一种直墙拱顶型洞室强载荷下的试验模型制作方法

技术领域

本发明属于人防工程领域，具体涉及一种直墙拱顶型洞室强载荷下的试验模型制作方法。

背景技术

目前国内存在大量之前修建的人防工程，或者具有防护能力的地下设施。这些工程是根据当时的武器破坏标准和当时的经济实力修建的，并进行了多次的爆破试验，洞室和加固锚杆出现了不同程度的破坏。因此用今天的破坏标准来计算它们的抗力，其抗力等级都偏低，不能承受住足够的打击，这些工程已经不能适应现代信息化条件下的战略防御要求。

就目前条件下，抵抗打击的主要手段还是靠岩体，如果岩体被炸垮，则坑道内其它任何结构措施也就难以保存了；如果岩体不被炸垮，内部各种结构措施就有生存的余地。因此必须研究新的更为有效的坑道围岩加固技术措施，以提高坑道抗力，因此，开展防护工程围岩加固技术的抗爆能力研究，具有重要的现实意义和战略意义。

国内外学者的研究主要是对毛洞和喷锚支护洞室进行研究，而随着近些年科技的发展，常规锚杆布置形式喷锚支护洞室自身就很难抵御打击。因此，必须开展超常规锚杆布置形式的研究，以提高锚固洞室抗爆能力。

现场原型爆炸试验具有现象直观，试验结果可以直接使用的优点，因此，原型爆炸试验是研究洞室围岩抗动载加固技术的重要手段。但是由于现场原型爆炸试验耗费大量的人力、物力及财力，一般情况下，只是在对试验结果及测试内容有一定准确预见的前提下，才进行现场原型爆炸试验来验证和修正。

因此，就有必要通过模拟原型洞室的模型来进行爆炸试验，为原型洞室的加固改造提供参考，以增强老旧人防工程的抗爆能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种直墙拱顶型洞室强载荷下的试验模型制作方法，通过所配制的低标号水泥砂浆可以更好的模拟实际洞室周围的围岩力学性能，石膏浆和铝丝制作的锚杆可以很好的模拟实际洞室中锚杆支护体系，从而使得试验结果更具参考价值。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种直墙拱顶型洞室强载荷下的试验模型制作方法，包括洞室模型的制作、锚杆的制作与安装和测点布置；具体步骤为：

（1）洞室模型的制作，按照原料重量配比为水泥∶砂∶水∶速凝剂=1∶15∶1.6∶0.0166配制低标号水泥砂浆，利用配制的水泥砂浆在模具内打设模型块，然后按照洞室位置和尺寸轮廓在模型块上挖出洞室并精修至设计尺寸；

（2）锚杆的制作与安装，采用铝丝模拟全长粘结式锚杆，采用石膏浆模拟锚杆安装用的注浆体，按照原料重量配比为石膏：水：柠檬酸=1 ：0.65：0.005制备石膏浆，在步骤（1）制作出来的洞室内钻设锚杆孔，然后向孔内注入石膏浆，接着插入所制作的锚杆，待全部锚杆完成后，将锚杆上的螺栓拧紧固定；

（3）测点布置，测点主要包括压力测点、应变测点、位移测点和加速度测点；压力测点位于模型块内，在洞室制作的过程中按照设计位置和角度将压电片埋入模型块内；应变测点布置时，将应变片固定在干燥后的洞室内壁上；位移测点布置在洞室的拱顶和两侧边墙，位移测量架固定在洞室的底板，铍青铜环装在位移测量架上，铍青铜环通过外径所设置的顶针与洞室内的测试部位接触，在铍青铜环上贴有应变片；加速度测点布置时，将加速度传感器固定在洞室的拱顶和底板；然后将各测点的元件和测试设备连接，由测试设备接收测试的信号。

在洞室模型的制作过程中，所述模型块经分层打设制得，每一层模型块在打设时，先将所配制的低标号水泥砂浆放入模具内通过平板振动器振实到第一厚度，再将振实后的水泥砂浆刮毛，继续填料夯实，并确保夯实后的厚度仍为第一厚度，第一厚度为每一层模型块的厚度；经过反复多次的分层打设得到所需高度的模型块。

在锚杆的安装过程中，将事先按照锚杆位置打好孔的铁皮模板放入洞室内，铁皮模板和洞室内壁贴紧，通过铁皮模板上的孔钻设锚杆孔。

采用带有导管的注射器将石膏浆注入锚杆孔，边注射边向外拔出导管，直至将石膏浆注满锚杆孔。

各测点的元件安装完毕后，将压电片和加速度传感器与电荷放大器连接，将应变片和位移传感器与应变仪连接，电荷放大器和应变仪均与动态测试分析仪连接，以传送测试数据。

用于模型块成型的模具为具有四面侧板的方框，模具的下部位于地面以下的地坑内，使得成型的模型块的下部位于地面以下。这样设计可以节省空间，在实验室空间不足的情况下方便试验。

本发明的有益效果是：本发明所制作的洞室模型相对于实际的人防工程的洞室具有很好的参考价值，通过所配制的低标号水泥砂浆可以更好的模拟实际洞室周围的围岩力学性能，石膏浆和铝丝制作的锚杆可以很好的模拟实际洞室中锚杆支护体系，从而使得试验结果更具参考价值。

通过本发明的试验模型可进行多种试验，通过对比试验可以测试不同爆炸部位洞室受力变形的特点，通过超载对比试验得出超载下不同爆炸部位洞室的破坏形态，探讨不同爆炸位置下锚固洞室的破坏机理。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

一种直墙拱顶型洞室强载荷下的试验模型制作方法，所制作的洞室模型不针对某一具体工程进行，而按一般工程条件考虑，被模拟的原型条件假设如下：洞室为直墙拱顶型洞室，埋深为20m，跨度3～5m，加固锚杆使用

首先要确定模型材料的选择，模型材料与原型材料密度、应力量纲的物理量分别构成密度比尺、应力比尺，主要由模型介质与原型介质的密度、强度比值决定。经试验，选择密度比尺为0.67，应力比尺为0.06，据此选择低标号的水泥砂浆来作为模型材料，其配比为：砂∶水泥∶水∶速凝剂=15∶1∶1.6∶0.0166（重量比）。按上述配比制备的材料，制作f5×10的试件，进行了3、7、14天的力学参数试验，14天后模型材料的强度趋于稳定，故在14天之后开始爆炸试验。

模型材料的密度和应力比例系数确定了，由froude比例法知，密度比尺和应力比尺即可确定几何比例系数，根据现有实际坑道和模型试验装置的空间尺寸，取几何比例系数

其次，洞室模型的制作包括以下步骤：

（1）按照上述配比配制低标号的水泥砂浆，通过拌料机将水泥砂浆拌两遍，保证材料干湿均匀；

（2）将搅拌好的水泥砂浆放入模具内，用平板振动器振两遍，振实后的模型块厚度为10cm；

（3）将振实后的水泥砂浆刮毛，继续填料并夯实，夯实后模型块厚度仍为10cm，如此反复逐层进行，每一层的模型块经振实、夯实后的厚度控制在10cm，直至将模型打至高2.3m，即与模具上面平齐；打好后拆除模具，将模型块埋入地下0.5m，地上部分为1.8米高；

（4）找出模型块两长边对应垂直面中线，将按洞室尺寸做好的两块木模板沿中线、按洞室高度定位，再按洞室位置挖出洞室大致轮廓，横向拉线绳精修洞室至设计尺寸。

再次，制作洞室锚杆，洞室锚杆采用φ1.84mm铝丝模拟，均为全长粘结式锚杆，注浆体采用石膏浆模拟，配比为石膏：水：柠檬酸=1 ：0.65：0.005，锚杆孔直径为φ3.2mm。锚杆制作方法为：将事先按锚杆位置打好孔的铁皮模板放入洞内，用电钻穿过铁皮模板的孔以一定角度钻孔，用空压机将孔内碎渣吹出，用带导管的注射器将石膏浆注入孔内，边注边拔导管，直至将石膏浆注满；立即插入带垫片和螺栓的锚杆后，完成一根锚杆制作。待全部锚杆打完后，将锚杆上螺栓拧到位。

然后，在洞室模型进行测点的布置，测点主要包括压力测点、应变测点、位移测点和加速度测点；压力测点位于模型块内，在洞室制作的过程中按照设计位置和角度将压电片埋入模型块内，主要测试爆炸波压力；应变测点布置时，待洞壁干燥后，先用聚苯乙烯找平，再将应变片固定在洞室内壁上，应变片用于测试洞壁应变情况，目的是分析洞室变形；位移测点布置在洞室的拱顶和两侧边墙，位移测量架固定在洞室的底板，铍青铜环装在位移测量架上，铍青铜环的外部设有顶针，顶针与洞室内的测试部位接触，并在铍青铜环上贴有应变片，位移测点主要测量洞室拱顶和两边墙位移；加速度测点布置时，将加速度传感器固定在洞室的拱顶和底板，测试拱顶和底板加速度，目的是分析拱顶和底板震动和受力情况；布置好以后，将各测点的元件和测试设备连接，由测试设备接收测试的信号。

在布置位移测点时，先将洞室拱顶和两边墙上的接触点位置打磨平整，并刷上树脂涂层，以确保强度，避免顶针刺破洞壁；然后移动位移测量架，确保各个铍青铜环的顶针与对应位置处的橡胶层接触。洞室在爆炸试验中如果出现拱顶或边墙的位移，就会通过顶针挤压相应的铍青铜环，使得应变片受力而产生与位移量对应的电信号，由应变仪根据电信号的变化得出相应的位移量。电信号变化和位移量的关系在本领域为公知的，可由计算机计算得出。

将压电片和加速度传感器与电荷放大器连接，将应变测点的应变片和位移测点的应变片和应变仪连接，最后各自接入动态测试分析仪，通过它来采集数据。测试原理采用电测法，将各种检测到的信号转化为电信号，然后通过放大器对信号放大，然后将放大后信号转换为数字信号，通过动态测试分析仪记录数字信号。

至此就完成了洞室模型的制作和相关传感器的安装连接，可以进行不同项目的爆炸试验。例如可以将爆炸部位分别选定在不同模型的拱顶、拱部的一侧和洞室的边墙，分别进行爆炸试验，测试不同爆炸部位洞室受力变形特点，探讨不同爆炸位置下，锚固洞室的破坏机理，并通过通过超载对比试验，得出超载下不同爆炸位置洞室的破坏形态。从而为洞室的加固提供充分的实验数据。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。