用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验装置和方法与流程

1.本发明涉及盾构隧道耐久性试验技术领域，尤其涉及一种用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验装置和方法。


背景技术：

2.盾构法具有对周围环境影响小、对复杂地质条件适应性强、施工安全快速等优点，已成为我国城市地铁、越江、跨海等隧道常采用工法之一。对于采用钢筋混凝土管片的盾构隧道，在长时间的侵蚀环境和复杂结构荷载耦合作用下的结构腐蚀耐久性问题日益凸显，包括如隧道结构的内排钢筋、连接螺栓的外露部分和钢拉杆的锈蚀，管片的混凝土保护层剥落，以及在管片预留孔和接缝处存在渗漏等现象，由此产生的隧道设施维修费用和维护成本巨大。
3.盾构隧道出现耐久性问题，原因包括所处的工作环境复杂、受到的荷载条件复杂，以及施工或其他因素，现有耐久性研究和试验，主要是对环境中有害离子侵蚀影响作为主要因素进行建模和试验，缺少载荷条件的共同作用可能导致的盾构隧道的耐久性问题的试验和研究。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验装置和方法，以实现盾构隧道管片在氯离子侵蚀与高压水耦合作用下的耐久性试验，研究盾构隧道管片性能退化机理和盾构隧道衬砌结构服役期受力性能演变规律。
5.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
6.本发明首先一种用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验装置，包括：
7.底座，所述底座上设有滑轨和支架，选取盾构隧道管片的一段弧形管片，所述弧形管片凹弧朝下设于所述滑轨上，一端与所述滑轨铰接，另一端滑动连接所述滑轨；
8.盖板，所述盖板为一端开口的壳结构，所述盖板活动连接于所述支架，所述盖板的所述开口端罩设在所述弧形管片的凸弧一侧并与所述凸弧表面密封以形成加压仓；
9.土压加载组件，所述土压加载组件包括压头和土压驱动件，所述土压驱动件设于所述支架上，所述土压驱动件的输出端连接所述压头，所述压头设于所述加压仓内并与所述弧形管片的所述凸弧表面接触以加载模拟土压；
10.水箱，所述水箱内为氯化钠溶液，所述水箱通过输水管连通所述加压仓；
11.恒定电流仪，所述恒定电流仪的正极连接所述弧形管片的受力主筋，负极设于所述加压仓内。
12.可选地，所述用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验装置还包括橡胶圈，所述橡胶圈绕所述盖板的开口端的周向设置且能够与所述弧形管片的凸弧表面密封接触以形成所述加压仓。
13.可选地，所述用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验装置还包括液压驱动
件，所述液压驱动件设于所述弧形管片的端部且所述液压驱动件的输出端止抵于所述弧形管片，所述液压驱动件固定于所述底座。
14.可选地，所述盖板和所述支架之间通过多个伸缩杆连接，多个所述伸缩杆能够在盖板驱动件的驱动下带动所述盖板的升降。
15.可选地，所述压头包括至少两个相互平行的压杆，至少两个所述压杆沿所述弧形管片的宽度方向设置且对称设置在所述弧形管片的所述凸弧上。
16.可选地，所述用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验装置还包括图像采集装置、钢筋锈蚀度检测仪、声发射传感器和应变片，所述图像采集装置至少设有两个，分别设于所述弧形管片的侧面和底面，所述钢筋锈蚀度检测仪的探头连接于所述弧形管片的受力主筋，所述声发射传感器和所述应变片均设于所述弧形管片的所述凹弧表面。
17.可选地，所述用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验装置还包括氯离子浓度测定仪，所述氯离子浓度测定仪的探头设于所述加压仓内用以检测所述加压仓内的氯离子的浓度。
18.可选地，所述用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验装置还包括增压泵，所述增压泵设于所述输水管上以对所述氯化钠溶液进行加压并输送至所述加压仓。
19.根据本发明提供的所述用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验装置，本发明还提供一种用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验方法，包括如下步骤：
20.s1，将通电导线与弧形管片的受力主筋连接并延伸至所述弧形管片外与恒定电流仪的正极连接，形成阳极，加压仓内的目标锈蚀区内设置不锈钢丝网并连接所述恒定电流仪的负极，形成阴极；
21.s2，对所述弧形管片的凸弧顶部、吊装孔处预制初始裂缝，在所述弧形管片的凹弧表面设置声发射传感器探头和应变片，并在所述弧形管片的侧面和凹弧下方分别设置一个图像采集装置；
22.s3，土压加载组件在所述弧形管片的所述凸弧表面加压；
23.s4，待所述弧形管片稳定后，将盖板盖设在所述弧形管片的所述凸弧表面并密封形成加压仓，然后向所述加压仓内高压注入氯化钠溶液，记录所述弧形管片的初始变形数据和初始裂纹数据；
24.s5，开启所述恒定电流仪并控制电流大小，模拟所述弧形管片承受高水压和氯离子侵蚀过程；
25.s6，对锈蚀后的所述弧形管片进行抗弯性能试验，得到所述弧形管片的残余承载力。
26.可选地，步骤s5中还包括所述氯离子的浓度监测步骤，并控制所述氯离子浓度。
27.本发明的有益效果：
28.本发明的用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验装置，通过设置土压加载组件可以模拟盾构隧道管片受到的土压力环境，通过设置水箱向加压仓内注入氯化钠溶液可以模拟盾构隧道管片受到的高水压环境，通过设置恒定电流仪可以模拟盾构隧道管片受到的氯离子侵蚀环境，因此本发明提供的试验装置，可以实现盾构隧道管片在氯离子侵蚀与高压水耦合作用下的耐久性试验，以便于研究盾构隧道管片性能退化机理和盾构隧道衬砌结构服役期受力性能演变规律。
29.本发明的用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验方法，在弧形管片受到土压力、高水压和离子侵蚀的环境中，进行弧形管片的加速锈蚀试验，试验后测量弧形管片的残余承载力，从而可以研究盾构隧道管片性能退化机理和盾构隧道衬砌结构服役期受力性能演变规律。
附图说明
30.图1是本发明提供的一种用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验装置的整体结构示意图；
31.图2是本发明提供的一种用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验装置中恒定电流仪与弧形管片的连接示意图；
32.图3是本发明提供的一种用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验方法的流程图。
33.图中：
34.100.弧形管片；
35.1.底座；11.滑轨；12.支架；
36.2.盖板；21.加压仓；22.伸缩杆；23.盖板驱动件；
37.3.土压加载组件；31.压头；32.土压驱动件；4.水箱；41.输水管；5.恒定电流仪；6.液压驱动件。
具体实施方式
38.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
39.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
40.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
41.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。术语“多个”应该理解为两个以上。
42.本发明提供一种用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验装置，旨在实现盾构隧道管片在氯离子侵蚀与高压水耦合作用下的耐久性试验，以研究盾构隧道管片性能退化机理和盾构隧道衬砌结构服役期受力性能演变规律。
43.如图1-图2所示，一种用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验装置，包括底座1、盖板2、土压加载组件3、水箱4和恒定电流仪5，底座1上设有滑轨11和支架12，选取盾构隧道管片的一段弧形管片100，弧形管片100凹弧朝下设于滑轨11上，弧形管片100的一端与滑轨11铰接，另一端滑动连接滑轨11；盖板2为一端开口的壳结构，盖板2活动连接于支架12，盖板2的开口端罩设在弧形管片100的凸弧一侧并与凸弧表面密封以形成加压仓21；土压加载组件3包括压头31和土压驱动件32，土压驱动件32设于支架12上，土压驱动件32的输出端连接压头31，压头31设于加压仓21内并与弧形管片100的凸弧表面接触以加载模拟土压；水箱4内为氯化钠溶液，水箱4通过输水管41连通加压仓21；恒定电流仪5的正极连接弧形管片100的受力主筋，负极设于加压仓21内。
44.如图1所示，本实施例中，选取盾构隧道管片的一段弧形管片100，弧形管片100为混凝土浇筑受力主筋得到。两端断面处设有铰接座，铰接在底座1上，具体可以铰接在滑轨11上或者支架12上以固定位移，弧形管片100的另一端可以与滑轨11之间相对滑动，当弧形管片100的凸弧表面施加有模拟土压力时可以得到弧形管片100在模拟土压力下的变形和位移。盖板2为开口端具有与弧形管片100相同的弧度以完全覆盖和密封二者之间的空间，实验时，盖板2的开口端向下扣设在弧形管片100上，与开口端相对的顶端的内侧面与弧形管片100的凸弧顶端外壁接触以便压接弧形管片100。水箱4内储存氯化钠溶液充入加压仓21内可以模拟盾构隧道管片受到的高水压环境，具体压力数值可以根据实验工况进行设定。
45.本发明的用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验装置，通过设置土压加载组件3可以模拟盾构隧道管片受到的土压力环境，通过设置水箱4向加压仓21内注入氯化钠溶液可以模拟盾构隧道管片受到的高水压环境，通过设置恒定电流仪5可以模拟盾构隧道管片受到的氯离子侵蚀环境，因此本发明提供的试验装置，可以实现盾构隧道管片在氯离子侵蚀与高压水耦合作用下的耐久性试验，以便于研究盾构隧道管片性能退化机理和盾构隧道衬砌结构服役期受力性能演变规律。
46.可选地，用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验装置还包括橡胶圈，橡胶圈绕盖板2的开口端的周向设置且能够与弧形管片100的凸弧表面密封接触以形成加压仓21。
47.需要说明的是，橡胶圈的作用是密封盖板2的开口端和弧形管片100之间的连接缝隙，避免加压仓21内氯化钠溶液泄漏导致泄压，影响试验测试精度。橡胶圈为弹性件，当弧形管片100在模拟土压力作用下发生位移或变形时，橡胶圈能够始终保持加压仓21的密封。
48.可选地，用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验装置还包括液压驱动件6，设有两个，两个液压驱动件6分别设于弧形管片100的两端，液压驱动件6固定与底座1，输出端止抵于弧形管片100。
49.图1给出的实施例中，弧形管片100的左端铰接与支架12，底端滑动连接于滑轨11，液压驱动件6设置于底座1上且位于弧形管片100的右端，实验时，液压驱动件6能够支撑在弧形管片100的端以提供弧形管片100的固定作用力，为弧形管片100提供初始环境。固定作用力方向与平行于滑轨11。液压驱动件6可以采用液压千斤顶、电液伺服控制加载系统
(jaw-2000h)或油缸。在一些实施例中，液压驱动件6可以在弧形管片100的两端各设置一个以固定弧形管片100。
50.可选地，盖板2和支架12之间通过多个伸缩杆22连接，多个伸缩杆22能够在盖板驱动件23的驱动下带动盖板2的升降。
51.如图1所示，盖板2的顶端对称设置四个伸缩杆22，伸缩杆22能够在竖直方向伸缩以调节盖板2相对于弧形管片100的距离。伸缩杆22的底端连接盖板2的顶端，伸缩杆22的顶端连接盖板驱动件23，盖板驱动件23可以选择液压油缸，盖板驱动件23固定在支架12上，用于驱动伸缩杆22带动盖板2的升降。
52.可选地，压头31包括至少两个相互平行的压杆，至少两个压杆沿弧形管片100的宽度方向设置且对称设置在弧形管片100的凸弧上。
53.如图1所示，弧形管片100在垂直于纸面方向为宽度方向，至少两个压杆左右对称设置在弧形管片100的左右两侧，用于在实验时向弧形管片100施加模拟土压力，两个压杆的长度沿弧形管片100的宽度方向并等长，能够为弧形管片100提供均匀的土压力模拟。需要说明的是，压头31从上到下穿设于盖板2顶端，因此在安装时要注意压头31与盖板2连接处的密封，确保加压仓21的密封性。
54.可选地，用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验装置还包括图像采集装置、钢筋锈蚀度检测仪、声发射传感器和应变片，图像采集装置至少设有两个，分别设于弧形管片100的侧面和底面，钢筋锈蚀度检测仪的探头连接于弧形管片100的受力主筋，声发射传感器和应变片均设于弧形管片100的凹弧表面。
55.图像采集装置一般采用ccd相机，用于采集弧形管片100侧面和凹弧表面的图像，包括弧形管片100外部裂纹起裂和扩展规律等的图像，图像采集装置可以配备离子成像测速技术分析软件geopiv以测量记录弧形管片100的实时位移，以便在试验后根据图像对弧形管片100的受力变形和位移等信息进行分析和计算。针对不同侵蚀时间下的弧形管片100，声发射传感器用于实时监测混凝土内部损伤程度，采用声发射检测系统(ds5-16c)进行检测，在一些实施例中，声发射传感器的探头可以设置在不锈钢丝网的底侧。应变片可以对弧形管片100的表面机械变形进行检测。钢筋锈蚀度检测仪用于检测弧形管片100内部受力主筋的锈蚀量。
56.可选地，用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验装置还包括氯离子浓度测定仪，氯离子浓度测定仪的探头设于加压仓21内用以检测加压仓21内的氯离子的浓度。
57.可以理解，试验过程中氯化钠溶液一部分会与弧形管片100发生侵蚀反应导致氯离子浓度降低，为了更加真实的模拟真实的侵蚀环境，需要补充氯离子。具体地，根据氯离子浓度测定仪的检测结果，当氯离子浓度降低时，通过盖板2上的加料口向加压仓21内加入氯离子以维持氯离子浓度不变。
58.可选地，用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验装置还包括增压泵，增压泵设于输水管41上以对氯化钠溶液进行加压并输送至加压仓21。
59.可以理解，加压仓21内为模拟高水压环境，因此，需要借助于增压泵将水箱4内的氯化钠溶液注入加压仓21内。常规地，输水管41上设置止逆阀和调节阀以控制氯化钠溶液流量。
60.根据本发明提供的用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验装置，本发明还提
供一种用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验方法，如图3所示流程图，包括如下步骤：
61.s1，将通电导线与弧形管片100的受力主筋连接并延伸至弧形管片100外与恒定电流仪5的正极连接，形成阳极，加压仓21内的目标锈蚀区内设置不锈钢丝网并连接恒定电流仪5的负极，形成阴极；
62.如图2所示，处于加压仓21内弧形管片100的凸弧表面上，设置有不锈钢丝网，不锈钢丝网与氯化钠溶液连通，不锈钢丝网完整覆盖弧形管片100的凸弧表面的目标锈蚀区域，恒定电流仪5(型号为ps-1)的负极通过导线与不锈钢丝网连接。调节恒定电流仪5的电流大小，可以对弧形管片100的不同锈蚀情况进行模拟和检测。
63.s2，对弧形管片100的凸弧顶部、吊装孔处预制初始裂缝，在弧形管片100的凹弧表面设置声发射传感器探头和应变片，并在弧形管片100的侧面和凹弧下方分别设置一个图像采集装置；
64.以上装置可以根据实验测试目的和测试需求进行增设或合理取舍，声发射传感器和应变片的数量不限，一般应变片设于具有初始裂缝处，以便得到裂缝的形变特征。声发射传感器对弧形管片100上的混凝土结构的缺陷进行测试，可以根据实验经验布设多个声发射传感器以便获得实时的试验数据。初始裂缝一般设置在弧形管片100上背部和吊装孔等处，采用小型锯石机预制不同尺寸和深度的裂缝或开槽等。图像采集装置能够拍摄弧形管片100的侧面和底面图像，图像采集装置优选采用高清ccd相机，可以记录弧形管片100上相应部分的裂缝起裂和扩展规律等的多个图像。
65.s3，土压加载组件3在弧形管片100的凸弧表面加压；
66.土压加载组件3根据实现所选工况计算模拟土压力作用下弧形管片100所受弯矩即两端处轴力大小，并通过土压驱动件32驱动压头31下压弧形管片100的凸弧表面以加载。
67.s4，待弧形管片100稳定后，将盖板2盖设在弧形管片100的凸弧表面并密封形成加压仓21，然后向加压仓21内高压注入氯化钠溶液，记录弧形管片100的初始变形数据和初始裂纹数据；
68.s5，开启恒定电流仪5并控制电流大小，模拟弧形管片100承受高水压和氯离子侵蚀过程；
69.试验过程中，采用氯离子浓度检测仪(jh-pxs-cl型)可以实时监测氯离子的浓度，并控制氯离子浓度。本实施例中所采用氯化钠溶液的质量百分比浓度为5％，当加压仓21内的氯离子浓度降低时需要及时补充。针对不同的侵蚀试验时间，采用声发射传感器能够实时监测到混凝土内部损伤程度，采用钢筋锈蚀度检测仪(华测r62)能够智能读取弧形管片100内部受力主筋的锈蚀量，进而得到实验所需数据。
70.s6，对锈蚀后的弧形管片100进行抗弯性能试验，得到弧形管片100的残余承载力。
71.经过上述侵蚀后的弧形管片100发生锈蚀后性能退化，拆除该弧形管片100，参照《预制混凝土衬砌管片》(gb/t22082-2017)规范中抗弯性能试验，采用分级加载方式，每级荷载保持加载5min。加荷过程中应记录弧形管片100上各测点位移、裂缝扩展情况及最大裂缝宽度等。最后加荷至竖向压力传感器示数不再上升，抗弯性能试验结束，即可得到性能退化后的弧形管片100的残余承载力。
72.应用上述实施例提供的用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验装置和方法，
可根据试验的需要，开展不同力学场、化学场及其组合工况下的盾构隧道管片混凝土试件试验研究，可用于研究侵蚀溶液对管片混凝土变形及强度腐蚀，也可用于研究力学-渗透-化学耦合作用下的混凝土破坏的机理。
73.本发明的用于盾构隧道管片性能退化机理研究的实验方法，在弧形管片100受到土压力、高水压和离子侵蚀的环境中，进行弧形管片100的加速锈蚀试验，试验后测量弧形管片100的残余承载力，从而可以研究盾构隧道管片性能退化机理和盾构隧道衬砌结构服役期受力性能演变规律。
74.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。