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岩土锚固的FBG-FRP锚杆及其智能监测系统

作　者: 白金超
导　师: 欧进萍
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 结构工程
关键词: 岩土锚固 FRP锚杆智能监测 FBG
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 61次
引　用: 1次
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内容摘要

本文从解决岩土锚固安全问题的角度出发,针对锚固耐久性及其安全监测需要,结合FRP材料的优良特性和光纤光栅传感器的感知性能,研制开发出了FBG-FRP智能锚杆,通过理论分析和有限元模拟研究了FRP锚杆的工作机理,并根据岩土锚固的目的确定了锚固系统的监测内容及方法,构建了岩土锚固的智能监测系统,主要研究内容如下:首先,介绍了FRP材料的构成及其特点,阐述了FBG的传感原理及其参数选取原则,在此基础上,构思并开发出了FBG-FRP智能锚杆,该锚杆能充分发挥FRP材料的优点来满足岩土锚固的需求,同时具有耐腐蚀、易清除和自监测等优点。其次,分析了在轴向荷载作用下FRP锚杆锚固段上的界面粘结力分布特征,并基于Mindlin问题的位移解将其与钢锚杆做了对比计算;根据简化的粘结-滑移关系,从围岩与锚杆相互作用的角度,推导了FRP锚杆轴力和界面剪切力的计算公式;研究了FRP锚杆的存在对节理面抗剪能力的影响,并分析了在发生拉剪大变形时,FRP锚杆在节理面上的变形角及内力的计算方法,还结合Tsai-Hill破坏判据提出了FRP锚杆的拉剪破坏准则。接着,针对采用ANSYS自带库仑摩擦模型模拟锚杆-砂浆滑移时存在的缺陷,提出了引入“生死”单元的方法,成功地建立了与试验结果吻合得较好的FRP锚杆拉拔试验有限元模型;根据数值模拟结果,分析了FRP锚杆与砂浆界面的剪切力随拉拔荷载增大时的演化过程,以及锚固系统的内力和位移的分布特征,并讨论了锚固长度对锚杆承载力的影响。最后,分析了使用传统拉拔试验方法检测锚固质量时的不足;基于岩土锚固的目的,提出了锚固效果的评价指标及其监测内容;讨论了钻孔过程、锚杆内力、锚固段长度及密实度、围岩压力和位移等方面的监测方法,并据此构建了岩土锚固的智能监测系统,还提出了锚固系统的动态设计与全寿命维护的思路。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-19
  1.1 课题背景及意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-18
    1.2.1 岩土锚固的发展及研究现状  11-15
    1.2.2 FRP 锚杆的发展与研究现状  15-16
    1.2.3 岩土锚固监测的现状  16-18
  1.3 本文主要研究内容  18-19
第2章 FBG-FRP 锚杆的研制  19-31
  2.1 FRP 筋材的构成及其特点  19-21
    2.1.1 FRP 筋材的构成  19-20
    2.1.2 FRP 筋材的特点  20-21
  2.2 FBG 的传感原理及参数选取原则  21-25
    2.2.1 FBG 的应变及温度传感原理  21-24
    2.2.2 FBG 传感器的参数选取原则  24-25
  2.3 FBG-FRP 锚杆的制作  25-30
    2.3.1 FBG-FRP 锚杆的构思  25-26
    2.3.2 FBG-FRP 锚杆制作方案  26-29
    2.3.3 FBG-FRP 锚杆的应用意义  29-30
  2.4 本章小结  30-31
第3章 FRP 锚杆的工作机理分析  31-46
  3.1 引言  31
  3.2 锚杆的分类及其失效方式  31-32
    3.2.1 锚杆的分类  31-32
    3.2.2 锚固系统的可能失效方式  32
  3.3 FRP 锚杆轴向作用机理分析  32-41
    3.3.1 端部粘结与全长粘结型FRP 锚杆  32-33
    3.3.2 FRP 锚杆锚固段轴向受力分析  33-35
    3.3.3 基于Mindlin 位移解的FRP 锚杆内力计算  35-37
    3.3.4 基于相互作用的FRP 锚杆内力计算  37-41
  3.4 FRP 锚杆横向作用分析  41-44
  3.5 本章小结  44-46
第4章 FRP 锚杆拉拔试验的数值模拟  46-62
  4.1 引言  46-47
  4.2 FRP 锚杆拉拔试验有限元模型的建立  47-53
    4.2.1 锚固-接触界面的分析方法  47-48
    4.2.2 材料模型  48-50
    4.2.3 模型建立及求解  50-53
  4.3 FRP 锚杆性能的有限元分析  53-60
    4.3.1 模型验证  53-54
    4.3.2 界面剪应力随荷载增大的演化过程  54-57
    4.3.3 锚固系统的内力及位移分布特征  57-59
    4.3.4 锚固长度对锚杆抗拔力的影响  59-60
  4.4 本章小结  60-62
第5章岩土锚固的智能监测系统  62-76
  5.1 引言  62-63
  5.2 传统拉拔检测方法及其不足  63-64
  5.3 锚固效果的评价指标及监测内容  64-67
    5.3.1 锚固效果的评价指标  64-65
    5.3.2 锚固系统监测内容的确定  65-66
    5.3.3 岩土监测传感器的选择标准  66-67
  5.4 岩土锚固的智能监测系统  67-74
    5.4.1 钻孔过程监测  67
    5.4.2 锚固力监测  67-69
    5.4.3 锚固密实度检测  69-72
    5.4.4 位移及围岩压力等方面的监测  72
    5.4.5 岩土锚固智能监测系统的实现  72-74
  5.5 本章小结  74-76
结论  76-78
参考文献  78-83
攻读学位期间发表的学术论文  83-85
致谢  85

岩土锚固的FBG-FRP锚杆及其智能监测系统

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