锚杆抑制临空结构面扩展的试验研究
扩大头锚杆技术研究与工程应用的开题报告
扩大头锚杆技术研究与工程应用的开题报告一、课题背景随着城市化进程的加快和工程规模的不断增大，土体支护工程需求量逐年增加。
其中，锚杆技术作为常见的地下土体支护方式，已经被广泛应用于基础、隧道、坑道等工程领域。
然而，传统锚杆技术所采用的锚杆直径和锚固长度受到了一定的制约，而这也限制了锚杆的承载力和作用范围。
因此，如何在保证安全性的前提下，在锚杆直径和锚固长度方面进行优化，已成为当前锚杆技术研究和应用的重要课题。
二、研究内容本课题的研究内容为扩大头锚杆技术的研究与工程应用。
扩大头锚杆是一种新型的地下土体支护技术，主要是在锚杆的头部加装扩大头，以提高锚杆的承载力和抗拉性能。
本课题将首先对扩大头锚杆的原理、制造工艺和构造特点进行研究，进一步分析扩大头锚杆与传统锚杆在抗拉性能、承载力等方面的差异和优势。
在此基础上，本课题还将对扩大头锚杆的工程应用进行研究，包括选址、施工以及结构设计等方面。
通过理论分析和现场实验，验证扩大头锚杆技术在地下土体支护中的实用性和经济性，并探索其在其他工程领域中的应用前景。
三、研究目标本课题的研究目标包括：1.深入探究扩大头锚杆的原理和设计特点，分析其与传统锚杆的差异和优势；2.开发出适合扩大头锚杆应用的制造工艺，确保产品质量和性能；3.对扩大头锚杆在地下土体支护工程中的实用性和经济性进行研究，掌握其工程应用范围和优化方案；4.为扩大头锚杆技术在其他领域中的应用提供参考和支持，并推动其在地下土体支护工程中的推广和应用。
四、研究方法本课题主要采用理论分析和实验研究相结合的方式，包括：1.对扩大头锚杆的设计原理和特点进行理论探究和分析，掌握其抗拉性能和承载力等关键指标；2.制定扩大头锚杆的制造工艺和质量控制标准，确保产品质量和性能符合要求；3.通过现场实验和工程应用验证扩大头锚杆在地下土体支护中的实用性和经济性，并与传统锚杆进行对比分析；4.结合现场实验和工程应用的数据和反馈，不断优化和改进扩大头锚杆技术，提高其适用范围和工程效果。
石窟寺危岩体锚杆加固技术发展研究
作为建筑、壁画、彩塑三位一体的文化遗产，石窟寺具有重大的历史、艺术、科学、社会等价值。
石窟寺原为古印度的一种佛教建筑形式，古印度佛教提倡隐世修行，佛教徒大都选择在偏僻山谷的崇山峻岭处修建修行场所，石窟寺由此产生[1]。
2-7世纪，印度建造有1300多座石窟，石窟建筑艺术形式随佛教北传至健陀罗地区，于汉代末期沿丝绸之路传入中国[2]。
新疆拜城约公元3世纪开凿我国第一座石窟寺——克孜尔石窟，至拜城起石窟寺文化在中国落地生根，传播路线开始由西向东进入新疆腹地，后经河西走廊由北至南发展。
依据国家文物局组织全国石窟专项调查结果，我国石窟寺及摩崖造像共有5986处，其中石窟寺有2155处①，主要分布在新疆地区、河西走廊、黄河流域、长江上游地区、川渝地区，滇藏地区也有零星分布。
我国石窟寺大都在依山傍水的山间断崖处开凿，岩石的地质条件对石窟寺的开凿及后期的保存有着很大的影响。
石窟崖体的保存状况受岩石性质和地貌类型、自然环境、人为因素等影响，历经千百年陆续出现裂隙、坍塌、滑坡等失稳现象，不仅威胁石窟本体及窟内造像和壁画的完好，同时产生的危岩体也会对游客带来威胁，严重影响石窟寺的保护、传承、利用，需要石窟寺危岩体锚杆加固技术发展研究孟祥凤1，2郭宏1（1.北京科技大学科技史与文化遗产研究院，北京100083；2.同方知网数字出版技术股份有限公司，北京100192）［摘要］作为建筑、壁画、彩塑三位一体的文化遗产，石窟寺具有重大的历史、艺术、科学价值。
开凿石窟的崖体受各种裂隙，尤其是卸荷裂隙的作用，形成各类危岩体，不仅严重威胁着石窟寺的长久保存，而且对游客、管理人员的安全造成危害，因此石窟寺崖体危岩体加固技术一直是石窟寺保护的重点与难点。
我国在石窟寺危岩体加固技术中，主要应用是支顶挡墙、锚杆加固、裂隙灌浆三类，而使用最多的是锚杆加固技术。
本文系统、全面总结了我国自20世纪60年代开始至今的石窟寺危岩体锚杆加固技术，尤其是应用于安西榆林窟、新疆克孜尔石窟、大同云冈石窟、洛阳龙门石窟等著名石窟的危岩体加固技术，以及针对不同危岩体的加固方法研究成果，客观评价危岩体加固技术的经验和教训，为石窟寺崖体危岩体的治理提供系统的技术参考和实践借鉴。
锚杆抗拔力试验方案
锚杆抗拔试验作业方案编制：审批：深圳市铁科岩土工程有限公司2012年11月根据施工现场实际情况及业主方要求，本工程锚杆抗拔检测由我单位负责进行，并在业主及监理方的见证、监督下进行。
特编制本方案。
一、工程概况施工单位：深圳市铁科岩土工程有限公司监理单位：北京康迪建设监理咨询有限公司建设单位：王家峪煤业有限公司本工程场地位于山西武乡县东南部王家峪村北侧，行政区划属武乡县韩北乡管辖。
场地系山西王家峪煤业有限公司的120万吨矿井开采场区。
根据施工图设计将本场地边坡采用锚杆加坡面挂网喷砼进行防护，场地内主要为第四系黄土。
锚杆采用Φ25钢筋制作，锚杆成孔直径为80mm，采用干法成孔。
锚杆注浆材料为普通硅酸盐水泥净浆。
设计抗拔力为60KN。
二、适用范围根据现场实际情况，本工程的锚杆抗拔检测现场抽检，在业主及监理方共同见证下进行拉拔，检测锚杆抗拔力是否达到设计要求。
三、目的编制张拉作业方案的目的就是为了更好的指导现场作业，使现场作业人员能够规范的进行张拉作业。
四、编制依据《建筑边坡工程技术规范》GB50330-2002《王家峪新井工业广场边坡支护工程施工图设计》（中国铁道科学研究院深圳研究设计院2012-06）五、张拉机具设备1．拉拔使用机具设备千斤顶1.1.1 千斤顶的技术参数选用柳州雷姆预应力机械有限公司生产的YCW60B200型穿心式千斤顶，千斤顶主要性能如下：千斤顶的数值计算公式p=F/S（压强=压力÷受力面积）其中：p—压强(单位：帕斯卡，符号：Pa)F—压力(单位：牛顿，符号：N)S—受力面积(单位：平方米，符号：㎡）根据施工图设计可知锚杆设计抗拔力为：60KN，按设计值的倍计算，荷载力为60*=66KN。
即：F=66*1000=66000N；从上表的千斤顶参数可知：S为张拉活塞面积。
即：S=×10-2=由以上可知：p=66000N/=因1Mpa=1000000pa即：p=1000000pa=综上所述本次张拉66KN，油压表读数应为：。
锚杆试验方案
囊式扩体锚杆试验方案1工程概况1。
1工程概况*＊＊＊*＊*＊****＊*＊*＊*拟建场区位于济南市天桥区历山北路以东,小清河北路与小清河之间，由一栋超高层、三栋高层、裙房商业及地下车库组成，总建筑面积20.63万m2。
设计±0.00相当于绝对标高25。
55m，基坑底标高—15.8m(局部—12。
2m)，开挖深度—12.2m～—15.8m，基坑开挖面积约3.5万m2.1.2场地周边环境1.2。
1周边建筑东侧：基础外边线距离材料加工周转场地为6。
89m，距离中建八局办公生活区42m.南侧：基础外边距离南水北调箱涵5-10m，箱涵为钢筋混凝土结构，顶、底板厚度均为600mm,分缝长度15m,分缝处采用止水橡胶止水，箱涵宽17。
2m，高6.1m，箱涵顶标高24。
05m，底标高17。
95m，采用水泥土搅拌桩复合地基(桩径500mm,桩长5.5m，桩间距1。
0m，正方形布桩），现未投入使用。
根据箱涵设计文件,箱涵允许变形值为20mm，箱涵施工期间采用1:1～1:1。
2放坡支护方案。
西侧：基础外边距离济南滨河新区建设投资集团（3F）约21。
0m。
1.2。
2周边道路北侧：基础外边线距离小清河北路人行道花砖约3.5m;西侧：基础外边线距离现状路2.5m-9。
5m；1。
2.3地下管线西侧：西侧现状道路路面及绿化带下埋设有污水、雨水、热力、给水、电信、供电等管线，各类管线最大埋深为3.60m。
北侧：小清河北路路面及绿化带下埋设有污水、雨水、热力、给水、电信、供电、路灯、交通信号灯管线，各类管线最大埋深为2.60m.1。
3 场地岩土工程条件1.3.1 地形地貌场区位于地貌单元属黄河、小清河冲积平原。
地形中部及南部较高，北部及西南、东南部较低，场地自然地面标高24.07～26。
62m.1.3。
2 地下水根据勘察报告,地下水类型为第四系孔隙潜水，主要含水层为上部填土、粉土层及下部第⑥层粉质粘土。
场地内地下水静止水位埋深2.10～4.80m，相应标高为20。
微观npr锚杆锚固抗剪大变形力学机制研究_概述及解释说明
微观npr锚杆锚固抗剪大变形力学机制研究概述及解释说明1. 引言1.1 概述随着建筑和土木工程的不断发展，锚固抗剪是一个关键性的研究领域。
微观npr 锚杆作为一种重要的材料，在这个领域中扮演着重要的角色。
本文将对微观npr 锚杆锚固抗剪大变形力学机制进行探讨和研究，旨在深入理解其特点、应用领域以及力学机制。
1.2 文章结构本文总共分为5个章节来介绍微观npr锚杆锚固抗剪大变形力学机制的研究。
首先是引言部分，概述了文章的背景和目的。
第二部分将对微观npr锚杆进行定义和特点的介绍，并阐述了锚固抗剪的重要性和应用领域以及研究背景和意义。
接下来，第三部分将详细解释说明微观npr锚杆锚固抗剪大变形力学机制的方法与实验设计，包括力学模型建立与分析方法、实验设备和测试方法介绍以及数据处理和结果分析。
第四部分将展示并讨论微观npr锚杆在不同条件下的抗剪性能表现，并解释其锚固抗剪大变形的力学机制，探讨影响因素及其作用机理。
最后，第五部分将总结研究工作成果并对未来的研究进行展望。
1.3 目的本文旨在全面了解和研究微观npr锚杆锚固抗剪大变形力学机制，探索其在建筑和土木工程中的应用潜力。
通过对相关实验与分析方法的介绍，希望能够提供对该领域研究者的参考，并为进一步研究提供新思路。
通过本文的研究结果和讨论，有助于更好地理解微观npr锚杆力学特性和应力传递机制，并为优化设计和使用提供指导。
最终目标是推动建筑和土木工程领域的创新发展。
2. 微观npr锚杆锚固抗剪大变形力学机制研究概述2.1 微观npr锚杆的定义和特点微观npr锚杆是一种新型的钢筋混凝土结构加固方式，具有很高的抗剪性能。
其具体定义是指在钢筋周围包覆着微米级纳米颗粒反应物（NPR）层，通过这层NPR层与钢筋之间的相互作用，使得整个npr锚杆形成了一个紧密的连接。
微观npr锚杆具有以下特点：1) 高强度：由于纳米颗粒反应物层可以提供额外的增强效果，微观npr锚杆具有较高强度，可以有效阻止剪切开裂。
水利工程施工地下洞室锚杆支护拱效应实验报告
《水利工程施工》地下洞室锚杆支护拱效应实验报告张文奇一、实验目的（1）通过地下洞室支护系统锚杆拱效应实验进一步深入与拓展对地下洞室喷锚支护知识的了解；（2）直观展示地下洞室的系统锚杆支护原理，改善地下工程施工部分内容的实验教学环节的不足；（3）提高学生的动手能力，培养学生开展工程实验的能力。
二、实验原理当在地下洞室进行喷锚支护后，洞室顶端山体形成以系统锚杆头和紧固端为顶点的锥形体压缩区，如果将锚杆沿洞室顶拱按一定间距径向排列，在锚固力作用下，每根锚杆周围形成的锥形体压缩区彼此重叠联结，在围岩中形成一连续压缩带，该区域不仅能保持自身的稳定，而且承受上部围岩压力，阻止上部围岩的松动和变形发展。
通过锚杆对破碎岩体施加锚固力是形成加固拱地前提。
本次实验在一个拱形石料槽中安设锚杆并填充碎石料来模拟地下洞室支护的系统锚杆加固拱的作用，锚杆的上下两端都采用垫片加螺母来对石料施加锚固力，实验原理如下图：（1）先安装石料槽底板，在石料槽内不设置锚杆的情况，将粒径40-60mm的石料装进拱槽内，拆卸装置石料槽底板，观察石料完全塌落情况；（2）再次安装石料槽底板，再将下端固定好垫片的锚杆安放在底板上；（3）将粒径40-60mm的石料重新装入拱形石料槽，保证锚杆位置无过大变动；（4）石料装满石料槽后，旋钮锚杆顶部的碟形螺母，在垫片的作用下对石料施加足够的锚固力；（5）拆卸装置的石料槽底板，观察石料的锚固情况，若石料不完全掉落，呈连续拱形，则实验成功，系统锚杆的拱效应得到验证。
三、实验用品拱形石料槽、集中锚固锚杆40支、工具箱（手套、老虎钳、锤子）、铁锹、斗车、石料（粒径40-60mm）。
四、实验步骤（1）将锚杆锚固端的垫片和螺栓拆开放好；（2）分区域将拆好的锚杆插入石料槽的底板的孔洞中，并倒入第一层石料；（3）直至所有锚杆都立在石料槽对应的孔洞中，并倒入第一层石料将锚杆固定；（4）用锤子轻轻锤石料，压实第一层石料；（5）待第一层石料压实之后，再进行第二层石料下料；（6）分层下料，分层压实，直至下料高度距离锚杆端部10cm左右；（7）压实结束后，装上垫片并调整至水平，旋钮锚杆顶部的蝶形螺母，在垫片的作用下对石料施加足够的锚固力；（8）待螺栓全部拧紧之后，拆卸装置的石料槽底板，观察石料的锚固情况，石料不完全掉落，且呈连续拱形。
S1224掘进巷道中空注浆锚杆实验方案
S1224掘进巷道中空注浆锚杆实验方案1实验目的为确保S1224（运输巷道）掘进巷道锚网联合支护的成功实施，采用中空注浆锚杆，并用中空注浆锚索代替现有的Ф15.24mm钢绞线锚索。
为测试中空注浆锚杆锚索抗拉强度是否能满足要求，顶板下沉量和巷道变形量是否在合理范围之内，并收集注浆量、注浆扩散半径、注浆压力、稳压时间、强度变化等情况，以优化注浆工艺，提高注浆质量。
特制定本中空注浆锚杆实施方案。
2实验场所实验场所定在S1224（运输巷道）掘进巷道进入采空区区域的顶板、矮帮和高帮。
3测试对象（1）锚杆锚索抗拉强度1）顶板中空注浆锚杆抗拉强度，包括短的（1m、1.5m）和长的（2.2m）；2）两帮锚杆抗拉强度，包括中空注浆锚杆（R25mm）和可回收锚杆（Ф16mm）；3）代替钢绞线锚索的中空注浆锚索长度11.0m，外露长度100mm。
每组所测锚杆锚索为3根；（2）注浆压力、时间、水灰比、扩散半径等参数。
（3）巷道顶板下沉量、顶底板移近量、两帮移近量。
4测试设备及材料（1）中空注浆锚杆锚索采用YML－Ⅱ型锚杆拉力计进行测试；（2）注浆设备采用2.2BYS-4.2/10-15注浆机、瓦斯抽放孔专用封孔泵；（3）水玻璃40kg；新型微膨胀化学添加剂。
（4）325硅酸盐水泥500kg；（5）生石膏100kg，（6）中空注浆锚杆长度1m的15根，1.5m的5根，2.2m长的40根，目前库房有1m长中空注浆锚杆15根；（7）其中须配套的止浆塞、托板、螺母25套，要求托板厚度12mm，长宽均为15cm；（8）11m长的中空注浆锚索须配备5颗相应的钻头。
（9）Z2870（或Z2370）树脂药卷。
材料购置情况见表1。
5锚固力要求使用的注浆锚杆、可回收锚杆必须达到以下要求，才能正式使用。
（1）中空注浆锚索长度为10.5m的其抗拉强度须大于170kN；（2）中空注浆锚杆长度为2.2m的其抗拉强度须大于85kN；（3）可回收锚杆抗拉强度须大于60kN。
扩体型锚杆的研制及其抗拔试验研究
扩体型锚杆的研制及其抗拔试验研究
膨胀式锚杆是在岩石内部进行支护结构技术，是拉张支护技术和钻孔支护技术中常用的一种技术，它是将一条在固定板上锚定的钢索折弯，以达到升锚、支护、抗剪、抗侧移作用。
与传统膨胀锚杆相比较，扩体型膨胀锚杆通过改变其截面形式，将膨胀箍具有一定抗拔能力，该锚杆具有更大的受力面积，能够更好地抵抗环境的侵蚀作用，因此被广泛用于岩土工程中。
为了研究扩体型锚杆的受力特性，本文研制了一种扩体型锚杆，以钼钢板为原料，经过冷加工经过具有不同角度的折弯工艺，成型采用热处理过程，最后完成冲孔加工，得到一定的长度的膨胀式锚杆。
随后，对扩体型膨胀锚杆进行抗拔试验，分别在岩土试块中深度相等的条件下，固定胀套，测量不同膨胀箍尺寸下的抗拔强度，实验结果表明：随着膨胀箍尺寸的增加，锚杆的抗拔强度逐渐增加，抗拔强度在深度为50 cm时达到最大。
经观察发现，膨胀箍部件因塑性变形而产生滑动，因此有效抗拔强度不仅与膨胀箍尺寸有关，还与地层状况，安装方式等有关。
由于扩体型膨胀锚杆受力面积较大，与普通型锚杆相比，大大提高了抗震刚度，使抗震性能更加稳定可靠。
由于锚杆的膨胀部件可以顺应岩石的变形，能够有效抵抗地质环境的侵蚀。
最后，扩体型膨胀锚杆可以用于岩土工程支护，提高了工程安全性能，减少了建设成本。
综上所述，扩体型膨胀锚杆特别适合于岩石环境工程，具有良好的抗震性能，较小的地面损坏，能够有效减少建设成本，节约建设成本。
此外，需要进一步研究其在不同岩土环境下的抗拔强度及抗环境侵蚀性等，为岩土工程的抗震性能提供新的支持。
涨壳式预应力中空锚杆的研究与应用
·隧道施工·收稿日期:20090817涨壳式预应力中空锚杆的研究与应用卢小刚(中铁十八局集团有限公司隧道工程公司 天津 300222)摘 要 通过研究涨壳式预应力中空锚杆和普通砂浆锚杆在限制隧洞围岩塑性范围、控制洞室围岩位移变化、锚杆支护轴向力这三个方面的对比分析,说明了涨壳式预应力中空锚杆具有更好的锚固效果。
锦屏二级水电站东端2号引水隧洞中应用涨壳式预应力中空锚杆,解决了临时支护与永久支护二者如何有机结合的问题,最大程度地提高施工进度,而且对高地应力情况下的坍塌、岩爆也可起到很明显的防治效果。
关键词 引水隧洞 涨壳式锚头 预应力 中空锚杆中图分类号 U455.4 文献标识码 A +B 文章编号 10094539(2009)11009603Study and Appli ca ti on of the Expand i n g 2shell Pre 2stressed Hollow Anchor RodL u Xi a og a ng(China Rail w ay 18th Bureau Gr oup Co .L td .,Tianjin 300222,China )Abstract By studying and analyzing the expanding 2shell p re 2stressed holl ow anchor r od and the ordinary mortar anchor r od fr om the three as pects,that is,the li m itati on of the p lastic range of the tunnel surr ounding r ock,the dis p lace ment of the contr ol cha mber surr ounding r ock and the axial f orce of anchor r od support,the better reinf orce ment effect of the expanding 2shell p re 2stressed holl ow anchor r od can be p r oved .The app licati on of the expanding 2shell p re 2stressed holl ow anchor r od on the No .2diversi on tunnel in the eastern end of J inp ing 2Hydr opower Stati on s olved the p r oblem of the combinati on of the te mporary and per manent support and maxi m ized the s peed of the constructi on and greatly p revented the tunnel collap se and r ock burst under the conditi on of high geostresses .Key words diversi on tunnel;expanding 2shell anchor r od;p re 2stress;holl ow anchor r od1 概述锦屏二级水电站利用雅砻江卡拉至江口下游河段150k m 长大河湾的天然落差,通过4条长约17k m 的引水隧洞,截弯取直,获得水头约310m ,是雅砻江上水头最高、装机规模最大的水电站。
219463777_基于改进扩展状态观测器的液压锚杆钻机滑模摆角控制
基于改进扩展状态观测器的液压锚杆钻机滑模摆角控制张 振 1郭一楠 2, 3巩敦卫 4朱 松 1田 滨5摘 要 液压锚杆钻机摆角系统固有的死区、干扰和时变参数严重影响其动态和稳态性能. 为解决该问题, 通过融合动态面方法、滑模方法和扩展状态观测器, 提出一种基于改进非线性扩展状态观测器的液压锚杆钻机自适应滑模摆角控制方法.首先, 引入一种死区补偿方法, 建立摆角系统的死区补偿模型. 其次, 为提高系统的抗扰动能力和抑制噪声, 设计一种改进的非线性扩展状态观测器. 此外, 构造一种自适应滑模控制律, 这其中, 基于性能函数和动态面方法设计一种新型的滑模面,以提高控制精度; 随后, 设计一种新的滑模趋近律, 以提高系统滑模响应速度和消除滑模抖振. 进一步, 分别设计估计误差自适应律和参数自适应律以补偿扰动估计误差和抑制时变参数的影响. 最后, 通过将所提出的控制方法与8种控制方法进行比较, 验证其有效性.关键词 液压锚杆钻机, 滑模控制, 扩展状态观测器, 自适应律引用格式 张振, 郭一楠, 巩敦卫, 朱松, 田滨. 基于改进扩展状态观测器的液压锚杆钻机滑模摆角控制. 自动化学报, 2023,49(6): 1256−1271DOI 10.16383/j.aas.c220524Sliding Mode Swing Angle Control for a Hydraulic RoofbolterBased on Improved Extended State ObserverZHANG Zhen 1 GUO Yi-Nan 2, 3 GONG Dun-Wei 4 ZHU Song 1 TIAN Bin 5Abstract The inherent dead-zone, disturbance and time-varying parameters deteriorate dynamic and steady-state performances of swing angle system for a hydraulic roofbolter. To address the issue, by fusing dynamic surface method, sliding mode method and extended state observer, this paper proposes an adaptive sliding mode swing angle control method for a hydraulic roofbolter based on an improved nonlinear extended state observer. First, a dead-zone compensation method is introduced, thus a swing angle system is modeled after compensating dead-zone.Secondly, in order to improve the anti-disturbance capability of swing angle system and suppress noise, an im-proved nonlinear extended state observer is designed. In addition, an adaptive novel sliding mode control law is con-structed, in which a novel sliding mode surface is designed based on performance function and dynamic surface method to improve the control accuracy. Subsequently, a novel sliding mode reaching law is designed to improve the response speed and eliminate sliding mode chattering. Further, an estimation error adaptation law and paramet-er adaptation laws are designed to compensate the disturbance estimation error and suppress the influence of time-varying parameters, respectively. Finally, the effectiveness of the proposed control method is verified by comparing it with eight control methods.Key words Hydraulic roofbolter, sliding mode control, extended state observer, adaptation lawCitation Zhang Zhen, Guo Yi-Nan, Gong Dun-Wei, Zhu Song, Tian Bin. Sliding mode swing angle control for a hydraulic roofbolter based on improved extended state observer. Acta Automatica Sinica , 2023, 49(6): 1256−1271在煤炭井下开采前, 需要在待开采煤层的两侧采用特有的掘进装备开凿岩体或煤岩混合体, 并通过支护设备实现对空顶围岩的有效支撑, 形成用于收稿日期 2022-06-24 录用日期 2022-09-21Manuscript received June 24, 2022; accepted September 21,2022国家自然科学基金 (61973305, 52121003, 61573361), 国家重点研发计划 (SQ2022YFB4700381), 江苏省六大人才高峰项目 (2017-DZXX-046), 广东省重点领域研究发展计划 (2020B0909050001,2020B090921003), 河北省自然科学基金 (2021402011) 资助Supported by National Natural Science Foundation of China (61973305, 52121003, 61573361), National Key Research and De-velopment Program of China (SQ2022YFB4700381), Six Talent Peak Project in Jiangsu Province (2017-DZXX-046), Key-area Research and Development Program of Guangdong Province (2020B0909050001, 2020B090921003), and Natural Science Foundation of Hebei Province (2021402011)本文责任编委 杨涛Recommended by Associate Editor YANG Tao1. 中国矿业大学数学学院 徐州 2211162. 中国矿业大学信息与控制工程学院 徐州 221116 3. 中国矿业大学 (北京) 机电与信息工程学院 北京 110083 4. 青岛科技大学信息科学技术学院 青岛266061 5. 中国科学院自动化研究所 北京 1001901. School of Mathematics, China University of Mining and Technology, Xuzhou 2211162. School of Information and Con-trol Engineering, China University of Mining and Technology,Xuzhou 2211163. School of Mechanical Electronic and Inform-ation Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 1100834. School of Information Science and Technology, Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 2660615. Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190第 49 卷 第 6 期自 动 化 学 报Vol. 49, No. 62023 年 6 月ACTA AUTOMATICA SINICAJune, 2023煤炭、设备和人员运输的通道 (巷道). 掘进后的巷道顶板受到围岩应力和相邻巷道采动应力的影响,可能发生坍塌引起安全事故[1−2]. 因此, 巷道支护成为了煤炭开采中最重要和最迫切的生产保障环节.为保证巷道的安全性, 通常采用液压锚杆钻机安装锚杆/锚索, 对巷道顶板/侧帮加以支护. 为确保锚杆/锚索安装到设定位置, 需要将液压锚杆钻机钻臂摆动到指定位置. 由此, 液压锚杆钻机摆角的精确控制对保障巷道的安全支护具有重要意义.液压锚杆钻机摆角系统本质上是一种电液伺服系统, 其摆角由液压比例阀调节. 而液压比例阀固有的死区特性可能会引起控制信号的延迟响应, 导致系统跟踪误差较大、甚至失稳[3−4]. 此外, 由于液压油温度的变化、摩擦力、外部扰动以及难以建模项等因素, 使摆角系统受到不确定参数和扰动的影响[5−8]. 为提升液压锚杆钻机摆角系统的控制性能,需要综合考虑上述因素.近年来, 研究人员已将滑模控制、反步控制、动态面控制以及自抗扰控制等引入电液伺服系统[9].其中, 滑模控制结构简单且鲁棒性强[10−12], 受到了广泛关注. 但是, 由于存在滑模抖振现象, 严重影响了其动态性能和应用价值[13−14]. 反步控制方法的控制性能依赖于精确的系统模型, 而实际工程中系统的精确模型难以建立. 此外, 该方法需要通过大量微分计算构建控制器, 导致设计过程复杂度较高[15−16].动态面控制方法是一种改进的反步控制方法, 虽然简化了设计过程, 但是其控制性能仍依赖于精确的系统模型且抗扰动能力较弱[17]. 相比于前三种控制方法, 自抗扰控制方法不仅具有较强的抗扰动能力,而且能够在保障快速响应的同时避免超调[18−19]. 自抗扰控制器主要包括三部分: 过渡过程、非线性状态误差反馈律和扩展状态观测器. 然而, 三阶及以上过渡过程的设计比较复杂, 这增加了自抗扰控制器的构建难度; 自抗扰控制优越的抗扰动能力依赖于较大的观测器增益, 这会放大噪声、降低系统的控制性能[20−21]. 为了提高电液伺服系统的综合控制性能, 研究人员提出了多种集成控制方法. 文献[22]设计了一种带有扩展状态观测器的滑模控制器, 降低了系统的位置跟踪误差. 文献[23]提出了一种结合滑模控制与动态面控制的集成控制器, 提高了系统的跟踪性能. 文献[24]基于反步控制方法开发了一种自适应自抗扰控制器, 用以克服时变参数和扰动对系统的不良影响. 文献[25]融合自抗扰控制和反步控制, 构建了一种非线性集成鲁棒控制器. 文献[26]提出了一种基于自抗扰控制的反步滑模控制器, 改善了系统的动态和稳态性能.相比于单一控制方法, 上述集成控制策略通过融合不同控制方法的优势, 弥补彼此不足, 从而能够实现更佳的控制性能. 特别是, 融合滑模控制和自抗扰控制的集成控制方法具有简单的结构、较强的鲁棒性和优越的抗扰动能力, 近年来已在电液伺服系统领域受到广泛关注. 针对电液伺服系统, 文献[22]提出一种基于高增益观测器的积分滑模控制方法. 首先, 基于系统输入、输出和状态估计误差, 构建了一种高增益观测器, 以提高系统扰动的估计性能. 随后, 基于等速趋近律, 设计了积分滑模控制律, 从而改善了系统的位置跟踪性能. 针对电液伺服车辆转向系统, 文献[27]提出一种基于高增益观测器的输出反馈积分滑模控制方法. 根据系统输入、输出和状态估计误差, 所构建的高增益观测器能够实时估计系统扰动; 基于指数趋近律和状态反馈, 所设计的积分滑模控制律可以有效提高系统的转向跟踪性能. 针对液压马达系统, 文献[26]提出一种基于扩展状态观测器的鲁棒反步滑模控制方法. 基于系统输入和输出, 线性扩展状态观测器实时估计外部扰动; 进而, 基于状态估计值和符号函数所设计的反步滑模控制律, 有效提高了系统的鲁棒性, 保证了系统在低压运行下的良好跟踪性能.针对电液伺服位移系统, 文献[28]提出一种基于扩展状态观测器的有限时间终端滑模控制方法. 线性扩展状态观测器根据系统输入和输出实时估计扰动, 终端滑模控制律可以改善系统的稳态性能. 针对电液伺服系统, 文献[29]提出一种基于扩展状态观测器和输入饱和的反步滑模控制方法. 系统总的不确定项通过线性扩展状态观测器加以实时估计,基于反步方法和输入饱和策略所设计的抗饱和反步滑模控制律, 显著提高了系统跟踪精度. 上述控制方法能够有效提高系统的控制性能且对系统的不确定性和扰动不敏感, 具有重要的理论意义和实际工程价值. 然而, 该集成控制方法仍存在以下不足: 1) 没有同时考虑液压比例阀死区特性、时变因素和扰动对控制性能的影响, 这可能导致系统失稳; 2) 在扰动处理策略中, 通常为扩展状态观测器设置较大增益来高效估计干扰, 然而, 较大的增益可能会放大噪声, 从而降低系统稳定性; 3) 在滑模控制律设计过程中, 采用的常规滑模趋近律导致全局趋近速度较慢, 且无法消除抖振; 4) 在滑模控制律设计中,采用符号切换项抑制扰动估计误差以增强系统的鲁棒性, 这可能导致控制器高频切换, 甚至不稳定.为了解决上述问题, 本文首先通过补偿液压比例阀死区, 建立了液压锚杆钻机摆角系统模型. 随6 期张振等: 基于改进扩展状态观测器的液压锚杆钻机滑模摆角控制1257后, 设计了一种基于改进非线性扩展状态观测器的液压锚杆钻机自适应滑模摆角控制器, 旨在提高系统的摆角跟踪性能, 保证巷道的高效支护. 本文有以下4方面的贡献:fal 1)根据系统可测状态变量的估计误差, 以及一种新型指数型 函数, 构建了改进的非线性扩展状态观测器, 从而以较小的增益和简单的结构实时估计系统扰动, 有效提高摆角系统的抗扰动能力并抑制噪声;2)采用动态面方法, 基于跟踪误差性能函数,设计了一种新的滑模面, 为状态变量提供更佳的滑模轨迹, 保证系统更加快速精确的摆角控制性能;3)引入饱和函数和指数函数, 构造一种新的滑模趋近律, 根据跟踪误差自适应地调整趋近速度, 在保证较高的滑模全局趋近速度的同时消除滑模抖振;4)基于滑模面和控制信号, 设计扰动估计误差和参数自适应律, 以补偿扰动估计误差, 并实时调整时变参数估计值, 抑制扰动估计误差和时变参数对系统控制性能的负面影响.本文结构安排如下: 第1节建立液压锚杆钻机摆角系统死区补偿模型; 第2节设计基于改进非线性扩展状态观测器的液压锚杆钻机自适应滑模摆角控制器, 并分析其稳定性; 第3节通过对比实验验证所提方法的有效性; 最后, 第4节总结全文, 并展望下一步的研究工作.1 液压锚杆钻机摆角系统建模如图1所示, 在液压锚杆钻机摆角系统中, 异步电机驱动定量泵将液压油通过液压比例阀送入液压马达. 其中, 控制器通过调节液压比例阀的开度,改变液压油的流量, 从而控制液压马达的旋转, 带动涡轮减速装置驱动钻臂摆动到预定位置. 显然,液压马达和液压比例阀是摆角系统的核心部件.1.1 液压马达动态特性液压马达是液压锚杆钻机摆角系统的执行机构, 液压马达的扭矩是通过液压油的压强来调节的.考虑到外部负载和未建模干扰, 液压马达扭矩的动态模型如下所示[30−31]J t =nJ m +J l /n B t =nB m +B l /n n =θm /θL n J m J l D m B m B l P L J t θm θL B t G t T t ∆s 式(1)中, , , . 其中, 为传动比, 是液压马达转动惯量, 是负载转动惯量, 为液压马达的排量, 是液压马达粘性阻尼系数, 是负载粘性阻尼系数, 为负载压强, 为液压马达的等效惯量, 为液压马达摆角, 为钻臂摆角, 为粘性阻尼系数, 为刚度系数, 为负载扭矩, 表示系统不确定项、外部扰动等因素的总和.Q L 定义 为液压马达中液压油的流量, 液压马达中液压油压强和流量的动态关系表达如下[24]C tm V m βq (t )其中, 为泄漏系数, 为液压马达总容积, 为液压油弹性模量, 表示难以建模项.1.2 液压比例阀动态特性x v 液压比例阀是摆角系统的控制执行机构. 定义 为液压比例阀的阀芯位移, 液压比例阀中液压油流量和其阀芯位移之间的动态关系表达如下[32−33]P L =P 1−P 20<P 2<P 1<P S P 1P 20<P L <P 1<P S ρ>0(P S −sgn (x v )P L )/ρ>0√(P S −sgn (x v )P L )/ρP S ρC d W sgn (·)式 (3) 中, , . 其中, 和 分别表示液压马达进油腔和回油腔的压强. 因, , 所以 , 则 成立. 是系统供油压强, 是液压油密度, 和 分别为流量系数和阀芯梯度面积.表示符号函数I x v 定义 为电流, 不失一般性, 随电流变化. 在液压比例阀中, 为了保障阀芯能够有效隔断通过阀口的液压油并抑制其泄漏, 阀芯的宽度往往大于阀口, 形成一定量的阀口重叠. 此外, 库伦摩擦会使阀芯的移动受阻. 上述因素都会导致阀芯移动无法响图 1 摆角系统框架Fig. 1 The schematic diagram of swing angle system1258自 动 化 学 报49 卷应一定范围内的输入控制量, 形成液压比例阀的死区特性[15, 34]. 如图2所示, 阀芯位移特性描述如下k v x vmax I max Imin δl δr 其中, 为增益, 为阀芯最大位移, 和 分别是液压比例阀允许的最大和最小电流, 和 为阀芯位移死区边界参数.图 2 液压比例阀位移动态Fig. 2 Displacement dynamic of hydraulicproportional valveˆδr ˜δr δr ˆδl ˜δl δl δ=[δr ,δl ]T ˆδ=[ˆδr ,ˆδl ]T ˜δ=[˜δr ,˜δl ]T ˜δ=ˆδ−δ令 和 分别是 的估计值和估计误差, 和 分别是 的估计值和估计误差. 定义 , 和 , 它们满足 . 通过引入模糊逻辑死区补偿方法[35]后, 根据文献[36]给出的详细推导过程, 式(3)被表达为¯β=[αsgn (˜δr ),(α−1)sgn (˜δl )]T sat ˜δ(u )¯α=[α,1−α]Tαsat ˜δ(u )式 (7) 中, , . 其中, 和 分别为将式(1)和式(2)代入式(7), 可得1.3 液压锚杆钻机摆角系统模型x =[x 1,x 2,x 3]T =[θL ,˙θL ,¨θL ]T y ψ=[ψ1,ψ2]T =[θ4˜δr υ1,θ4˜δl υ2]T ¯α+¯β=[υ1,υ2]T ˆψ=[ˆψ1,ˆψ2]T ˜ψ=[˜ψ1,˜ψ2]T ψ选择系统摆角及其一阶导数、二阶导数为状态变量, 记为 . 令 为系统输出, , , 和 为 的估计值和估计误差. 根据式 (10), 建立液压锚杆钻机摆角系统模型如下f (x )=−θ1x 1−θ2x 2−θ3x 3H =[1,1]T R =√P S −sgn (x v )P L P S P L R θ1=4βC tm G t /(V m J t )θ2=(4βnD 2m +4βC tm B t +V m G t )/(V m J t )θ3=(4βC tm J t +V m B t )/(V m J t )θ4=4βD m C d W k v /(V m J t √ρ)γ(t )=−(4βC tm (T t +∆s )/V m +(˙Tt +˙∆s )−4βD m q (t )/V m )/J t βC tm k v θ1θ2θ3θ4ψ1ψ2其中, , , , 因 和 均是可测的, 所以 可测. , , , . 表示摆角系统总扰动. 由于系统液压油温度的变化和液压比例阀阀芯的磨损等, 导致 , 和 等物理参数具有时变性[37−38], 形成了时变参数 , , , , , .θ=[θ1,θ2,θ3,θ4]T ˆθ=[ˆθ1,ˆθ2,ˆθ3,ˆθ4]T ˜θ=ˆθ−θθ定义 , 和 分别是 的估计值和估计误差.2 控制器设计在巷道中, 为了准确高效安装锚杆/锚索, 保证巷道有效支护, 本文提出了一种基于改进非线性扩展状态观测器的液压锚杆钻机自适应滑模摆角控制器. 该控制器主要由改进的非线性扩展状态观测器、滑模控制律和自适应律三部分构成.2.1 改进的非线性扩展状态观测器ˆx i 由于非线性扩展状态观测器估计速度快、精度高, 所以被广泛用于估计系统扰动[13, 18, 39−40]. 令 为6 期张振等: 基于改进扩展状态观测器的液压锚杆钻机滑模摆角控制1259x i i e E1=ˆx 1−x 1˙ˆx i e E1ˆxi x i ˆx 1x 1e E1ˆx 2,ˆx 3,ˆx 4x 2,x 3,x 4 的估计值, = 1, 2, 3, 4, 并且 为摆角的估计误差. 在传统非线性扩展状态观测器中,为状态变量估计值的一阶导数, 其由 进行调整, 目的是实现 逼近 . 然而, 一旦 足够接近 时, 就变的非常小, 导致无法实现 对 的有效逼近. 为了提高估计精度, 通常为观测器设置较大的增益. 然而, 增大增益会放大噪声, 从而削弱控制器的性能, 导致系统不稳定[18].x 4(t )=γ(t )−˜θT φ1−˜ψT φ2令 为摆角系统新的状态量, 传统的非线性扩展状态观测器表达如下[18]φ1=[−x 1,−x 2,−x 3,Ru ]Tφ2=H R βi >0fal i (e E 1,αi )其中, , , ,表达如下0<α4<α3<α2<α1≤10<δ<1其中, , .e E3=ˆx 3−x 3e E1由于摆角系统的状态均可测, 所以, 为了减小增益、抑制噪声, 采用 代替 , 基于此,式(12)所示观测器被简化为fal 3(e E 3,α3)fal (e E 3)为了进一步改善系统控制性能, 被重新设计为函数 , 即k ≥1¯α2<α3−1<¯α1|e E3|=1exp (k |e E3|¯α1)e E3=exp (k |e E3|¯α2)e E3fal (e E3)其中, , . 显然, 当 时,, 因此 是一个连续函数.fal (e E 3)将 代入式 (14), 得到改进的非线性扩展状态观测器如下fal 3(e E 3,α3)fal (e E 3)0<|e E 3|<1exp (k |e E 3|¯α2)>k |e E 3|¯α2>δα3−1|e E 3|≥1exp (k |e E 3|¯α1)>k |e E 3|¯α1>|e E 3|α3−1对比 和 可以得到: 1) 当时, ;2) 当 时, . 因此, 相比于传统的非线性扩展状态观测器, 所提出的观测器结构更加简单, 且能够以较小的增益实现较好的估计性能, 从而能够更好地抑制噪声. 进一步, 本文在如下的定理1中分析了所提改进非线性扩展状态观测器的估计误差有界性.定理 1. 针对式(11)所示的摆角系统, 提出的改进非线性扩展状态观测器的估计误差是有界的.证明. 根据式 (15), 定义一个新的变量将式(17)代入式(16)可得˙x4=γ1(t )令 , 得到式(11)所示的摆角系统的降阶模型如下e E4=ˆx4−x 4x 4e E =[e E 3,e E 4]T e E 定义 是 的估计误差, 是状态估计误差向量. 根据式(18)和式 (19),可以得到 的微分方程如下A =−β3ϖ(e E 3)1−β4ϖ(e E 3)0B 1=[0,1]T 其中, , .β3>0β4>0ϖ(e E 3)>0A e E 因为 , 且 , 所以 是一个Hurwitz 矩阵. 根据Hurwitz 稳定性理论[24], 可得式(20)是稳定的, 且 是有界的. 基于此, 改进非线性扩展状态观测器的估计误差有界.□2.2 滑模控制律设计本文所提控制策略采用新型滑模面和滑模趋近律, 以及相应的扰动估计误差和参数自适应律.2.2.1 滑模面设计为了保障摆角系统跟踪误差的收敛精度和速度, 学者们采用误差性能函数和收敛函数设计滑模面. 然而, 由于这种方法依赖于大量的微分计算, 导致其设计过程比较复杂[41]. 鉴于此, 本节采用动态面方法, 基于误差性能函数和收敛函数, 设计一个新型滑模面, 以简化设计并提高控制性能.x d 1e 1=x d 1−y ˙e 1=˙x d 1−x 2u 2=˙x d 1−c 1e 1x 2¯u 2令 为系统跟踪信号, 定义跟踪误差为 , 其一阶导数为 . 假设 是 的虚拟控制律, 是其一阶低通滤波器的输出, 它们满足如下关系τ1>0e 2=¯u 2−x 2˙e 2=˙¯u 2−其中, . 令 , 其导数为 1260自 动 化 学 报49 卷x 3u 3=˙¯u 2−c 2e 2x 3¯u 3. 定义 为 的虚拟控制律, 为其一阶低通滤波器的输出, 它们满足如下关系τ2>0e 3=¯u 3−x 3˙e 3=˙¯u 3−˙x 3.其中, . 定义 , 其导数 e j λj (t )t =0λj (0)=0t →∞λj (∞)>0定义 的有界函数为 , 时, 其初始值为 ; 时, 其边界值为. 基于此, 可以得到l j >0其中, . 为了保证摆角系统跟踪误差良好的收敛性, 本节引入一个光滑连续单调递增收敛函数e j (t )根据式 (23) ~ 式 (25), 被表达为Z (σj )∈(−1,1)−|λj (t )|<λj (t )Z (σj )<|λj (t )|−|λj (t )|<e j (t )<|λj (t )|e j (t )由于 , ,所以 , 的收敛集合如下Z (σj )根据式 (25), 计算的反函数可得对式 (28) 求导可得M j 1=−˙λj e j /(λ2j −e 2j )M j 2=λj /(λ2j −e 2j )令 , , 得基于此, 设计摆角系统的滑模面如下k 1>0k 2>0其中, , .2.2.2 滑模趋近律设计为提高摆角系统的滑模响应速度并消除滑模抖振, 本文设计了一个高效的滑模趋近律. 常用的滑模趋近律如下sat (s )其中, 式(32)为等速趋近律, 式(33)为指数趋近律, 式(34)为幂次趋近律. 上述3个趋近律均包含符号函数, 这可能导致控制器的高频切换. 特别地,等速趋近律和指数趋近律能够抑制抖振, 却无法将其消除. 幂次趋近律虽然能够消除滑模抖振, 但其趋近速度较慢. 为了克服上述不足, 本节基于饱和函数 和指数函数, 设计了一种新的滑模趋近律如下µ1>0µ2>00<Φ=ϕc <10<ϕ<1s c a b c 0<c <a <10<b <1a b c 其中, , , , ,是一个奇函数. 此外, , 和 是所提趋近律的三个关键参数, 它们满足 和 .决策者可以通过事先灵活设定 , 和 的取值, 以调整滑模控制的趋近速度.|s |>ϕ˙s =−µ1exp (|s /Φ|a)sgn (s )−µ2s ×exp (|s /Φ|b )µ1exp (|s /Φ|a )>µ1µ1exp (|s /Φ|a)>µ1|s |a µ2exp (|s /Φ|b)>µ2µ1exp (|s /Φ|a )µ2exp (|s /Φ|b )当 时, 即状态变量远离滑模面时, 对应的滑模趋近律为 . 显然, , , 且 . 因此, 相比于常用的滑模趋近律, 所提出的滑模趋近律能够提高摆角系统的滑模响应速度. 在系统状态靠近滑模面的过程中, 和 逐渐变小, 从而起到抑制滑模抖振的作用.|s |≤ϕ˙s =−(µ1/Φ)exp (|s /Φ|a)s c −µ2s exp (|s /Φ|b)|s |→0˙s =−µ1/Φ×exp (|s /Φ|a )s c −µ2s exp (|s /Φ|b)→0˙s =−µ1sgn (s )→µ1˙s =−µ1sgn (s )−µ2s →µ1˙s =−µ1|s |a sgn (s )→0(µ1/Φ)exp (|s /Φ|a )|s |c >µ1|s |a 当 时, 即状态变量到达边界层内, 对应的滑模趋近律为 . 显然, 当 时, ,, , . 因此, 相比于等速趋近律和指数趋近律, 所提趋近律能够消除滑模抖振. 此外, , 因此, 相比于幂次趋近律, 虽然两者均能够消除滑模抖振, 但所提趋近律具有更快的滑模趋近速度.进一步, 本节通过引入有界时间稳定性引理[42],在如下定理2中证明所提趋近律的有限时间可达性.V 1引理 1[42]. 对于一个系统, 如果存在一个正定函数 满足如下方程则该系统能够在如下有限时间内收敛6 期张振等: 基于改进扩展状态观测器的液压锚杆钻机滑模摆角控制1261µ3>0µ4>00<χ1<1χ2>1其中, , , , .定理 2. 针对式(11)所描述的液压锚杆钻机摆角系统, 本文所设计的滑模趋近律具有如下有限时间可达性V 1=s 2/2证明. 选择 , 其导数如下将式(35)代入式 (40), 可得:|s |>ϕ当 时|s |≤ϕ当 时结合式(41)和式 (42), 可得根据引理1, 可得所提滑模趋近律的有限可达□2.2.3 滑模控制律和自适应律设计虽然本文所提改进的非线性扩展状态观测器在估计系统扰动时具有更好的估计性能, 但仍会存在估计误差. 如果在滑模控制律中对该估计误差加以补偿, 可以进一步提高系统的鲁棒性和控制性能[43].由此, 基于所提滑模面和滑模趋近律, 通过补偿扰动估计误差, 设计如下滑模控制律ˆe E 4e E 4其中, 是 的估计值.0<k 3<1θj ψe E 4在摆角系统和滑模控制律中, 令 , 参数 , 和扰动估计误差 的估计值采用下列自适应律加以调整2.2.4 控制器设计和分析ˆx 4融合上述滑模控制律和改进的扩展状态观测器, 采用动态面方法, 本文提出一种基于改进非线性扩展状态观测器的液压锚杆钻机自适应滑模摆角控制器. 通过在滑模控制律中补偿掉改进的非线性扩展状态观测器估计的扰动, 构建如下控制器在该控制方法中, 死区补偿技术的引入能够有效抑制液压比例阀死区的影响; 设计的滑模控制律能够消除抖振、提高滑模控制速度、增强系统的鲁棒性; 改进的非线性扩展状态观测器增强了系统的抗扰动能力, 对提高系统的控制性能至关重要. 进一步, 定理3证明了控制系统的稳定性.定理 3. 针对式(11)所示液压锚杆钻机摆角系统, 本文所提基于改进非线性扩展状态观测器的自适应滑模控制系统的跟踪误差渐近收敛到零.证明. 定义如下李雅普诺夫函数ℏ=µ1exp (|s /Φ|a )sat (s )+µ2s exp (|s /Φ|b )令 , 对上式求导可得1262自 动 化 学 报49 卷将式 (45) ~ 式(52)代入上式可得ℏ根据 , 式(36)和式 (54), 可得|s |>ϕ˙V=−s (µ1exp (|s /Φ|a )sgn (s )+µ2s exp (|s /Φ|b))<−(µ1|s |+µ2s 2)<01) 当 时, ;|s |≤ϕ˙V=−((µ1/Φ)exp (|s /Φ|a )|s |1+c +µ2exp (|s /Φ|b)s 2)≤0.2) 当 时,˙V≤0综上可得: . 根据李雅普诺夫稳定性理论[44],所提控制系统是稳定的, 且跟踪误差渐近收敛到零. □3 仿真实验与分析为了验证本文所提摆角控制方法的有效性, 本节开展了对比仿真实验, 并分析了实验结果.x d x d x d 1以图3所示巷道为例, 液压锚杆钻机摆角系统驱动钻臂从中间位置依次向左偏转0.6弧度 (过程1)、向左偏转0.6弧度 (过程2)、向右偏转1.8弧度(过程3)、向右偏转0.6弧度 (过程4) 执行钻进工作, 并分别安装锚杆/锚索, 以实现对巷道的有效支护. 依据上述摆角动作, 设定系统的摆角跟踪信号为 . 显然, 该跟踪值为一个阶跃信号, 这可能导致系统快速响应的过程中产生超调现象. 鉴于此, 本文引入了过渡过程[18], 将 转化为连续信号 , 如图4所示.λj (∞)=0.001,c 1=0.5c 2=0.05τ1=τ2=0.003,µ1=0.5,µ2=6,a =b =0.5,c =1/3,ϕ=0.2,l j =4,k =1,k 1=20,k 2=15,k 3=0.9α1=1α2=0.75,α3=0.5,α4=0.25,β1=100,β2=1200,β3=10000,β4=30000¯α1=0.5¯α2=−1β3=40β4=100θψˆθ0=[8000,24,385,0.1]T ˆψ0=[0.09,−0.11]T 仿真实验在Matlab 与AMESimR13联合环境下展开, 如图5所示. 其中, 所提控制策略在Mat-lab 中以C 语言实现, 液压锚杆钻机摆角系统的物理模型在AMESimR13中搭建. 控制器主要参数设置如下: , ,; 传统非线性扩展状态观测器参数设置如下: ,; 所提改进非线性扩展状态观测器参数设置如下: , , , . 和 的初始值为: 和 .+PPA BP JJW ++TBT−p r e s s u r es p e e d a n g l eu图 5 联合仿真平台Fig. 5 The joint simulation platform3.1 所提策略的有效性分析液压锚杆钻机摆角系统中的扰动、液压比例阀死区以及时变参数均会影响系统的控制性能. 鉴于此, 本文设计了改进的非线性扩展状态观测器、死区补偿以及参数自适应律. 为了验证上述策略的有2134锚杆/锚索图 3 巷道支护示例Fig. 3 Example of roadway support210−1−跟踪信号 /r a d时间 /s图 4 跟踪信号Fig. 4 Tracking signal6 期张振等: 基于改进扩展状态观测器的液压锚杆钻机滑模摆角控制1263。
考虑围岩扩容的锚杆支护效应分析
考虑围岩扩容的锚杆支护效应分析摘 要：隧道围岩非线性体积膨胀影响施工安全，如何正确评价隧道围岩塑性区域内扩容机制非常重要。
将地下开挖中围岩的扩容用平均应变e m 表示。
锚注支护是将锚喷支护与注浆加固有机结合的一种主动支护方法，根据其机理，将注浆锚杆简化为作用于围岩的一种体积力，并将注浆作用看作对围岩力学性能的改变，以此建立了锚注支护计算的力学模型。
围岩变形产生剪应力的主要原因是锚杆和围岩之间的相对位移u ∆。
分析结果表明锚杆长度L ，扩容系数e m ，弹性模量Em ，对锚杆的轴向应力和剪切应力及锚杆支护效应，扩容系数e m 对地层特征曲线的影响。
1 引言在地下开挖中，如果应力超出岩体峰值强度，会导致围岩非线性的体积膨胀，而且这种膨胀是不可逆的，在岩体力学中称为扩容。
在深部开采工程中，由于开挖卸载导致围岩的应力重分布产生的扩容现象是普遍存在的，因此，为了安全高效的深部岩体支护开挖设计，考虑岩体的扩容特点致关重要。
试验结果表明，在低围压的作用下，软弱岩石呈脆性，表现出明显的塑性应变软化特性，应变软化阶段和残余阶段对围压有很强的敏感性；在高围压作用下，软弱岩石从脆性转为延性，岩石塑性应变软化特性逐渐减弱，岩石峰值强度与残余强度之间的差距逐渐缩小，逐渐表现出理想塑性特征。
而锚杆的加入使围岩围压增大，围压的增大会使扩容量随之减弱。
锚杆支护围岩强度强化理论认为在围岩巷道中系统地布置锚杆后，可以提高围岩的整体强度，形成承载结构，改善围岩的应力状态，减少巷道表面的位移，控制围岩破碎区和塑性区的发展，从而保持巷道围岩的稳定性。
锚杆支护围岩强度强化理论主要论述了锚杆对提高围岩峰值后强度和残余强度的作用，比较客观地揭示了锚杆在支护破碎围岩中的作用。
之前国内外许多学者考虑岩体的应变软化特性，用塑性剪切应变表示围岩软化参数，用岩体剪胀角表示围岩体积扩容。
均得到了比较理想的成果。
本文引入塑性体积应变系数e m ，并将锚杆界面的剪应力以体积力[9]的形式引入圆形隧道围岩中，将锚杆作为支护结构，考虑支护与围岩相互作用，得到了较为精确的围岩应力、应变及塑性区变形，范围的解析解。
锚杆施工新工艺!无水、无粉尘!防止隧道路面隆起
锚杆施工新工艺！无水、无粉尘！防止隧道路面隆起日本飞岛建设株式会社和矿研工业株式会社联合开发了一项无水、无粉尘的锚杆施工工艺，可防止路面隆起。
目前，该项技术已经开始申请专利。
一、开发背景在公路或高速公路的山岭隧道施工过程中，通常采取增设仰拱、锚杆支护或顶板钢管支护等措施应对路面突起病害。
设置仰拱预算巨大，且存在车辆限行等环境问题，而锚杆支护或支护虽受山地条件影响，但可在长时间内完工，且仅约需占用一根车道，对运输通行影响较小。
而通常，在山岭隧道中施作锚杆时，首先是将钻机轮缘连上钻杆钻头，然后一边冲击旋转，一边注水冲洗，以形成插入孔。
之后注入砂浆，并插入锚杆。
但针对山岭隧道选用路面隆起所使用的锚杆通常与传统新奥法中所使用的锚杆在性能上所有所不同，需具备以下性能：①在路面向下施工时，锚杆需紧贴围岩。
为获得良好的锚固效果，所用锚杆应超10m。
②针对容易崩塌的软质泥岩或凝灰岩，钻孔时严禁大量注水，防范路面加速隆起。
另在注入砂浆、施作锚杆前，需维持孔壁稳定。
③在运营隧道中新修车路中时，仍须满足一侧正常通行，一侧无粉尘施工。
基于此，相关人员研究人员推出以下施工工艺，可实现上述所有性能要求。
软绳支护防止隧道路面隆起二、工法概要该工法采用专用钻机，在隧道中垂直向下施作锚杆，以此防止隧道底板隆起变形。
与传统工法有所不同的是，新工法无需注水，可在不损毁地基的不会情况下无粉尘施工现场，并且采用双管钻进，可防止孔壁坍塌。
此外，该工法还绝不会妨碍通行过往车辆正常通行。
三、工法特点（1）使用矿研重工业工业株式会社所开发的能够快速钻孔的旋转冲击式RPD-40C钻机，该钻机带KD-450B高扭矩钻头，在双车道隧道中，仅占用一根车道即可进行施工。
（2）采用双管钻进，防止孔壁坍塌，尽可能阻止旋转扭矩增大，并利用空气排掉粉尘。
（3）外管钻头的套管直径为100~120mm，最大深度达15m。
（4）可前后拆装长度为1m或1.5m的内、外管。
锚杆加固机理及其在边坡工程中的应用
锚杆加固机理及其在边坡工程中的应用一、引言岩土工程中的锚固技术是应用锚杆或锚索对岩土体进行加固，可充分地发挥岩土体自身稳定能力，是一种对原岩扰动小、施土速度快、安全可靠以及经济有效的加固手段，在水利水电、铁路交通、城市建设、地下工程、国防建设和采矿工程等行业中得到了广泛的应用，并获得巨大的成功，取得了良好的经济和社会效益。
锚固技术的发展和应用是现代岩土玉程的一个重要标志，目前锚固技术的发展正处于方兴末艾的时期，锚固理论的深入探讨和研究，对推动岩土工程领域的发展有着极其重要的意义。
岩土工程中所使用的锚杆是一种安设在岩土层中深部的受力杆件，它的一端与工程建筑物相连，另一端锚固在岩土层中，必要时对其施加预应力，以承受土压力、水压力或风载荷所产生的拉力，用以有效地承受结构载荷，防止结构变形，从而维护结构建筑物的稳定。
二、边坡工程中锚杆支护的发展目前而言，国内外很多学者都侧重于研究加锚节理岩体的模拟计算方法。
英国的Pande 等人侧重研究了加锚节理岩体的模拟计算方法;Egger对加锚岩体的力学性质作过大量的实验研究;马来西亚的L. P. Yap在1984年利用有限单元法分析了在拉拔力作用下岩体注浆锚杆的荷载传递机理，并且指出了锚杆侧剪应力的均匀分布假设是错误的。
印度的K. G. Sharma (1988年)采用等效介质的方法应用粘弹塑性理论分析了锚杆在岩质边坡中的加固机理。
韩国的T. F. Cho (1993年)提出了与节理单元配合使用的二维锚杆离散模型。
加拿大的 B. Benmokran (199年)利用室内模型实验分析了锚杆的抗拔机理;瑞典的C. Li (1999年)针对锚杆安装在均匀变形岩体中、受拉拔力作用和节理的张开作用三种情况，分别提出了相应的锚杆分析模型，并探讨了锚杆在三种情况下的应力分布和变形特点。
GargeV. k. (1991年)对节理岩体的锚杆提出了大变形的有限元分析方法；我国浙江大学的杨延毅、中科院武汉岩土研究所的朱维申、李术才从断裂力学的角度分析了锚杆对裂隙岩体的加固机制。
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第25卷增1岩石力学与工程学报V ol.25 Supp.1 2006年2月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2006锚杆抑制临空结构面扩展的试验研究伍佑伦1，王元汉2，古德生1(1. 中南大学资源与安全学院，湖南长沙 410083；华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉 430074)摘要：通过试验研究受压作用下临空结构面的扩展特点以及锚杆的作用。
试验中，模型材料为石膏，用钢板预制生成的裂纹来模拟结构面，采用铜丝、铝丝、保险丝来模拟不同刚度的锚杆。
采用应变片来量测裂纹尖端的应力集中现象，利用电阻应变仪来读取应变与压力值。
试验在压力机上完成。
研究结果表明，随着压力的增大，临空结构面存在翼裂纹的张拉破坏与次生裂纹的剪裂纹破坏两种形式。
结构面的倾角越大越容易产生翼裂纹的扩展；小倾角结构面更容易产生次生裂纹的剪切破坏方式；锚杆作用可增强结构体的力学性能，降低裂纹尖端的应力集中现象，提高裂纹尖端裂纹的起裂荷载；锚杆并不改变裂纹的起裂角度，但使翼裂纹扩展的方向向深部偏移，从而加大因翼裂纹而造成的剥离体的厚度，减缓翼裂纹的扩展速度。
试验在一定程度上揭示了锚杆对监空结构面加固机制。
关键词：岩土力学；锚杆；临空结构面；试验研究；岩石断裂力学中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)增1–3046–05EXPERIMENTAL STUDY ON EFFECTS OF ROCK BOLTS RESISTING GROWTH OF SURFACE STRUCTURAL PLANESWU Youlun1，WANG Yuanhan2，GU Desheng1(1. School of Resource and Safety Engineering，Central South University，Changsha，Hunan410083，China；2. College of Civil Engineering and Mechanics，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan，Hubei430074，China)Abstract：The growing modes of surface structural planes under compressive load and the function of the bolts are studied by experimental methods. In the experiment，the model material is gypsum. Structural planes are modeled by cracks，which are prefabricated by iron plates. Brass wires，aluminous wires and fuses are used to model the bolts with different stiffness. Strain gauges are applied to measure the stress intensity around the crack tips. Strain and pressure are measured by electrical resistance strain gauges. The experiment is accomplished by pressure machine. The results demonstrate that，with the increase of compressive load，there are two propagation modes at the tips of the surface structural planes：wing cracks and secondary cracks. With the increase of the inclination angle between the structural plane and the surface，the propagation of wing crack becomes more easily. The secondary cracks may be more popular for the case of the small inclination angles. The role of bolts is to improve the performance of the structural mass，weaken the stress intensity at the crack tips and increase the crack propagating loads. The bolts do not change the crack initial angle，but they can affect the internal extending path of the wing crack. This will increase the thickness of separated bodies and reduce its spreading speed. The experiment discovers the mechanism that the bolts reinforce the surface structural planes to some extent.Key words：rock and soil mechanics；bolts；surface structural planes；experimental study；rock fracture mechanics收稿日期：2005–09–12；修回日期：2005–12–21作者简介：伍佑伦(1971–)，男，博士，1993年毕业于武汉钢铁学院采矿工程专业，现任副教授，主要从事矿山岩石力学方面的教学与研究工作。
E-mail：wuyoulun@第25卷增1 伍佑伦等. 锚杆抑制临空结构面扩展的试验研究 • 3047 •1 引言岩体中分布有各种性质、各种规格的结构面，这些结构面与岩块一起组成了岩体结构体。
岩体的力学行为在很大程度上受结构面力学性能的影响，其破坏往往是结构面扩展并且复合的结果，因此，可以采用岩体断裂力学的方法来研究锚杆的力学作用。
在地下工程中，靠近边帮的临空结构一般处于压剪作用下。
这类结构面的扩展，一方面会直接造成岩块的脱落，即片帮，另一方面会使围岩对支撑结构形成压力，使支护体产生破坏。
许多研究者对岩体中的结构面扩展进行大量的理论分析与试验研究，取得很丰富的成果，但对临空结构面扩展的研究则较少。
锚杆支护在地下结构与边坡等岩土工程中得到很广泛的应用，然而，由于岩体结构非常复杂，锚杆对岩体的支护机制目前尚不完全清楚，锚杆支护类型与支护参数的设计也还经常采用经验类比或简单的理论计算，如极限平衡法等[1]。
许多研究者对锚杆的加固作用进行了大量的试验与理论研究，取得了很丰富的成果[2～7]。
一般认为，锚杆对结构面产生“销钉作用”，加大了结构面的抗剪性能，从而提高岩体的整体强度。
锚杆对临空结构面的加固作用也是很明显的，但对于这一方面的研究却很少。
本文基于岩体断裂力学的观点，采用室内试验的方法，研究受压剪作用下临空结构面的扩展规律，并且进一步研究了锚杆对临空结构面扩展的抑制作用。
2 试验材料与试件结构2.1试验材料及尺寸试件的形状如图1所示。
岩块采用石膏来模拟。
选用石膏的原因是因为石膏能反映岩体的脆性，材质均匀，便于比较不同情况下的各种变化，容易成型，易于形成裂纹并设置锚杆。
锚杆分别用直径为0.8 mm的铜丝、铝丝、保险丝来模拟，通过3种不同的材料模拟不同力学性能的锚杆。
2.2试件尺寸及加工方法试件尺寸为150 mm×150 mm×50 mm。
裂纹加工采用预埋薄钢板的方法。
在石膏浇注之前，将厚0.5 mm的薄钢板固定于模具内，在石膏完全硬化之图1 模型试件示意图Fig.1 Sketch of specimen前，将钢板抽出。
裂纹形成的长度为50 mm，张开量为0.5 mm。
同样，在石膏硬化前，用钢丝形成锚杆安装孔，模拟锚杆在压力试验之前进行安装。
试件加工完成之后，放置于恒温干燥箱中养护10 d，直到试件完全硬化。
2.3试件的几何参数试件的各种几何参数如下：裂纹长度a取50 mm；裂纹倾角分别取30°，45°，60°；锚杆与裂纹的夹角α分别取60°，90°，150°；锚固端长度分别取20，25，30 mm。
本文针对以上各种数据组合情况均进行了试验研究。
3 试验设备与试验过程3.1试验设备(1) 应变测试方式：电阻应变片；(2) 应变与压力测试设备：XL2101B5+型静态电阻应变仪；(3) 加压设备：万能材料试验机；(4) 压力获取方式：压力传感器。
压力与应变可直接通过转换变成数字信号，再由相应的软件得出数据并生成相应的压力–应变曲线；(5) 影像获取方式：数码相机。
3.2试验过程电阻应变片贴于试件表面，每个裂纹尖端贴3组，上、下表面各1组，裂纹尖端正前方贴1组(见图2)；在远离裂纹影响区域即试件的中央贴1组，其方向与压力方向保持一致。
该组应变片的作用是与其他应变片组相对比，因此，每个试件贴7组，·3048· 岩石力学与工程学报 2006年图2 裂纹尖端应变片布置图Fig.2 Arrangement of strain gauges arround crack tip用来考察裂纹尖端拉、压应力的变化情况。
试件加工完成、应变片贴好并连线后，即放入加压装置进行加压。
在加压过程采用逐级加压方式中，记录压力与应变值，并用数码相机拍摄出结构面的变化情况，特别记录下裂纹的起裂压力值与起裂角度以及裂纹的扩展途径。
4 试验结果与分析4.1 一般过程试件受荷载之后，随着荷载的增大，首先在试件的上部或下部产生微裂纹，然后从原始裂纹的端部产生翼裂纹或次生裂纹(与裂纹倾角有关)。
翼裂纹生成初期的扩展非常迅速，但与压力方向基本平行后，扩展速度减慢。
随着翼裂纹或次生裂纹的扩展，试件所能承受的压力逐渐下降，直到试件完全破坏。
在翼裂纹或次生裂纹扩展的同时，试件的其他部位也逐渐产生剪切裂纹，并逐渐与次生裂纹贯通，造成试件的最终破坏。