基于FLAC_3D的输水隧洞锚杆无损检测研究_解红.pdf

第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程 ，年月 ，解红基于 的输水隧洞锚杆无损检测研究水利科学与寒区工程，（）：基于 的输水隧洞锚杆无损检测研究解红（新疆伊犁河水利水电投资开发有限公司，新疆 伊犁 ）摘要：考虑实际工程中锚杆无损检测的需求，基于 建模仿真模拟和理论计算的方式对某输水隧洞实际工程锚杆进行无损检测，得到结论如下：（）锚杆最佳激振点在锚杆中心处，采集点位置无影响，综合考虑选用锚杆中心点作为激振点和采集点。（）在锚杆中心点施加激振力可以很好得到锚杆自由端与锚固端的交界面，检验具有准确性。（）根据主频值利用理论公式计算可知锚杆的极限锚固力为 ；工作荷载增大到一定值会破坏锚杆，使得锚固质量断崖式下降。（）数值仿真所得锚杆破坏值要小于理论计算所得值，但锚固质量随工作荷载的规律与理论计算一致。关键词：锚杆；应力波；无损检测；锚固力中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：解红（），女，新疆伊宁人，高级工程师，从事水利工程建设管理。：。锚杆无损检测理论分析某输水隧洞设计输水流量，建筑物级别为级，洞长 ，最大埋深 ，隧洞为无压洞，进口高程 ，出口高程 ，纵坡 。隧洞断面为圆形，局部为马蹄形断面，洞径 ，采用现浇钢筋混凝土衬砌。主要地层岩性为黏土岩、砂砾岩、泥质砂岩、粉砂岩、硅质粉砂岩、变质化泥质粉砂岩、娟云母泥岩。现按照规范规定，需对其锚杆进行检测。锚杆无损检测原理以往常用的锚杆锚固状态检测方法主要有两种，一种是间接检测，即用测力计采用锚杆支护的围岩进行压力监测，根据其数值变化规律判断锚杆的支护性能，但该方法易受到外界因素的影响，对不同环境的适应度较差。另一种是破坏性检测，该方法所得结果较为真实，但会对围岩造成无法修复的重大损坏，对其正常使用造成影响。而锚杆的无损检测技术完美融合了传统检测技术的优点，避开其缺点，从而得到了快速的推广和发展。锚杆的无损检测主要依靠应力波实现，其过程如下：在锚杆一端施加瞬态激振力，该激振力会沿着锚杆以应力波的形式向另一端传播。当锚杆为自由状态时，应力波的速度、振幅、频率均不发生改变；当应力波经过锚杆自由段和锚固段的交界面时，会发生反射和透射，使得一部分应力波穿透交界面到达另一端，称该波为透射波，另一部分波则被反射回出发端，称该波为反射波。透射波在实际工程中难以被检测到，而反射波则可以通过在应力波出发端设置加速度传感器的方法测量，故常应用反射波信息对锚杆的锚固质量进行分析评价。锚固力无损检测方法探究通过对之前学者的研究成果进行总结可知，锚杆在锚固端达到极限值时，其锚固界面剪应力与锚固长度的关系如下图所述，锚固长度范围为摩擦区，该区域剪应力近似水平无变化，其值约为；锚固长度为塑性弱化区，该区域剪应力近似线性增大变化，在处剪应力达到峰值；锚固长度为塑性硬化区，该区域剪应力近似指数型减小变化；锚固长度为谈兴趣，该区域剪应力先近似指数型减小变化，后减小速率变缓直至剪应力接近于。图锚固界面剪应力分布情况根据上图对锚固端极限锚固力进行推导，如式（）：.（）（）式中：为锚固段极限锚固力，；为锚固段直径，；为交界面剪切刚度，通过应力反射波信息分析得到，；为锚固界面完全脱离时的位移，；为开始脱离到完全脱离时的锚固段长度，；为锚固界面完全脱离时的剪应力，与围岩的压力有关；为锚固体弹性模量，；为锚固剂厚度，；为锚固端长度，。锚杆锚固力无损检测数值模拟研究 模型建立利用 有限查分软件建立输水隧洞锚杆的三维模型，根据工程实际情况，设置相应的锚杆直径为，总长度为 ，锚固孔直径为，深度为 。设置模型边界为无反射边界，所建立的有限差分三维模型。本文选用的瞬态激振力波形如式（）所示。模型材料参数如表所示。（）（）其他（）式中：（）为瞬态激振力波形函数；为振幅；为瞬态激振力周期，；为时间，。锚杆无损检测最佳激振点和最佳采集点研究分别在锚杆中心点、锚杆中心与边缘连线的处、锚杆中心与边缘连线的处、锚杆中心表模型材料力学参数介质名称密度 体积模量 剪切模量 抗拉强度 内摩擦角（）黏结力 围岩 锚固体 锚杆 托盘 与边缘连线的处、锚杆边缘处，这个试验点施加激振力和采集应力反射波数据，以确定最佳激振点和最佳采集点。通过对不同激振点在同一个采集点所检测到的应力反射波的横波和纵波波形进行分析可知锚杆中心点是最佳的激振点。通过对在锚杆中心激振在不同位置采集的反射应力波的横波和纵波进行分析可知，上述个试验点采集效果相似，故其认为均可作为采集点。应力波在锚杆自由状态下的传播特性分析对锚杆自由状态下的应力波传播特性进行分析，在锚杆中心点施加半正弦应力波，分别在锚杆激振点、长度处、底部中心点采集应力波波形，可得其传播状态如图所示。由图可知，锚杆底部采集到的首个应力波波峰是其激振点和长度处的两倍，主要是因为应力波在锚杆底部与反射波叠加了；二次传播重复了一次传播的过程，故锚杆底部采集到的应力波波峰依然是最大的。图锚杆自由状态下应力波的传播 锚杆锚固段的波形特性分析在锚杆中心处施加瞬态激振力得到相应的应力波纵波随时间变化曲线如图所示，由图可知，首波波峰 最 大，当 其 到 达 起 始 锚 固 位 置 时 出 现第期解红基于 的输水隧洞锚杆无损检测研究图应力波纵向波形一个反相反射波，到达结束锚固位置时有一个同向反射波。不同工作荷载下应力波在锚杆中传播特性的时域分析 设 置 锚 杆 的 工 作 荷 载 分 别 为 、，在其中心激振点处、起始锚固处和结束锚固处进行波形采集，可得其传播波形如图所示。由图可知，锚杆自由端与锚固端交界面（即起始锚固处）出现了波阻抗界面波峰；首波之后应力波发生明显衰减，即首轮波形传播最为关键；工作荷载对波形传播影响较小。图应力波在锚杆中传播波形图 不同工作荷载下应力波在锚杆中传播特性的频域分析 设 置 锚 杆 的 工 作 荷 载 分 别 为 、，在其中心激振点处、起始锚固处和结束锚固处进行波形采集，并采用 （快速傅里叶变换）的方式对时域图进行处理从而得到相应的频域图如图所示。由上式（）计算可得，该锚杆在不同荷载下的锚固力，如表所示。由表可知，工作荷载的增加使得锚杆锚固效果逐渐减弱，一旦发生损坏，则锚杆锚固能力急剧下降。因此，锚杆施工时应当十分注意对其工作荷载的施加，以避免造成锚杆损坏，影响锚固质量。锚固工作荷载与锚杆拉出位移的关系分析给锚杆设置不同的拉拔力（工作荷载），并记录数值仿真模拟所得的相应的锚杆拉出位移，其位移关系曲线如图所示。由图可知，锚杆位移可根据拉拔力分为三个阶段：表不同工作荷载下锚杆锚固力及锚固质量工作荷载 主频 锚固力 锚固质量 锚杆未破坏 锚杆受到部分破坏 锚杆严重破坏，但仍可锚固 锚杆基本失效 锚杆基本失效 锚杆完全失效（）拉拔力从 增加至 ，此时锚杆拉出位移 随 拉 拔 力 增 大 而 增 大，属 于 正 常 锚 固状态。（）拉拔力从 减小至 ，但此时锚杆拉出位移却突然增加，可证明锚杆破坏。故可认为 为锚杆能承受的最大工作荷载。（）拉拔力从 减小至 ，锚杆在第二阶段 已 破 坏，故 仅 使 用 较 小 的 力 就 可 将 其拔出。水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷图不同工作荷载应力波的 频域曲线图锚杆拉拔力拉出位移曲线结论（）对锚杆断面的个激振点（采集点）施加动荷载，得出锚杆无损检测最适合的激振点位置为锚杆中心点。个点采集的数据相似度极高，故可认为采集点位置对应力波采集无影响。综合考虑后，选择将锚杆中心点作为应力波的激振点和采集点。（）通过分析锚杆自由状态下应力波的传播特性和锚杆锚固状态纵波波形可知，在锚杆中心点施加激振力可以很好地得到锚固端与自由端的交界面，保障了检验的准确性。（）通过对比不同工作荷载下应力波传播的时域图和频域图可知，时域图无法反应工作荷载的影响，而根据频域图中主频值可得不同工作荷载下锚 杆 的 锚 固 力，该 锚 杆 的 极 限 锚 固 力 为 。同时可知工作荷载对锚杆质量的影响，开始时工作荷载的增大对锚杆质量影响较小，当其增大到一定值，锚杆发生破坏，其质量呈断崖式下降，最终失去锚固能力。（）根据理论计算所得的锚固力大小与数值仿真计算所得存在一定差距，但其锚杆破坏规律基本一致，故可认为数值仿真计算结果可靠。参考文献：李青锋，谢雄刚，朱川曲应力波在预应力锚杆内传播特性分析与工程应用中 国 安全 科 学学 报，（）：李青锋，朱川曲，唐海锚杆无损检测力锤激励机理与实验物探与化探，（）：李青锋，周泽，唐湘隆，等树脂锚杆波动机理与锚固承载力无损检测初探地下空间与工程学报，（）：第期解红基于 的输水隧洞锚杆无损检测研究