一种氯离子含量的预测方法、计算机存储介质及设备

本发明涉及隧道及地下结构耐久性寿命预测，具体涉及一种氯离子含量的预测方法、计算机存储介质及设备。

背景技术：

1、随着人民群众对交通便利的需求，跨海越江隧道已被建成多个。然而，跨海越江隧道除受到地层压力作用外，还面临高水压和强侵蚀等环境作用的威胁，这些因素的共同作用严重影响着跨海越江隧道混凝土衬砌结构的耐久性。

2、氯离子侵入混凝土导致钢筋锈蚀是跨海隧道衬砌混凝土结构耐久性失效最主要的原因。然而，关于氯离子侵入混凝土导致钢筋锈蚀的现有研究成果多是基于混凝土内部处于饱和状态的假定的基础上利用对流-扩散方程研究得到的，无法反映混凝土内部饱和、非饱和两种状态并存的真实环境。此外，在现有研究成果中大多近似利用混凝土内的总氯离子含量替代自由氯离子含量来分析结构耐久性寿命，并没有考虑混凝土内自由氯离子和结合氯离子共存的真实情况，且研究表明结合氯离子不会对结构耐久性造成影响。

3、综上所述，现有的饱和状态假定基础以及总氯离子含量替代自由氯离子含量来分析预测结构耐久性寿命还不够准确。因此，需要一种考虑非饱和效应的隧道及地下结构混凝土中氯离子含量的预测方法、计算机存储介质及设备以解决现有技术中存在的问题。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种氯离子含量的预测方法、计算机存储介质及设备，具体技术方案如下：

2、在第一方面，本发明提供了一种氯离子含量的预测方法，包括：

3、步骤s1、采集隧道及地下结构混凝土内的总氯离子含量、自由氯离子含量、结合氯离子含量和孔隙水压力，采集隧道及地下结构混凝土迎水侧的氯离子含量、迎水侧压力和隧道及地下结构混凝土的厚度，建立非饱和状态下的隧道及地下结构混凝土中的氯离子侵蚀模型；

4、步骤s2、计算隧道及地下结构混凝土内的渗流场分布得到孔隙水压力分布h(x)；确定隧道及地下结构混凝土内各位置的非饱和渗透系数k(h)和非饱和扩散系数d(s)；

5、将孔隙水压力分布h(x)、非饱和渗透系数k(h)和非饱和扩散系数d(s)代入氯离子侵蚀模型中求解氯离子含量分布曲线，由氯离子含量分布曲线预测隧道及地下结构混凝土中氯离子含量变化。

6、可选的，在步骤s1中，所述氯离子侵蚀模型为式(1)：

7、

8、在式(1)中，ct表示隧道及地下结构混凝土内的总氯离子含量，ct＝cf+cb；cf表示隧道及地下结构混凝土内的自由氯离子含量；cb表示隧道及地下结构混凝土内的结合氯离子含量；表示氯离子结合能力的倒数，其中，α、β为与隧道及地下结构混凝土有关的模型参数，通过开展langmuir等温吸附试验确定；t表示时间；x表示距离隧道及地下结构混凝土迎水侧的距离；h表示隧道及地下结构混凝土内的孔隙水压力。

9、可选的，在步骤s2中，所述渗流场分布采用式(2)表示：

10、

11、在式(2)中，se＝1/[1+|ah(x)|n]m；cm表示隧道及地下结构混凝土的单位容水度；se表示隧道及地下结构混凝土的有效饱和度，其取值范围为0-1；s表示储水系数；θs表示饱和含水率；θr表示残余含水率；参数a、l、m和n为与隧道及地下结构混凝土类别有关的模型参数，参数a和m分别通过测定隧道及地下结构混凝土的水分特征曲线确定。

12、可选的，参数m和l满足下列式(3)：

13、

14、可选的，在步骤s2中，采用渗流场分布得到目标时刻下的孔隙水压力分布h(x)的过程包括：

15、确定求解域{0≤x≤l；0≤t≤t′}，并将所述求解域离散为用下标(i,j)表示的离散点

16、

17、其中，x表示距离隧道及地下结构混凝土迎水侧的距离；l表示隧道及地下结构混凝土的厚度；xi表示离散后的混凝土节点坐标；δx表示距离离散步长；t表示初始时刻至目标时刻之间的时间；t′表示目标时刻；tj表示离散后的时间节点坐标；δt表示时间离散步长；i表示离散后的距离份数；j表示离散后的时间份数；

18、当目标时刻为初始时刻时，即j＝1，η1为隧道及地下结构混凝土的迎水侧压力p0；η1、η2至均取值为初始孔隙压力h0；

19、采用有限差分法构建矩阵表达式a1x1＝b1，并将p0和h0代入矩阵表达式a1x1＝b1得到目标时刻下的孔隙水压力分布h(x)；

20、设定：

21、

22、

23、

24、其中，在向量a1、向量x1和向量b1中各元素的下标分别与xi中的下标一一对应,向量a1、向量x1和向量b1中各元素的上标分别与tj中的下标一一对应；在向量a1中，αi表示离散后的混凝土节点坐标xi对应的矩阵内部数值α，βi表示离散后的混凝土节点坐标xi对应的矩阵内部数值β，γi表示离散后的混凝土节点坐标xi对应的矩阵内部数值γ；向量x1表示h(x)在离散后的混凝土节点坐标x1、x2、...、xi-1、xi、xi+1处的孔隙水压力，其中，h1表示h(x1)、h2表示h(x2)、...、hi表示h(xi)、hi+1表示h(xi+1)；在向量b1中，ηi表示离散后的混凝土节点坐标xi对应的矩阵内部数值η；表示j+1时刻，离散后的混凝土节点坐标xi对应的矩阵内部数值α；表示j+1时刻，离散后的混凝土节点坐标xi对应的矩阵内部数值β；表示j+1时刻，离散后的混凝土节点坐标xi对应的矩阵内部数值γ；表示j+1时刻，离散后的混凝土节点坐标xi对应的矩阵内部数值η；表示j时刻，离散后的混凝土节点坐标xi对应的孔隙水压力h；表示j+1时刻，离散后的混凝土节点坐标xi和xi-1中间位置对应的矩阵内部数值a(h)；表示j+1时刻，离散后的混凝土节点坐标xi和xi+1中间位置对应的矩阵内部数值a(h)；表示j时刻，离散后的混凝土节点坐标xi对应的矩阵内部数值a(h)；表示j时刻，离散后的混凝土节点坐标xi-1对应的矩阵内部数值a(h)；表示j时刻，离散后的混凝土节点坐标xi+1位置对应的矩阵内部数值a(h)；表示j+1时刻，离散后的混凝土节点坐标xi和xi-1中间位置对应的矩阵内部数值k(h)；表示j+1时刻，离散后的混凝土节点坐标xi和xi+1中间位置对应的矩阵内部数值k(h)；表示表示j时刻，离散后的混凝土节点坐标xi对应的矩阵内部数值k(h)；表示j时刻，离散后的混凝土节点坐标xi-1对应的矩阵内部数值k(h)；表示j+1时刻，离散后的混凝土节点坐标xi+1位置对应的矩阵内部数值k(h)。

25、可选的，采用式(4)计算隧道及地下结构混凝土内的初始孔隙压力h0：

26、

27、在式(4)中，se0表示隧道及地下结构混凝土的初始饱和度。

28、可选的，在步骤s2中，非饱和渗透系数k(h)和非饱和扩散系数d(s)采用式(5)计算：

29、

30、在式(5)中，ds表示隧道及地下结构混凝土的饱和扩散系数；ψ为扩散方程系数；kr表示相对渗透系数；ks表示隧道及地下结构混凝土饱和渗透系数。

31、可选的，在步骤s2中，求解氯离子含量分布曲线的过程包括：

32、确定隧道及地下结构混凝土内的初始氯离子含量c0和迎水侧氯离子含量ci；

33、采用有限差分法构建矩阵表达式a2x2＝b2，并将c0和ci代入矩阵表达式a2x2＝b2得到目标时刻下的氯离子含量分布曲线v(cf)；

34、设定：

35、

36、

37、

38、其中，在向量a2、向量x2和向量b2中各元素的下标分别与xi中的下标一一对应，向量a2、向量x2和向量b2中各元素的上标分别与tj中的下标一一对应；在向量a2中，σi表示离散后的混凝土节点坐标xi对应的矩阵内部数值σ，表示离散后的混凝土节点坐标xi对应的矩阵内部数值τi表示离散后的混凝土节点坐标xi对应的矩阵内部数值τ；向量x2表示在离散后的混凝土节点坐标x1、x2、...、xi-1、xi、xi+1处的氯离子含量；在向量b2中，ξi表示离散后的混凝土节点坐标xi对应的矩阵内部数值ξ；表示j+1时刻，离散后的混凝土节点坐标xi对应的矩阵内部数值σ；表示j+1时刻，离散后的混凝土节点坐标xi对应的矩阵内部数值表示j+1时刻，离散后的混凝土节点坐标xi对应的矩阵内部数值τ；表示j+1时刻，离散后的混凝土节点坐标xi对应的矩阵内部数值ξ；表示j+1时刻，离散后的混凝土节点坐标xi和xi-1中间位置对应的矩阵内部数值b(cf)；表示j+1时刻，离散后的混凝土节点坐标xi和xi+1中间位置对应的矩阵内部数值b(cf)；表示j时刻，离散后的混凝土节点坐标xi-1位置对应的矩阵内部数值b(cf)；表示j时刻，离散后的混凝土节点坐标xi+1位置对应的矩阵内部数值b(cf)；表示j时刻，离散后的混凝土节点坐标xi位置对应的矩阵内部数值b(cf)；表示j+1时刻，离散后的混凝土节点坐标xi和xi-1中间位置对应的矩阵内部数值v(cf)；表示j+1时刻，离散后的混凝土节点坐标xi和xi+1中间位置对应的矩阵内部数值v(cf)；表示j时刻，离散后的混凝土节点坐标xi-1位置对应的矩阵内部数值v(cf)；表示j时刻，离散后的混凝土节点坐标xi+1位置对应的矩阵内部数值v(cf)；表示j时刻，离散后的混凝土节点坐标xi位置对应的矩阵内部数值v(cf)；表示j时刻，离散后的混凝土节点坐标xi位置对应的自由氯离子含量；表示j+1时刻，离散后的混凝土节点坐标xi位置对应的自由氯离子含量。

39、在第二方面，本发明提供了一种计算机存储介质，在计算机存储介质上存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令被处理器执行时实现所述的氯离子含量的预测方法。

40、在第三方面，本发明提供了一种设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行所述的氯离子含量的预测方法。

41、应用本发明的技术方案，至少具有以下有益效果：

42、(1)本发明提供的一种氯离子含量的预测方法，从隧道及地下结构混凝土中氯离子的传输机制出发，综合考虑氯离子结合效应、扩散作用和对流效应对氯离子传输的影响，建立了非饱和状态下的隧道及地下结构混凝土氯离子非线性对流-扩散侵蚀模型，即氯离子侵蚀模型。该氯离子侵蚀模型准确性更高，考虑的氯盐传输机制更广泛，能够为今后的海底混凝土隧道耐久设计研究提供理论基础，对相关类似工程的耐久性设计具有指导性作用。另外，本发明考虑了隧道及地下结构混凝土内部饱和、非饱和两种状态并存的真实环境，区分了混凝土内自由氯离子和结合氯离子两种并存状态，并给出了氯离子侵蚀模型的高效数值求解方法。与其它计算方法相比，本发明提供的隧道及地下结构混凝土氯离子侵蚀模型更贴近实际工程情况。

43、(2)本发明提供的一种计算机存储介质，便于存储计算机程序指令，当所述计算机程序指令被处理器执行时实现所述氯离子含量的预测方法

44、(3)本发明提供的一种设备，用于实现所述氯离子含量的预测方法。

45、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。