振动三要素对新浇混凝土影响的研究.pdf
第 3 5卷第 2期 2 0 1 8年 6月 爆破 BLASTI NG Vo I _ 3 5 No . 2 J u n . 2 0 1 8 d o i 1 0 . 3 9 6 3 / j . i s s n . 1 0 0 1 4 8 7 X. 2 0 1 8 . 0 2 . 0 0 2 振动三要素对新浇混凝土影响的研 究 米 吴 帅 峰 , 李 晨 2 , 栗曰 峰 , 王 成 月 4 , 张 春 革 1 . 中国水利水电科学研究院, 北京 1 0 0 0 3 8 ; 2 . 中国矿业大学 北京 力学与建筑工程学院, 北京 1 0 0 0 8 3 3 . 中国人民解放军 9 2 3 0 3部队, 青岛 2 6 6 0 0 0 ; 4 . 密云水库管理处, 北京 1 0 1 5 1 2 摘要 为研究3 d内龄期的混凝土在爆破振动作用下的扰动规律, 以振动台作为振源对混凝土试件进行 不同振 动信号下的加我 , 通过 正交试验 来确定混凝土龄期、 振动速度 、 振动持续时 间、 振 动频 率四个因素对新 浇混凝 土强度的影响。试验结果表 明混凝土龄期与振动速 度对 强度 影响最 为显 著 ; 经极 差分析得 出各 因素 的影响次序为 混凝土龄期 振动速度 振动频率 振动持续时间。最后, 给出3 d内龄期混凝土在不同时 段 、 不 同振速 下的强度 变化规律及各龄期振 速允许值 。 关键词 新 浇混凝 土;爆破振 动 ;正交试验 ;混凝 土龄期 中图分 类号 T D 2 3 5 . 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 8 0 2 0 0 0 6 0 6 S t u d y o n I n flu e n c e o f Th r e e El e me n t s o f Vi b r a t i o n o n Fr e s h Co n c r e t e W U S h u a i -f e n g , L I C h e n , L I Y u e -f e n g , W A NG C h e n g g a n g , Z H A N G C h u n g e 1 . C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r R e s e a r c h , B e i j i n g 1 0 0 0 3 8 , C h i n a ; 2. S c h o o l o f Me c h a ni c s a n d Ci v i l En g i n e e r i n g, Chi n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g , B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 , C h i n a ; 3 . P e o p l e S L i b e r a t i o n A r my o f C h i n e s e 9 2 3 0 3 T r o o p s , Q i n g d a o 2 6 6 0 0 0, C h i n a ; 4 . Mi y u n R e s e r v o i r Ma n a g e me n t D e p a r t m e n t , B e i j i n g 1 0 1 5 1 2, C h i n a Abs t r a c t I n o r d e r t o r e s e a r c h t h e d i s t u r b a n c e l a w o f c o n c r e t e s w i t h i n 3 d a y s u n d e r b l a s t i n g v i b r a t i o n, s h a k i n g t a b l e wa s u s e d a s v i b r a t i o n s o u r c e t o l o a d t h e c o n c r e t e s p e c i me n s u n d e r d i f f e r e n t v i b r a t i o n s i g n a l s , a n d t h r o u g h o r t h o g o n a l e x p e r i m e n t , t h e i n fl u e n c e o f f o u r f a c t o r s t h e c o n c r e t e a g e , v i b r a t i o n v e l o c i t y , d u r a t i o n a n d f r e q u e n c y o n t h e s t r e n g t h o f f r e s h c o n c r e t e wa s d e t e r mi n e d . I t S c o n c l u d e d t h a t c o n c r e t e a g e a n d v i b r a t i o n a mp l i t u d e i nfl u e n c e s i g n i fi c a n t l y o n s t r e n gth b y r a n g e a n a l y s i s t h e i nfl u e n c e o r d e r o f t h e f a c t o r s w a s o b t a i n e d c o n c r e t e a g ev i b r a t i o n v e l o c i t y f r e qu e nc yd u r a t i o n. At l a s t . s t r e n g t h v a ria t i o n l a w o f t he c o nc r e t e wi t hi n 3 d a y s u n de r d i f f e r e n t t i me a n d v e l o c i t y wa s g i v e n a s we l l a s v e l o c i t y p e r m i t t e d un d e r di f f e r e n t a g es . Ke y wo r d s f r e s h c o n c r e t e ;b l a s t i n g v i b r a t i o n;o r t h o g o n a l e x p e rime n t ;c o n c r e t e a g e 目前 国内的相关标准对现浇大体积混凝土在不 同龄期的安全允许 振速进行 了规定n ] , 并将龄期 在 3 d内新浇大体积混凝土的爆破振动安全速度值 统一定为 2~ 3 c m / s 。实际上在这段时间内混凝土 收稿 日期 2 0 1 8 0 1 2 8 作者简 介 吴 帅峰 1 9 8 8一 , 男 , 河南登 封人 , 博士 后 、 工程师 , 主 要从事岩 土力学和爆破工程 方面 的研究 , E m a i l w u s f i w h r . t o m。 基金项 目 国家重 点基础研 究发展计 划资助项 目 “ 9 7 3 ” 计划 2 0 1 4 C B 0 4 7 0 0 0 ; 国家 重 点 研发 计 划 资 助 项 目 2 0 1 7 Y F C 0 8 0 4 6 0 7 强度的增长和变化最大 , 且受爆破振动 的影响程度 亦有很大 的差异 J 。卢文波对爆 破振动信号 的特 性 4 J , 结合新浇混凝土的初始应力应变状态, 给出 了不同基岩条件下 3 d、 7 d和 2 8 d的容许振速。龙 源对 C 2 5 、 C 4 0混凝土在浇筑 1 2 h 、 3 d 、 7 d状态下进 行 了爆破振速在 5 c m / s以下的试验。 。 ’ , 分析得出 其强度 、 钢筋握裹力未受 到明显影响影 响。金臻 丽 对 5 h 、 8 h 、 1 2 h 、 2 4 h和 4 8 h龄期混凝 土进行 了不 同加速度下的室内振动试验 , 通过强度 和声波波速 第 3 5卷第2期 吴帅峰, 李晨 , 栗曰峰, 等振动三要素对新浇混凝土影响的研究 7 折减指标定量得 出终凝前未受到影响_ 8 J , 而终凝后 强度会有所折减并造成损伤。笔者先前在文献[ 9 ] 的 研究中, 以露天深孔爆破 作为振源 , 对龄 期为 6 h 、 1 2 h 、 3 6 h 、 4 8 h和 7 2 h的 C 4 0混凝 土分别在 2 1 0 c m / s 的振速下进行试验, 以强度 和声波波速折减 为衡量指标 , 给出 C A 0新浇混凝土的容许振速。 先前的研究均是 以振动现象对新浇混凝土的影 响展开的研究 , 未将振动分解为典型要素 , 研究各要 素对其影响的程度。 由此 , 运用正交试验的方法设 计并研究混凝土龄期 、 振动速度 、 振动持续时间及振 动频率 四个 因素对新浇混凝土强度 影响 的显 著程 度 。采用振动台提供 的振动信号对 3 d内不同龄期 的混凝土试件进行振动加载 , 测试养护 2 8 d后的 试件强度、 波速 、 弹模等参数 , 并对正交试验结果进 行分析 J , 由此得出各 因素显著性次序 以及建议容 许振速。 1 正 交试验设计 采用正交试验方法对混凝土龄期 、 振动速度 、 振 动持续时间及振动频率等因素进行研究。测量试验 中混凝土试件养护 2 8 d后的抗压强度 , 将抗压强度 作为考察以上几个因素的指标, 寻找显著因素。混 凝土龄期为 6~ 7 2 h , 正交代号为 A; 根据现行国家标 准和实地测震的范围, 选定振动速度 21 0 c m / s , 正 交代号为 日; 根据工程爆破产生振动时间, 选取持续 时间 0 . 21 . 5 S , 正交代号为 C ; 根据工程爆破产生 的振动频率 , 选取频率为 5~ 5 O H z , 正交代号 为 D, 以上 4个 因素均 为 5水平 影响 , 具体取 值如 表 1 所示 表 1 正交试验各因素取值 Ta bl e 1 The f ac t o r s i n o r t ho g ona l t e s t 本试验考察 4个因素对混凝土力学性能的影响 效果 , 每种因素考虑 5种水平 的影响, 为 4因素 5水 平的正交试 验, 根 据上述 正交表 的选 取原则 选取 L 2 5 5 正交表 川 , 如表 2所示 。 表 2 四因素五水平正 交表及试验 结果 Ta b l e 2 F o u r f a c t o r s a n d fi v e l e v e l s o r t h o g o n a l t a b l e a n d t e s t r e s u l t s 试验号 A 曰 c 。 抗 / 1 6 h 1 1 1 1 2 1 2 h 9 3 3 6 h 3 3 3 4 4 8 h 4 4 4 4 5 7 2 h 5 5 5 1 2 c m / s 2 3 c m / s 3 5 c m / s 4 7 c m/ s 5 1 0 c m / s 1 , 3 4 5 1 4 1 3 4 5 l 9 4 1 5 n z 2 1 0 Hz 3 2 0 H z 4 3 0 H z 5 5 0 n z 3 4 1 1 3 4 , 3 4 5 1 4 5 1 2 3 2 5. 3 2 9.1 2 7. 9 2 7. 4 2 7. 0 2 9. 0 3 3. 3 3 0 . 6 3 O.1 31 . 3 2 5. 5 3 0. 0 3 O. 6 2 7. 0 2 8 . 3 2 9. 7 2 8. 3 2 9. 7 2 7. 2 2 6. 5 2 6. 3 2 9. 5 29. 2 2 8. 9 2 7. 1 S S S S S ■ 2 3 4 5 3 4 5 ● 2 4 5 l 2 3 5 1 2 3 4 O 0 0 l 1 , , / , , 1 2 3 4 5 2 , 4 6 7 9 m M “ 加 8 爆破 2 0 1 8年 6月 2 振动试 验 2 . 1 试验仪器 采用 WS Z 3 0小 型精 密振 动 台模拟振动 , 能够 输 出设定波形 , 其频率范围为 5~2 0 k H z , 控制输 出 信号为正弦波 、 随机波 、 地震波 、 扫频正弦波 白噪声 , 失真度小于 2 %, 噪声值小于 1 0 mV。 2 . 2 试验步骤 2 . 2 . 1 制作试件 采用 C 2 0强度混凝土 , 混凝土试件配 比如表 3 所 示 表 3 混凝土配 比 Ta bl e 3 Pr o por t i o ns o f c o nc r e t e mi x 水泥矿粉粉煤灰中石小石 砂 水 减水剂 20 0 1 2 0 8 0 481 481 69 7 1 68 5. 2 注 单 位 , 水泥采用 4 2 5硅酸 盐水泥。 试验分 2 5组 , 每组 3块试件 , 设置 3组对比试 件 , 每组 3块共 9块 , 模具 2 8组 , 试件同时制作。用 于本次试验受竖直 向振动的试件为 8 4块。 2 . 2 . 2 振动试验 将试件安装固定在振动台上 , 按不 同龄期 6 h 、 1 2 h 、 3 6 h 、 4 8 h 、 7 2 h 垂直振动荷载。试件在来 回 搬运过程中要轻拿轻放 。 试验完成后 , 试件龄期达到 3 d拆模 , 拆模 后在 温度为 2 0 5 C的标准养护室进行养 护, 标准养护 室内的试件应放在支架上彼此间隔 l 0 2 0 mm, 试 件表面应保持潮湿并不得被水直接冲淋。试件养护 至 2 8 d龄期后测量超声波速及轴心抗压强度。 3 试 验结果及分析 3 . 1 振动载荷下强度测试结果 室内振动试验的典型试验振动信号加载波形如 图 1 所示 , 此加载波形 为 1 0 H z , 振速 3 e m / s , 持时 0 . 5 S , z向振动。每组做 3次平行试验 , 取平均值 , 试件受振动扰动后单轴抗压强度如表 2所示 。 4 9 g 0 一 2 鞲 一d 图 l 试验组 号 2波形加 载图 F i g .1 T h e wa v e f o r lT l l o a d i n g o n 2 b a t c h o f t h e t e s t 3 . 2 新浇混凝土轴心抗压强度正交分析 3 . 2 . 1 极差分析 首先根据正交试验因素影响水平分析步骤 , 计 算各因素的极差 , 计算步骤为 计算 K 值 , K 为 同一水平之和 , 以第一列 因 素为例 Kl 1 2 5. 3 2 9 .1 2 7. 9 2 7. 4 2 7 . 0 1 3 6. 7 1 K2 1 29 . 0 3 3. 3 3 0 . 6 3 0 .1 31 . 3 1 5 4 . 3 2 计算各因素同一水平的平 均值 k 以第一列 因素为例 k 1 11 3 6 . 7 / 5 2 7 . 3 4 3 k 2 11 5 4 . 3 / 5 3 0 . 8 6 4 计算各因素的极 差 R, R表示 该因素在其取值 范围内试验指标变化的幅度 R ma x k 一mi n 5 得第一列的极差 R 3 0 . 8 6 2 7 . 3 4 3 . 5 2 同理 , R 22 . 8 8 ; R 30 . 5 4 ; R 42 . 0 6 ; R 5 0. 96; R61 . 2 0。 在对正交试验做极差或方差分析时, 必须估计 随机误差 , 而随机误差是通过正交表上空 白列得到 的。由于空白列 中没有 因素作用 , 因此正好反映随 机因素所引起的误差 , 该空 白列在方差分析 中常被 称为误差列 , 以确定 随机误差 引起 的离差平方 和。 将表 2中抗压强度经极差分析 , 得出时间一 强度极差 分析表, 如表 4所示。 表 4 时间- 强度显著性检验极差分析表 Ta b l e 4 An a l y s i s o f l i me a nd i nt e n s i t y s i g ni f i c ant t e s t r a ng e 项 目 A B C D 误差 E误差 F 第 3 5卷第 2期 吴帅峰, 李晨, 栗日峰, 等振动三要素对新浇混凝土影响的研究 9 3 . 2 . 2 显著性方差分析 对垂直振动下新浇混凝土轴心抗压强度方差分 析为 ①总平方和 r S S T∑ ∑ K 6 式中 为极差 , 具体取值 为表 5中各行 、 列数 值 ; K为极差和的平均值 。 ②处理平方和 r 一 S S T Rk ∑ _ 一 7 式 中 K. 为各列极差 。 ③区组平方和 k . . . . . S S B Lr ∑ K . 一 K 8 式中 K. 为各行极差 。 ④误差平方和 S S E S S TS S T R S S B L 9 ⑤ 自由度计算 d f A d f B d f Cd f D514 1 0 d r e d fd r Ed r F 448 1 1 ⑥处理均方 MS T R S S T R 1 2 ⑦区组均方 MS B L MS B L 1 3 ⑧误差均方 MS E 1 4 ⑨F 服从分子 自由度为 r 一1 , 分母 自由度 为 r 一1 k一1 的 F分布 F f r 1 5 ⑩F 服从分子 自由度 为 r 一1 , 分母 自由度为 r 一1 k一1 的 分布 1 6 根据式 6 ~ 1 6 计算 , 得 出对于新浇混凝土 在振动作用下的单轴抗压强度显著性检验方差分析 数据 , 如表 5所示。 表 5 显著性检验方差分析表 T a b l e 5 T h e v a r i a n c e a n a l y s i s o f t h e s i g n i fic a n t t e s t 根据极差及显著性分析 , 判断因素的主次影 响 顺序 。R越大 , 表示该 因素 的水平变化对试验指标 的影响越大 , 因素越重要 ; F超过其临界值越多 , 因 素影响越大。由以上分析可见在本试验条件下 , 因 素影响主次顺序为 ABDC, A混凝土龄期 因 素影响最大, 为主要因素 , B振动速度 因素次之 , 本 次试验条件下持续时间因素未超过 临界值 , 为不 重要因素。 4新浇混凝土安全振速研 究 确定 4种因素 的影响性后 , 进一步研究影响性 较大的因素, 即新浇混凝土在不同龄期和不 同振动 速度下的强度变化规律 , 以此得出 0~3 d龄期混凝 土的允许振速。具体试验方法与第 2节相同 , 振速 和龄期选用与正交试 验相同的 5种水平 , 频率和振 动时间统一取中间值分别为 2 0 H z 、 0 . 7 S , 受振动扰 动后的试件强度测试结果如表 6所示 。 表 6 龄期与振动速度共 同作用下的试件强度 T a b l e 6 S t r e n g t h o f s p e c i me n u n d e r i n t e r a c t i o n o f ag e a nd v i br a t i on v e l o ci t y 抗压强度与混凝土龄期及振速的关系如图 2所 示 , 从该 图得出 在相同龄期下 , 混凝土强度随振速 的提升逐渐减弱 ; 随着龄期的增加, 混凝土强度受振 动影响逐 渐减 弱。6 h龄期 受 振 速影 响 最大 , 在 1 0 爆破 2 0 1 8年 6月 1 0 c m / s 振速时强度下降 1 4 . 7 % , 7 2 h龄期受振速 影响最小 , 最大振速下 强度下降约 5 . 6 %。以表 6 中未受振动的试件强度为参照 , 将强度保证率 大于 9 5 %作为振动允许值标准 , 约为 2 2 . 8 M P a 。给出以 此判断标准下 , 不同龄期 的振动速度允许值 , 如表 7 所示 。 日 慧 振 速/ c m s 图 2 强度与龄期及振速 的关 系 F i g .2 Th e r e l a t i o ns h i p be t we e n s t r e ng t h a n d a g e u nd e r d i f f e r e nt v i b r a t i o n v e l o c i t y 表 7 C 2 0新浇 混凝土振 速允许值 Tab l e 7 S a f e t y v i br a t i on v e l oc i t y o f C2 0 f r e s h c onc r e t e 5 结论 通过控制振动信号参数对 3 d内不同龄期的混 凝土进行振动台加载试验 , 并测试养护至 2 8 d龄期 后的混凝土试件强度。对试验结果分析后得 出以下 结论 1 在特定振 动试验条件下 , 对 混凝土试件强 度产生影响的四个 因素主次顺序 为 混凝 土龄期 振动速度 振动频率 振动持续时间。混凝土龄期 与振动速度对新浇混凝土垂直向振动轴心抗压强度 影响显著 , 频率对新浇混凝土垂直向振 动轴心抗压 强度影响较显著 , 持续时 间对新浇混凝 土垂直 向振 动轴心抗压强度影响最小。 2 在同一 龄期 下 , 混凝土强度 随振速的提升 逐渐减弱 ; 随着龄期的增加 , 混凝土强度受振动影响 逐渐减弱。 3 通过对 强度与振 速及 龄期 的关 系分 析得 出, 以强度保证率大于 9 5 %为标准时 , 3 6 h龄期混凝 土能够提供 一 定 的抗 振 能力 ; C 2 0混 凝 土试 件 的 6 h 、 1 2 h 、 3 6 h 、 4 8 h 、 7 2 h龄期振动允许值分别为 2 c m/s 2 c m/s 4 c m/s 4 c m/s 6 c m/s n 参考文献 R e f e r e n c e s 国家质量监督检验检疫总局. 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