CN109752266A - 爆破对喷射混凝土-围岩界面强度影响的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种爆破对喷射混凝土‑围岩界面强度影响的试验装置及方法，该装置包含：振动台、实验框架以及反力架，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，实验框架的一侧壁开口，侧壁上设有一层海绵，用于与装在容器内的实验试块接触连接，海绵的外侧上设有木板层，反力架与木板层之间设有弹簧，弹簧的一端固定在反力架上，另一端抵接木板层；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预埋件。本发明能够针对不同爆破荷载作用下喷射混凝土‑围岩界面强度劣化规律定量关系进行描述，并得出应力波穿过二元界面时的传播规律。

Description

爆破对喷射混凝土-围岩界面强度影响的试验装置及方法

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扰动作用对喷射混凝土-围岩二元界面强度影响机制的试验装置及实验方法。

背景技术

近年来，铁路事业的发展对我国隧道工程起到了很大的推动作用。钻爆法作为山岭隧道常用的开挖手段，具有施工灵活、机动、适用性广等特点，但在带来巨大效益的同时，钻爆法对隧道施工也有诸多不利的影响。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。

目前，针对爆破对隧道内初期支护影响研究较多的是支护结构或新浇大体积混凝土在爆破振动作用下的安全判据，以及爆破振动对支护结构损伤程度的影响，但缺乏专门针对不同爆破荷载作用下喷射混凝土-围岩界面强度劣化规律定量的关系描述，及针对应力波穿过二元界面时的传播规律的研究也鲜有涉及。

基于此，针对爆破对隧道喷射混凝土的影响研究，选取所研究隧道不同围岩类型掌子面附近岩样，按照现场喷射混凝土施工同样的方法对岩样进行处理，开展爆破扰动作用下喷射混凝土-围岩二元界面动力响应模型试验研究，并揭示爆破扰动作用下围岩-喷射混凝土二元界面动力响应规律以及二元界面对于爆破振动应力波传播的影响规律，研究成果对于减少爆破应力波对隧道内支护结构及围岩损伤具有重大意义，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，针对现有技术中，针对不同爆破荷载作用下喷射混凝土-围岩界面强度劣化规律定量的关系描述，及针对应力波穿过二元界面时的传播规律的研究也鲜有涉及的技术缺陷，提供一种了用于研究爆破扰动作用对喷射混凝土-围岩二元界面强度影响机制的试验装置及实验方法。

根据本发明的其中一方面，本发明提供了一种爆破对喷射混凝土-围岩界面强度影响的试验装置，包含：振动台、实验框架以及反力架，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，实验框架顶部开口底部固定在振动台上且沿着所述实验试块固定槽进行设置，实验框架的一侧壁也开口，侧壁上设有一层海绵，用于与装在容器内的实验试块接触连接，海绵的外侧上设有木板层，反力架与木板层位于实验框架的同一侧，反力架与木板层之间设有弹簧，弹簧的一端固定在反力架上，另一端抵接木板层；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预埋件，拉拔预埋件以进行抗拉强度测试，其中，实验试块在测试时安装在所述实验框架内，实验试块下半部分为岩石，实验试块上半部分为喷射混凝土，预埋件的埋深等于喷射混凝土的厚度。

进一步地，在本发明的试验装置中，所述试验框架以及实验试块均为长方体，反力架为平板结构，反力架、实验框架为钢材制成。

根据本发明的另一方面，本发明为解决其技术问题，还提供了一种爆破对喷射混凝土-围岩界面强度影响的实验方法，包含如下步骤：

S1、试验试块的制作，试验试块包括不同材料和配比的喷射混凝土，不同性质和表面粗糙度的围岩试样；

S2、在制作完试验试块后，使用声波测试仪对试验试块受爆破振动作用前后进行声波测试，根据声波测试结果对试验试块进行分析，从而选取声波测试结果一致的试块进行后续测试；

S3、对试验试块在隧道内的初始应力状态的计算，根据计算结果，利用所述的试验装置对经过声波测试筛选的同一批试验试块的一部分进行静力边界条件的加载，再利用所述的试验装置对此批试验试块的另一部分进行不同爆破振动模拟荷载的加载，在此不同的加载情况下进行下述步骤S4-S5中的测试；

S4、在不同爆破模拟荷载作用下，对实验试块喷射混凝土部分及围岩部分进行应力、速度及加速度监测，获得喷射混凝土-围岩二元界面对爆破应力波传播影响的测试数据；

S5、利用如权利要求1所述的试验装置，测量静力边界条件及不同爆破模拟荷载作用条件下喷射混凝土-围岩二元界面抗拉强度测试，获得爆破振动对二元界面强度影响的测试数据；

S6、根据S1-S5的结果获得爆破扰动作用对喷射混凝土-围岩二元界面强度影响的数学定量关系。

进一步地，在本发明的实验方法中，所述步骤S1中，包括以下步骤：

S1.1、根据所研究的隧道喷射混凝土-围岩性质，采用切割机选取合适大小的岩样，将采集回来的岩样按照Barton的结构面粗糙度系数JRC选取多个个等级来进行机械加工形成二元界面不同粗糙度岩样；

S1.2、根据所研究的隧道喷射混凝土设计要求，制备不同配比、厚度的喷射混凝土，使用喷锚机或室内给定压力制备喷射混凝土-围岩试块，并按照设计养护时间进行养护。

进一步地，在本发明的实验方法中所述步骤S2中，包括以下步骤：

S2.1、试验试块制备后，使用声波测试仪对试块进行声波测试，包括测试试块的喷射混凝土部分、围岩试样部分及二元界面部分声波测试，选用测试结果一致的试块进行试验，更大程度上实现试验中控制单一变量的目的，确保试验结果的准确性；

S2.2、试验试块受爆破振动作用后，使用声波测试仪对试块进行声波测试，包括测试试块的喷射机混凝土部分、围岩试样部分及二元界面部分声波测试，分析试验试块受爆破振动作用后试块完整性变化情况及缺陷发展状况。

进一步地，在本发明的实验方法中在所述步骤S3中，对实验试块静力边界条件的加载：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；对试验试块不同爆破振动模拟荷载的加载：在初始状态平衡后，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，在本发明的实验方法中所述试验框架内设有速度计、加速度计、应变测试仪以及抗剪强度参数测试装置或抗拉强度参数测试装置，所述速度计、加速度计、应变仪在试验试块上部的喷射混凝土部分及试验试块下部的岩石部分的外表面上均有设置，用于监测穿过试验试块二元界面前后爆破速度、加速度、应力应变的变化情况，从而反应试验试块二元界面对于爆破应力波传播影响的测试结果。

进一步地，在本发明的实验方法中，所述步骤S5中，包括以下步骤：

S5.1、按照拉拔试验规范进行预埋件的拉拔试验，并记录伺服压力机的试验数据。

进一步地，在本发明的实验方法中，所述试验框架以及实验试块均为长方体，各反力架以及反力梁均为平板结构。

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，进一步精确的找到不同爆破荷载下因变量变化导致二元界面强度劣化的规律。

2、对直剪试验和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二元界面强度劣化的影响规律及爆破应力波穿过二元界面前后的传播规律。

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测量装置的示意图；

图2是沿着图1中AA’的俯视图；

图3是本发明实验方法一实施例的流程图。

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以及图2，本实施例中试验装置包含：包含振动台2、实验框架 4以及反力架1，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，实验框架4顶部开口底部固定在振动台2上且沿着所述实验试块固定槽进行设置，实验框架4的一侧壁也开口，侧壁上设有一层海绵5，用于与装在容器4内的实验试块接触连接，海绵5的外侧上设有木板层6，反力架1 与木板层6位于实验框架的同一侧，反力架1与木板层6之间设有弹簧7，弹簧7的一端固定在反力架1上，另一端抵接木板层6；测试时，实验框架4的上方具有拉拔仪9，用于拉拔插设在实验试块中的预埋件8，拉拔预埋件8以进行抗拉强度测试，其中，实验试块在测试时安装在所述实验框架4内，实验试块下半部分为岩石，实验试块上半部分为喷射混凝土，二者的分界线见图1 中容器4的中部横线，预埋件8的埋深等于喷射混凝土的厚度。

其中，实验框架4整体为长方体，实验试块也均为长方体，各反力架以及反力梁均为平板结构，剪切盒4、实验框架、反力架以及反力梁在本实施例中均为钢板制成。

参考图3，根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种实验方法，用于研究爆破扰动作用对喷射混凝土-围岩二元界面强度影响机制，包含如下步骤：

S1、实验试块的制作，实验试块包括不同材料和配比的喷射混凝土，不同性质和表面粗糙度的围岩试样；包含：

S1.1、根据所研究的隧道喷射混凝土-围岩性质，采用切割机选取合适大小的岩样，将采集回来的岩样按照Barton的结构面粗糙度系数JRC选取1、2、 4、6、8、10几个等级来进行机械加工形成二元界面不同粗糙度岩样；

S1.2、根据所研究的隧道喷射混凝土设计要求，制备不同配比、厚度的喷射混凝土，使用喷锚机或室内给定压力制备喷射混凝土-围岩试块，并按照设计养护时间进行养护。

S2、在制作完实验试块后，使用声波测试仪对实验试块受爆破振动作用前后进行声波测试，根据声波测试结果对实验试块进行分析，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、实验试块制备后，使用声波测试仪对试块进行声波测试，包括测试试块的喷射混凝土部分、围岩试样部分及二元界面部分声波测试，选用测试结果一致的试块进行实验，更大程度上实现实验中控制单一变量的目的，确保实验结果的准确性；

S2.2、实验试块受爆破振动作用后，使用声波测试仪对试块进行声波测试，包括测试试块的喷射机混凝土部分、围岩试样部分及二元界面部分声波测试，分析实验试块受爆破振动作用后试块完整性变化情况及缺陷发展状况。

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、对实验试块在隧道内的初始应力状态的计算，根据计算结果，利用图 1-图3中所述的试验装置在内的试验装置对经过声波测试筛选的同一批试验试块的一部分进行静力边界条件的加载，再利用所述的试验装置对此批试验试块的另一部分进行不同爆破振动模拟荷载的加载，在此不同的加载情况下进行下述步骤S4-S5中的测试；对实验试块静力边界条件的加载：通过分析围岩-喷射混凝土在隧道内的受力状态，对实验模型进行简化，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，以此得到实验试块初始应力条件；对实验试块不同爆破振动模拟荷载的加载：在初始状态平衡后，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实验试块施加不同爆破振动模拟荷载，在不同的加载条件下，分别进行下述步骤S4-S5中的测试。

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，弹簧给第一个试验装置的隔挡板层8、第二个试验装置的木板层6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。

S4、利用上述的两种实现装置，在不同爆破模拟荷载作用下，对实验试块喷射混凝土部分及围岩部分进行应力、速度及加速度监测，获得喷射混凝土- 围岩二元界面对爆破应力波传播影响的测试数据。

所述剪切盒和所述实验框架内设有速度计31、加速度计32、应变测试仪 (图中33表示应变测试仪中的应力应变片)以及抗剪强度参数测试装置或抗拉强度参数测试装置，所述速度计33、加速度计32、应变仪在实验试块上部的喷射混凝土部分及实验试块下部的岩石部分的外表面上均有设置，用于监测穿过实验试块二元界面前后爆破速度、加速度、应力应变的变化情况，从而反应实验试块二元界面对于爆破应力波传播影响的测试结果。

应力波的传播直接通过速度计33、加速度计32、应变仪在爆破模拟荷载条件下测量得到。

S5、测量静力边界条件及不同爆破模拟荷载作用条件下喷射混凝土-围岩二元界面抗拉强度测试，获得爆破振动对二元界面强度影响的测试数据；包括以下步骤：

S5.1、按照拉拔试验规范进行预埋件的拉拔试验，并记录伺服压力机的试验数据。

S6、根据S1-S5的结果获得爆破扰动作用对喷射混凝土-围岩二元界面强度影响的数学定量关系。

抗拉拔测试需要在静力边界条件及不同爆破模拟荷载作用条件下分别测量。通过抗拉仪抗拉锚杆8，通过锚杆8上的应变仪记录锚杆拉拔受力时其粘结应力的分布情况。其中，锚杆8部分应变片的布置包括：将锚杆8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7轴向布置。

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 (8)

1.一种爆破对喷射混凝土-围岩界面强度影响的试验装置，其特征在于，包含：振动台、实验框架以及反力架，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，实验框架顶部开口底部固定在振动台上且沿着所述实验试块固定槽进行设置，实验框架的一侧壁也开口，侧壁上设有一层海绵，用于与装在容器内的实验试块接触连接，海绵的外侧上设有木板层，反力架与木板层位于实验框架的同一侧，反力架与木板层之间设有弹簧，弹簧的一端固定在反力架上，另一端抵接木板层；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预埋件，拉拔预埋件以进行抗拉强度测试，其中，实验试块在测试时安装在所述实验框架内，实验试块下半部分为岩石，实验试块上半部分为喷射混凝土，预埋件的埋深等于喷射混凝土的厚度。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，反力架为平板结构，反力架、实验框架为钢材制成。

3.一种爆破对喷射混凝土-围岩界面强度影响的实验方法，其特征在于，包含如下步骤：

S1、试验试块的制作，试验试块包括不同材料和配比的喷射混凝土，不同性质和表面粗糙度的围岩试样；

S2、在制作完试验试块后，使用声波测试仪对试验试块受爆破振动作用前后进行声波测试，根据声波测试结果对试验试块进行分析，从而选取声波测试结果一致的试块进行后续测试；

S3、对试验试块在隧道内的初始应力状态的计算，根据计算结果，利用如权利要求1所述的试验装置对经过声波测试筛选的同一批试验试块的一部分进行静力边界条件的加载，再利用所述的试验装置对此批试验试块的另一部分进行不同爆破振动模拟荷载的加载，在此不同的加载情况下进行下述步骤S4-S5中的测试；

S4、在不同爆破模拟荷载作用下，对实验试块喷射混凝土部分及围岩部分进行应力、速度及加速度监测，获得喷射混凝土-围岩二元界面对爆破应力波传播影响的测试数据；

S5、利用如权利要求1所述的试验装置，测量静力边界条件及不同爆破模拟荷载作用条件下喷射混凝土-围岩二元界面抗拉强度测试，获得爆破振动对二元界面强度影响的测试数据；

S6、根据S1-S5的结果获得爆破扰动作用对喷射混凝土-围岩二元界面强度影响的数学定量关系。

4.根据权利要求3所述的实验方法，其特征在于，所述步骤S1中，包括以下步骤：

S1.1、根据所研究的隧道喷射混凝土-围岩性质，采用切割机选取合适大小的岩样，将采集回来的岩样按照Barton的结构面粗糙度系数JRC选取多个个等级来进行机械加工形成二元界面不同粗糙度岩样；

S1.2、根据所研究的隧道喷射混凝土设计要求，制备不同配比、厚度的喷射混凝土，使用喷锚机或室内给定压力制备喷射混凝土-围岩试块，并按照设计养护时间进行养护。

5.根据权利要求3所述的实验方法，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，使用声波测试仪对试块进行声波测试，包括测试试块的喷射混凝土部分、围岩试样部分及二元界面部分声波测试，选用测试结果一致的试块进行试验，更大程度上实现试验中控制单一变量的目的，确保试验结果的准确性；

S2.2、试验试块受爆破振动作用后，使用声波测试仪对试块进行声波测试，包括测试试块的喷射机混凝土部分、围岩试样部分及二元界面部分声波测试，分析试验试块受爆破振动作用后试块完整性变化情况及缺陷发展状况。

6.根据权利要求3所述的实验方法，其特征在于，在所述步骤S3中，对实验试块静力边界条件的加载：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；对试验试块不同爆破振动模拟荷载的加载：在初始状态平衡后，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。

7.根据权利要求3所述的实验方法，其特征在于，所述试验框架内设有速度计、加速度计、应变测试仪以及抗剪强度参数测试装置或抗拉强度参数测试装置，所述速度计、加速度计、应变仪在试验试块上部的喷射混凝土部分及试验试块下部的岩石部分的外表面上均有设置，用于监测穿过试验试块二元界面前后爆破速度、加速度、应力应变的变化情况，从而反应试验试块二元界面对于爆破应力波传播影响的测试结果。

8.根据权利要求3所述的实验方法，其特征在于，所述步骤S5中，包括以下步骤：

S5.1、按照拉拔试验规范进行预埋件的拉拔试验，并记录伺服压力机的试验数据。