基于改进灰色神经网络模型的锚杆极限承载力方法研究

发布时间：2020-04-19 09:52

【摘要】：岩土安全领域中的锚杆和锚固技术是岩土工业范畴的一个重要分支。随着我国经济的发展和岩土工程的大力推进,锚杆在岩土锚固领域得到了越来越广泛的应用,如大厦基坑、矿山巷道、公路边坡和地下洞室支护等众多工程领域。依据锚杆内部构造的差异性和水泥砂浆与锚杆的粘结情况,可将水泥灌浆锚杆分为以下几种类型:拉力型锚杆、压力型锚杆与剪切型锚杆。目前绝大多数工程中运用的是拉力型锚杆。锚杆锚固的极限承载力不仅仅受到锚杆钢筋的原料强度和截面积的影响,还取决于水泥砂浆浇筑的锚固质量,影响锚杆极限承载力的首要因素就是水泥砂浆浇筑的锚固质量。但是,岩土内部复杂的构造和外界多变的环境,导致锚杆的抗拔承载力一直以来是工程上的一个难点。本文针对预测锚杆极限承载力这一重要环节,主要从拉拔试验和电磁超声无损承载力预测两个方面进行了以下内容的研究:(1)就理想锚杆和不同质量的锚杆锚固对极限承载力的影响,对锚杆的拉拔结果进行位移P-荷载S曲线绘制,并进行原因分析。(2)在原有GM(1,1)模型基础上,基于不同情况下锚杆的P-S曲线,提出先用双曲线拟合,再根据拟合后的残差计算灰色模型的自适应权值,用此改进后的GM(1,1)模型来拟合锚杆P-S图形,最后预测此模型下锚杆的极限承载力。(3)利用改进后的GM(1,1)模型模拟锚杆P-S曲线,在每一个点上求得锚杆的预测值与实际值的残差,每一根锚杆的残差数据作为神经网络的输入,最终预测结果和实际极限承载力的残差作为神经网络的输出;改进输入矩阵的归一化方式,对神经网络的输入矩阵进行按行归一的方法处理,将灰色神经网络模型预测得到的极限承载力进行反归一,得出最终的预测结果。(4)根据锚杆的结构特点建立了超声导波激振锚杆锚固的实验模型,根据超声导波在锚杆中的传播规律计算导波在锚固中传播的反射波包时间差,进而求出锚杆锚固段长度。推导出超声导波瞬态激振下锚杆锚固端端面的位移响应关系式,将粘结刚度带入锚杆长度与剪应力关系公式,求得锚杆在弹性变形状态与极限拉拔状态下的承载力,最后用拉拔试验进行验证。
【图文】：

组织结构图,组织结构,锚杆

第二章展现了拉拔实验法以及锚杆的荷载 P-位移 S 曲线的特点。简要阐述了锚杆拉拔试验的原理，，针对理想拉拔曲线进行了形状分析，并在此基础上探讨了影响锚杆 P-S 曲线的影响因素，例如锚固的浇灌质量以及土壤环境，然后对实测锚杆 P-S 曲线形状进行分析。第三章为锚杆极限承载力初步预测的模型建立。首先用改进的指数模型拟合锚杆 P-S 曲线，再利用自适应权重的方式修正灰色 GM(1,1)模型，在灰色模型背景值优化的基础上预测锚杆的极限承载力。第四章为改进灰色网络的应用分析。介绍了 BP 神经网络的基本原理和训练方式，对其背景值和归一化方式进行改进，从实际拉拔曲线的特点出发，与上一章改进的灰色模型进行结合，在锚杆未拉拔至破坏的情况下预测了锚杆的极限承载力。第五章运用了电磁超声激振的方式，对锚杆的极限承载力做了数值与试验方面的探讨。介绍了电磁超声的基本原理，主要有：导波的产生与传播，导波的相速度与群速度等。利用试验设备在锚杆中发出并接收其反射波，分析反射波形的特性做锚杆锚固质量的检测与极限承载力预测。

示意图,锚杆受力,锚固体,示意图

-19-的。在锚筋和锚固体、锚固体与岩土层的交界面，极有可能发生范围较大扩张。如果给锚筋一个纵向的外界拉拔或压力，锚筋便会产生径向压缩，筋的锚固段纵向有拉力、横向有压力。当锚筋上承受的外力较低时，自由固段可能会达到形变的统一，锚固体受到的横向外力使得锚杆体周围的忙承担了压力，进而达到了小范围内受力均匀的情况；如果增加外界的压么在锚筋受力点周围的受拉强度急剧增加，当上升到锚固体所能承受的力时，这附近的锚固体逐渐被破坏，同时抗拉能力下降。
【学位授予单位】：石家庄铁道大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP183;TU476

【参考文献】