāng)材料受到外力刺激，如果其內(nèi)部某當(dāng)材料受到外力刺激，如果其內(nèi)部某處應(yīng)力處應(yīng)力(VMS)(VMS)大于這個(gè)大于這個(gè)yielding stress, yielding stress, 那么我們認(rèn)為材料在此處有可能發(fā)生屈服。那么我們認(rèn)為材料在此處有可能發(fā)生屈服。 在在FE

55、AFEA中，中，VMSVMS的計(jì)算是基于的計(jì)算是基于principal stressprincipal stress的。的。 Von MisesVon Mises應(yīng)力與應(yīng)力與Von MIsesVon MIses屈服準(zhǔn)則，用在各向同性材料中較常見(jiàn)，來(lái)自于應(yīng)力張量第一不變量。如果生物力學(xué)計(jì)算中缺乏材料數(shù)據(jù)，以近似屈服準(zhǔn)則，用在各向同性材料中較常見(jiàn)，來(lái)自于應(yīng)力張量第一不變量。如果生物力學(xué)計(jì)算中缺乏材料數(shù)據(jù)，以近似材料參數(shù)代替，這種情況下似乎用材料參數(shù)代替，這種情況下似乎用VONVON應(yīng)力也是可以的。應(yīng)力也是可以的。 vms vms是材料力學(xué)中的第四屈服理論，主要是對(duì)塑性材料的，考慮的主要是疲勞效應(yīng)。

56、是材料力學(xué)中的第四屈服理論，主要是對(duì)塑性材料的，考慮的主要是疲勞效應(yīng)。最大應(yīng)力，最大應(yīng)變主要是針對(duì)脆性材料的。我印象中是這樣的，可以看看材料力學(xué)中的四大強(qiáng)度理論。屈服準(zhǔn)則的概念最大應(yīng)力，最大應(yīng)變主要是針對(duì)脆性材料的。我印象中是這樣的，可以看看材料力學(xué)中的四大強(qiáng)度理論。屈服準(zhǔn)則的概念 屈服準(zhǔn)則屈服準(zhǔn)則 A. A.受力物受力物體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)處于單向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，只要單向應(yīng)力大到材料的屈服點(diǎn)時(shí)，則該質(zhì)點(diǎn)開始由彈性狀態(tài)進(jìn)入塑性狀態(tài)，即處于屈服。體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)處于單向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，只要單向應(yīng)力大到材料的屈服點(diǎn)時(shí)，則該質(zhì)點(diǎn)開始由彈性狀態(tài)進(jìn)入塑性狀態(tài)，即處于屈服。 B. B.受力物體內(nèi)質(zhì)受力物體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)處于多向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，必

57、須同時(shí)考慮所有的應(yīng)力分量。在一定的變形條件（變形溫度、變形速度等）下，只有當(dāng)各應(yīng)力分量之間符合一定關(guān)點(diǎn)處于多向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，必須同時(shí)考慮所有的應(yīng)力分量。在一定的變形條件（變形溫度、變形速度等）下，只有當(dāng)各應(yīng)力分量之間符合一定關(guān)系時(shí)，質(zhì)點(diǎn)才開始進(jìn)入塑性狀態(tài)，這種關(guān)系稱為屈服準(zhǔn)則，也稱塑性條件。它是描述受力物體中不同應(yīng)力狀態(tài)下的質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入塑性狀態(tài)并使塑性系時(shí)，質(zhì)點(diǎn)才開始進(jìn)入塑性狀態(tài)，這種關(guān)系稱為屈服準(zhǔn)則，也稱塑性條件。它是描述受力物體中不同應(yīng)力狀態(tài)下的質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入塑性狀態(tài)并使塑性變形繼續(xù)進(jìn)行所必須遵守的力學(xué)條件，這種力學(xué)條件一般可表示為變形繼續(xù)進(jìn)行所必須遵守的力學(xué)條件，這種力學(xué)條件一般可表示為 f f（ijij） C C又稱為屈服函數(shù)，式中又稱為屈服函數(shù)，式中 C C 是與材料性質(zhì)有關(guān)而與應(yīng)力狀態(tài)是與材料性質(zhì)有關(guān)而與應(yīng)力狀態(tài)無(wú)關(guān)的常數(shù)，可通過(guò)試驗(yàn)求得。屈服準(zhǔn)則是求解塑性成形問(wèn)題必要的補(bǔ)充方程。無(wú)關(guān)的常數(shù)，可通過(guò)試驗(yàn)求得。屈服準(zhǔn)則是求