CN111487147B - 测试不同振源距离下混凝土-围岩界面损伤的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测试不同振源距离下混凝土‑围岩界面损伤的装置，包括锤击结构和试件安装结构，所述锤击结构包括铁锤、轴承和铁锤支架，所述铁锤通过轴承与铁锤支架铰接连接；所述试件安装结构包括悬挂梁、刚性门架和喷射混凝土‑围岩试件，所述悬挂梁悬挂于刚性门架上，所述喷射混凝土‑围岩试件可拆卸地安装在悬挂梁两侧，所述喷射混凝土‑围岩试件设有多个，并在悬挂梁径向上间隔分布；所述喷射混凝土‑围岩试件顶面固定有加速度计。本发明装置使用的锤击结构可根据需要的振源烈度调整铁锤质量和转起角度；试件通过螺孔、螺纹可拆卸地与悬挂梁连接，振动加载完成后，方便取下试件进行性能检测，不会对界面造成二次扰动。

Description

测试不同振源距离下混凝土-围岩界面损伤的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种测试不同振源距离下混凝土-围岩界面损伤的装置及方法，属于混凝土结构及材料测试技术领域。
背景技术
在跨流域输调水工程建设过程中，涉及大量的长距离输水隧洞开挖施工。目前，长距离输水隧洞的开挖施工以钻爆法施工为主，钻爆法施工开挖后为了维护围岩的稳定性，需要及时施作喷射混凝土对隧道围岩进行支护。隧洞的喷锚支护和开挖爆破一般是同步交叉，以较短的时间间隔循环进行的，掌子面钻爆作业产生的爆炸能量有一部分以弹性波的形式在岩土中传播，这种振动荷载会对新施作的喷射混凝土-围岩结构产生不利影响，通常造成粘结界面不同程度的损伤，使支护结构的承载能力下降。
目前测试不同振源距离对输水隧洞喷射混凝土-围岩界面影响的方法多为现场钻芯取样测试。然而，钻芯取样过程中会对界面造成二次扰动，使界面产生新的损伤，后续检测也无法准确判断界面损伤是否为爆破振动产生。因此，关于测试不同振源距离对输水隧洞喷射混凝土-围岩界面剪切破坏效应的装置及方法还不够完善，新的实验室测试装置及方法亟待开发和改进。
发明内容
目的：为了克服现有钻芯取样过程中会对界面造成二次扰动，使界面产生新的损伤的问题，本发明提供一种测试不同振源距离下混凝土-围岩界面损伤的装置及方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种测试不同振源距离下混凝土-围岩界面损伤的装置，包括锤击结构和试件安装结构，所述锤击结构包括铁锤、轴承和铁锤支架，所述铁锤通过轴承与铁锤支架铰接连接；
所述试件安装结构包括悬挂梁、刚性门架和喷射混凝土-围岩试件，所述悬挂梁悬挂于刚性门架上，所述喷射混凝土-围岩试件可拆卸地安装在悬挂梁两侧，所述喷射混凝土-围岩试件设有多个，并在悬挂梁径向上间隔分布；所述喷射混凝土-围岩试件顶面固定有加速度计。
进一步地，所述悬挂梁靠近锤击结构的一端端面镶嵌有梁端钢板。
进一步地，所述悬挂梁上套有两个高强钢箍，所述高强钢箍上连接有吊环，所述吊环与刚性门架通过高强钢丝绑定连接。
进一步地，所述悬挂梁上等间距镶嵌有刚性螺杆，所述喷射混凝土-围岩试件粘贴固定在钢盘上，钢盘底部设有螺孔，喷射混凝土-围岩试件与钢盘通过螺孔与刚性螺杆拧紧固定。
进一步地，所述喷射混凝土-围岩试件与钢盘连接处设有侧向约束钢夹，所述侧向约束钢夹的侧面设有传感器固定帽，传感器固定帽上固定有加速度计。
进一步地，所述喷射混凝土-围岩试件的顶面固定连接传感器固定帽，传感器固定帽上固定有加速度计。
进一步地，所述悬挂梁是岩石梁或钢筋混凝土梁。
一种测试不同振源距离下混凝土-围岩界面损伤的方法，包括如下步骤：
制作喷射混凝土-围岩试件，并进行振动试验前的测试，记录振动试验前试件的剪切强度及CT测试结果；
将喷射混凝土-围岩试件底部粘贴于带螺孔的钢盘上，然后通过螺孔与刚性螺杆拧紧，从而固定于悬挂梁两侧；将侧向约束钢夹套在钢盘与喷射混凝土-围岩试件连接处并夹紧，在所述侧向约束钢夹的传感器固定帽上固定加速度计，在喷射混凝土-围岩试件顶面粘贴固定传感器固定帽，并在传感器固定帽上固定加速度计；加速度计与数据采集装置连接，进行数据传输和记录；
调整合适的铁锤质量和旋起高度，然后释放铁锤对悬挂梁的端部进行锤击，施加一定次数的振动荷载；
将侧向约束钢夹从喷射混凝土-围岩试件上取下，喷射混凝土-围岩试件从刚性螺杆上取出，然后对喷射混凝土-围岩试件进行高精度CT测试；高精度CT测试后的喷射混凝土-围岩试件安装至直剪试验机，进行直剪试验；
根据加速度计记录数据以及高精度CT测试、直剪试验结果对混凝土-围岩界面损伤进行分析。
进一步地，所述喷射混凝土-围岩试件的径高比为1:2，振动试验前进行养护。
进一步地，对混凝土-围岩界面损伤进行的分析包括：根据加速度计数据分析振动波随距离衰减规律，以及振动波透过喷射混凝土-围岩界面后的衰减规律；根据高精度CT测试的断层图像，分析振动造成的微裂纹位置和开展情况，分析振动荷载对界面造成损伤的机理；根据直剪试验结果测试界面残余剪切强度，分析振动对界面造成的损伤程度。
有益效果：本发明提供的测试不同振源距离下混凝土-围岩界面损伤的装置中，使用的锤击结构可根据需要的振源烈度调整铁锤质量和转起角度；试件通过螺孔、螺纹可拆卸地与被锤击的悬挂梁连接，振动加载完成后，方便取下试件进行性能检测，不会对界面造成二次扰动；侧向约束钢夹用于辅助固定试件，防止振动过程中试件脱胶；悬挂梁端部镶嵌有梁端钢板，防止锤击结构将梁端击碎。
附图说明
图1为本发明测试装置的主视示意图；
图2为本发明测试装置的侧剖示意图；
图3为喷射混凝土-围岩试件及钢盘与悬挂梁的连接示意图；
图4为喷射混凝土-围岩试件、钢盘、侧向约束钢夹连接关系示意图；
图5为图4的俯视示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1、图2所示，一种测试不同振源距离下混凝土-围岩界面损伤的装置，包括锤击结构和试件安装结构，所述锤击结构包括铁锤1、轴承2和铁锤支架3，所述铁锤1通过轴承2与铁锤支架3铰接连接。
所述试件安装结构包括悬挂梁5、刚性门架7和喷射混凝土-围岩试件9，所述悬挂梁5上套有两个高强钢箍6，所述高强钢箍6上连接有吊环，所述吊环与刚性门架7通过高强钢丝4绑定连接。所述悬挂梁5靠近锤击结构的一端端面镶嵌有梁端钢板51。
所述悬挂梁5上等间距镶嵌有刚性螺杆8，所述喷射混凝土-围岩试件9粘贴固定在钢盘10上，钢盘10底部设有螺孔，喷射混凝土-围岩试件9与钢盘10通过螺孔与刚性螺杆8拧紧固定，如图3所示；喷射混凝土-围岩试件9设有多个，并在悬挂梁5前后两侧面上等间距分布。
所述悬挂梁5为岩石梁或钢筋混凝土梁。
如图4、图5所示，所述喷射混凝土-围岩试件9的顶面固定连接传感器固定帽12，传感器固定帽12上固定有加速度计13。所述喷射混凝土-围岩试件9与钢盘10连接处设有侧向约束钢夹11，所述侧向约束钢夹11的侧面设有传感器固定帽12，传感器固定帽12上固定有加速度计13。
一种利用上述装置测试不同振源距离下混凝土-围岩界面损伤的方法，包括如下步骤：
（一）根据选定的试件直径，制作岩石样品，并在接触面一侧喷射指定厚度的喷射混凝土，制作完成的喷射混凝土-围岩试件9的径高比为1:2。根据要测试的龄期养护试件，然后进行振动试验前的测试。
振动试验前的测试包括：
（1）为了分析振动测试后的损伤程度，通过微机控制直剪试验机测试不少于5组试件的直剪强度，取测试结果的平均值作为未损伤的剪切强度；微机控制直剪试验机主要用于岩石结构面以及岩石的直剪、剪切性能试验，通过直剪试验机测试喷射混凝土-围岩界面的残余剪切应力，实现对喷射混凝土-围岩界面的损伤程度的定量分析。
（2）为了分析振动对喷射混凝土-围岩界面的损伤机理，加载前对试件进行高精度CT测试并记录，方便与振动加载损伤后的高精度CT测试结果进行对比。高精度CT即高精度计算机断层扫描，是用X射线对试件一定厚度的层面进行扫描，由探测器接受透过该层面的X射线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟/数字转换器转为数字信号，输入计算机处理。该技术能够将喷射混凝土-围岩界面的损伤部位的微裂纹通过图片形式展现，有助于对界面损伤机理的分析。
（二）将喷射混凝土-围岩试件9底部粘贴于带螺孔的钢盘10上，然后通过螺孔与刚性螺杆8拧紧，从而固定于悬挂梁5前后两侧；将侧向约束钢夹11套在钢盘10与喷射混凝土-围岩试件9连接处并夹紧，在所述侧向约束钢夹11的传感器固定帽12上固定加速度计13，在喷射混凝土-围岩试件9顶面粘贴固定传感器固定帽12，并在传感器固定帽12上固定加速度计13；加速度计13与数据采集装置连接，进行数据传输和记录；
（三）调整合适的铁锤1质量和旋起高度，然后释放铁锤1对悬挂梁5的端部进行锤击，施加一定次数的振动荷载；
（四）将侧向约束钢夹11从喷射混凝土-围岩试件9上取下，喷射混凝土-围岩试件9从刚性螺杆8上取出，然后对喷射混凝土-围岩试件9进行高精度CT测试；高精度CT测试后的喷射混凝土-围岩试件9安装至直剪试验机，进行直剪试验；
（五）结果分析：
根据加速度计采集到的数据绘制加速度-时程曲线，加速度-时程曲线可反映岩石和喷射混凝土各自加速度随时间的衰减规律，若衰减规律相同，仅仅是加速度绝对值有差异，则界面损伤较小；若某时刻喷射混凝土的衰减曲线发生局部异常波动，说明该时刻产生了明显的损伤；若某时刻喷射混凝土的衰减曲线突然衰减至0附近，说明界面发生破坏；
采用图像处理软件（如VGStudio、Avizo等）将高精度CT测试的二维断层图像进行三维重构，对重构得到的三维图像进行任意界面的裂纹位置、尺寸及数量的定量分析。通过分析振动荷载作用前后界面附近的微裂纹产生的位置、尺寸及数量的变化情况，得出振动荷载对界面造成损伤的机理；
根据直剪试验结果测试振动荷载作用后界面峰值剪切强度，分析振动对界面造成的损伤程度，损伤值D采用如下公式表示：
Figure 851544DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 204902DEST_PATH_IMAGE004
为初始抗剪强度的平均值，
Figure 984639DEST_PATH_IMAGE006
为振动荷载作用后的抗剪强度峰值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种测试不同振源距离下混凝土-围岩界面损伤的装置，其特征在于：
包括锤击结构和试件安装结构，所述锤击结构包括铁锤（1）、轴承（2）和铁锤支架（3），所述铁锤（1）通过轴承（2）与铁锤支架（3）铰接连接；
所述试件安装结构包括悬挂梁（5）、刚性门架（7）和喷射混凝土-围岩试件（9），所述悬挂梁（5）悬挂于刚性门架（7）上，所述喷射混凝土-围岩试件（9）可拆卸地安装在悬挂梁（5）两侧，所述喷射混凝土-围岩试件（9）设有多个，并在悬挂梁（5）长度方向上间隔分布；所述喷射混凝土-围岩试件（9）顶面固定有加速度计（13）；
所述悬挂梁（5）上等间距镶嵌有刚性螺杆（8），所述喷射混凝土-围岩试件（9）粘贴固定在钢盘（10）上，钢盘（10）底部设有螺孔，喷射混凝土-围岩试件（9）与钢盘（10）通过螺孔与刚性螺杆（8）拧紧固定；
所述喷射混凝土-围岩试件（9）与钢盘（10）连接处设有侧向约束钢夹（11），所述侧向约束钢夹（11）的侧面设有传感器固定帽（12），传感器固定帽（12）上固定有加速度计（13）；
所述喷射混凝土-围岩试件（9）的顶面固定连接传感器固定帽（12），传感器固定帽（12）上固定有加速度计（13）。
2.根据权利要求1所述的测试不同振源距离下混凝土-围岩界面损伤的装置，其特征在于：所述悬挂梁（5）靠近锤击结构的一端端面镶嵌有梁端钢板（51）。
3.根据权利要求1所述的测试不同振源距离下混凝土-围岩界面损伤的装置，其特征在于：所述悬挂梁（5）上套有两个高强钢箍（6），所述高强钢箍（6）上连接有吊环，所述吊环与刚性门架（7）通过高强钢丝（4）绑定连接。
4.根据权利要求1所述的测试不同振源距离下混凝土-围岩界面损伤的装置，其特征在于：所述悬挂梁（5）为岩石梁或钢筋混凝土梁。
5.一种利用权利要求1-4任一项所述装置测试不同振源距离下混凝土-围岩界面损伤的方法，其特征在于：包括如下步骤：
制作喷射混凝土-围岩试件（9），并进行振动试验前的测试，记录振动试验前试件的剪切强度及CT测试结果；
将喷射混凝土-围岩试件（9）底部粘贴于带螺孔的钢盘（10）上，然后通过螺孔与刚性螺杆（8）拧紧，从而固定于悬挂梁（5）两侧；将侧向约束钢夹（11）套在钢盘（10）与喷射混凝土-围岩试件（9）连接处并夹紧，在所述侧向约束钢夹（11）的传感器固定帽（12）上固定加速度计（13），在喷射混凝土-围岩试件（9）顶面粘贴固定传感器固定帽（12），并在传感器固定帽（12）上固定加速度计（13）；加速度计（13）与数据采集装置连接，进行数据传输和记录；
调整合适的铁锤（1）质量和旋起高度，然后释放铁锤（1）对悬挂梁（5）的端部进行锤击，施加一定次数的振动荷载；
将侧向约束钢夹（11）从喷射混凝土-围岩试件（9）上取下，喷射混凝土-围岩试件（9）从刚性螺杆（8）上取出，然后对喷射混凝土-围岩试件（9）进行高精度CT测试；高精度CT测试后的喷射混凝土-围岩试件（9）安装至直剪试验机，进行直剪试验；
根据加速度计（13）记录数据以及高精度CT测试、直剪试验结果对混凝土-围岩界面损伤进行分析。
6.根据权利要求5所述的测试不同振源距离下混凝土-围岩界面损伤的方法，其特征在于：所述喷射混凝土-围岩试件（9）的径高比为1:2，振动试验前进行养护。
7.根据权利要求5所述的测试不同振源距离下混凝土-围岩界面损伤的方法，其特征在于：对混凝土-围岩界面损伤进行的分析包括：根据加速度计数据分析振动波随距离衰减规律，以及振动波透过喷射混凝土-围岩界面后的衰减规律；根据高精度CT测试的断层图像，分析振动造成的微裂纹位置和开展情况，分析振动荷载对界面造成损伤的机理；根据直剪试验结果测试界面残余剪切强度，分析振动对界面造成的损伤程度。
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