CN111487322A - 一种喷射混凝土与围岩断裂的检测装置及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种喷射混凝土与围岩断裂的检测装置，包括多个检测单元、引伸计和预制缝；所述检测单元位于预制缝两侧，引伸计安装在预制缝处；所述检测单元包括支架，超声波发射装置和超声波接收装置；所述超声波发射装置和超声波接收装置安装在支架上。本发明可对喷射混凝土与围岩内部的损伤进行检测。本发明还公开了一种喷射混凝土与围岩断裂的检测方法，保证无损的基础上，可测得喷射混凝土与围岩断裂的起裂时间点，进而得到断裂损伤的全过程演化。

Description

一种喷射混凝土与围岩断裂的检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及一种喷射混凝土与围岩断裂的检测装置及检测方法，属于混凝土结构与材料领域。
背景技术
在输水隧洞的建设施工过程中，由于喷射混凝土快速有效的优点而被广泛选择运用于施工现场支护结构的施工方法中。但由于喷射混凝土与围岩的粘结结构部分是整个衬砌结构的主要薄弱环节，围岩与喷射混凝土的相互作用关系是隧洞施工建设的关键问题，直接关系到隧洞施工过程中及使用服役期间的安全性、稳定性。隧道地质条件复杂多样，作为输水隧洞衬砌结构部分的围岩在隧洞开挖过程中不可避免的会存在初始损伤的情况。并且在复杂应力荷载作用下，喷射混凝土-围岩结构受弯拉荷载作用的影响较大。因此研究喷射混凝土-围岩三点弯曲断裂损伤演化模式对隧道设计与稳定性评价方面都具有重大意义和价值。
然而，目前对喷射混凝土与围岩断裂损伤的检测装置一般只能够观测表观裂缝的发育过程，而对喷射混凝土与围岩内部的损伤则无法检测。同时现有技术中一些无损检测手段不能够有效地判断试验过程中试件的起裂时间点，从而不能清楚地了解断裂损伤的全过程演化。
发明内容
本发明是提供一种喷射混凝土与围岩断裂的检测装置，可对喷射混凝土与围岩内部的损伤进行检测。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种喷射混凝土与围岩断裂的检测装置，包括多个检测单元、引伸计和预制缝；所述检测单元位于预制缝两侧，引伸计安装在预制缝处；所述检测单元包括支架，超声波发射装置和超声波接收装置；所述超声波发射装置和超声波接收装置安装在支架上。
优选地，所述支架包括铁套箍和位于铁套箍上的卡口；所述铁套箍的四个角部均通过转轴连接，所述卡口与螺钉配合，用于铁套箍的开合。
优选地，所述铁套箍上开设有通孔，通孔上连接有套环，套环大小与超声波发射装置和超声波接收装置匹配；所述套环与传感器盖帽过盈配合，用于将超声波发射装置和超声波接收装置固定铁套箍上。
优选地，所述超声波发射装置位于铁套箍的其中一个角部上；所述检测单元之间的超声波发射装置呈对角线设置。
优选地，所述预制裂缝的缝高比为0.1。
本发明还提供了一种喷射混凝土与围岩断裂的检测方法，保证无损的基础上，可测得喷射混凝土与围岩断裂的起裂时间点，进而得到断裂损伤的全过程演化。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种喷射混凝土与围岩断裂的检测方法，采用上述检测装置实现，包括以下步骤：将检测单元、引伸计和预制缝安装于试件上，并记录每条超声波传播路径下超声波发射的时间与接收信号的时间；根据所述超声波发射时间与接收信号的时间，计算平行于断裂面的每条传播路径下的超声波传播波速，以及所述超声波传播波速的均值vV；计算垂直于断裂面的每条传播路径下的超声波传播波速，以及所述超声波传播波速的均值vH；根据vV，绘制得到平行于断裂面的超声波波速随时间的变化曲线；根据vH，绘制得到垂直于断裂面的超声波波速随时间的变化曲线。
进一步地，所述平行于断裂面的每条传播路径下的超声波传播波速，垂直于断裂面的每条传播路径下的超声波传播波速由如下公式计算得到：
Figure BDA0002447744410000031
Figure BDA0002447744410000032
其中，vVi表示平行于断裂面的第i条传播路径下的超声波传播波速，TPi表示平行于断裂面第i条传播路径下超声波信号的接收时间,T0i表示平行于断裂面第i条传播路径下超声波信号的发射时间；di为平行于断裂面的第i条传播路径下超声波在材料介质中的传播距离；vHj表示垂直于断裂面第j条传播路径下的超声波传播波速，TPj表示垂直于断裂面第j条传播路径下超声波信号的接收时间,T0j表示垂直于断裂面第j条传播路径下超声波信号的发射时间；dj为垂直于断裂面的第j条传播路径下超声波在材料介质中的传播距离。。
进一步地，所述平行于断裂面的超声波波速均值vV，以及垂直于断裂面的超声波波速均值vH由如下公式计算得到：
Figure BDA0002447744410000033
Figure BDA0002447744410000041
式中，vV为平行于断裂面的超声波波速均值，vVi为平行于断裂面的第i条传播路径对应的计算波速，n为平行于断裂面的传播路径总数；vH为垂直于断裂面的超声波波速均值，vHj为垂直于断裂面的第j条传播路径对应的计算波速，m为垂直于断裂面的传播路径总数。
进一步地，还包括根据所述平行于断裂面的每条传播路径下的超声波传播波速，以及垂直于断裂面的每条传播路径下的超声波传播波速，得到断裂面上各点的波速云图。
进一步地，所述制断裂面上各点的波速云图包括以下步骤：计算各传播路径与断裂面交点处的超声波波速；将所述超声波波速导入至Matlab程序中，通过网格差值法得到断裂面的各点的波速云图。
本发明的装置通过在预制缝设置检测单元，并通过检测单元内的超声波发射装置和超声波接收装置，使得超声波的传播路径布及裂缝发育主要区域，从而对喷射混凝土与围岩内部的损伤进行检测。
本发明通过计算平行于断裂面的每条传播路径下的超声波传播波速的均值，绘制得到平行于断裂面的超声波波速随时间的变化曲线；以及垂直于断裂面的每条传播路径下的超声波传播波速的均值，绘制得到垂直于断裂面的超声波波速随时间的变化曲线，由所述两种变化曲线可得到试件的起裂点时间。并通过计算出的任意时刻每条平行或垂直于断裂面传播路径的超声波波速可得到任意时刻断裂面的各点的波速云图，以此来反映加载过程中裂缝损伤的演化情况。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种压水试验装置的结构示意图；
图2为本发明实施例外部加载示意图；
图3为本发明实施例中铁套箍的放大图；
图4为本发明实施例中引伸计结构示意图；
图5为本发明中实施例中超声波垂直于断裂面传播路径示意图；
图6为本发明中实施例中超声波平行于断裂面传播路径示意图；
图7为本发明中实施例中垂直于断裂面的超声波波速随时间的变化曲线。
其中：1-喷射混凝土，2-围岩材料，3-第一铁套箍，4-第二铁套箍，5-卡口，6-预制缝，7-引伸计，8-引伸计夹头，9-传感器盖帽，10-超声波发射装置，11-超声波接收装置，12-断裂面。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的实质，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的阐述。
本发明属于混凝土结构与材料领域，尤其适用于喷射混凝土与围岩断裂的检测，具体实施例结构如图1至图4所示，包括多个检测单元、引伸计7和预制缝6。检测单元安装于预制缝6两侧，引伸计7安装在预制缝6处。检测单元包括支架，超声波发射装置10和超声波接收装置11。超声波发射装置10和超声波接收装置11安装在支架上，并通过传感器盖帽9封口固定。支架包括铁套箍和位于铁套箍上的卡口5。卡口5与螺钉配合，用于铁套箍的开合。铁套箍由铁片组成，铁套箍的四个角部均通过转轴相连接，使得铁套箍可随喷射混凝土-围岩试件发生形变，从而保证试验结果的准确性。引伸计7通过引伸计夹头8设置于预制缝6处，用于测量预制缝6处的张口位移。现有技术中的引伸计7安装于整块试件的底部位置，但本发明的预制缝6开设在岩石与混凝土的交界处，此时通常的引伸计安装方法无法安装测量出预制缝6的张口位移，由此需将引伸计7安装于试件的侧面。
预制裂缝6设置于围岩材料2上，位于围岩材料2与喷射混凝土1的交界处。预制裂缝6的缝高比为0.1。为使得测试结果更为准确，检测单元应尽可能接近于断裂面12的位置，铁套箍距断裂面12的水平距离优选为5cm～8cm。
铁套箍上开设有通孔，通孔上连接有套环，套环大小与超声波发射装置10和超声波接收装置11匹配。套环与传感器盖帽9过盈配合，从而使得超声波发射装置10和超声波接收装置11固定在铁套箍上。
一个超声波发射装置10可以对应多个超声波接收装置11。优选地，超声波发射装置10位于铁套箍的其中一个角部上，超声波接收装置11位于铁套箍的其他铁片上。
本装置包括第一铁套箍3和第二铁套箍4。第一铁套箍3和第二铁套箍4上均预留有八个套环。第一铁套箍3的一个角部上设置的两个套环用于安装超声波发射装置10，其余六个套环用于安装超声波接收装置11。第二铁套箍4上的超声波发射装置10和超声波接收装置11的位置一致。预制缝6位于第一铁套箍3和第二铁套箍4之间。预制缝6所在处即为断裂面12。为使得超声波在喷射混凝土-围岩试件中的传播路径可覆盖更多的范围，第一铁套箍3与第二铁套箍4在安装时，可使得两个检测单元之间的超声波发射装置10的距离最大，如图5所示，两个检测单元之间的超声波发射装置10呈对角线安装。
本发明的工作原理：如图5和图6所示，打开卡口5，将第一铁套箍3与第二铁套箍4安装在预制裂缝6两侧，并在预制裂缝6处安装好引伸计7。超声波发射装置10发出的超声波由第一铁套箍3与第二铁套箍4上的超声波接收装置11接收，从而在两个检测单元的内部以及两个检测单元之间形成超声波检测区域。从而对喷射混凝土与围岩内部的损伤进行检测。
超声波成像技术主要利用材料由于内部细观结构差异性而导致超声波传导变异性的技术原理，通过超声波在材料介质中的传播波速来反映材料内部的细观结构演化情况。在喷射混凝土-围岩试件的主要断裂面两侧合理布置安放检测单元，使得超声波的传播路径布及裂缝发育主要区域，由此计算出每个传播路径所对应的传播波速便可得到界面不同位置在断裂过程中的演变情况。
MTS试验机是混凝土材料力学性能研究主要测试仪器。可通过MTS试验机对喷射混凝土-围岩试件进行外部荷载的加载，来研究喷射混凝土-围岩试件断裂损伤过程，实现对喷射混凝土-围岩的断裂损伤演化机理分析。
本发明提供的一种喷射混凝土与围岩断裂的检测装置及检测方法，包括以下步骤：
步骤一、制备喷射混凝土-围岩试件。
根据不同的围岩材料2选择岩石种类，将围岩材料2切割加工成长方体形状，尺寸为400mm×100mm×50mm，并在围岩材料2底部预设一道逢高比为0.1的预制缝6，围岩材料2下部与尺寸一致的喷射混凝土1相粘结组成喷射混凝土-围岩试件。
步骤二、安装喷射混凝土-围岩试件：
1、使用502胶水将引伸计夹头8粘贴于喷射混凝土-围岩试件预制缝6处。并且在布置检测装置时，将超声波接收装置11布及断裂面12的四周，以使得超声波在喷射混凝土-围岩试件中的传播路径覆盖较多的范围。
2、在所述试件上标出检测单元的位置，并依据标线将两个第一铁套箍3和第二铁套箍4安装在喷射混凝土-围岩试件上，将第一铁套箍3和第二铁套箍4上的卡口5对齐并用螺栓拧紧固定；
3、将喷射混凝土-围岩试件安放到MTS试验机的加载支座上，将引伸计7安装到引伸计夹头8上，通过引伸计7测量出的张口位移来控制MTS试验机外部荷载的加载速率。
4、分别将超声波发射装置10与超声波接收装置11放置到第一铁套箍3和第二铁套箍4的对应位置，并用传感器盖帽9封口。
5、打开超声波测试系统，测试超声波装置是否正常工作，并打开MTS试验机加载系统，将MTS试验机加载支座与试件完全接触。
步骤三、计算得到超声波波速随时间的变化曲线，并得到裂缝损伤的演化过程：
1、超声波系统控制所有超声波发射装置10同步发射超声波，超声波接收装置11接收信号，由超声波系统记录超声波发射与接收信号的时间，从而得到波速的计算公式：
Figure BDA0002447744410000091
式中，v为任意时刻超声波波速，TP为超声波信号接收时间，T0为超声波信号发射时间，d为超声波在材料介质中的传播距离。
2、根据超声波发射装置10与超声波接收装置11的安装位置可将超声波在试件内部的传播路径分为两种情况，一种为垂直于断裂面12的传播路径，另一种为平行于断裂面12的传播路径。以下垂直于断裂面12均为同一定义：垂直于断裂面12意为超声波与断裂面12相交一组的传播路径，即为两个检测单元之间的超声波传播路径，如图5所示。以下平行于断裂面12均为同一定义：平行于断裂面12的传播路径为同一铁套箍平面内超声波的传播路径，如图6所示。根据公式(1)可计算出各平行或垂直于断裂面12的传播路径所对应的波速：
Figure BDA0002447744410000092
Figure BDA0002447744410000093
其中，vVi表示平行于断裂面的第i条传播路径下的超声波传播波速，TPi表示平行于断裂面第i条传播路径下超声波信号的接收时间,T0i表示平行于断裂面第i条传播路径下超声波信号的发射时间；di为平行于断裂面的第i条传播路径下超声波在材料介质中的传播距离；vHj表示垂直于断裂面第j条传播路径下的超声波传播波速，TPj表示垂直于断裂面第j条传播路径下超声波信号的接收时间,T0j表示垂直于断裂面第j条传播路径下超声波信号的发射时间；dj为垂直于断裂面的第j条传播路径下超声波在材料介质中的传播距离。
3、根据公式(2)和公式(3)可得到任意时刻平行于断裂面的超声波波速均值vv，任意时刻垂直于断裂面的超声波波速均值vH：
Figure BDA0002447744410000101
Figure BDA0002447744410000102
式中，vV为平行于断裂面的超声波波速均值，vVi为平行于断裂面的第i条传播路径对应的计算波速，n为平行于断裂面的传播路径总数；vH为垂直于断裂面的超声波波速均值，vHj为垂直于断裂面的第j条传播路径对应的计算波速，m为垂直于断裂面的传播路径总数。
通过上述计算得到的平行于断裂面的超声波波速vV与垂直于断裂面的超声波波速vH，可分别绘制出平行于断裂面的超声波波速随时间的变化曲线，以及垂直于断裂面的超声波波速随时间的变化曲线。其中，所述两种变化曲线中，最早出现的拐点为试件的起裂点。如图7所示，为根据vH绘制出的垂直于断裂面的超声波波速随时间的变化曲线。图7中的B点为变化曲线的第一处拐点，即为试件的起裂点，从而得到试样的起裂时间点。
4、同时通过计算出来的vVi、vHj可以得到任意时刻每条平行或垂直于断裂面传播路径的超声波波速。假设超声波在每条传播路径上的传播速度是均匀的，则传播路径上每个点的超声波波速相同。以垂直与断裂面的传播路径为例，将垂直于断裂面的传播路径与断裂面的各个交点取出，如图5所示的交点A。计算出各个交点的超声波波速，将其导入至Matlab程序中，通过网格差值法可以得到任意时刻断裂面的各点的波速云图，以此来反映加载过程中裂缝损伤的演化情况。
应当指出，虽然通过上述实施方式对本发明进行了描述，然而本发明还可有其它多种实施方式。在不脱离本发明精神和范围的前提下，熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应当属于本发明所附权利要求及其等效物所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种喷射混凝土与围岩断裂的检测装置，其特征在于：包括多个检测单元、引伸计和预制缝；所述检测单元位于预制缝两侧，引伸计安装在预制缝处；所述检测单元包括支架，超声波发射装置和超声波接收装置；所述超声波发射装置和超声波接收装置安装在支架上。
2.根据权利要求1所述喷射混凝土与围岩断裂的检测装置，其特征在于：所述支架包括铁套箍和位于铁套箍上的卡口；所述铁套箍的四个角部均通过转轴连接，所述卡口与螺钉配合，用于铁套箍的开合。
3.根据权利要求2所述喷射混凝土与围岩断裂的检测装置，其特征在于：所述铁套箍上开设有通孔，通孔上连接有套环，套环大小与超声波发射装置和超声波接收装置匹配；所述套环与传感器盖帽过盈配合，用于将超声波发射装置和超声波接收装置固定铁套箍上。
4.根据权利要求2所述喷射混凝土与围岩断裂的检测装置，其特征在于：所述超声波发射装置位于铁套箍的其中一个角部上；所述检测单元之间的超声波发射装置呈对角线设置。
5.根据权利要求1所述喷射混凝土与围岩断裂的检测装置，其特征在于：所述预制裂缝的缝高比为0.1。
6.一种喷射混凝土与围岩断裂的检测方法，采用权利要求1至5任意一项所述检测装置实现，其特征在于，包括以下步骤：
安装检测单元、引伸计和预制缝，并记录每条超声波传播路径下超声波发射的时间与接收信号的时间；
根据所述超声波发射时间与接收信号的时间，计算平行于断裂面的每条传播路径下的超声波传播波速，以及所述超声波传播波速的均值vV；计算垂直于断裂面的每条传播路径下的超声波传播波速，以及所述超声波传播波速的均值vH；
根据vV，绘制得到平行于断裂面的超声波波速随时间的变化曲线；
根据vH，绘制得到垂直于断裂面的超声波波速随时间的变化曲线。
7.根据权利要求6所述喷射混凝土与围岩断裂的检测方法，其特征在于：所述平行于断裂面的每条传播路径下的超声波传播波速，垂直于断裂面的每条传播路径下的超声波传播波速由如下公式计算得到：
Figure FDA0002447744400000021
Figure FDA0002447744400000022
其中，vVi表示平行于断裂面的第i条传播路径下的超声波传播波速，TPi表示平行于断裂面第i条传播路径下超声波信号的接收时间,T0i表示平行于断裂面第i条传播路径下超声波信号的发射时间；di为平行于断裂面的第i条传播路径下超声波在材料介质中的传播距离；vHj表示垂直于断裂面第j条传播路径下的超声波传播波速，TPj表示垂直于断裂面第j条传播路径下超声波信号的接收时间,T0j表示垂直于断裂面第j条传播路径下超声波信号的发射时间；dj为垂直于断裂面的第j条传播路径下超声波在材料介质中的传播距离。
8.根据权利要求6所述喷射混凝土与围岩断裂的检测方法，其特征在于：所述平行于断裂面的超声波波速均值vV，以及垂直于断裂面的超声波波速均值vH由如下公式计算得到：
Figure FDA0002447744400000031
Figure FDA0002447744400000032
式中，vV为平行于断裂面的超声波波速均值，vVi为平行于断裂面的第i条传播路径对应的计算波速，n为平行于断裂面的传播路径总数；vH为垂直于断裂面的超声波波速均值，vHj为垂直于断裂面的第j条传播路径对应的计算波速，m为垂直于断裂面的传播路径总数。
9.根据权利要求6所述喷射混凝土与围岩断裂的检测方法，其特征在于：还包括根据所述平行于断裂面的每条传播路径下的超声波传播波速，以及垂直于断裂面的每条传播路径下的超声波传播波速，得到断裂面上各点的波速云图。
10.根据权利要求9所述喷射混凝土与围岩断裂的检测方法，其特征在于：所述制断裂面上各点的波速云图包括以下步骤：
计算各传播路径与断裂面交点处的超声波波速；
将所述超声波波速导入至Matlab程序中，通过网格差值法得到断裂面的各点的波速云图。
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