1.本发明涉及于隧道工程及爆破工程技术领域，特别是涉及一种爆破振动累积损伤试验装置及方法。
背景技术：2.山区的铁路及公路的建设中，难免会穿越山岭，需要修建大量隧道。
3.爆破是岩质隧道开挖的主要方式，在方便、经济、快捷施工的同时，其爆破应力波不可避免的会对隧道围岩产生动力影响。天然岩体本身即存在一定的缺陷(如裂隙或结构面)，同时爆破开挖后的次生应力会使得围岩内部产生微小裂隙并向深处发展(即，松动圈)，而隧道后续爆破推进产生的应力波必然会使得岩体裂隙进一步变化，从而导致岩体力学性质的劣化，承载力降低，进而影响隧道施工安全。值得注意的是，在实际隧道掘进中，爆破碎岩作业一般在整个隧道的施工周期内不断进行。这意味着，随着隧道掌子面的不断向前推进，岩体会受到多次频繁爆破扰动。由于在爆破应力波的循环拉-压作用下，其围岩爆破累积损伤规律和单次爆破下的损伤规律完全不同。因此，获得多次爆破作用下围岩的累积损伤规律，可为隧道快速安全施工提供理论依据和数据支撑，具有十分重要的工程意义。
4.现有技术中，针对爆破震动对隧道围岩的累积效应的研究方法，可分为室内振动台试验、受损围岩现场声波测试和数值模拟3类。其中，受限于振动台本身的特性，振动台试验所能提供的振动波是典型的稳态波，而非爆破地震波作为一种复杂的瞬态波，同时，振动台提供的波形也无法反映实际工程中爆破荷载的距离和大小随着隧道掘进的进行而不断变化的特点；隧道围岩累积损伤数值模拟，虽然可以实现与实际爆破应力波的一致性，但其模拟结果是否有效，依然严重依赖于围仍需要依据试验修正法岩动力力学模型，同时，其模拟结果也需要模型试验进行验证。所以，现场试验是最为有效的反应真实情况的方法。
5.当前，常用的现场声波测试法具有一定的真实性、优越性，但因衬砌后的围岩岩体难以获取，测试目标仅能获取岩体的波速，无法对于岩体的其他参数进行研究，同时，声波测试法需在隧道衬砌上进行钻孔，并深入围岩一定深度，这势必会影响隧道衬砌的防水性能和整体性能，这就使得声波测试法在工程实际中的实施具有一定的现实困难。因此，是否能基于实际爆破震源进行有效的岩体累积损伤试验，是十分值得探讨的问题。
6.目前，在基于现场爆源的爆破累积损伤试验中，目前仅有湖南科技大学针对二衬新浇混凝土进行相关试验。其研究只是将试验试块直接置于隧道内不同位置。然而，该试验存在以下问题：首先，其试块是用石膏黏贴于地面，由于粘结力有限，故只能在距离爆源一定距离外才能实施，无法有效利用近区的爆破振动波；同时，经过多次爆破后，试块固定效果难以得到保证，一旦试块松脱，必然会影响到试验结果；此外，隧道内部的特殊环境不适合安装传感器，且在松散的岩土体介质内传感器难以固定，以及地面的凹凸不平无法保证试验试块水平度，从而会影响试验的结果。
7.因此，如何解决现有技术中，爆破震动对隧道围岩的累积效应测试，无法同时兼顾隧道衬砌结构以及试验结果准确性的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现要素：8.本发明的目的是提供一种基于隧道爆破施工现场震源的爆破振动累积损伤试验装置及方法，有效解决了现有爆破累计损伤试验中，振动台试验的振动波与实际爆破应力波不匹配、现场声波测试获得数据类型有限的技术、数值模拟严重依赖于试验和测试等不足的问题，在不破坏隧道衬砌结构的前提下，提高爆破震动对隧道围岩的累积效应试验结果准确度。本发明可实现在设计爆距下，多组试验试块在相同爆破应力波作用下的爆破震动累积损伤试验。本发明的装置及方法中爆破震动波与真实工况一致，不受恶劣试验环境限制，有效降低了环境因素对于试验的影响，同时，试块受振后，可根据需求继续进行多种力学参数试验，且该装置布点时土体的开挖量较少或无需开挖，对现场工程环境的影响较小。
9.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种爆破振动累积损伤试验装置，包括：
10.固定组件，所述固定组件包括固定框架和夹具机构，所述夹具机构与所述固定框架相连，所述夹具机构能够固定试块；
11.承载组件，所述承载组件包括试验基台和支腿机构，所述支腿机构设置于所述试验基台的底部，所述支腿机构包括固定杆和伸缩杆，所述固定杆的一端能够插入隧道岩土层中，所述固定杆的另一端与所述伸缩杆相连，所述伸缩杆连接所述固定杆和所述试验基台，所述伸缩杆的长度能够调整，所述固定框架设置于所述试验基台上。
12.优选地，所述夹具机构包括至少两块挡板，所述挡板为l形，所述挡板可滑动地设置于所述固定框架上。
13.优选地，所述挡板的数量为四块，每两块相邻的所述挡板对称设置，四块所述挡板围成矩形。
14.优选地，所述固定框架包括边框和连接杆，所述连接杆可滑动地与所述边框相连，所述边框与所述试验基台可拆卸连接，所述挡板可滑动地设置于所述连接杆上。
15.优选地，所述边框以及所述连接杆均具有滑槽，所述连接杆以及所述挡板均分别连接有滑块，所述滑块可滑动地设置于所述滑槽内。
16.优选地，所述边框利用角件与所述试验基台螺栓连接，所述角件为l状结构，所述角件具有螺栓孔，所述螺栓孔为腰型孔；
17.所述连接杆的数量为多根，所述夹具机构的数量为多组。
18.优选地，所述固定杆远离所述伸缩杆的一端具有固定头，所述固定头为锥状结构，所述伸缩杆与所述试验基台可拆卸连接且连接位置能够调整，所述支腿机构的数量至少为三组。
19.优选地，所述试验基台上还设置有爆破测振仪传感器和水准仪，所述爆破测振仪传感器与所述试验基台可拆卸连接。
20.本发明还提供一种爆破振动累积损伤试验方法，利用上述的爆破振动累积损伤试验装置，其特征在于：
21.步骤一、选定试验地点；
22.步骤二、将所述固定杆插入隧道岩土体中，插入深度由试验方案确定，调整所述伸缩杆至所述试验方案确定的高度，调平所述试验基台；
23.步骤三，利用所述夹具机构固定试块，基于隧道现场的爆破施工震源，对所述试块进行爆破振动累积损伤试验。
24.优选地，所述试块由岩体、土体以及混凝土制成。
25.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的爆破振动累积损伤试验装置，包括固定组件和承载组件，其中，固定组件包括固定框架和夹具机构，夹具机构与固定框架相连，夹具机构能够固定试块；承载组件包括试验基台和支腿机构，支腿机构设置于试验基台的底部，支腿机构包括固定杆和伸缩杆，固定杆的一端能够插入隧道岩土层中，固定杆的另一端与伸缩杆相连，伸缩杆连接固定杆和试验基台，伸缩杆的长度能够调整，固定框架设置于试验基台上。
26.本发明的基于隧道爆破施工现场震源的爆破振动累积损伤试验装置，夹具机构能够固定试块，固定框架与试验基台相连，试验基台为试块以及固定组件提供了稳定支撑，利用支腿机构将试块以及试验基台固定于试验地点，具体地，固定杆插入隧道岩土层中，进一步提高试验基台的稳定性，伸缩杆的长度能够调整，便于调整支腿机构的高度，以保证试验基台以及试块的稳定性，为试验顺利进行提供保障，提高试验结果准确度。
27.本发明还提供一种爆破振动累积损伤试验方法，利用上述的爆破振动累积损伤试验装置，固定杆插入隧道岩土体中一定深度，调整伸缩杆的高度，调平试验基台，固定试块后，基于隧道现场的爆破施工震源，对试块进行爆破振动累积损伤试验。本发明在避免损坏隧道衬砌结构的前提下，利用固定组件增强了试块固定效果，承载组件保证了试块的布设稳定性，提高了试验结果的准确性。本发明有效解决了现有爆破累积损伤试验中，振动台试验的振动波与实际爆破应力波不匹配、现场声波测试获得数据类型有限的技术、数值模拟严重依赖于试验和测试等问题。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明的爆破振动累积损伤试验装置的结构示意图；
30.图2为本发明的爆破振动累积损伤试验装置的连接杆的横截面示意图；
31.图3为本发明的爆破振动累积损伤试验装置的角件的结构示意图；
32.图4为本发明的爆破振动累积损伤试验装置的滑块的结构示意图；
33.图5为本发明的爆破振动累积损伤试验方法的实施例一的示意图；
34.图6为本发明的爆破振动累积损伤试验方法的实施例二的示意图。
35.其中，100为固定组件，200为承载组件；
36.1为固定框架，2为夹具机构，3为试验基台，4为支腿机构，5为固定杆，6为伸缩杆，7为挡板，8为边框，9为连接杆，10为滑块，11为角件，12为爆破测振仪传感器，13为水准仪。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.本发明的目的是提供一种爆破振动累积损伤试验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，在不破坏隧道衬砌结构的前提下，提高爆破震动对隧道围岩的累积效应试验结果准确度。
39.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
40.请参考图1-6，其中，图1为本发明的爆破振动累积损伤试验装置的结构示意图，图2为本发明的爆破振动累积损伤试验装置的连接杆的横截面示意图，图3为本发明的爆破振动累积损伤试验装置的角件的结构示意图，图4为本发明的爆破振动累积损伤试验装置的滑块的结构示意图，图5为本发明的爆破振动累积损伤试验方法的实施例一的示意图，图6为本发明的爆破振动累积损伤试验方法的实施例二的示意图。
41.本发明提供一种爆破振动累积损伤试验装置，包括固定组件100和承载组件200，其中，固定组件100包括固定框架1和夹具机构2，夹具机构2与固定框架1相连，夹具机构2能够固定试块；承载组件200包括试验基台3和支腿机构4，支腿机构4设置于试验基台3的底部，支腿机构4的轴线垂直于试验基台3，支腿机构4包括固定杆5和伸缩杆6，固定杆5的一端能够插入隧道岩土层中，固定杆5的另一端与伸缩杆6相连，伸缩杆6连接固定杆5和试验基台3，伸缩杆6的长度能够调整，固定框架1设置于试验基台3上。
42.本发明的爆破振动累积损伤试验装置，夹具机构2能够固定试块，固定框架1与试验基台3相连，试验基台3为试块以及固定组件100提供了稳定支撑，利用支腿机构4将试块以及试验基台3固定于试验地点，具体地，固定杆5插入隧道岩土层中，进一步提高试验基台3的稳定性，伸缩杆6的长度能够调整，便于调整支腿机构4的高度，以保证试验基台3以及试块的稳定性，为试验顺利进行提供保障，提高试验结果准确度。本发明在避免损坏隧道衬砌结构的前提下，利用固定组件100增强了试块固定效果，承载组件200保证了试块的布设稳定性，提高了试验结果的准确性。本发明有效解决了现有爆破累积损伤试验中，振动台试验的振动波与实际爆破应力波不匹配、现场声波测试获得数据类型有限的技术、数值模拟严重依赖于试验和测试等问题。
43.其中，夹具机构2包括至少两块挡板7，挡板7为l形，当设置两块挡板7时，两块挡板7设置于试块的对角线上，以固定试块，保证试块满足试验条件，挡板7可滑动地设置于固定框架1上，调整挡板7与固定框架1的相对位置，以适应不同规格的试块，提高夹具机构2的灵活适应性。
44.在本具体实施方式中，挡板7的数量为四块，每两块相邻的挡板7对称设置，四块挡板7围成矩形，进一步提高试块的稳定性，为试验顺利进行提供便利条件。在本发明的其他具体实施方式中，挡板7的形状和数量可根据试块的形状规格确定，以满足不同的试验要求，提高装置的灵活适应性。
45.具体地，固定框架1包括边框8和连接杆9，连接杆9可滑动地与边框8相连，便于配合挡板7调整位置，边框8与试验基台3可拆卸连接，挡板7可滑动地设置于连接杆9上，边框8在为连接杆9提供稳定支撑的前提下，同时起到了挡板7以及连接杆9极限位置的作用，边框
8的形状可根据试块以及夹具机构2的具体结构设定，在本具体实施方式中，边框8为矩形。此处需要说明的是，试验基台3可选择长1.5m、宽1.2m、厚1.6cm的密度板制成，边框8和连接杆9可选用铝型材制成，强度高质量小。
46.为了提高连接杆9以及挡板7的往复运动精确度，边框8以及连接杆9均具有滑槽，连接杆9以及挡板7均分别连接有滑块10，滑块10可滑动地设置于滑槽内，连接杆9以及挡板7利用螺栓与滑块10连接，螺栓与滑块10螺纹连接，在调整至合适位置后，还可以利用螺栓将滑块10固定于滑槽中，以实现锁紧滑块10，避免试块在试验过程中错位晃动。
47.更具体地，边框8利用角件11与试验基台3螺栓连接，连接紧固拆装方便，角件11为l状结构，角件11具有螺栓孔，螺栓孔为腰型孔，降低装配难度，便于调整连接位置。
48.为了进一步提高试验结果的准确性，连接杆9的数量为多根，夹具机构2的数量为多组，在一次试验过程中可设置多块试块，获取多组试验数据，最大程度地保证试验结果的准确性。
49.进一步地，固定杆5远离伸缩杆6的一端具有固定头，固定头为锥状结构，以使固定杆5能够顺利打入隧道的岩土层中，伸缩杆6与试验基台3可拆卸连接且连接位置能够调整，方便调整试验基台3高度以及试验基台3调平，支腿机构4的数量至少为三组，可根据选择的试验地点的不同以及试验基台3的方向设置等选择合适数量的支腿机构4，以增强装置的稳定性。此处需要解释说明的是，当设置三组支腿机构4时，三组支腿机构4的轴线不共面。
50.除此之外，试验基台3上还设置有爆破测振仪传感器12和水准仪13，爆破测振仪传感器12与试验基台3可拆卸连接，爆破测振仪传感器12能够获取试验数据，水平仪方便试验基台3调平。爆破测振仪传感器12可利用石膏固定于试验基台3上，拆装方便，能够进行多次试验，石膏的厚度为0.5cm-1cm，具体操作为，在爆破测振仪传感器12与试验基台3之间设置糊状石膏，待石膏干燥后，爆破测振仪传感器12即可固定于试验基台3上，石膏与水的质量比为1：1-2：1。
51.更进一步地，本发明还提供一种爆破振动累积损伤试验方法，利用上述的爆破振动累积损伤试验装置，其特征在于：
52.步骤一、选定试验地点；
53.步骤二、将固定杆5插入隧道岩土体中，插入深度由试验方案确定，调整伸缩杆6至试验方案确定的高度，调平试验基台3；
54.步骤三，利用夹具机构2固定试块，基于隧道现场的爆破施工震源，对试块进行爆破振动累积损伤试验。
55.完成试验方案设定的爆破受振次数后，取出试块，并依据试验方案进行下一步参数测试，如声波测试、三轴试验等，记录试验数据。
56.在本具体实施方式中，试块由岩体、土体以及混凝土制成，试块可制成正方体或长方体等形状。
57.本发明在避免损坏隧道衬砌结构的前提下，利用固定组件100增强了试块固定效果，承载组件200保证了试块的布设稳定性，提高了试验结果的准确性。
58.下面通过具体的实施方式中，对本发明的爆破振动累积损伤试验方法，作进一步地解释说明。
59.实施例一
60.可将本发明的爆破振动累积损伤试验装置斜置于隧道掌子面前，并按照图5所示钻孔的位置，安装支腿机构4，并将支腿机构4插入软土层中将装置固定。图5所示的放置方式可以让试验试块受到对角线方向传来的应力波测得试块受到应力波影响时，造成的损伤情况。
61.本实施例的爆破振动累积损伤试验方法，具体操作步骤如下：
62.(1)在隧道选定内距离掌子面一定距离的位置作为爆破累积效应试验地点，将爆破振动累积损伤试验装置平行放置于隧道掌子面前，按照图5所示钻孔的位置，安装四组支腿机构4并将固定杆5插入软土层中。
63.(2)确定好试验基台3的高度并将板调至水平，拧紧伸缩杆6；
64.(3)在试验基台3表面上涂抹石膏并加水搅拌均匀，将爆破测振仪传感器12放置在石膏上，静置直到石膏干燥，爆破测振仪传感器12通过石膏粘固；
65.(4)根据试块大小及数量，调整固定组件100；
66.(5)在试验基台3上放置预先制作好的试验试块，并用挡板7固定试块位置；
67.(6)联网起爆，通过爆破测振仪进行震动测试，获取试验数据；
68.(7)震动测试完成后，取下爆破测振仪传感器12，刮除试验基台3和爆破测振仪传感器12表面黏附的石膏；
69.(8)拆除固定试块的结构，取下试验基台3将支腿机构4从土体内拔出。
70.实施例二
71.可将本发明的爆破振动累积损伤试验装置横置于隧道掌子面前，并按照图6所示钻孔的位置，安装支腿机构4，并将支腿机构4插入软土层中将装置固定。图6所示的放置方法可以让试验试块正面受到垂直方向传来的应力波并且测得试块由应力波造成的损伤情况。
72.本实施例的爆破振动累积损伤试验方法，具体操作步骤如下：
73.(1)选定隧道内爆破测振的地点，将本发明的爆破振动累积损伤试验装置横置于隧道掌子面前，按照图6所钻孔的位置，安装支腿机构4并将固定杆5插入软土层中。
74.(2)确定好试验基台3的高度并将试验基台3调至水平，拧紧伸缩杆6；
75.(3)在试验基台3表面上涂抹石膏并加水搅拌均匀，将爆破测振仪传感器12放置在石膏上，静置直到石膏变干，爆破测振仪传感器12通过石膏粘固；
76.(4)在试验基台3上放置预先制作好的试验试块，并用挡板7固定试块位置；
77.(5)联网起爆，通过爆破测振仪进行震动测试，获取试验数据；
78.(6)震动测试完成后，取下爆破测振仪传感器12，刮除试验基台3和爆破测振仪传感器12表面黏附的石膏；
79.(7)拆除固定试块的装置，取下试验基台3将支腿机构4从土体内拔出。
80.本发明将爆破测振仪传感器12设置于试验基台3上，测试岩土体的振动信号。承载单元结构简单，爆破测振仪传感器12接收接支腿机构4位于岩土体下一定深度的振动信号，无需开挖或只需极小的开挖量，相较直接布置在测试点上方的岩土体表面的布点方法，本发明的测点将更为精确，所得测试结果能更为精确地反映测试点处的信号；同时，将爆破测振仪传感器12设置于试验基台3上的方式，在野外不需要其他工具，即可完成测点布置，还可较为方便地布置在有积水的隧道、岩土体中，以及隧道或岩土的侧壁上等一些难以适应
爆破测振仪传感器12使用条件的、不方便布置的环境中；在松散的岩土体介质中，如强风化岩体、残坡积物，可以较好的解决不易固定爆破测振仪传感器12的问题；还可以调节水平竖直方向，使爆破测振仪传感器12的测试方向更为精确的反映真实方向，而且在野外工具少的情况下，便于人工操作。
81.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
技术特征：1.一种爆破振动累积损伤试验装置，其特征在于，包括：固定组件，所述固定组件包括固定框架和夹具机构，所述夹具机构与所述固定框架相连，所述夹具机构能够固定试块；承载组件，所述承载组件包括试验基台和支腿机构，所述支腿机构设置于所述试验基台的底部，所述支腿机构包括固定杆和伸缩杆，所述固定杆的一端能够插入隧道岩土层中，所述固定杆的另一端与所述伸缩杆相连，所述伸缩杆连接所述固定杆和所述试验基台，所述伸缩杆的长度能够调整，所述固定框架设置于所述试验基台上。2.根据权利要求1所述的爆破振动累积损伤试验装置，其特征在于：所述夹具机构包括至少两块挡板，所述挡板为l形，所述挡板可滑动地设置于所述固定框架上。3.根据权利要求2所述的爆破振动累积损伤试验装置，其特征在于：所述挡板的数量为四块，每两块相邻的所述挡板对称设置，四块所述挡板围成矩形。4.根据权利要求2所述的爆破振动累积损伤试验装置，其特征在于：所述固定框架包括边框和连接杆，所述连接杆可滑动地与所述边框相连，所述边框与所述试验基台可拆卸连接，所述挡板可滑动地设置于所述连接杆上。5.根据权利要求4所述的爆破振动累积损伤试验装置，其特征在于：所述边框以及所述连接杆均具有滑槽，所述连接杆以及所述挡板均分别连接有滑块，所述滑块可滑动地设置于所述滑槽内。6.根据权利要求4所述的爆破振动累积损伤试验装置，其特征在于：所述边框利用角件与所述试验基台螺栓连接，所述角件为l状结构，所述角件具有螺栓孔，所述螺栓孔为腰型孔；所述连接杆的数量为多根，所述夹具机构的数量为多组。7.根据权利要求1所述的爆破振动累积损伤试验装置，其特征在于：所述固定杆远离所述伸缩杆的一端具有固定头，所述固定头为锥状结构，所述伸缩杆与所述试验基台可拆卸连接且连接位置能够调整，所述支腿机构的数量至少为三组。8.根据权利要求1所述的爆破振动累积损伤试验装置，其特征在于：所述试验基台上还设置有爆破测振仪传感器和水准仪，所述爆破测振仪传感器与所述试验基台可拆卸连接。9.一种爆破振动累积损伤试验方法，利用权利要求1-8任一项所述的爆破振动累积损伤试验装置，其特征在于：步骤一、选定试验地点；步骤二、将所述固定杆插入隧道岩土体中，插入深度由试验方案确定，调整所述伸缩杆至所述试验方案确定的高度，调平所述试验基台；步骤三，利用所述夹具机构固定试块，基于隧道现场的爆破施工震源，对所述试块进行爆破振动累积损伤试验。10.根据权利要求9所述的爆破振动累积损伤试验方法，其特征在于：所述试块由岩体、土体以及混凝土制成。
技术总结本发明公开一种爆破振动累积损伤试验装置，包括固定组件和承载组件，其中，固定组件包括固定框架和夹具机构，承载组件包括试验基台和支腿机构，夹具机构能够固定试块，固定框架与试验基台相连，试验基台为试块以及固定组件提供了稳定支撑，利用支腿机构将试块以及试验基台固定于试验地点，具体地，固定杆插入隧道岩土层中，进一步提高试验基台的稳定性，伸缩杆的长度能够调整，便于调整支腿机构的高度，以保证试验基台以及试块的稳定性，为试验顺利进行提供保障，提高试验结果准确度。本发明还提供一种爆破振动累积损伤试验方法，在避免损坏隧道衬砌结构的前提下，利用固定组件增强了试块固定效果，承载组件保证了试块的布设稳定性。性。性。
技术研发人员：何如 李栋伟 徐昊 谢胜军 代四龙 王泽成
受保护的技术使用者：东华理工大学
技术研发日：2022.06.27
技术公布日：2022/11/1
