一种新浇混凝土爆破振动响应特性试验方法及系统
技术领域
本发明涉及隧道、地下开采或岩体开挖的各类岩土工程物理模型技术领域，尤其涉及一种新浇混凝土爆破振动响应特性试验方法及系统。
背景技术
海随着我国交通基础设施的发展，越来越多的山岭隧道在规划或修建中，由于山区地质条件等因素的影响，我国目前山区隧道的开挖方式仍多数采用钻爆法开挖。钻爆法开挖使用的炸药爆炸瞬间，一部分能量会使空气膨胀并产生冲击波用于破碎和抛出岩石，但与此同时，噪音、空气冲击波、爆破振动等危害效应也随之产生，其中爆破振动对结构产生的危害尤为严重。同时由于隧道内空间往往较为封闭且狭小，现场爆破施工若产生的爆破振动过大可能会破坏隧道内部的支护结构，严重时可能会破坏隧道周围岩体稳定性并引起塌方，所以爆破振动若不加以控制将严重影响到隧道施工的安全性与稳定性，造成巨大的安全隐患。故研究爆破振动的传播规律，控制爆破危害，保证建构筑物的安全是至关重要的。
目前关于隧道爆破相关的理论研究仍无法达到完全系统与全面，同时爆破振动具有短时性与复杂性，使得隧道爆破产生的爆破振动具有较大的难以预测性。作为隧道重要支护结构的二次衬砌，在整个工程施工中其安全重要性不言而喻，并且随着隧道施工技术与效率的提高，爆破循环作业的时间也在不断的缩减。然而二次衬砌新浇混凝土，其强度与弹性模量较低，爆破振动极有可能会对其造成损害。因此，分析隧道爆破时，二次衬砌新浇混凝土拱部不同部位的动力响应特征，研究不同龄期的隧道二次衬砌爆破振动安全判据，确定二次衬砌新浇混凝土与隧道掌子面的合理距离是高效安全施工的前提，因为如果不能够及时获得隧道章子面的爆破对于混凝土的安全影响距离，就会导致二衬的混凝土距离隧道掌子面太近的话，就会出现破碎损伤，造成经济浪费，同时由于振动导致的二衬的不密实情况，在未来行车的时候也会造成安全隐患，但是如果距离太远的话，就会出现很大的建设过程中的安全隐患，因为二衬不及时施加的话，隧道的安全存在很大的问题，因为距离太远，导致隧道掌子面出现安全隐患，也会造成很大的损失。
发明内容
有鉴于此，为了研究爆破振动的振动速度、振动频率及振动持续时间对不同龄期新浇混凝土的影响，本发明的实施例提供了一种新浇混凝土爆破振动响应特性试验方法。
本发明的实施例提供一种新浇混凝土爆破振动响应特性试验方法，包括以下步骤：
S1以受振时龄期、振动频率、振动速度峰值、振动持续时间为四影响因素，每个影响因素设置N种水平的影响，其中N≥2且为整数，采用正交试验设计方法设计四因素N水平的正交试验采样方案；
S2制作多组混凝土试块满足步骤S1中正交试验采样方案的需求；
S3按照所述正交试验采样方案，对每组混凝土试块在预定受振时龄期，按照预定振动频率、振动速度峰值和振动持续时间施加载竖向正弦波用以模拟爆破振动；
S4对每组混凝土试块进行养护，且在每组混凝土试块养护过程中对其进行超声波波速测试，在养护结束后对其进行抗压强度测试。
进一步地，所述步骤S2还包括至少制作一组混凝土试块作为参照组；不对所述参照组混凝土试块施加竖向正弦波；按照步骤S4中的方法对参照组混凝土试块进行超声波波速测试和抗压强度测试。
进一步地，所述步骤S1中每个影响因素设置5种水平的影响；所述步骤S2中混凝土试块组的数量为二十六，其中25组混凝土试块为试验组、另一混凝土试块组为参照组；对于试验组混凝土试块执行步骤S3、S4。
进一步地，所述步骤S4中对混凝土试块进行超声波波速测试的方法为，在混凝土试块上下、左右、前后方向分别进行超声波波速测试，获得三组数据，对这三组数据取平均值即可得到混凝土试块超声波波速测试数据。
进一步地，对混凝土试块每一方向进行超声波波速测试的方法为，在一方向上所述混凝土试块相对的两侧布置超声波探头，并使用耦合剂排除两所述超声波探头与凝土试块间的空气影响，通过两所述超声波探头测量混凝土试块在该方向上的超声波波速。
进一步地，所述步骤S3中通过ZD/AB-ATP振动试验台对混凝土试块施加载竖向正弦波。
进一步地，所述步骤S2中制作多组混凝土试块的方法为，将混凝土试块模具固定于所述振动试验台上，对所述混凝土试块模具内浇筑混凝土，然后通过所述振动试验台将混凝土振实，制成混凝土试块。
进一步地，每组所述混凝土试块包括至少三混凝土试块，每组所述混凝土试块的超声波波速测试数据为该组所有混凝土试块超声波波速测试数据的平均值，每组所述混凝土试块抗压强度测试数据为该组所有混凝土试块抗压强度测试数据的平均值。
本发明的实施例还提供了一种新浇混凝土爆破振动响应特性试验系统，用来执行上述新浇混凝土爆破振动响应特性试验方法，具体包括：
用于对混凝土试块施加竖向正弦波的振动试验台，所述振动试验台包括振动台台面、振动台基座和振动台控制计算机，所述振动台基座上部连接所述振动台台面，所述振动台基座连接所述振动台控制计算机，所述振动台控制计算机用以控制所述振动台基座振动；
用于测量混凝土试块超声波波速的超声波测试仪；
以及用于测量混凝土试块抗压强度的单轴抗压试验仪。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过室内振动试验台模拟现场监测得到的爆破振动信号，研究不同的振动荷载对新浇混凝土的影响，很好的解决了隧道施工现场衬砌受爆破荷载扰动，无法直接测得振动荷载对新浇混凝土的影响的问题；另外通过振动试验台后声波和抗压强度测量的方式，直接通过量化数据测量得到了振动荷载对新浇混凝土的量化影响。
附图说明
图1是本发明一种新浇混凝土爆破振动响应特性试验系统的振动试验台的示意图；
图2是本发明一种新浇混凝土爆破振动响应特性试验系统的超声波测试仪的示意图；
图3是本发明一种新浇混凝土爆破振动响应特性试验系统的单轴抗压试验仪的示意图。
图中：1-混凝试验块、2-膨胀螺丝、3-振动试验台、31-振动台台面、32-振动台基座、33-振动台控制计算机、4-超声波测试仪、41-超声波探头、5-数据处理计算机、6-单轴抗压试验仪、61-加载装置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1、2和3，本发明的实施例提供了一种新浇混凝土爆破振动响应特性试验方法，包括以下步骤：
S1以受振时龄期、振动频率、振动速度峰值、振动持续时间为四影响因素，每个影响因素设置N种水平的影响，其中N≥2且为整数，采用正交试验设计方法设计四因素N水平的正交试验采样方案。
具体的，所述步骤S1中每个影响因素设置5种水平的影响。正交试验设计方法具体包括以下工序：根据仪器的量程及现场工程实际，混凝土龄期设置为12～72h，代号为A；振动速度峰值设置为2.5～4.5cm/s，代号为B；振动频率设置为20～100Hz，代号为C；振动持续时间设置为0.2～1.0s，代号为D。另外E、F组为空白组，空白组可进行试验误差分析。具体取值如表1所示：
表1正交试验各影响因素取值
则本实施例中具有四个影响因素，每个影响因素设置5种水平的影响，构成四因素五水平的正交试验，根据正交表的选取原则选取L25(56)正交表，如表2所示：
表2四因素五水平L25(56)正交试验表
S2制作多组混凝土试块1满足步骤S1中正交试验采样的需求；
这里由表2中的正交试验采样方案可知，需要二十五组混凝土试块1为试验组，另外外了便于分析影响结果，本实施例还设有一参照组。因此本实施例中制作的混凝土试块组的数量为二十六，其中二十五组为试验组(第1～25组)、另一混凝土试块组为参照组(第0组)；每组所述混凝土试块包括至少三混凝土试块1。
混凝土试块1的制作时，试验采用边长为100mm的立方体混凝土试块1，混凝土的配合比采用与龙南隧道进口段施工现场二次衬砌所浇筑的C30混凝土相同的配合比，具体配比如表3所示。
表3二次衬砌混凝土配合比
制作混凝土试块1的方法为，将混凝土试块模具固定于所述振动试验台3上，对所述混凝土试块模具内浇筑混凝土，然后通过所述振动试验台3将混凝土振实，制成混凝土试块1。
S3按照正交试验采样设计，对每组混凝土试块1在预定受振时龄期，按照预定振动频率、振动速度峰值和振动持续时间施加载竖向正弦波用以模拟爆破振动；
即按照表2中的设计好的受振时龄期，按照预定振动频率、振动速度峰值和振动持续时间对试验组的每组混凝土试块的每一混凝土试块1施加振动载荷。
对混凝土试块施加振动载荷波形的选择是根据现场实测波形进行分析，选取典型波形进行研究，并从振动波的时长、频率、幅值进行研究，确定爆破地震波对于隧道远区结构的作用可以简化为正弦波，由于隧道中拱顶位置所受的Z方向(竖向)振动最大，故本实施例中采用ZD/AB-ATP型号的小型振动试验台，对混凝土试块1加载竖向正弦波模拟爆破振动。
需要说明的是，由于参照组仅作为参考，因此参照组的混凝土试块1是不需要施加竖向正弦波。
S4对每组混凝土试块进行养护，且在每组混凝土试块养护过程中对其进行超声波波速测试，在养护结束后对其进行抗压强度测试。
具体的，在对试验组混凝土试块施加振动载荷结束后，在混凝土试块龄期达到3天后对其脱模，脱模后，将试块放置在恒温标准养护箱中进行养护。对参照组混凝土试块进行同样的处理。
在试块养护过程中对其进行超声波波速测试，具体为在混凝土试块1上下、左右、前后方向分别进行超声波波速测试，获得三组数据，对这三组数据取平均值即可得到混凝土试块1的超声波波速测试数据。
对混凝土试块1每一方向进行超声波波速测试的方法为，在一方向上所述混凝土试块1相对的两侧布置超声波探头41，并使用耦合剂排除两所述超声波探头41与混凝土试块1间的空气影响，通过两所述超声波探头41测量混凝土试块1在该方向上的超声波波速。在进行超声波测试时应该保证混凝土试块1表面光滑，防止因为表面粗糙影响混凝土试块1的准确度，其次每次测量时应保证测量位置不变，从而保证试验的准确率。
当混凝土试块1养护达到28天龄期后对其进行抗压强度测试，抗压强度测试通过单轴抗压试验仪6完成。应该注意试块加载面应该保持一致，同时单轴抗压试验时候要保证加载速率保持一致同时加载面要光滑一致。
每组所述混凝土试块1的超声波波速测试数据为该组所有混凝土试块1超声波波速测试数据的平均值，每组所述混凝土试块1抗压强度测试数据为该组所有混凝土试块1抗压强度测试数据的平均值。
本实施例中混凝土试块组的超声波波速测试数据和抗压强度测试数据参见下表4。
表4超声波波速测试与抗压强度测试结果表
上表4通过量化数据测量直观得到了振动荷载对新浇混凝土的量化影响。
另外，请参考图1、2和3，本发明的实施例还提供了一种新浇混凝土爆破振动响应特性试验系统，用来执行上述新浇混凝土爆破振动响应特性试验方法，具体包括：
用于对混凝土试块施加竖向正弦波的振动试验台3，所述振动试验台3选择ZD/AB-ATP型号的小型振动试验台，具体包括振动台台面31、振动台基座32和振动台控制计算机33，所述振动台基座32上部连接所述振动台台面31，所述振动台基座32连接所述振动台控制计算机33，所述振动台控制计算机33用以控制所述振动台基32座输出振动载荷的振动频率、振动速度峰值和振动持续时间。所述振动台台面31中部上设有膨胀螺丝2，所述膨胀螺丝2用于固定所述混凝土试块模具。
用于测量混凝土试块1超声波波速的超声波测试仪4，所述超声波测试仪4具有两超声波探头41，两所述超声波探头41在测量混凝土试块超声波波速时分别安装于所述混凝土试块1相对两侧面。
以及用于测量混凝土试块1抗压强度的单轴抗压试验仪6，所述单轴抗压试验仪6具有两加载装置61，在测量混凝土试块1抗压强度时该混凝土试块1被夹持于两所述加载装置61之间。
还包括数据处理计算机5，所述数据处理计算机5分别连接所述超声波测试仪4和所述单轴抗压试验仪6，用以对超声波波速测试数据和抗压强度测试数据进行处理。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
