测定隧道衬砌抗氯离子渗透性及裂缝发展的试验装置的制作方法

本发明涉及一种海底隧道衬砌结构在氯离子和周围复杂振动荷载耦合环境中的结构损伤模型试验装置，具体涉及一种弯曲布置振动荷载下测定隧道衬砌抗氯离子渗透性及裂缝发展的试验装置。

背景技术：

随着地下工程的不断发展和利用，人们已经不满足将目光只局限于道桥的发展，隧道运输这种交通方式的方便快捷，成为当今世界许多国家交通工程的一个重点发展的方向。但隧道探测施工困难，其安全性分析也成为建设养护隧道过程中的重中之重。近年来，随着很多的隧道衬砌结构在氯离子和复杂的周围结构动荷载耦合环境中发生损伤，人们逐步意识到在弯曲布置振动荷载下隧道衬砌结构抗氯离子渗透性及裂缝发展变化的的重要意义。

国内外相关学者针对在氯离子和周围复杂振动荷载耦合环境中隧道衬砌结构抗氯离子渗透性及裂缝发展变化的的研究方法主要是理论分析法、数值模拟法以及现场监测法。理论分析法是利用弹性理论，通过假定对研究模型进行简化，但在一定程度上不能准确考虑隧道衬砌与氯离子和周围复杂振动荷载耦合环境之间的复杂关系，并且计算量大；数值模拟方法一般需要借助大型商用软件，数值模型的建立较为复杂且计算耗时。现场监测方法是获取隧道衬砌结构抗氯离子渗透性及裂缝发展变化的的主要手段之一，但是受仪器设备以及人为观察因素等限制，现场测试结果具有一定偏差，同时现场监测需要投入一定量的人力物力，现场预埋测试元件非常容易在施工中受到破坏，从而延误监测乃至得到错误监测信息。此外，现有的衬砌损伤模拟系统很少有考虑氯离子和多种弯曲布置振动荷载耦合环境对衬砌损伤的影响。仅仅考虑单个环境对衬砌的损伤。也很少有考虑过在多种弯曲布置振动振动荷载下，地下水体对衬砌裂缝的影响。

技术实现要素：

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种弯曲布置振动荷载下测定隧道衬砌抗氯离子渗透性及裂缝发展的试验装置，实现在氯离子和复杂的空间动荷载耦合环境影响下，衬砌结构损伤情况的模拟，准确的测量抗氯离子渗透性变化情况、衬砌既有裂缝和新裂缝的发展状况及循环动荷载下压力水对衬砌承载特性的影响并进行分析。

本发明为解决其技术问题而采用技术方案是：一种测定隧道衬砌结构抗氯离子渗透性及裂缝发展的试验装置，包括模型箱、氯离子环境、隧道衬砌模型、空间动荷载模拟装置、应力监测装置，所述模型箱缸底为矩形钢板，缸体为透明的矩形钢化玻璃，缸顶为具有多圆孔可拆卸的透明钢化玻璃；所述模型箱中盛有氯化钠溶液，模拟空间氯离子环境，所述模型箱溶液中水平放置已出现裂缝的隧道衬砌模型，所述应力监测装置采用多组电阻应变片，在衬砌内表面端口和中间截面分别横向粘贴一组电阻应变片，用于测量衬砌的应变，电阻应变片通过线路由缸顶圆孔引出与应变仪连接；电阻应变片和线路分别置于防水罩和防水软管连体结构内，所述空间动荷载模拟装置采用防水激振器，在隧道衬砌模型外表面的上侧及两侧分别安装两个防水激振器，固定在缸顶圆孔上的钢架上安装个防水激振器，防水激振器通过线路由缸顶引出与功率放大器连接，功率放大器连接计算机加载系统，控制和调节激振器振动强度，从而模拟不同弯曲动荷载强度下隧道衬砌的抗氯离子渗透性能变化、既有裂缝和新裂缝发展及应力变化情况。

进一步，所述空间动荷载模拟装置在隧道衬砌模型外表面的两个三等分截面上各安装个激振器，个激振器产生不同频率的弯曲荷载，可真实的模拟地下空间复杂的振动模式，以及不同的震源产生的振动之间的相互影响，作用在衬砌结构上的情况，并通过控制计算机加载系统来准确的模拟隧道衬砌在实际环境中受到的复杂空间振动荷载。

进一步，所述个激振器分成六组，每组两个激振器，在试验时，将同一组的激振器进行不同频率、不同方向的激振，以产生组合效应，通过观测应变片测得的数据变化得出衬砌应变变化的规律。

进一步，所述激振器的振动在氯化钠溶液中产生压力水，可模拟在循环动载下地下压力水进入衬砌裂缝中对隧道衬砌承载力的影响。

进一步，所述隧道衬砌模型表面的三个横向应变片及其连接的应变仪组成应力监测模型，可实时监测在弯曲布置的激振荷载和压力水耦合作用下衬砌结构的应力变化，判断衬砌裂缝发展情况。

本发明的有益效果是：

本发明与现有技术相比较，具有如下显著优点：

1、本试验测试装置可以手工制作，在相关科研中广泛性良好，试验测试方案具有较强扩展性，可以进一步应用到不同温度等条件下氯离子和复杂的空间动荷载耦合环境对隧道衬砌结构损伤影响效应的研究中；

2、本试验安装在隧道衬砌外表面的六个能同时工作的防水激振器，能通过控制计算机加载系统来准确的模拟隧道衬砌在实际环境中受到的复杂空间振动荷载；

3、本试验激振器的振动在氯化钠溶液中还会产生压力水，可模拟在循环动载下地下压力水进入衬砌裂缝中对隧道衬砌承载力的影响；

4、本试验中隧道衬砌内表面的三个横向应变片及其连接的应变仪，可实时监测在弯曲布置的激振荷载和压力水耦合作用下衬砌结构的应力变化，判断衬砌裂缝发展情况；

5、隧道衬砌模型为既有裂缝衬砌模型，就能更贴合实际的模拟实际使用中的隧道衬砌；

6、本试验氯化钠溶液可模拟在不同弯曲动荷载强度下隧道衬砌的抗氯离子渗透性能变化及地下水环境；7、采用本套装置进行氯离子和复杂的空间动荷载耦合环境影响下，衬砌结构损伤情况模型试验，可为海底隧道工程施工和长期养护提供良好的咨询与建议，对于制定氯离子和复杂的空间动荷载耦合环境下隧道衬砌结构设计技术标准以及后期养护过程中的安全保护措施提供一定的理论参考。

附图说明

图1为本发明在实施例中的模型箱内测试装置示意图；

图2为本发明在实施例中的应变片及激振器线路分布图；

图3为本发明在实施例中的应变片测点布置图；

图4为本发明在实施例中的激振器测点布置图。

具体实施方式

下面结合附图，通过一个优选实施例对本发明作进一步地详细说明。

如图1至图4所示，一种测定隧道衬砌抗氯离子渗透性及裂缝发展的试验装置，包括模型箱、氯离子环境、隧道衬砌模型、空间动荷载模拟装置、应力监测装置。模型箱1缸底为矩形钢板，缸体为透明的矩形钢化玻璃，缸顶为具有多圆孔可拆卸的透明钢化玻璃；模型箱1中盛有氯化钠溶液2，模拟空间氯离子环境，模型箱1溶液中水平放置已出现裂缝的隧道衬砌模型3。

首先，制作一个模型箱、氯离子环境(在模型箱中引入氯化钠溶液)、一个隧道衬砌模型、一套空间动荷载模拟装置、应力监测装置。

如图1所示，模型箱外形呈长方体，内部空间尺寸为1800mm×1600mm×700mm(长×宽×高)，由厚15mm的钢板37做底，前后左右面采用厚度为20mm的钢化玻璃38，底部与钢板37相连，顶部为尺寸1860mm×1660mm×20mm(长×宽×高)可拆卸钢化玻璃板39，整个模型箱为一体且内部均涂有具有弹性的减震层且在箱底固定厚度为50mm的防震海绵40，具有减震和增大摩擦的作用，其中顶部玻璃板可拆卸便于试验后期取出衬砌模型检测裂缝发展情况和氯离子的渗透程度，顶部玻璃板上均匀分布6×6个直径6mm的圆孔以便通入注水管和应变片、激振器线路以及固定安装激振器的钢架20。隧道衬砌模型3为内部直径500mm、长1000mm的钢筋混凝土半圆筒体，放置于模型箱中氯化钠溶液内部，与模型箱长边平行。氯化钠溶液由圆孔41通入塑料软管42引入，塑料软管42的一端连接一个漏斗，便于灌入溶液。

试验开始先卸下模型箱顶盖，放入衬砌结构以及贴好的应变片，然后将固定好激振器的钢架锚固在模型箱顶盖的圆孔47～58上，盖上盖顶39，通过塑料软管42灌入氯化钠溶液1.44升，然后启动应变片4～18和激振器21～32的电源，使其工作，我们可以调节信号发出系统28，来控制每个激振器的振动频率和方向，使激振器21～32在衬砌结构上产生多个不同的弯曲荷载耦合作用。

如图2所示，该图所绘为衬砌结构的一侧侧面，分别取衬砌结构的两个端口和中间截面，在每个截面上各贴三个应变片，形成连续应变片系统，便于测量结构的应变情况，以及对裂缝的监测。从图中可以看出应变片5、6、8、9、11、12、14、15、17、18的安装位置，应变片在衬砌结构内侧面是对称分布，即应变片4、7、10、13、16与应变片6、9、12、15、18在同一水平面上。应变片4～18的线路通过防水罩和防水管连体结构43经圆孔44引出，与应变仪36相连，然后再连接信息收集系统34。防水激振器的安装位置如图2、3所示，在衬砌结构的外表面的两个三等分截面上各安装6个激振器，可做到多个激振器产生不同频率的弯曲荷载，更加真实的模拟地下空间复杂的振动模式，以及不同的震源产生的振动之间的相互影响，作用在衬砌结构上的情况。防水激振器的线路45如图所示，通过圆孔46引出，先与信号放大器43相连接，再将功率放大器33与计算机加载系统34相连接。激振器的加载系统、信号发出系统28，又作为应变仪的信号收集系统，记录数据并进行分析。

如图3所示，为隧道衬砌模型3纵向切面中应变片和防水罩的位置分布图，图中衬砌结构的原有裂缝35，用来模拟在多种弯曲激振下，原有裂缝的发展状况。

如图4所示，激振器21～32在衬砌结构外表面的具体安装位置及其线路39的走向。将激振器21、22作为第一组，激振器23、24作为第二组、激振器25、26作为第三组、激振器27、28作为第四组、激振器29、30作为第五组、激振器31、32作为第六组对衬砌结构进行激振。在试验的可以将同一组的激振器进行不同频率、不同方向的激振，以产生组合效应，再通过观测应变片测得的数据变化得出衬砌应变变化的规律。

在本实施例中，应变仪用于衬砌的应变测量，以及衬砌裂缝的监测。本试验对衬砌结构裂缝的具体宽度和深度的测定主要是通过加载之后取出衬砌结构用裂缝测宽仪和超声仪测得。对于衬砌结构抗氯离子渗透性的测定主要是通过将衬砌结构，；来钻取的混凝土粉末，判定混凝土中氯离子的浓度。

以下列出利用本发明的模型箱进行模拟的几种情况。

模拟一：通过连接激振器的信号发出系统调节激振器的激振频率和方向，使其对衬砌结构3产生弯曲激振，可模拟衬砌结构在地下空间中受到的周围动载产生的弯曲荷载。观察连接着连接应变仪的计算机信息收集系统34中衬砌结构的应变情况。试验过程中将六组激振器同时持续激振，观察应变仪的变化情况，通过多个应变片的连续监测，可以得到隧道裂缝发展的情况，通过应变片6的连续监测可得到原有裂缝35的发展情况。

模拟二：由图1中的氯化钠溶液2模拟衬砌结构处于的氯离子环境，通过控制六组激振器的激振，可模拟衬砌结构在多处弯曲激振下的抗氯离子渗透情况。先通过改变弯曲激振的频率和激振强度来模拟不同强度和频率的激振下衬砌结构的氯离子渗透情况。再通过不同浓度的氯化钠溶液中的衬砌结构在相同的弯曲布置的激振下，衬砌结构的氯离子的渗透情况。双向试验来得出弯曲布置的激振对衬砌结构抗氯离子渗透性的影响情况。

模拟三：通过作用第一组激振器，模拟地下水体在激振作用下对衬砌结构的承载力和裂缝发展情况。作用第一组激振器，然后观测应变片4、5、6测得的一个连续应变值，来实现观测激振器周围原有裂缝和新裂缝的发展情况。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不只局限于此，还可以在不超出本发明的要点的范围内进行适当变更。

本发明的实施方式作用与效果：

本发明上述实施例通过弯曲布置振动荷载下隧道衬砌结构抗氯离子渗透性及裂缝发展变化的试验装置，可以获得在多个弯曲布置的激振和氯离子耦合环境条件下，隧道衬砌结构的氯离子渗透情况以及衬砌结构原有裂缝和新裂缝的发展情况，从而达到准确测量复杂的空间动荷载和氯离子环境引起的隧道衬砌结构的抗氯离子渗透性和裂缝发展技术效果。