CN109520869A - 用于研究爆破振动对砂浆锚杆强度影响机制的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于研究爆破振动对砂浆锚杆强度影响机制的装置及方法，该装置包含振动台，振动台上设置有实验试块固定槽，固定槽上设置有紧固装置，振动台的台面上放置实验框架，实验框架内侧壁上设有一层海绵，振动台上还有两块竖直设置的反力架，两块反力架位于实验框架的两侧且相对平行设置，每块反力架上固定安装有弹簧，弹簧水平设置，一端固定在对应的反力架上，另一端抵接于实验框架的外侧壁上，弹簧处于压缩状态；实验框架的上方设有拉拔仪，用于拉拔插设在实验试块中的锚杆，其中，实验试块在测试时安装在实验框架内。利用本发明的能够减少爆破应力波对隧道内砂浆锚杆支护的损伤，同时对于隧道支护设计优化提供理论支撑。
Description
技术领域
本发明设计爆破工程领域，尤其涉及一种用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的装置及方法。
背景技术
随着我国基础设施建设的快速发展，公路、铁路穿山越岭四通八达。钻爆法作为隧道施工常用开挖手段，有效率高、机动性强、使用性广等特点，但同时，爆破产生的有害效应在工程建设中也时常发生，爆破产生的能量一部分用于隧道岩体的粉碎，另一部分也以应力波的形式传递给隧道围岩以及隧道内支护结构，导致一定程度上初期支护结构上的破坏，影响隧道后续的支护功能及使用时间，砂浆锚杆作为隧道支护最常用的一种手段，其受到爆破作用后结构性能的变化应引起关注。
目前针对隧道内砂浆锚杆支护强度影响研究较多的是锚杆锚固的作用机理及其拉拔荷载传递机理研究，对爆破作用下，隧道砂浆锚杆支护强度的劣化机制缺少研究，同时，针对应力波穿过砂浆锚杆时的传播规律也鲜有研究。
基于此，针对爆破对隧道砂浆锚杆支护的影响研究，选取所研究的不同围岩类型，不同砂浆配比以及不同直径的锚杆，开展爆破作用对砂浆锚杆支护强度影响机制研究，揭示爆破作用下，应力波穿过砂浆锚杆时的传播规律以及爆破振动对砂浆锚杆抗拔力劣化的影响机理。研究成果对于减少爆破应力波对隧道内砂浆锚杆支护的损伤具有重大意义，同时对于隧道支护设计优化具理论支撑作用。
发明内容
本发明为解决其技术问题，提供一种用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的装置及方法，其目的在于利用研究成果减少爆破应力波对隧道内砂浆锚杆支护的损伤，同时对于隧道支护设计优化提供理论支撑。
根据本发明的其中一方面，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的装置，包含振动台，振动台设置有实验试块固定槽，固定槽上设置有实验试块紧固装置，振动台的台面上放置有两块钢板拼合成的上、下端均开口的实验框架，实验框架内侧壁上设有一层海绵，振动台上还有两块竖直设置的反力架，两块反力架位于实验框架的两侧且相对平行设置，每块反力架上固定安装有弹簧，弹簧水平设置，一端固定在对应的反力架上，另一端抵接于实验框架的外侧壁上，弹簧处于压缩状态，两个弹簧分别抵接一个所述钢板；测试时，实验框架的上方具有拉拔仪，用于拉拔插设在实验试块中的锚杆，其中，实验试块在测试时安装在所述实验框架内，实验试块为岩石制成，岩石的中间处被挖空填充为喷射混凝土，锚杆的下部的埋设在喷射混凝土中，埋深等于喷射混凝土的厚度。
进一步地，在本发明的用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的装置中，所述反力架为平面状的钢板。
进一步地，在本发明的用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的装置中，两块钢板以及两个弹簧轴对称设置。
进一步地，在本发明的用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的装置中，所述拉拔仪可以在水平平面内移动，以对准锚杆，并可以在竖直方向移动，以拉拔锚杆。
本发明为解决其技术问题，还提供了一种用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的方法，包括以下步骤：
S1、试验试块的制作，试验试块包括不同性质的围岩、不同配比材料的砂浆以及不同直径的锚杆；
S2、试验试块制作完毕后，使用声波测试仪对试验试块受爆破振动前后进行声波测试，根据声波测试结果对试块进行分析，从而选取声波测试结果一致的试块进行后续测试；
S3、在如权利要求1-4任一项所述的装置上，利用一部分实验试块进行静力边界条件下的加载，然后进行抗拉拔测试，测得静力边界条件下砂浆锚杆抗拔力；
S4、在上述装置上，利用另一部分实验试块进行不同爆破震动模拟荷载条件下的加载，测得获得围岩-砂浆-锚杆界面对爆破应力波传播影响规律的测试数据；
S5、在上述装置上，进行不同爆破震动模拟荷载条件下的加载，然后进行抗拉拔测试，测得爆破震动模拟荷载条件下砂浆锚杆抗拔力，从而获得爆破振动对砂浆锚杆支护强度的影响的测试数据；
S6、根据S1-S6的结果获得爆破振动作用对砂浆锚杆支护强度的数学定量关系。
进一步地，在本发明的用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的方法中，在所述步骤S1中，包括以下步骤：
S1.1根据砂浆锚杆设计要求，制作围岩试样，选取不同直径锚杆，并依此在圆柱形围岩上钻取不同直径空孔；
S1.2根据砂浆锚杆设计要求，选取不同材料配比的砂浆，制作试块，并按照设计时间进行养护。
进一步地，在本发明的用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的方法中，所述步骤S2中，包括以下步骤：
S2.1、试验试块制备后，对试验试块进行一致性筛选，使用声波测试仪对试块进行声波测试，包括圆柱体径向与轴向声波测试，选用声波测试结果一致的试块进行爆破振动对比试验；
S2.2、试验试块受爆破振动扰动后，使用声波测试仪对实验试块进行声波测试，包括圆柱体径向与轴向声波测试，对比爆破振动前声波测试结果。
进一步地，在本发明的用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的方法中，步骤S3-S5具体包括：通过分析围岩-喷射混凝土在隧道内的受力状态，对试验模型进行简化，根据岩体力学及构造力学理论对实验试块初始状态进行计算，以此得到试验试块初始应力条件；根据试验试块初始应力条件，得出弹簧的压缩长度；将实验试块通过紧固装置固定后，移动反力架至适当位置然后固定，以满足弹簧压缩长度，当弹簧长度固定后，给两半圆形钢板固定的压力，则完成了静力边界条件下的加载；爆破震动模拟荷载条件下的加载是指在静力边界条件加载的步骤上，通过启动振动台进行振动，从而模拟爆破震动环境；通过加载不同振动幅度，持续时间以及频率的荷载来实现对试验试块施加不同爆破振动模拟荷载。
进一步地，在本发明的用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的方法中，所述步骤S3-S5中，试验试块围岩表面上及锚杆部分粘贴应变片，锚杆部分应变片的布置包括：将锚杆沿纵轴方向剖开并铣出凹槽，再将应变片粘贴进凹槽内，应变片沿锚杆轴向布置；在进行应力波的测试时，通过试验试块围岩表面上及锚杆部分粘贴应变片测得应力波的变化，即得到爆破应力波传播的影响规律；以在抗拉拔实验进行时，获得锚杆与围岩处不同的动态应变，通过锚杆上的应变片从而测得爆破震动模拟荷载条件下砂浆锚杆抗拔力。
进一步地，在本发明的用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的方法中，对试验试块实施抗拔测试时，加荷速率应为每分钟10KN～20KN，施加荷载时锚杆轴向受拉，沿锚杆内布置的应变片记录锚杆拉拔受力时其粘结应力的分布情况。
与现有的技术，本发明具有以下优点：
1、利用声波测试仪对所制作试块的进行分类，保证了试验试块性质的一致性，排除了其他因素带来的误差，更大程度上实现了实验中控制单一变量的目的，进一步精确的找到爆不同破荷载作用下因变量变化导致抗拔强度劣化的规律。
2、对拉拔试验装置进行改装，避免试验试块在受到爆破模拟荷载作用后，移动试块造成的对试验试块的二次扰动，保证了实验结果的准确性。
3、试验测试装置包含多种监控测量手段，通过对试验试块施加不同爆破振动荷载，多方面的测量了振动前后试验试块各个方面的参数，从而真实准确的反应出不同特性爆破振动荷载对胶结面强度劣化的影响规律及爆破应力波穿过胶结面前后的传播规律。
4、试验不仅可以得到锚杆极限抗拔力与位移的关系，并且通过锚杆内部的应变监测，获得锚杆粘结滑移本构，找到锚杆受力时的应力分布规律。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的装置一实施例的结构示意图；
图2是沿着图1中AA’的俯视图；
图3是用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的测量方法的流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参考图1至图2，在本实施例的一种用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的装置中，其包含振动台2，振动台2上设置有实验试块固定槽(图中未示出)，固定槽上设置有实验试块紧固装置(图中未示出)，振动台2的台面上放置有两块钢板拼合成的上、下端均开口的实验框架5，实验框架为圆柱状，实验框架5沿着固定槽四周设置，实验框架5内侧壁上设有一层海绵9，海绵5起到模拟无反射边界条件的作用。振动台上还有两块竖直设置的反力架1，两块反力架1位于实验框架5的两侧且相对平行设置，每块反力架1上固定安装有弹簧6，弹簧6水平设置，一端固定在对应的反力架1上，另一端可分离的抵接(未固定连接)于实验框架的外侧壁上，弹簧处于压缩状态，起到模拟试验试块所受初始应力状态。并优先地，两块钢板以及两个弹簧轴对称设置，包括钢板及弹簧本身的属性以及安装位置；测试时，实验框架的上方具有拉拔仪8，用于拉拔插设在实验试块中的锚杆7，其中，实验试块在测试时安装在所述实验框架5内，拉拔仪8可以在水平平面内移动，以对准锚杆7，并可以在竖直方向移动，以拉拔锚杆7。通过试验框架3、反力架1与弹簧5将振动台2输出的不同振动幅度，持续时间及不同频率模拟现实爆破振动的荷载传递到试验试块上，实验试块为岩石制成，岩石的中间处被挖空填充为喷射混凝土71，实验试块挖空部分由上至下贯穿至实验试块底面，锚杆的下部的埋设在喷射混凝土中，埋深等于喷射混凝土的厚度。
在本实施例中，反力架1为平面状的钢板，实验试块紧固装置可以设置为紧固箍，当需要紧固实验试块时，锁紧紧固箍，而需要拆卸掉实验试块时，松开实验试块以便取出。反力架在振动台上的固定位置可移动，当移动到指定位置后，可以通过紧固件进行固定；需要再次移动时，可以松开紧固件进行移动。其中，实验框架5的拼合是通过两个弹簧之间的弹力实现的。
参考图3，本发明还提供了一种用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的方法，包括以下步骤：
S1、试验试块的制作，试验试块包括不同性的质围岩、不同配比材料的砂浆以及不同直径的锚杆，具体包括：
S1.1根据砂浆锚杆设计要求，制作圆柱形围岩试样，选取不同直径锚杆，并依此在圆柱形围岩上钻取不同直径空孔；
S1.2根据砂浆锚杆设计要求，选取不同材料配比的砂浆，制作试块，并按照设计时间进行养护。
S2、试验试块制作完毕后，使用声波测试仪对试验试块受爆破振动前后进行声波测试，根据声波测试结果对试块进行分析，从而选取声波测试结果一致的试块进行后续测试。包括以下步骤：
S2.1、试验试块制备后，对试验试块进行一致性筛选，使用声波测试仪对试块进行声波测试，包括圆柱体径向与轴向声波测试，选用声波测试结果一致的试块进行爆破振动对比试验；
S2.2、试验试块受爆破振动扰动后，使用声波测试仪对实验试块进行声波测试，包括圆柱体径向与轴向声波测试，对比爆破振动前声波测试结果。
声波测试仪发出超声波在超声波仪器示波屏上，以横坐标代表声波的传播时间，以纵坐标表示回波信号幅度。对于同一均匀介质，脉冲波的传播时间与声程成正比。因此可由缺陷回波信号的出现判断缺陷的存在，若部分试块声波测试结果与其他多数试块差别较大，则进行剔除。
S3、在上述装置上，利用一部分实验试块进行静力边界条件下的加载，然后进行抗拉拔测试，测得静力边界条件下砂浆锚杆抗拔力；
S4、在上述装置上，利用另一部分实验试块(优选为与步骤S3同一批次的实验试块)进行不同爆破震动模拟荷载条件下的加载，测得获得围岩-砂浆-锚杆界面对爆破应力波传播影响规律的测试数据；
S5、在上述装置上，进行不同爆破震动模拟荷载条件下的加载(可以重新加载，也可以继续利用步骤S4的加载)，然后进行抗拉拔测试，测得爆破震动模拟荷载条件下砂浆锚杆抗拔力，从而获得爆破振动对砂浆锚杆支护强度的影响的测试数据。
S6、根据S1-S5的结果获得爆破振动作用对砂浆锚杆支护强度的数学定量关系。
其中，通过分析围岩-喷射混凝土在隧道内的受力状态，对试验模型进行简化，根据岩体力学及构造力学理论对实验试块初始状态进行计算，以此得到试验试块初始应力条件；根据试验试块初始应力条件，得出弹簧的压缩长度。初始应力状态的计算决定了弹簧的压缩长度，将实验试块通过紧固装置固定后，移动反力架至适当位置然后固定，以满足弹簧压缩长度。当弹簧长度固定后，弹簧给两半圆形钢板固定的压力，则完成了静力边界条件下的加载。
爆破震动模拟荷载条件下的加载是指在静力边界条件加载的步骤上，通过启动振动台2进行振动，从而模拟爆破震动环境。通过加载不同振动幅度，持续时间以及频率的荷载来实现对试验试块施加不同爆破振动模拟荷载。
其中，试验试块围岩表面上(即图1中锚杆7左右两侧的应变片)及锚杆7部分粘贴应变片4，锚杆部分应变片4的布置包括：将锚杆7沿纵轴方向剖开并铣出凹槽，再将应变片4粘贴进凹槽内，应变片4沿锚杆7轴向布置。在进行应力波的测试时，通过试验试块围岩表面上(即图1中锚杆7左右两侧的应变片)及锚杆7部分粘贴应变片4测得应力波的变化，即得到爆破应力波传播的影响规律；以在抗拉拔实验进行时，获得锚杆7与围岩处不同的动态应变，通过锚杆7上的应变片4从而测得爆破震动模拟荷载条件下砂浆锚杆抗拔力。
对试验试块实施抗拔测试，加荷速率应为每分钟10KN～20KN，施加荷载时锚杆轴向受拉，沿锚杆内布置的应变片记录锚杆拉拔受力时其粘结应力的分布情况。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的装置，其特征在于，包含振动台，振动台上设置有实验试块固定槽，固定槽上设置有实验试块紧固装置，振动台的台面上放置有两块钢板拼合成的上、下端均开口的实验框架，实验框架沿着固定槽四周设置，实验框架内侧壁上设有一层海绵，振动台上还有两块竖直设置的反力架，两块反力架位于实验框架的两侧且相对平行设置，每块反力架上固定安装有弹簧，弹簧水平设置，一端固定在对应的反力架上，另一端抵接于实验框架的外侧壁上，弹簧处于压缩状态，两个弹簧分别抵接一个所述钢板；测试时，实验框架的上方具有拉拔仪，用于拉拔插设在实验试块中的锚杆，其中，实验试块在测试时安装在所述实验框架内，实验试块为岩石制成，岩石的中间处被挖空填充为喷射混凝土，锚杆的下部的埋设在喷射混凝土中，埋深等于喷射混凝土的厚度。
2.根据权利要求1所述的用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的装置，其特征在于，所述反力架为平面状的钢板。
3.根据权利要求1所述的用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的装置，其特征在于，两块钢板以及两个弹簧轴对称设置。
4.根据权利要求1所述的用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的装置，其特征在于，所述拉拔仪可以在水平平面内移动，以对准锚杆，并可以在竖直方向移动，以拉拔锚杆。
5.一种用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、试验试块的制作，试验试块包括不同性质的围岩、不同配比材料的砂浆以及不同直径的锚杆；
S2、试验试块制作完毕后，使用声波测试仪对试验试块受爆破振动前后进行声波测试，根据声波测试结果对试块进行分析，从而选取声波测试结果一致的试块进行后续测试；
S3、在如权利要求1-4任一项所述的装置上，利用一部分实验试块进行静力边界条件下的加载，然后进行抗拉拔测试，测得静力边界条件下砂浆锚杆抗拔力；
S4、在如权利要求1-4任一项所述的装置上，利用另一部分实验试块进行不同爆破震动模拟荷载条件下的加载，测得获得围岩-砂浆-锚杆界面对爆破应力波传播影响规律的测试数据；
S5、在如权利要求1-4任一项所述的装置上，进行不同爆破震动模拟荷载条件下的加载，然后进行抗拉拔测试，测得爆破震动模拟荷载条件下砂浆锚杆抗拔力，从而获得爆破振动对砂浆锚杆支护强度的影响的测试数据；
S6、根据S1-S5的结果获得爆破振动作用对砂浆锚杆支护强度的数学定量关系。
6.根据权利要求5所述的用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的方法，其特征在于，在所述步骤S1中，包括以下步骤：
S1.1根据砂浆锚杆设计要求，制作围岩试样，选取不同直径锚杆，并依此在圆柱形围岩上钻取不同直径空孔；
S1.2根据砂浆锚杆设计要求，选取不同材料配比的砂浆，制作试块，并按照设计时间进行养护。
7.根据权利要求5所述的用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的方法，其特征在于，所述步骤S2中，包括以下步骤：
S2.1、试验试块制备后，对试验试块进行一致性筛选，使用声波测试仪对试块进行声波测试，包括圆柱体径向与轴向声波测试，选用声波测试结果一致的试块进行爆破振动对比试验；
S2.2、试验试块受爆破振动扰动后，使用声波测试仪对实验试块进行声波测试，包括圆柱体径向与轴向声波测试，对比爆破振动前声波测试结果。
8.根据权利要求5所述的用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的方法，其特征在于，步骤S3-S5具体包括：通过分析围岩-喷射混凝土在隧道内的受力状态，对试验模型进行简化，根据岩体力学及构造力学理论对实验试块初始状态进行计算，以此得到试验试块初始应力条件；根据试验试块初始应力条件，得出弹簧的压缩长度；将实验试块通过紧固装置固定后，移动反力架至适当位置然后固定，以满足弹簧压缩长度，当弹簧长度固定后，给两半圆形钢板固定的压力，则完成了静力边界条件下的加载；爆破震动模拟荷载条件下的加载是指在静力边界条件加载的步骤上，通过启动振动台进行振动，从而模拟爆破震动环境；通过加载不同振动幅度，持续时间以及频率的荷载来实现对试验试块施加不同爆破振动模拟荷载。
9.根据权利要求5所述的用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的方法，其特征在于，所述步骤S3-S5中，试验试块围岩表面上及锚杆部分粘贴应变片，锚杆部分应变片的布置包括：将锚杆沿纵轴方向剖开并铣出凹槽，再将应变片粘贴进凹槽内，应变片沿锚杆轴向布置；在进行应力波的测试时，通过试验试块围岩表面上及锚杆部分粘贴应变片测得应力波的变化，即得到爆破应力波传播的影响规律；以在抗拉拔实验进行时，获得锚杆与围岩处不同的动态应变，通过锚杆上的应变片从而测得爆破震动模拟荷载条件下砂浆锚杆抗拔力。
10.根据权利要求5所述的用于研究爆破对隧道砂浆锚杆强度影响机制的方法，其特征在于，对试验试块实施抗拔测试时，加荷速率应为每分钟10KN～20KN，施加荷载时锚杆轴向受拉，沿锚杆内布置的应变片记录锚杆拉拔受力时其粘结应力的分布情况。
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