CN111487148B - 测试法向振源对混凝土-围岩界面破坏效应的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测试法向振源对混凝土‑围岩界面破坏效应的装置，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，所述铁锤上端通过轴承与铁锤支架铰接连接；所述试件安装结构包括钢筋混凝土板、刚性门架和喷射混凝土‑围岩试件，所述钢筋混凝土板悬挂在刚性门架下方，所述喷射混凝土‑围岩试件与钢筋混凝土板可拆卸连接，所述喷射混凝土‑围岩试件顶面固定有加速度计。本发明提供的测试装置可根据需要的振源烈度调整铁锤质量和旋转拉起的角度，钢筋混凝土板使用高强度混凝土，防止被锤击结构被轻易击碎；待测试件与被锤击结构可拆卸式连接，振动加载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
技术领域
本发明涉及一种测试法向振源对混凝土-围岩界面破坏效应的装置及方法，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逐步完善的过程中，在既有隧洞构筑物附近开挖建设新输水隧洞是常常遇到的工程问题，新输水隧洞开挖施工过程总，钻爆法仍然是最常使用的施工方法。爆破施工产生的振动荷载必然会对临近既有隧洞的喷射混凝土-围岩支护结构产生一定的影响。为了避免对临近既有隧洞喷射混凝土-围岩支护结构的承载能力造成破坏，需要根据输水隧洞喷射混凝土-围岩结构的抗震性能来控制爆破装药量。
目前测试法向振源对输水隧洞喷射混凝土-围岩界面粘结性能破坏效应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，现有关于测试法向振源对输水隧洞喷射混凝土-围岩界面粘结性能破坏效应的装置及方法还不够完善，亟待开发和改进新的实验测试装置及方法。
发明内容
目的：为了克服现有钻芯取样测试技术可能造成二次扰动的问题，本发明提供一种测试法向振源对混凝土-围岩界面破坏效应的装置及方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种测试法向振源对混凝土-围岩界面破坏效应的装置，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，所述铁锤上端通过轴承与铁锤支架铰接连接；
所述试件安装结构包括钢筋混凝土板、刚性门架和喷射混凝土-围岩试件，所述钢筋混凝土板悬挂在刚性门架下方，所述喷射混凝土-围岩试件可拆卸地安装在钢筋混凝土板远离锤击结构的一侧，所述喷射混凝土-围岩试件顶面固定有加速度计。
进一步地，所述钢筋混凝土板上侧浇筑有吊杆，所述吊杆伸出钢筋混凝土板的部分为环状结构；吊杆的环状结构与刚性门架通过高强钢丝绑定相连。
进一步地，所述钢筋混凝土板远离锤击结构的一侧浇筑有刚性螺杆，所述刚性螺杆露出钢筋混凝土板的部分刻有螺纹，所述喷射混凝土-围岩试件底部固定有钢盘，钢盘底部设有螺孔，所述钢盘的螺孔与刚性螺杆螺纹拧紧固定。
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。
进一步地，所述喷射混凝土-围岩试件与钢盘通过高强结构胶粘贴连接。
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。
一种测试法向振源对混凝土-围岩界面破坏效应的方法，包括如下步骤：
制备喷射混凝土-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抗拉强度及CT测试结果；
将喷射混凝土-围岩试件粘贴固定于钢盘上，钢盘通过螺孔与刚性螺杆拧紧固定，将侧向约束钢夹套在钢盘与试件连接处并夹紧；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；
调整铁锤旋起高度，然后释放铁锤对钢筋混凝土板撞击区进行锤击，施加一定次数的振动荷载；
然后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-围岩试件和钢盘从刚性螺杆上取出；对喷射混凝土-围岩试件进行高精度CT测试和轴拉实验；
根据加速度计记录数据以及高精度CT测试、轴拉实验结果对混凝土-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：根据加速度计记录数据分析振动波传至试件位置的衰减规律，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；根据轴拉试验结果分析界面残余粘结强度，分析振动对界面造成的损伤程度。
有益效果：本发明提供的一种测试法向振源对混凝土-围岩界面破坏效应的装置，使用的锤击结构可根据需要的振源烈度调整铁锤质量和旋转拉起的角度，悬挂结构的钢筋混凝土板使用高强度混凝土，防止被锤击结构被轻易击碎；待测试件与被锤击的钢筋混凝土板通过螺纹、螺孔可拆卸式连接，振动加载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。
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视示意图；
图3为本发明测试装置的俯视示意图；
图4为本发明测试装置的铁锤、钢筋混凝土板及喷射混凝土-围岩试件的相对位置示意图；
图5为钢筋混凝土板的侧视示意图；
图6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7为图6的俯视视图。
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4所示，一种测试法向振源对混凝土-围岩界面破坏效应的装置，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上端通过轴承2与铁锤支架3铰接连接。可根据需要更换不同质量的铁锤1。
所述试件安装结构包括钢筋混凝土板5、刚性门架7和喷射混凝土-围岩试件9。
所述钢筋混凝土板5上侧浇筑有吊杆4，所述吊杆4伸出钢筋混凝土板5的部分为环状结构；吊杆4的环状结构与刚性门架7通过高强钢丝6绑定相连。所述钢筋混凝土板5远离锤击结构的一侧浇筑有刚性螺杆8，所述刚性螺杆8露出钢筋混凝土板5的部分刻有螺纹，所述喷射混凝土-围岩试件9底部通过高强结构胶与钢盘10粘贴固定，钢盘10底部设有螺孔，所述钢盘10通过螺孔与刚性螺杆8拧紧固定，如图5所示，喷射混凝土-围岩试件9分布在钢筋混凝土板5远离锤击结构的一侧侧面上。
如图6、图7所示，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。
利用上述装置测试法向振源对混凝土-围岩界面破坏效应的方法，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。
振动试验前测试包括：
为了分析振动测试后的损伤程度，通过MTS试验机测试不少于五组试件的抗拉强度，取测试结果的平均值作为未损伤的粘结强度；MTS试验机主要用于测试岩石和混凝土材料的拉伸、压缩性能试验，通过MTS试验机轴拉试验测试喷射混凝土-围岩界面的残余粘结强度，实现对喷射混凝土-围岩的损伤程度的定量分析。
为了分析振动对喷射混凝土-围岩界面的损伤机理，振动加载前对试件进行高精度CT测试并记录结果，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粘贴固定于钢盘10上，钢盘10通过螺孔与刚性螺杆8拧紧固定，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）调整铁锤1旋起高度，然后释放铁锤1对钢筋混凝土板5撞击区进行锤击，施加一定次数的振动荷载；
（四）然后将侧向约束钢夹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和钢盘10从刚性螺杆8上取出；对喷射混凝土-围岩试件9进行高精度CT测试和轴拉实验；
（五）根据加速度计13记录数据以及高精度CT测试、轴拉试验结果对混凝土-围岩界面损伤进行分析。具体分析内容：
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，重构得到的三维图像可进行任意界面的裂纹位置、尺寸及数量进行定量分析。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；
根据轴拉试验结果分析界面残余粘结强度，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：
其中，
为初始抗拉强度的平均值，
为振动荷载作用后的抗拉强度峰值。
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 (6)
1.一种测试法向振源对混凝土-围岩界面破坏效应的装置，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）上端通过轴承（2）与铁锤支架（3）铰接连接；
所述试件安装结构包括钢筋混凝土板（5）、刚性门架（7）和喷射混凝土-围岩试件（9），所述钢筋混凝土板（5）悬挂在刚性门架（7）下方，所述喷射混凝土-围岩试件（9）可拆卸地安装在钢筋混凝土板（5）远离锤击结构的一侧，所述喷射混凝土-围岩试件（9）顶面固定有加速度计（13）；
所述钢筋混凝土板（5）远离锤击结构的一侧浇筑有刚性螺杆（8），所述刚性螺杆（8）露出钢筋混凝土板（5）的部分刻有螺纹，所述喷射混凝土-围岩试件（9）底部固定有钢盘（10），钢盘（10）底部设有螺孔，所述钢盘（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所述的测试法向振源对混凝土-围岩界面破坏效应的装置，其特征在于：所述钢筋混凝土板（5）上侧浇筑有吊杆（4），所述吊杆（4）伸出钢筋混凝土板（5）的部分为环状结构；吊杆（4）的环状结构与刚性门架（7）通过高强钢丝（6）绑定相连。
3.根据权利要求1所述的测试法向振源对混凝土-围岩界面破坏效应的装置，其特征在于：所述喷射混凝土-围岩试件（9）与钢盘（10）通过高强结构胶粘贴连接。
4.一种利用权利要求1-3任一项所述装置测试法向振源对混凝土-围岩界面破坏效应的方法，其特征在于：包括如下步骤：
制备喷射混凝土-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抗拉强度及CT测试结果；
将喷射混凝土-围岩试件（9）粘贴固定于钢盘（10）上，钢盘（10）通过螺孔与刚性螺杆（8）拧紧固定，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；
调整铁锤（1）旋起高度，然后释放铁锤（1）对钢筋混凝土板（5）撞击区进行锤击，施加一定次数的振动荷载；
然后将侧向约束钢夹（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）和钢盘（10）从刚性螺杆（8）上取出；对喷射混凝土-围岩试件（9）进行高精度CT测试和轴拉实验；
根据加速度计（13）记录数据以及高精度CT测试、轴拉实验结果对混凝土-围岩界面损伤进行分析。
5.根据权利要求4所述的测试法向振源对混凝土-围岩界面破坏效应的方法，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。
6.根据权利要求4所述的测试法向振源对混凝土-围岩界面破坏效应的方法，其特征在于：对混凝土-围岩界面损伤进行的分析包括：根据加速度计记录数据分析振动波传至试件位置的衰减规律，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；根据轴拉试验结果分析界面残余粘结强度，分析振动对界面造成的损伤程度。
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