CN116432284A - 一种基于初始损伤程度的喷射混凝土碳化深度的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于初始损伤程度的喷射混凝土碳化深度的预测方法，属于隧道结构耐久性评价及预测技术领域，考虑了喷射混凝土的初始受力损伤情况，通过碳化实验得到影响系数，在此基础上建立喷射混凝土的碳化深度预测模型，能够准确预测隧道工程喷射混凝土结构的碳化深度。采用本发明方法，隧道工程从业人员可准确快速预测隧道结构喷射混凝土碳化深度，从而实现合理及时维护，保障隧道结构的耐久性、使用寿命及安全运营。
Description
技术领域
本发明涉及隧道结构耐久性评价及预测技术领域，更具体的说是涉及一种基于初始损伤程度的喷射混凝土碳化深度的预测方法。
背景技术
在现代隧道衬砌结构设计与施工中，以喷射混凝土为主体的单层永久衬砌成为未来隧道衬砌发展趋势。隧道结构除地下基础部分，其余均处于地表以上，这就不可避免与大气环境所接触。尤其是在隧道内部，因其内部环境相对封闭，空气中二氧化碳浓度及温湿度较高，使衬砌结构抗碳化性能减弱，最终导致钢筋的锈蚀及结构承载力下降，威胁隧道衬砌结构耐久性、使用寿命及安全运营。
喷射混凝土因采用速凝剂和特殊的喷射成型方式而能在较短的凝结时间内产生强度，对围岩起到支护作用。施工喷射参数和周围环境振动作用均会对喷射混凝土整体质量产生影响，因此在其凝结硬化的过程中不可避免地会出现空洞或一些初始缺陷。并且随着时间的变化，喷射混凝土应力会表现出迅速增长—缓慢增长—逐渐稳定的过程，内力的空间分布也表现出上部大于下部的特征，并且初期支护结构有较明显的偏压特点。隧道内部不同部位的应力存在时空效应，而由应力造成的损伤势必导致喷射混凝土渗透性增大，二氧化碳更加容易进入混凝土内部，从而降低混凝土的抗碳化能力，加速钢筋锈蚀，进而严重威胁钢筋混凝土结构的耐久性。
目前结合隧道衬砌受力损伤情况开展的喷射混凝土碳化性能研究较少，应用于碳化耐久性的防护尚不成熟。因此，提出一种喷射混凝土碳化深度的预测方法，针对隧道衬砌结构的实际运营情况，准确地表征喷射混凝土初始损伤程度，全面考虑对碳化的本质影响，开展受初始损伤的喷射混凝土碳化性能研究，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于初始损伤程度的喷射混凝土碳化深度的预测方法，综合考虑喷射混凝土碳化、运营年限增加和应力损伤程度对隧道结构承载力的影响，计算结果可以更真实地进行隧道结构剩余寿命预测。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于初始损伤程度的喷射混凝土碳化深度的预测方法，包括以下步骤：
S1、对喷射混凝土试件预制初始损伤，定义初始损伤度D；
S2、基于碳化实验经验模型，引入初始损伤影响系数kD建立初始应力损伤下喷射混凝土的碳化深度预测模型；
S3、构建所述初始损伤度D与所述初始损伤影响系数kD之间的关系式；
S4、将S3中的关系式代入S2中所述初始应力损伤下喷射混凝土的碳化深度预测模型，得到最终碳化深度预测模型。
优选的，所述初始损伤度的定义式为：
式中：Vt表示应力损伤混凝土的超声波波速；V0表示标准养护28d喷射混凝土未受应力损伤时的超声波波速。
优选的，所述步骤S2包括：
S21、选择基于碳化实验的经验模型如下：
式中，X为混凝土碳化深度，单位为mm；a为混凝土的综合碳化速度系数；t为碳化时间，单位为年；
S22、引入初始损伤影响系数kD，令a＝k0kD，建立初始应力损伤下喷射混凝土的碳化深度预测模型如下：
式中，k0为未损伤混凝土的碳化系数。
优选的，S3中所述初始损伤度D与所述初始损伤影响系数kD之间的关系式为：
kD＝1+λD；
式中，λ表示D与kD的线性相关系数。
优选的，S4中所述最终碳化深度预测模型为：
优选的，采集相同龄期未损伤的喷射混凝土碳化深度与碳化时间数据，对碳化深度与碳化时间的平方根进行拟合，得到所述未损伤混凝土的碳化系数k0。
优选的，采集相同龄期不同初始损伤度的喷射混凝土碳化深度与碳化时间数据，对碳化深度与碳化时间的平方根进行拟合，得到受初始损伤混凝土的碳化系数kD。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于初始损伤程度的喷射混凝土碳化深度的预测方法，考虑了喷射混凝土的初始受力损伤情况，通过碳化实验得到影响系数，在此基础上建立喷射混凝土的碳化深度预测模型，能够准确预测隧道工程喷射混凝土结构的碳化深度。采用本发明方法，隧道工程从业人员可准确快速预测隧道结构喷射混凝土碳化深度，从而实现合理及时维护，保障隧道结构的耐久性、使用寿命及安全运营。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的湿喷大板法制作喷射混凝土试件过程图；
图2为本发明实施例提供的喷射混凝土初始损伤的预制方法示意图；
图3为本发明实施例提供的超声波波速测试方法示意图；
图4为本发明实施例提供的各初始损伤度碳化深度和碳化龄期拟合曲线图；
图5为本发明实施例提供的各初始损伤度碳化深度拟合系数和初始损伤度D拟合曲线图；
图6为本发明实施例提供的运营10年的隧道衬砌喷射混凝土碳化深度随初始损伤度的发展规律图；
图7为本发明提出的一种基于初始损伤程度的喷射混凝土碳化深度的预测方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例：某公路隧道衬砌采用C25喷射混凝土，每立方米混凝土用水泥347kg，粉煤灰43kg，矿粉43kg，砂839kg，石839kg，水169kg。由于围岩压力的不确定性，衬砌受力情况分布较为复杂难以计算。
利用本发明公开的一种基于初始损伤程度的喷射混凝土碳化深度的预测方法进行计算，其流程图如图7所示，具体包括以下步骤：
S1、对喷射混凝土试件预制初始损伤，定义初始损伤度D。
具体地，喷射混凝土试件制作采用湿喷大板法，流程如图1所示，试件标准养护28d后，测定喷射混凝土试件轴心抗压强度值；
选取部分试件作为未受损伤的基准组，采用超声波检测仪，对其进行超声波波速测试，参考图3；
选取剩余试件制备初始损伤组，如图2所示，采用电液伺服万能试验机进行压力加载模拟实际受力情况，对试件连续、均匀加载，控制应力水平为其轴心抗压强度的30％-60％；
将试件进行一次纵向加载后卸载，再对试件进行一次横向加载后卸载，记为一个加载过程；
其中，纵向加载时承压面为40mm×40mm的试件侧面，横向加载时承压面分别为40mm×160mm的试件侧面。
通过多个加载过程对试件进行预制初始损伤；
每隔3-5个加载过程，再次应用超声检测仪测试应力损伤喷射混凝土试件的波速；并根据下式定义混凝土试件的损伤度D：
式中：Vt，应力损伤混凝土的超声波波速；V0，标准养护28d喷射混凝土未受应力损伤时的超声波波速；
通过上述步骤得到6种不同初始损伤度的喷射混凝土试件，分别是D＝0、0.06、0.12、0.18、0.24、0.30。
S2、基于碳化实验经验模型，引入初始损伤影响系数kD建立初始应力损伤下喷射混凝土的碳化深度预测模型。
在标准快速碳化环境中进行快速碳化试验，碳化环境为二氧化碳浓度为20％±3％，湿度为70％±5％，温度为20℃±5℃；
基于试验结果建立标准快速碳化环境中喷射混凝土的碳化深度模型；
S21、选择基于碳化试验的经验模型：
X＝atb；
式中，X为混凝土碳化深度，mm；a为混凝土的综合碳化速度系数；b为混凝土碳化时间参数；t为碳化时间，年；
如图4，通过试验数据拟合，各损伤度喷射混凝土试件的指数b趋近于0.5，且波动不大，图4中各损伤初始度为D1＝0，D2＝0.06，D3＝0.12，D4＝0.18，D5＝0.24，D6＝0.30；取b＝0.5，则经验模型即为
S22、引入初始损伤影响系数kD，令a＝k0kD，建立初始应力损伤下喷射混凝土的碳化深度预测模型如下：
式中，k0为未损伤混凝土的碳化系数。
S3、构建初始损伤度D与初始损伤影响系数kD之间的关系式。
根据图5可知，不同初始损伤度的喷射混凝土碳化深度拟合系数c和初始损伤度D呈线性关系，定义初始损伤度影响系数，得到初始损伤度D与初始损伤影响系数kD之间的关系式如下：
kD＝1+λD；
式中，λ表示D与kD的线性相关系数。
S4、将S3中的关系式代入S2中初始应力损伤下喷射混凝土的碳化深度预测模型，得到最终碳化深度预测模型：
记录相同龄期D＝0的喷射混凝土碳化深度与碳化时间数据，对碳化深度与碳化时间的平方根进行拟合，得到未损伤混凝土的碳化系数k0＝1.764，拟合相关系数R2＝0.963；
记录相同龄期不同初始损伤度的喷射混凝土碳化深度与碳化时间数据，对碳化深度与碳化时间的平方根进行拟合，得到受初始损伤混凝土的碳化系数，即初始损伤影响系数kD＝1+10.13D，拟合相关系数R2＝0.942；
通过上述计算建立喷射混凝土的初始损伤度D与碳化深度的关系式：
式中，X为喷射混凝土碳化深度，mm；D为喷射混凝土的初始损伤度；t为碳化时间，年。
根据上述模型，通过超声波无损检测技术可以测定隧道衬砌结构的初始损伤度，已知未损伤混凝土的碳化系数k0＝1.764，运营10年的喷射混凝土碳化深度随初始损伤度的发展规律如图6所示，初始损伤度D＝0.3时，碳化深度达到22.53mm，因此需要对损伤度较大部位进行日常养护和维修即可。
本发明考虑隧道衬砌碳化对隧道、隧道运营年限增加和应力损伤程度对隧道结构安全性的影响，通过已有的实测数据引入修正系数，从而可以更加精准地预测隧道的使用寿命。为隧道工程长期运营降低了成本的同时，也保证了隧道工程的安全性，具有良好的经济效益和社会效益。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种基于初始损伤程度的喷射混凝土碳化深度的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对喷射混凝土试件预制初始损伤，定义初始损伤度D；
S2、基于碳化实验经验模型，引入初始损伤影响系数kD建立初始应力损伤下喷射混凝土的碳化深度预测模型；
S3、构建所述初始损伤度D与所述初始损伤影响系数kD之间的关系式；
S4、将S3中的关系式代入S2中所述初始应力损伤下喷射混凝土的碳化深度预测模型，得到最终碳化深度预测模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于初始损伤程度的喷射混凝土碳化深度的预测方法，其特征在于，所述初始损伤度D的定义式为：
式中：Vt表示应力损伤混凝土的超声波波速；V0表示标准养护28d喷射混凝土未受应力损伤时的超声波波速。
3.根据权利要求1所述的一种基于初始损伤程度的喷射混凝土碳化深度的预测方法，其特征在于，所述S2包括：
S21、选择基于碳化实验的经验模型如下：
式中，X为混凝土碳化深度，单位为mm；a为混凝土的综合碳化速度系数；t为碳化时间，单位为年；
S22、引入初始损伤影响系数kD，令a＝k0kD，建立初始应力损伤下喷射混凝土的碳化深度预测模型如下：
式中，k0为未损伤混凝土的碳化系数。
4.根据权利要求3所述的一种基于初始损伤程度的喷射混凝土碳化深度的预测方法，其特征在于，S3中所述初始损伤度D与所述初始损伤影响系数kD之间的关系式为：
kD＝1+λD；
式中，λ表示初始损伤度D与初始损伤影响系数kD线性相关系数。
5.根据权利要求4所述的一种基于初始损伤程度的喷射混凝土碳化深度的预测方法，其特征在于，S4中所述最终碳化深度预测模型为：
6.根据权利要求5所述的一种基于初始损伤程度的喷射混凝土碳化深度的预测方法，其特征在于，采集相同龄期未损伤的喷射混凝土碳化深度与碳化时间数据，对碳化深度与碳化时间的平方根进行拟合，得到所述未损伤混凝土的碳化系数k0。
7.根据权利要求5所述的一种基于初始损伤程度的喷射混凝土碳化深度的预测方法，其特征在于，采集相同龄期不同初始损伤度的喷射混凝土碳化深度与碳化时间数据，对碳化深度与碳化时间的平方根进行拟合，得到受初始损伤混凝土的碳化系数kD。
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| 赵庆新;许宏景;闫国亮;: "应力损伤对混凝土抗碳化性能的影响", 建筑材料学报, no. 03, pages 503 - 507 * |
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