加锚节理岩体在海水侵蚀下锚固锈蚀机理的研究系统及方法与流程

本发明涉及一种加锚节理岩体在海水侵蚀下锚固锈蚀机理的研究系统及方法。

背景技术：

随着地下交通的不断发展，海底隧道逐渐成为一种普遍的地下工程。锚固结构对于海底隧道不可或缺，人们在设计阶段对于锚固结构的耐久性高度关注，但是由于节理岩体的复杂性及对锚固结构锈蚀损伤演化作用机理的认识还不够充分，加固设计依然停留在经验设计的层面上，如何正确的分析海水对于节理岩体锚固结构应力、腐蚀、渗流及耦合作用效应，充分认识节理岩体锚固锈蚀损伤演化机理，提出合理加固海底隧道节理岩体的支护参数，避免由于锚固支护结构过早失效而造成海底隧道衬砌结构的开裂或崩溃，是当前海底隧道节理岩体布锚优化设计的关键问题，研究该损伤机理变得尤为重要。

针对以上问题，需要一种海底隧道加锚节理岩体在海水长期侵蚀下的锚固锈蚀损伤演化机理的研究方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种相对全面地加锚节理岩体腐蚀进程中锚固锈蚀损伤机理的研究系统及方法，能够为海底隧道在设计阶段、使用阶段提供锚固结构的耐久性的相关参数与理论支持。

本发明采用的技术方案如下：

一种海底隧道加锚节理岩体在海水长期侵蚀下的锚固锈蚀损伤演化机理的研究系统，包括模型制备系统、加速腐蚀系统、力学实验系统、数据采集分析系统以及加锚岩体海底隧道相似模型试验系统，

所述模型制备系统用于制备在相似模型条件下的加锚节理岩体模型试件；

所述加速腐蚀系统对所述的加锚节理岩体模型试件进行电化学腐蚀，且通过该系统测得腐蚀电压、电流与时间的数值关系；

所述力学实验系统用于对腐蚀前、后的加锚节理岩体模型试件进行三轴压缩渗透全破坏过程试验；

所述数据采集分析系统用来获取相关力学参数，并进行数据对比分析；

所述加锚岩体海底隧道相似模型试验系统用于全面地研究在复杂应力状态下加锚节理岩体腐蚀进程中锚固锈蚀损伤机理。

进一步的，所述模型制备系统，主要由底部钢板，前置钢板，后置钢板，左置钢板，右置钢板构成的一个槽状结构，其中左、右钢板上有与底面呈一定角度且高度为板高一半的凹槽，该凹槽内插装不锈钢片；所述的前置钢板上存在有洞口，以插入锚固钢筋。

优选地，所述钢片的插装角度选为45°，模拟节理，同时左、右钢板上还设有用于连接前后钢板的凹槽，所述的前置钢板上存在有洞口，以插入锚固钢筋；所述五块钢板通过螺丝紧密相连调整螺丝使模型规则。

在制备过程中以45°面相似模拟节理面角度，光滑不锈钢片插入凹槽中，待试件凝固脱模后拔出不锈钢片，制备完成，优选地，养护时间为7天。

进一步的，所述加速腐蚀系统包括电化学反应站、反应室、数据显示器；所述反应室包括ⅰ室、ⅱ室、ⅲ室，三个反应室相对独立，不同反应室氯离子浓度不同，电化学反应站可实时监测电流、电压情况，同时利用法拉第定律可得腐蚀量数据，数据显示器则可实时显示监测数据。

在所述的反应室上安装有声发射装置、光栅传导装置和ct实时扫描装置，用于检测试件初始应力发生时间、起始开裂时间、以及裂隙扩列到节理岩体临界时间。而后选取不同时间拆样、清洗、称重并采用电镜扫描和x射线荧光谱分析，建立锈蚀不同腐蚀度与氯离子浓度、腐蚀时间标定关系研究。

所述力学实验系统为常规的三轴实验系统。

本发明还提供了一种利用上述系统进行海底隧道加锚节理岩体在海水长期侵蚀下的锚固锈蚀损伤演化机理的研究方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤1：实验室测得岩体力学相关参数，并在模型相似比条件下制备加锚节理岩体模型试件并进行养护；

步骤2：将模型试件置于不同的反应室中进行电化学加速腐蚀，测得电压、电流等相关参数，同时利用法拉第定律可得腐蚀量数据，数据显示器则可实时显示监测数据；

步骤3：将置于反应室中的模型试件取出处理后进行三轴压缩渗透实验，选取不同的围压和渗透压力，同时开展相应未腐蚀的加锚岩体试验，对实验结果进行对比分析；

步骤4：上述试验完成后进行加锚节理岩体海底隧道相似模型试验，在模型试验箱的顶部施加一定压力的海水，模型内预埋多点位移计、微型压力传感器、微型渗压计、光纤传感器，实验过程中监测加锚节理区腐蚀影响下的位移场、应力场及渗流场变化。

进一步的，在模型制备系统制备试件前实验室应测得岩石力学参数，利用实验模型的几何相似比c1、容重相似比cy，根据强度相似比cr＝c1×cy，弹性模量相似比ce＝c1×cy，制备试件并进行编号以及计算出原料配合比。

进一步的，所述试件制备过程中模拟现场加锚环境，以水泥、砂、水、外加剂为材料通过调整配合比制备相似模型试件，根据现场实测岩体强度；优选地，选取配合比为水泥：砂：水＝1：2.34:0.35；砂根据粒径不同主要比例；优选地，比例取为10-20目：20-40目：40-70目：70-120目＝53.3％：26.7％：13.3％：6.7％；减水剂取为总量的2％；试件中，以钢筋作为锚杆模拟加锚条件。

进一步的，步骤4中采用加锚岩体海底隧道相似模型试验系统进行试验，模型试验主要由模型架、相似模型注浆体、人工开挖过程、支护结构组成，其中，模型架四周为钢化透明玻璃，其中一面设有人工开挖开始时的孔洞，预设节理面位于注浆体内，在模型试验顶部设置装有海水的容器，可从顶部向注浆体注入一定压力的海水，海水沿节理面渗透在注浆体内营造腐蚀环境，在注浆体内预埋包括但不限于多点位移计、微型压力传感器、微型渗压计、光纤传感器的监测元件；实验开始，人工模拟在注浆体内进行开挖并进行锚杆支护，支护完成后，将锚杆设置为阳极，多点位移计设置为阴极，将两者连接到电化学站进行电化学加速腐蚀，从而在加速腐蚀的实验过程中监测加锚节理区腐蚀影响下的位移场、应力场及渗流场变化情况。

进一步的，在三轴压缩渗透试验前将锚固节理岩体模拟试件的钢筋锚固端长于试件的部分截断，在进行三轴压缩试验时，改进三轴压缩试验，原有的压力端直接接触被压试件，在进行本实验时，利用力的传递原理将压力端置于压力接触面钢板之上，能够实现试件的均匀受压。

进一步的，反应室利用声发射技术、光栅传导技术和ct实时扫描，检测试件初始应力发生时间、起始开裂时间、以及裂隙扩列到节理岩体临界时间。选取不同时间拆样、清洗、称重并采用电镜扫描和x射线荧光谱分析，建立锈蚀不同腐蚀度与氯离子浓度、腐蚀时间标定关系研究。本发明的工作原理为：

本发明利用钢制模具制备在相似模型条件下的加锚节理岩体模型试件，调整氯离子浓度，通过电化学站的加速腐蚀环境作用，利用所测腐蚀电压、电流与时间的数值关系，进行加锚节理岩体腐蚀度与氯离子浓度、腐蚀时间的标定关系研究，而后在对加锚试件处理后进行三轴压缩渗透全破坏过程试验，利用数据采集系统获取相关力学参数，进而利用加锚岩体海底隧道室内相似模型试验与现场试验进行数据对比分析，从而相对全面地研究在复杂应力状态下加锚节理岩体腐蚀进程中锚固锈蚀损伤机理的研究。

本发明的有益效果为：

1)通过相似模型时间的制备，模仿真实环境下的岩体节理发展状态，是本实验的一处创新所在，相似模型能够在保持岩体强度、弹性模量等相关力学参数的相对准确的前提下，便于开展实验。

2)基于电化学腐蚀原理和法拉第定律，运用光纤传感技术、声发射技术和ct扫描等，监测加锚节理岩体锚固锈蚀过程中试件初始应力发生时间、起始开裂时间及裂纹扩展至节理岩体的临界时间，识别对应于三种时间节点的锈蚀层状态以及估算锈蚀量，具有一定的特色和创新。

3)通过试验可实时监测腐蚀前期、中期、后期的相关力学参数，可提出海水长期侵蚀下海底隧道加锚节理岩体锚固锈蚀损伤失效判据及其经验性公式。

4)通过室内加锚岩体海底隧道相似模型试验与现场试验的对比，可用于分析海水长期侵蚀作用下的海底隧道加锚节理岩体锚固锈蚀损伤的数值方法。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

附图1为操作流程图；

附图2为模拟加锚岩体试件制备装置立体图；

附图3为三轴压缩渗透试验立体图；

附图4为电化学站加速腐蚀工作流程立体图；

附图5为加锚岩体海底隧道相似模型试验平面图。

其中，2-1为加锚钢筋，2-2为定位螺栓杆，2-3为螺母，2-4为左置钢板，2-5为后置钢板，2-6为右置钢板，2-7为底部钢板，2-8为前置钢板，2-9为不锈钢片；3-1为压力显示器，3-2为压力控制轮，3-3为三轴试验机，3-4为压力接触板，3-5为压力室，3-6为底座，3-7为数据线，3-8为数据显示器；4-1为声发射装置，4-2为光栅传导装置，4-3为ct实时扫描装置，4-4为加锚钢筋，4-5为反应室ⅰ，4-6为反应室ⅱ，4-7为反应室ⅲ，4-8为电化学站，4-9为电化学站监测显示器；5-1为锚杆，5-2为多点位移计，5-3为预留节理面。

具体实施步骤

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在由于节理岩体的复杂性及对锚固结构锈蚀损伤演化作用机理的认识还不够充分，加固设计依然停留在经验设计的层面上，如何正确的分析海水对于节理岩体锚固结构应力、腐蚀、渗流及耦合作用效应，充分认识节理岩体锚固锈蚀损伤演化机理，提出合理加固海底隧道节理岩体的支护参数，避免由于锚固支护结构过早失效而造成海底隧道衬砌结构的开裂或崩溃，是当前海底隧道节理岩体布锚优化设计的关键问题，研究该损伤机理变得尤为重要，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种加锚节理岩体在海水侵蚀下锚固锈蚀机理的研究方法。

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

一种海底隧道加锚节理岩体在海水长期侵蚀下的锚固锈蚀损伤演化机理的研究方法，包括模型制备系统图2、加速腐蚀系统图4、力学实验系统图3、数据采集分析系统以及加锚岩体海底隧道相似模型试验系统图5。

模型制备系统，主要包括分离的五块钢板，其中包括底部钢板2-7，前置钢板2-8，后置钢板2-5，左置钢板2-4，右置钢板2-6，其中左、右钢板上有与底面呈45°且高度为板高一半的凹槽用于插不锈钢片2-9，模拟节理，同时左、右钢板上还存在用于连接前后钢板的凹槽，前置钢板上存在有洞口，以插入加锚钢筋2-1，五块钢板通过螺丝紧密相连。

加速腐蚀系统包括电化学站4-8、反应室、电化学站监测显示器5-9。所述反应室包括ⅰ室4-5、ⅱ室4-6、ⅲ室4-7，三个反应室相对独立，不同反应室cl^-浓度不同，电化学反应站可实时监测电流、电压情况，同时利用法拉第定律可得腐蚀量数据，数据显示器则可实时显示监测数据。

反应室包括声发射装置4-1、光栅传导装置4-2和ct实时扫描装置4-3，用于检测试件初始应力发生时间、起始开裂时间、以及裂隙扩列到节理岩体临界时间。而后选取不同时间拆样、清洗、称重并采用电镜扫描和x射线荧光谱分析，建立锈蚀不同腐蚀度与氯离子浓度、腐蚀时间标定关系研究。

力学实验系统涉及加锚试件的三轴压缩渗透试验。试验前将锚固节理岩体模拟试件的钢筋锚固端长于试件的部分截断，在进行三轴压缩试验时，改进三轴压缩试验，原有的压力端直接接触被压试件，在进行本实验时，压力室保证在加压过程中试件的稳定，利用力的传递原理将压力端置于压力接触面钢板3-4之上，能够实现试件的均匀受压。

加锚岩体海底隧道相似模型试验系统主要过程为模拟现场环境建立模型试验，模型试验主要由模型架、相似模型注浆体、人工开挖过程、支护结构组成，其中，模型架四周为钢化透明玻璃，其中一面设有人工开挖开始时的孔洞，预设节理面位于注浆体内，在模型试验顶部设置装有海水的容器，可从顶部向注浆体注入一定压力的海水，海水沿节理面渗透在注浆体内营造腐蚀环境，在注浆体内预埋多点位移计、微型压力传感器、微型渗压计、光纤传感器等监测元件，实验开始，人工模拟在注浆体内进行开挖并进行锚杆支护，支护完成后，将锚杆设置为阳极，多点位移计设置为阴极，将两者连接到电化学站进行电化学加速腐蚀，从而在加速腐蚀的实验过程中监测加锚节理区腐蚀影响下的位移场、应力场及渗流场变化情况。

下面详细说明海底隧道加锚节理岩体在海水长期侵蚀下的锚固锈蚀损伤演化机理的研究方法步骤：

步骤1：实验室测得岩体力学相关参数，并在模型相似比条件下制备加锚节理岩体模型试件并进行养护。

在模型制备系统制备试件前实验室应测得岩石力学参数，利用实验模型的几何相似比c1、容重相似比cy，根据强度相似比cr＝c1×cy，弹性模量相似比ce＝c1×cy，制备试件并进行编号以及计算出原料配合比。

试件制备过程中模拟现场加锚环境，以水泥、砂、水、外加剂为材料通过调整配合比制备相似模型试件，根据现场实测岩体强度；优选地，选取配合比为水泥：砂：水＝1：2.34:0.35；砂根据粒径不同主要比例；优选地，比例取为10-20目：20-40目：40-70目：70-120目＝53.3％：26.7％：13.3％：6.7％；减水剂取为总量的2％；试件中，以钢筋作为锚杆模拟加锚条件。

在制备过程中以45°面相似模拟节理面角度，光滑不锈钢片插入凹槽中，待试件凝固脱模后拔出不锈钢片，制备完成，优选地，养护时间为7天。

步骤2：将模型试件置于不同的反应室中进行电化学加速腐蚀，测得电压、电流等相关参数，同时利用法拉第定律可得腐蚀量数据，数据显示器则可实时显示监测数据。

步骤3：将置于反应室中的模型试件取出处理后进行三轴压缩渗透实验，选取不同的围压和渗透压力，同时开展相应未腐蚀的加锚岩体试验，对实验结果进行对比分析。

步骤4：上述试验完成后进行加锚节理岩体海底隧道相似模型试验，在模型试验的顶部施加一定压力的海水，模型内预埋多点位移计、微型压力传感器、微型渗压计、光纤传感器，实验过程中监测加锚节理区腐蚀影响下的位移场、应力场及渗流场变化。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。