CN109827833B - 一种裂损隧道衬砌结构渗水特性的实验试件制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于土木工程领域，涉及一种裂损隧道衬砌结构渗水特性的实验试件制备方法，包括以下步骤：确定试件尺寸；确定浇筑尺寸，定制浇筑模具；养护试件，钻取实验芯样试件；试件精确打磨至实验尺寸；将芯样试件放入劈裂刀具，劈裂芯样试件，并对劈裂后的芯样试件标号；夹入所需厚度垫片后粘贴劈裂后的芯样试件；借助专业实验装备开展物理力学实验；实验完成后，劈开试件，对其进行三维扫描与数值模拟。本发明削减了混凝土骨料的边界效应，还原了真实条件下的裂缝成因、形态与性质；用衬砌结构渗水量、结构厚度、裂缝状态等相关检测结果，映射衬砌结构壁后水压，从而为结构计算，病害分级与结构整治提供理论支持，具有重要的研究意义与应用价值。

Description

一种裂损隧道衬砌结构渗水特性的实验试件制备方法

技术领域

本发明属于土木工程领域，涉及一种裂损隧道衬砌结构渗水特性的实验试件制备方法。

背景技术

隧道修建在地下岩土介质中，属于半隐蔽工程，因地质勘察、设计、施工、养护等各方面因素导致的隧道结构变形、开裂、渗漏水等病害时常发生，运营隧道病害数量逐年增多。从已建成的公路隧道看，衬砌开裂、衬砌渗漏水、腐蚀、掉块等现象最为严重。

众多隧道病害经验表明，衬砌结构破损和渗漏水是影响隧道安全的主要因素。针对衬砌结构裂损、渗漏水的研究，既有成果基于单一病害工况，且以定性研究为主。实际工程中，裂缝与渗漏水多同时出现，裂缝的出现是影响隧道内渗漏水的主要原因，渗漏水压又会加重裂缝病害程度，二者具有密切的相互作用。

通过对现有的技术文献检索发现，虽然已有大量关于混凝土试件裂缝制备方法的专利文献，但仍然存在种种问题，有的装备过于简单不能模拟圆柱试件裂缝；有的只运用计算机软件进行模拟，并未与实际实验模型对比，精确度还需检验；有的装置操作过于复杂，不利于实际实验操作。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种裂损隧道衬砌结构渗水特性的实验试件制备方法，为建立裂缝条件、渗水状态、围岩与地下水环境三者的表达关系，用衬砌结构渗水量、结构厚度、裂缝状态等相关检测结果，映射衬砌结构壁后水压，从而为结构计算，病害分级与结构整治提供理论支持。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种裂损隧道衬砌结构渗水特性的实验试件制备方法，包括以下步骤：确定试件尺寸，试件呈“圆柱”形，直径为d，最大试件高度为h；确定浇筑尺寸，定制浇筑模具；养护试件，从试件上钻取实验所需的芯样试件，钻芯最小边界尺寸为b；将芯样试件放入劈裂刀具，劈裂芯样试件，并对劈裂后的芯样试件标号；将劈裂后的芯样试件放入三维数字采集系统，对其进行三维扫描与数值模拟；粘贴劈裂后的芯样试件，使其成为一个整体。

可选地，“确定浇筑尺寸，定制浇筑模具”的过程中，模具净空尺寸根据试件大小决定，净空高度为H，d+2b≤H≤2d+3b。

可选地，“确定浇筑尺寸，定制浇筑模具”的过程中，模具的净空宽度为V，h+1cm≤V≤h+5cm。

可选地，“确定浇筑尺寸，定制浇筑模具”的过程中，模具的净空长度为L，能够钻取的芯样试件数目为n，nd+(n+1)b≤L≤(n+1)d+(n+2)b，n为正整数。

可选地，2≤n≤5。

可选地，“确定浇筑尺寸，定制浇筑模具”的过程中，模具厚度为8mm～25mm。

可选地，在步骤“粘贴劈裂后的芯样试件，使其成为一个整体”的过程中，通过在芯样试件两侧粘贴部位增设不同厚度的垫片实现不同宽度裂缝试件的制备。

可选地，在步骤“粘贴劈裂后的芯样试件，使其成为一个整体”的过程中，通过改变在芯样试件两侧粘贴部位的垫片数目实现不同宽度裂缝试件的制备。

可选地，还包括以下步骤：胶封芯样试件切面，套热缩管密封。

本发明的有益效果在于：

本发明中采用对试样尺寸的确定的手段，削减了混凝土骨料的边界效应，保证了实验结果的可靠性，对试件采用现浇-取芯-劈裂-粘接的方式制备，还原了真实条件下的裂缝成因、形态与性质，避免了插片现浇断裂面与衬砌裂缝性质差异；采用一次浇注钻取多个试件的方式，减小了人力重复劳动，模具采用轻质材料，便于实验搬运，厚度适当，有利于保障质量、减小浪费；本发明用衬砌结构渗水量、结构厚度、裂缝状态等相关检测结果，映射衬砌结构壁后水压，从而为结构计算，病害分级与结构整治提供理论支持，具有重要的研究意义与应用价值。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本发明和简化描述，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，描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供了一种裂损隧道衬砌结构渗水特性的实验试件制备方法，以某实验为例，实验所需的试件为柱体，混凝土采用C20、C30商品混凝土。本实施例中没有详细说明的部分，按照发明内容描述的技术方案进行操作，发明内容中也没有说明的部分，采用本领域常规操作进行。

第一步：确定试件尺寸，并最终确定试件直径d、最大试件高度h；具体的，隧道衬砌结构渗漏水特性实验针对混凝土材料，为消除骨料尺寸的边界效应，实验试件宜为柱体，直径d为50mm～150mm，一般选用100mm直径，高度根据试验设备限值选定，最大试件高度h不宜小于200mm，试件直径与高度均可根据试验要求调整，原则上不亦小于3倍最大骨料颗料等效直径。本实验试件宜为柱体，直径d选用100mm，根据实验设备限值选定最大试件高度h为200mm。第一步试件尺寸的确定消减了混凝土骨料的边界效应，保证了实验结果的可靠性；实验试件采用现浇-取芯-劈裂-粘接的方式制备，还原了真实条件下的裂缝成因、形态与性质，避免了插片现浇断裂面与衬砌裂缝性质差异。

第二步：确定混凝土浇筑尺寸，定制混凝土浇筑模具，具体包括以下步骤：

1)模具净空尺寸根据试件大小确定，净空高度H宜不小于实验试件直径+2倍钻芯最小边界尺寸b(应考虑材料强度，混凝土养护质量确定)，为防止浪费，宜不大于2个试件钻取位，即d+2b≤H≤2d+3b；在本实施例中，取H＝210mm，b＝5mm。

2)净空宽度V与实验试件高度h的数值关系为：h+1cm≤V≤h+5cm。

3)净空长度L方向宜能钻取多个混凝土试件，个数n一般取2-5个，净空长度nd+(n+1)b≤L≤(n+1)d+(n+2)b，在本实施例中，取L＝400mm。

混凝土浇筑模具宜采用可拆卸式，便于混凝土构件脱膜，浇筑模具宜选用铝材等轻质高强材料，厚度不应过薄，防止混凝土构件浇筑过程变形，厚度可根据材料性质、模具大小等综合取定，厚度t一般取为8mm～25mm。在本实施例中，取t＝20mm。

第二步中的可拆卸式模具的定制便于混凝土构件脱膜，一次混凝土浇筑便于钻取多个实验试件，减小了人力重复劳动，模具采用轻质材料，便于实验搬运，厚度适当，有利于保障质量、减小浪费。

第三步：养护混凝土试件，钻取试验所需芯样试件；具体地，混凝土构件养护24h后，便可进行试件取芯，取芯时，取芯机应选用湿式取芯机，取芯机应焊接铁板、固定于地面或其它固定的平整面上，避免钻芯取样时机器明显抖动。钻取芯应严格控制回次进尺以及转速，取样过程中，开始取样与快结束取样阶段，应减小钻进速度，防止钻机过大冲击力引起的构件冲切破坏。湿式取芯机可防止产生过大粉尘，保障实验人员身体健康，取芯机固定有利于保障取样试件的表面整齐平顺，控制钻进速度可保耳障取芯的质量和完整性，以便减少修订与打磨的工序成本，降低钻头中芯样卡死概率，提高取芯成功率。

第四步：将芯样试件放入定制试样劈裂刀具，劈裂所取芯样试件，并对劈裂后的芯样试件标号；具体的，采用常用轴向加压实验系统带动定制试件劈裂刀具，将芯样试件放入定制试样劈裂刀具，将实验试件沿轴线方向劈裂为两块，分别对两半混凝土进行标号(裂缝宽度-1/2)。标号为0.5-1,0.5-2.

第五步：将劈裂后的芯样试件放入三维数字采集系统，并对其进行三维扫描与数值模拟；具体地，将劈裂后的芯样试件放入三维数字采集系统中，采用三维数字采集系统对芯样试件劈裂裂面进行扫描，将扫描所得裂面信息导入有限元计算软件，计算得出不同环压状态下混凝土裂面平均近接距离，绘制平均近接距离随芯样试件环压的变化曲线，选取曲线由趋于直线的捌点处对应环压+渗水压力值作为裂损衬砌结构试验试件环压施加值。对断面三维扫描可得出断面不平整信息，可为裂面不平整度修正提供基础数据，数值实验开展为无损方法，有利于确定实验合理环压值，防止试件裂缝在渗水压力下出现异常波动。

第六步：粘接劈裂的芯样试件，使其成为一个整体；具体地，采用防水粘接材料沿芯样试件裂面轴向两侧将劈裂后的芯样试件粘接为一体，粘接过程中，通过在两侧粘接部位增设不同厚度垫片实现不同宽度裂缝试件制备，垫片选用时，宜选于高塑性的薄膜材料，通过控制垫片层数实现厚度控制，试件制备完成后，需预加环压实现粘接部位密实稳定。

第七步：胶封混凝土试块切面，再套热缩管密封。具体地，混凝土试块环切面刷密封胶后，采用同直径热缩管将试件试块密封。使用热缩管进行密封较传统渗水实验密封构件成本大幅降低，有利于提升实验经济性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种裂损隧道衬砌结构渗水特性的实验试件制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定试件尺寸，试件呈“圆柱”形，直径为d，最大试件高度为h；

确定浇筑尺寸，定制浇筑模具；

养护试件，从试件上钻取实验所需的芯样试件，钻芯最小边界尺寸为b；

将芯样试件放入劈裂刀具，劈裂芯样试件，并对劈裂后的芯样试件标号；将劈裂后的芯样试件放入三维数字采集系统，对其进行三维扫描与数值模拟；

粘贴劈裂后的芯样试件，使其成为一个整体。

2.如权利要求1中所述的裂损隧道衬砌结构渗水特性的实验试件制备方法，其特征在于，“确定浇筑尺寸，定制浇筑模具”的过程中，模具净空尺寸根据试件大小决定，净空高度为H，d+2b≤H≤2d+3b。

3.如权利要求1中所述的裂损隧道衬砌结构渗水特性的实验试件制备方法，其特征在于，“确定浇筑尺寸，定制浇筑模具”的过程中，模具的净空宽度为V，h+1cm≤V≤h+5cm。

4.如权利要求1中所述的裂损隧道衬砌结构渗水特性的实验试件制备方法，其特征在于，“确定浇筑尺寸，定制浇筑模具”的过程中，模具的净空长度为L，能够钻取的芯样试件数目为n，nd+(n+1)b≤L≤(n+1)d+(n+2)b，n为正整数。

5.如权利要求4所述的裂损隧道衬砌结构渗水特性的实验试件制备方法，其特征在于，2≤n≤5。

6.如权利要求1中所述的裂损隧道衬砌结构渗水特性的实验试件制备方法，其特征在于，“确定浇筑尺寸，定制浇筑模具”的过程中，模具厚度为8mm～25mm。

7.如权利要求1中所述的裂损隧道衬砌结构渗水特性的实验试件制备方法，其特征在于，在步骤“粘贴劈裂后的芯样试件，使其成为一个整体”的过程中，通过在芯样试件两侧粘贴部位增设不同厚度的垫片实现不同宽度裂缝试件的制备。

8.如权利要求1中所述的裂损隧道衬砌结构渗水特性的实验试件制备方法，其特征在于，在步骤“粘贴劈裂后的芯样试件，使其成为一个整体”的过程中，通过改变在芯样试件两侧粘贴部位的垫片数目实现不同宽度裂缝试件的制备。

9.如权利要求1中所述的裂损隧道衬砌结构渗水特性的实验试件制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：胶封芯样试件磨面，套热缩管密封。