研究爆破对喷射混凝土-围岩界面强度影响的试验装置的制作方法

本实用新型设计爆破工程领域，尤其涉及一种研究爆破对喷射混凝土-围岩界面强度影响的试验装置。

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实验研究，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。

技术实现要素：

本实用新型为解决其技术问题，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，提供一种了研究爆破对喷射混凝土-围岩界面强度影响的试验装置。

根据本实用新型的其中一方面，本实用新型提供了一种研究爆破对喷射混凝土-围岩界面强度影响的试验装置包含：振动台、剪切盒以及反力架，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，剪切盒包含上下两个部分，剪切盒上部为下端开口的立方体，剪切盒下部为上、下端均开口的立方体，剪切盒下部和剪切盒上部的同一侧所形成的第一侧壁的内壁设有一层海绵，剪切盒下部放置于振动台台面上且围绕所述实验试块固定槽；使用时，实验试块下半部分为岩石，装在剪切盒下部，实验试块上半部分为喷射混凝土，剪切盒上部恰好盖住整个实验试块上半部分；

剪切盒上部在第一侧壁处的内壁上与海绵之间依次设有：木板层、由多个钢珠排成多行多列所形成的钢珠层以及隔挡板层；所述反力架竖直设置在振动台上，与所述第一侧壁间隔一定距离，在反力架与第一侧壁对应处均开设有一个通孔，用于穿过伺服压力机，使得所述伺服压力机的荷载能够加载到第一侧壁处的木板上；通孔的上、下端处分别设有弹簧，弹簧的一端固定在反力架上，另一端抵接第一侧壁，弹簧处于压缩状态；反力架的外侧设有所述伺服压力机。

进一步地，在本实用新型的试验装置中，所述剪切盒上部的顶面内侧面上也设有一层海绵，外侧面上由下至上依次设有隔挡板层、由多个钢珠排成多行多列所形成的钢珠层以及木板层，剪切盒的顶面的木板层上方设有另一伺服压力机。

进一步地，在本实用新型的试验装置中，还包括另一反力架以及一反力梁，两个反力架分别固定在剪切盒的两侧，反力梁的两端分别固定在两个反力架的顶部，反力梁上开设有另一通孔，用于穿过剪切盒的顶部上方的伺服压力机，使得所述伺服压力机的荷载能够加载到顶面处的木板上。

进一步地，在本实用新型的试验装置中，所述剪切盒上部、所述剪切盒下部以及实验试块均为长方体。

进一步地，在本实用新型的试验装置中，各反力架以及反力梁均为平板结构。

进一步地，在本实用新型的试验装置中，测试时，所述剪切盒上部和下部内分别速度计、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。

进一步地，在本实用新型的试验装置中，反力架、剪切盒为钢材制成。

与现有的技术，本实用新型具有以下优点：

与现有的技术，本实用新型可以准确测量围岩-混凝土二元界面受爆破振动前后抗剪强度的变化规律，同时使试验试块受到爆破模拟荷载作用后减少了对试验试块的二次扰动，保证了试验结果的准确性。

试验装置。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型试验装置第一实施例的示意图；

图2是沿着图1中AA’的俯视图；

图3是本实用新型试验装置第二实施例的示意图；

图4是本实用新型实验方法一实施例的流程图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

参考图1以及图2，本实施例的试验装置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：包含振动台2、剪切盒4以及左侧反力架12，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)，剪切盒4包含上下两个部分41、42，剪切盒上部41为下端开口的立方体，剪切盒下部42为上、下端均开口的立方体，两个立方体的横截面剪切盒上部的大于剪切盒下部的，剪切盒下部42和剪切盒上部41的同一侧所形成的第一侧壁的一个内壁(即左边的内侧壁)设有一层海绵5，剪切盒下部放置于振动台台面上且围绕所述实验试块固定槽；使用时，实验试块下半部分为岩石，正好装在剪切盒下部42，实验试块上半部分为喷射混凝土，剪切盒上部41恰好盖住整个实验试块上半部分；

剪切盒上部在第一侧壁处的内壁上与所述海绵之间别依次设有：木板层6、由多个钢珠排成多行多列所形成的钢珠层7以及隔挡板层8，隔挡板层8为钢板制成，木板层6用于缓冲伺服压力机的压力；左侧反力架12竖直设置在振动台上，与所述第一侧壁间隔一定距离，在反力架12与第一侧壁对应处开分别设有一个通孔121、411，用于穿过左伺服压力机10，使得左伺服压力机10 的荷载能够加载到第一侧壁处的木板上；通孔121的上、下端处分别设有弹簧 9，弹簧9的一端固定在左侧反力架12上，另一端抵接第一侧壁，弹簧9处于压缩状态。

剪切盒上部41的顶面内侧面上也设有一层海绵5，外侧面上由下至上依次设有隔挡板层8、由多个钢珠排成多行多列所形成的钢珠层7以及木板层6，剪切盒的顶面的木板层上方设有上方伺服压力机10。

左侧施力装置10向剪切盒左方的隔挡板层8加载压力，包括正应力与剪应力，并依次木板6、钢珠层7、隔挡板层8以及海绵5传递给实验试块，上方侧施力装置10向剪切盒4顶部加载压力，括正应力与剪应力并依次通过木板层6、、钢珠层7、隔挡板层8、剪切盒4、海绵层5传递给实验试块。隔挡板层8隔档小钢珠7，减小因正应力带来的小钢珠7与钢板8和木板6之间的摩擦力，所述弹簧9起到模拟实验试块所受初始应力状态，所述的海绵5 起到模拟无反射边界条件的作用，通过剪切盒4、反力架1与弹簧9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实验试块上。其中，实验试块也为长方体，上述各层海绵5在实验时均之间与实验试块接触进行面连接。

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2 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。

参考图3，在本实用新型的另一实施例的试验装置中，还包括右侧反力架以及一反力梁11，两个反力架分别固定在剪切盒4的左右两侧，反力梁11的两端分别固定在两个反力架的顶部，反力梁11上开设有另一通孔111，用于穿过剪切盒的顶部上方伺服压力机10，使得所述伺服压力机的荷载能够加载到顶面处的木板上，各反力架以及反力梁均11为平板结构。

其中，实实验试块均为长方体，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4，根据本实用新型的另一方面，本实用新型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-围岩二元界面抗剪强度测试，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、对实验试块设置不同剪应力进行剪切实验，剪应力保持恒定，逐级施加剪应力，每加一级，坚持30s，直至实验试块剪断，其中每级剪应力的大小，按正应力的2％-5％取值。剪切时，左侧的伺服压力机10施压剪应力，上方的伺服压力机10施加压力。

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。上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型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实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。