CN105547983A - 承载状态下隧道衬砌结构加速腐蚀劣化试验装置 - Google Patents

承载状态下隧道衬砌结构加速腐蚀劣化试验装置 Download PDF

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Abstract

一种承载状态下隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置，它由螺纹拉杆，左、右加载横梁，自反力梁和液压千斤顶组成的加载装置，加载装置通过由弯矩、轴力导入的方式，对隧道衬砌结构构件进行可控加载，真实地模拟运营期隧道衬砌结构的实际受力状态。同时，由稳流直流电源、顶面腐蚀区或全向腐蚀区的腐蚀液，腐蚀液内的不锈钢网及隧道衬砌结构构件的钢筋组成电化学加速腐蚀系统，电化学加速腐蚀系统通过对隧道衬砌结构构件进行加速腐蚀劣化。应变片、位移计、压力传感器等实时测出隧道衬砌结构构件的应变、变形位移等数据，从而实现了承载状态下隧道衬砌结构加速腐蚀劣化试验。其试验环境为荷载、侵蚀共同作用的环境，它与隧道衬砌结构真实的地下环境更接近，能更准确的反映真实隧道衬砌结构的性能衰退演变规律；从而能为隧道工程的设计、维护提供更加可靠的试验依据。

Description

承载状态下隧道衬砌结构加速腐蚀劣化试验装置
技术领域
本发明涉及承载状态下隧道衬砌结构加速腐蚀劣化试验装置。
背景技术
随着现阶段我国城市轨道交通、越江跨海通道工程的蓬勃发展，交通隧道工程因其交通保障性能良好、结构相对安全等优势，已逐渐成为交通工程比选中的主要方案。
较之地面结构，由于地下水土环境的复杂性，隧道衬砌结构在水土荷载和周围侵蚀环境的联合作用下，其衬砌结构力学性能将在服役一段时间后发生更大的劣化衰退：一方面，侵蚀环境特有的Cl-、Mg2+、SO4 2-等腐蚀性离子将随着地下水、海水等缓慢侵入隧道中，导致衬砌中的钢筋过早锈蚀，使钢筋混凝土出现锈蚀劣化，使结构出现裂损或局部破坏；另一方面，隧道衬砌结构需长期承受岩土体围岩压力和水压力的作用，将加速材料及结构的腐蚀劣化。也即，隧道衬砌结构在力学因素(水土荷载)和化学因素(氯盐、酸碱盐等有害化学物质等)的共同作用下，会发生腐蚀劣化，导致其承载能力降低，使用寿命缩短。
室内加速腐蚀试验方法因可模拟实际工程腐蚀劣化环境、并结合相似理论、电化学方法，可实现短期内结构腐蚀劣化全过程性能的模拟试验，从而为隧道的设计、维护提供试验依据。目前对于隧道衬砌钢筋混凝土的加速锈蚀试验主要针对钢筋混凝土试件或隧道衬砌压弯构件开展，通常先采用电化学方法对钢筋混凝土试件或构件进行加速锈蚀，然后对锈蚀后的试件或构件进行加载，测试锈蚀后试件或构件的强度、刚度、破坏情况等力学及工程特性。这种先锈蚀、后承受荷载的试验场景，与荷载与侵蚀共同作用、同时进行的隧道衬砌结真实环境不符，不能反映考虑隧道衬砌结构周围水土荷载环境和侵蚀劣化环境联合作用下的性能衰退演变规律。其试验结果作为隧道设计、维护试验依据的可靠性有待提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种承载状态下隧道衬砌结构加速腐蚀劣化试验装置，该试验装置可实现水土荷载环境与周围离子侵蚀环境同时、联合作用下的隧道衬砌结构加速腐蚀试验，其试验环境与隧道衬砌结构的真实地下环境更接近，能更准确的反映真实隧道衬砌结构的性能衰退演变规律，从而为隧道工程的设计、维护提供更加可靠的试验依据。
本发明实现其发明目的所采用的第一种技术方案是，一种承载状态下隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置，其特征是：
隧道衬砌构件下部的前后两侧均设有高强传力螺纹拉杆，高强传力螺纹拉杆依次穿过左加载横梁、右加载横梁和自反力梁，螺纹拉杆的两端连接有锚固螺栓，左加载横梁、右加载横梁均通过传力衬垫分别与隧道衬砌构件下部的左端和右端接触；自反力梁位于右加载横梁的右侧，且自反力梁的左面固定有水平的液压千斤顶，液压千斤顶的左端通过压力传感器与右加载横梁的右面相连；
所述的隧道衬砌构件的混凝土和钢筋表面均安装有应变片和位移计；
所述的液压千斤顶、压力传感器、应变片和位移计均与数据处理及控制系统相连；
所述的隧道衬砌构件的顶部设有蓄水槽，所述的蓄水槽由防水材料在隧道衬砌构件的顶部围合形成；蓄水槽内放置有不锈钢网；
所述的不锈钢网通过导电线与稳流直流电源的阴极电连接；隧道衬砌构件的钢筋则通过导电线与稳流直流电源的阳极电连接。
本发明实现其发明目的所采用的第二种技术方案是，一种承载状态下隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置，其特征在于：
隧道衬砌构件下部的前后两侧均设有高强传力螺纹拉杆，高强传力螺纹拉杆依次穿过左加载横梁、右加载横梁和自反力梁，螺纹拉杆的两端连接有锚固螺栓，左加载横梁、右加载横梁均通过传力衬垫分别与隧道衬砌构件下部的左端和右端接触；自反力梁位于右加载横梁的右侧，且自反力梁的左面固定有水平的液压千斤顶，液压千斤顶的左端通过压力传感器与右加载横梁的右面相连；
所述的隧道衬砌构件的混凝土和钢筋表面均安装有应变片和位移计；
所述的液压千斤顶、压力传感器、应变片和位移计均与数据处理及控制系统相连；
所述的隧道衬砌构件的前侧面、后侧面及底面，密封包裹一层防水材料形成保水区；隧道衬砌构件前侧面、后侧面的防水材料伸出隧道衬砌构件顶部的顶缘与隧道隧道衬砌构件顶面左侧和右侧的防水材料，围合形成衬砌构件顶部的蓄水槽；在保水区内的隧道衬砌构件的前侧面、后侧面、底面及蓄水槽的底部布设不锈钢网；并在保水区内的不锈钢网与防水材料之间填充吸水海绵；
所述的不锈钢网通过导电线与稳流直流电源的阴极电连接；隧道衬砌构件的钢筋则通过导电线与稳流直流电源的阳极电连接。
本发明试验装置的工作过程和原理是：
将高强传力螺纹拉杆两端的锚固螺栓拧紧，使左加载横梁、右加载横梁锚固在待测的隧道衬砌构件左右两侧的下部。将腐蚀液灌入蓄水槽中，对第一种技术方案的装置，腐蚀液即经隧道衬砌构件的顶面向下渗透，在隧道衬砌构件顶部附近形成顶面腐蚀区；对第二种技术方案的装置则在腐蚀液即经隧道衬砌构件的顶面、侧面、底面向隧道衬砌构件内部渗透，在隧道衬砌构件周围形成全向腐蚀区。
随后，数据处理及控制系统控制液压千斤顶向右加载横梁施加载荷，隧道衬砌构件下部的左右两侧即受到中轴线以下的偏心挤压(弯矩载荷)，其载荷值的大小由压力传感器实时测出并反馈给数据处理及控制系统。同时，稳流直流电源启动，直流电流依次通过稳流直流电源的阳极、隧道衬砌构件的钢筋、顶面腐蚀区(第一种方案)或全向腐蚀区(第二种方案)的腐蚀液，腐蚀区内的不锈钢网流向稳流直流电源的阴极，构成电化学腐蚀回路，从而在承载状态下，实现对隧道衬砌构件的加速腐蚀试验。
在加速腐蚀试验过程中，应变片和位移计实时测出隧道衬砌构件的应变和变形位移；并可通过钢筋锈蚀仪测试出隧道衬砌构件的钢筋锈蚀劣化程度，通过超声无损探测仪探测出构件内部的损伤演化过程，通过裂缝深度宽度测试仪记录待加载腐蚀构件裂缝开展变化过程。试验完成后，通过对载荷值、腐蚀液种类、应变、位移、钢筋锈蚀程度、裂缝开展变化的分析、处理即可得出隧道衬砌结构的性能衰退演变规律，从而为隧道工程的设计、维护提供试验依据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
由螺纹拉杆，左、右加载横梁，自反力梁和液压千斤顶组成的加载装置通过由弯矩、轴力导入的方式，对隧道衬砌结构构件进行可控加载，真实地模拟运营期隧道衬砌结构的实际受力状态。同时，由稳流直流电源、顶面腐蚀区或全向腐蚀区的腐蚀液，腐蚀液内的不锈钢网及隧道衬砌结构构件的钢筋组成的电化学加速腐蚀系统对隧道衬砌结构构件进行加速腐蚀劣化。应变片、位移计、压力传感器等实时测出隧道衬砌结构构件的应变、变形位移等数据，从而实现了承载状态下隧道衬砌结构加速腐蚀劣化试验。
总之。本发明的试验环境为荷载、侵蚀共同作用的环境，它与隧道衬砌结构真实的地下环境更接近，能更准确的反映真实隧道衬砌结构的性能衰退演变规律；从而能为隧道工程的设计、维护提供更加可靠的试验依据。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明实施例一的俯视结构示意图。
图2是本发明实施例一的主视结构示意图。
图3是本发明实施例二的俯视结构示意图。
图4是本发明实施例二的主视结构示意图。
具体实施方式
实施例一
图1-2示出，本发明的一种具体实施方式是，一种承载状态下隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置，其特征是：
隧道衬砌构件10下部的前后两侧均设有高强传力螺纹拉杆3，高强传力螺纹拉杆3依次穿过左加载横梁2、右加载横梁1和自反力梁5，螺纹拉杆3的两端连接有锚固螺栓6，左加载横梁2、右加载横梁1均通过传力衬垫4分别与隧道衬砌构件10下部的左端和右端接触；自反力梁5位于右加载横梁1的右侧，且自反力梁5的左面固定有水平的液压千斤顶7，液压千斤顶7的左端通过压力传感器8与右加载横梁1的右面相连；
所述的隧道衬砌构件10的混凝土和钢筋表面均安装有应变片21和位移计22；
所述的液压千斤顶7、压力传感器8、应变片21和位移计22均与数据处理及控制系统相连；
所述的隧道衬砌构件10的顶部设有蓄水槽11，所述的蓄水槽11由防水材料14在隧道衬砌构件10的顶部围合形成；蓄水槽11内放置有不锈钢网12；
所述的不锈钢网12通过导电线与稳流直流电源的阴极电连接；隧道衬砌构件10的钢筋10a则通过导电线与稳流直流电源的阳极电连接。
实施例二
图3-4示出，本发明的第二种具体实施方式是，一种承载状态下隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置，其特征是：
2、一种承载状态下隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置，其特征在于：
隧道衬砌构件10下部的前后两侧均设有高强传力螺纹拉杆3，高强传力螺纹拉杆3依次穿过左加载横梁2、右加载横梁1和自反力梁5，螺纹拉杆3的两端连接有锚固螺栓6，左加载横梁2、右加载横梁1均通过传力衬垫4分别与隧道衬砌构件10下部的左端和右端接触；自反力梁5位于右加载横梁1的右侧，且自反力梁5的左面固定有水平的液压千斤顶7，液压千斤顶7的左端通过压力传感器8与右加载横梁1的右面相连；
所述的隧道衬砌构件10的混凝土和钢筋表面均安装有应变片21和位移计22；
所述的液压千斤顶7、压力传感器8、应变片21和位移计22均与数据处理及控制系统相连；
所述的隧道衬砌构件10的前侧面、后侧面及底面，密封包裹一层防水材料14形成保水区；隧道衬砌构件10前侧面、后侧面的防水材料14伸出隧道衬砌构件10顶部的顶缘与隧道衬砌构件10顶面左侧和右侧的防水材料14，围合形成衬砌构件10顶部的蓄水槽11’；在保水区内的隧道衬砌构件10的前侧面、后侧面、底面及蓄水槽11’的底部布设不锈钢网12；并在保水区内的不锈钢网12与防水材料14之间填充吸水海绵15；
所述的不锈钢网12通过导电线与稳流直流电源的阴极电连接；隧道衬砌构件10的钢筋10a则通过导电线与稳流直流电源的阳极电连接。

Claims (2)

1.一种承载状态下隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置，其特征是：
隧道衬砌构件(10)下部的前后两侧均设有高强传力螺纹拉杆(3)，高强传力螺纹拉杆(3)依次穿过左加载横梁(2)、右加载横梁(1)和自反力梁(5)，螺纹拉杆(3)的两端连接有锚固螺栓(6)，左加载横梁(2)、右加载横梁(1)均通过传力衬垫(4)分别与隧道衬砌构件(10)下部的左端和右端接触；自反力梁(5)位于右加载横梁(1)的右侧，且自反力梁(5)的左面固定有水平的液压千斤顶(7)，液压千斤顶(7)的左端通过压力传感器(8)与右加载横梁(1)的右面相连；
所述的隧道衬砌构件(10)的混凝土和钢筋表面均安装有应变片(21)和位移计(22)；
所述的液压千斤顶(7)、压力传感器(8)、应变片(21)和位移计(22)均与数据处理及控制系统相连；
所述的隧道衬砌构件(10)的顶部设有蓄水槽(11)，所述的蓄水槽(11)由防水材料(14)在隧道衬砌构件(10)的顶部围合形成；蓄水槽(11)内放置有不锈钢网(12)；
所述的不锈钢网(12)通过导电线与稳流直流电源的阴极电连接；隧道衬砌构件(10)的钢筋(10a)则通过导电线与稳流直流电源的阳极电连接。
2.一种承载状态下隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置，其特征在于：
隧道衬砌构件(10)下部的前后两侧均设有高强传力螺纹拉杆(3)，高强传力螺纹拉杆(3)依次穿过左加载横梁(2)、右加载横梁(1)和自反力梁(5)，螺纹拉杆(3)的两端连接有锚固螺栓(6)，左加载横梁(2)、右加载横梁(1)均通过传力衬垫(4)分别与隧道衬砌构件(10)下部的左端和右端接触；自反力梁(5)位于右加载横梁(1)的右侧，且自反力梁(5)的左面固定有水平的液压千斤顶(7)，液压千斤顶(7)的左端通过压力传感器(8)与右加载横梁(1)的右面相连；
所述的隧道衬砌构件(10)的混凝土和钢筋表面均安装有应变片(21)和位移计(22)；
所述的液压千斤顶(7)、压力传感器(8)、应变片(21)和位移计(22)均与数据处理及控制系统相连；
所述的隧道衬砌构件(10)的前侧面、后侧面及底面，密封包裹一层防水材料(14)形成保水区；隧道衬砌构件(10)前侧面、后侧面的防水材料(14)伸出隧道衬砌构件(10)顶部的顶缘与隧道隧道衬砌构件(10)顶面左侧和右侧的防水材料(14)，围合形成衬砌构件(10)顶部的蓄水槽(11’)；在保水区内的隧道衬砌构件(10)的前侧面、后侧面、底面及蓄水槽(11’)的底部布设不锈钢网(12)；并在保水区内的不锈钢网(12)与防水材料(14)之间填充吸水海绵(15)；
所述的不锈钢网(12)通过导电线与稳流直流电源的阴极电连接；隧道衬砌构件(10)的钢筋(10a)则通过导电线与稳流直流电源的阳极电连接。
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