一种能模拟腐蚀环境的锚固顺层边坡模型试验系统的制作方法

本实用新型涉及岩土工程模型试验技术领域，具体涉及一种能模拟腐蚀环境的锚固顺层边坡模型试验系统，适用于露天矿模型及岩土滑坡模型试验。

背景技术：

顺层边坡是指层面和坡面的走向、倾向基本一致的层状结构岩体边坡。经历工程扰动后，顺层边坡易发生失稳破坏，预应力锚固结构广泛应用于高陡顺层边坡加固工程。而预应力锚固工程并非“一劳永逸”，应用于边坡工程中的预应力锚固结构所处环境十分恶劣，坡体中的预应力锚索（杆）在经历较长时间的运行后会因化学腐蚀、应力腐蚀以及坡体蠕变等综合因素发生结构损伤或失效。预应力锚索脆性失效导致的高速滑坡易造成严重的灾害，迫切需要开展腐蚀环境下锚固顺层边坡稳定性退化机理与安全评估研究。

边坡模型试验是一种用于研究斜坡变形失稳的发生、发展及破坏形态的试验方法。主要是使用相似材料在室内构建边坡的缩尺物理模型，对其施加开挖、降雨、堆载等外荷载，同时测试其应力应变响应过程，从而揭示斜坡失稳模式与灾变机理。

目前，对锚固顺层边坡试验研究主要集中于锚固结构受力规律、锚索失效后边坡破坏特征、锚固筋材预应力损失等方面。而边坡工程中，腐蚀环境下预应力钢绞线腐蚀损伤机制、锚固结构腐蚀损伤对边坡变形与稳定性的影响规律等问题尚未解决。国内外对腐蚀环境下锚固顺层边坡系统长期演化行为研究较少。

现有的预应力锚固顺层边坡模型试验系统存在以下不足：

(1) 现有的锚固边坡模型试验系统不能对锚索所处的腐蚀性溶液、供氧条件等腐蚀环境进行模拟，无法研究腐蚀环境下锚固顺层边坡时效演化行为。

(2) 现有的锚固边坡模型试验系统可以测试边坡的变形、应力等响应过程，但不能测试锚固结构的腐蚀速率、腐蚀程度等参数。

(3) 现有的锚固边坡模型试验系统可以实现自重荷载、垂直堆载、水位变化等外部荷载，但不能施加非均匀分布的水平应力场。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种能模拟腐蚀环境的锚固顺层边坡模型试验系统，解决了如何在锚固边坡模型试验系统中模拟腐蚀环境，如何在锚固边坡模型试验中测试预应力锚筋的腐蚀速率与腐蚀程度，如何对边坡模型施加水平向的非均布荷载，且当坡体变形时及时补充加载的问题，能够模拟腐蚀环境、非均匀分布的水平应力场，并能在试验过程中开展锚固结构的电化学测试。

本实用新型目的通过下述技术方案来实现：

一种能模拟腐蚀环境的锚固顺层边坡模型试验系统，包括柔性水平应力加载装置，还包括锚固边坡模型系统和电化学测试装置，

锚固边坡模型系统包括坡体和腐蚀池，坡体包括按照设定倾角由下至上设置的岩层，各个岩层之间铺设有的结构面材料，岩层上预制有岩体预留孔道，坡体一侧为垂直侧，另一侧为边坡面，腐蚀池包括PVC管、三通管和管盖，岩体预留孔道内埋设PVC管，PVC管上端口敞开，PVC管上端口与坡体的边坡面平齐，PVC管下端口伸出岩体预留孔道并与三通管的第一端口连接，三通管的第二端口用管盖封闭，三通管的第三端口朝上，坡体侧部不同设定位置设置应变传感设备，坡体旁边安装位移传感设备，

电化学测试装置包括预应力锚筋、无预应力筋、辅助电极、参比电极和电化学工作站，

预应力锚筋一端穿过三通管的第二端口的管盖、反力墙后，使用下端锚具固定于反力墙，预应力锚筋另一端穿过PVC管、测力计后，使用上端锚具固定于坡体的边坡面，

无预应力筋和辅助电极均通过绝缘固定绳悬挂于三通管中；参比电极设置在三通管内，预应力锚筋、无预应力筋、辅助电极、参比电极相互不接触并分别通过导线与电化学工作站连接，

柔性水平应力加载装置为坡体的垂直侧整体提供加载力。

如上所述的柔性水平应力加载装置包括加荷板、传荷板和反力墙，传荷板紧贴坡体垂直侧设置，定位销一端固定于传荷板，另一端伸出设置在加荷板的定位销预留孔道，加荷板与传荷板在PVC管的延伸处开设有供PVC管和预应力锚筋穿过的管道预留穿孔；定位销上套设有弹簧，弹簧位于加荷板与传荷板之间；千斤顶的固定端固定于反力墙，千斤顶的伸缩端支撑于加荷板，反力墙下端部分嵌入地下并通过支撑三脚架加固。

如上所述的千斤顶作用在加荷板上的高度位于坡体的总高度的三分之一处。

氧气管一端插入到三通管内且位于三通管的底部，氧气管另一端与供氧泵连通。

本实用新型相对于现有技术具有以下优点：

1、现有锚固边坡模型试验系统主要用于研究锚固边坡的力学加固机制与变形破坏规律，尚未涉及到预应力锚固边坡体系的腐蚀耐久性问题，而该问题不容忽视。本实用新型在边坡模型中内置腐蚀池，腐蚀池中填充腐蚀液，并采用可调供氧泵供氧，可以模拟预应力锚索所处的腐蚀环境，从而研究锚固顺层边坡体系对腐蚀环境的响应规律。

2、现有锚固边坡模型试验系统中的测试内容主要包括位移、应力、土压力、孔隙压力等测试，而不能探测与描述坡体中预应力筋材的腐蚀状态。本实用新型在预应力锚固边坡内置的腐蚀池中设置三电极体系，使用电化学工作站可以实时监测预应力锚筋的自腐蚀电位、腐蚀电流密度、交流阻抗谱等电化学参数，能很好的掌握腐蚀环境下预应力锚筋的腐蚀状态变化过程与腐蚀机理。

3、现有边坡模型试验系统中的水平加载装置为刚性加载，刚性加载装置施加在坡体上的力可以认为是均布荷载，而实际上，不同高程处岩体的水平应力并不相同，另外，当坡体发生一定位移时，刚性加载装置与坡体之间不能满足变形协调,会导致荷载不能及时施加在变形坡体上。本实用新型组合两块薄钢板与多个弹簧开发了边坡水平柔性加载装置，将集中力作用点设置于距离地面h/3处（h为坡体高度），可以模拟岩体不同高程水平向的非均匀分布荷载，当坡体发生变形时柔性加载装置的弹性变形量可以对坡体迅速补充加载，故较逼真地模拟了边坡中的水平应力。

附图说明

图1为本实用新型的立面图。

图2为本实用新型的剖面图。

图3为本实用新型的右视图。

图4为本实用新型中电化学测试装置示意图。

图中：1—岩层材料，2—腐蚀池，3—预应力锚筋，4-1—上端锚具，4-2—下端锚具，5—测力计，6—加荷板，7—传荷板，8—定位销，9—弹簧，10—千斤顶，11—反力墙，12—支撑三脚架，13—电化学测试装置，14—无预应力筋，15—辅助电极，16—参比电极，17-1—预应力工作电极导线，17-2无预应力工作电极导线，18—参比电极导线，19—辅助电极导线，20—电化学工作站，21—可调式供氧泵，22—氧气管，23—密封圈，24—绝缘固定绳，25—结构面材料，26—位移传感设备，27—应变传感设备。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案，但附图中的实施例不构成对本实用新型的任何限制。

如图1～图4所示，一种能模拟腐蚀环境的锚固顺层边坡模型试验系统，包括锚固边坡模型系统、柔性水平应力加载装置、电化学测试装置13，具体为：

锚固边坡模型系统包括坡体、腐蚀池2、锚具（4-1、4-2）、测力计5等。

坡体包括按照设定倾角由下至上设置的岩层，各个岩层之间铺设有的结构面材料25，岩层内预制有岩体预留孔道，岩体预留孔道内设置有腐蚀池2的PVC管，岩层采用岩层材料1制作。岩层材料1和结构面材料25为室内人工配置而成，可根据工程实际中岩层和结构面的物理参数、力学参数按模型试验中的相似准则进行配置。使用预制模板中预留岩体预留孔道的方式制作岩层，制作出的岩层是含岩体预留孔道的，多个含岩体预留孔道的岩层材料1和结构面材料25组成含有岩体预留孔道的坡体，按照设计倾角由下至上分层吊装岩层，每完成一层在其上部均匀铺设结构面材料25，直至完成含有岩体预留孔道的坡体，岩体预留孔道用于放置腐蚀池2的PVC管与预应力锚筋3，孔道方向与预应力锚筋3设置方向平行。坡体一侧为垂直侧，另一侧为边坡面。

为满足常规测试要求，可在坡体侧部不同位置预埋应变传感设备27，可在坡体旁制作测试支架并安装位移传感设备26，应变传感设备27可采用应变片，应变片按45°三轴应变花方式分别粘贴于坡体侧面不同设定部位，位移传感设备26可采用百分表式位移传感器，位移传感设备26固定于型钢制成的位移传感器安装支架，位移传感器安装支架固定于地面，位移传感设备26的测头直接接触测点，测点使用刚性小方块制成，刚性小方块通过螺丝固定于坡体侧面不同设定位置。坡体完成后埋设腐蚀池2，腐蚀池2包括PVC管、三通管及管盖，PVC管直径小于岩体预留孔道直径，PVC管直接放置于岩体预留孔道中，PVC管上端口自然敞开，PVC管上端口面与坡体的边坡面平齐，不伸出岩体预留孔道；PVC管下端口略伸出岩体预留孔道，PVC管下端口与三通管的第一端口连接，三通管的第一端口和第二端口位于同一直线上，三通管的第二端口用管盖封闭，三通管的第三端口朝上，三通管的第三端口用于灌注腐蚀液，通过三通管的第三端口中的液面高度控制预应力锚筋3的浸泡长度，三通管的第三端口的高度不足时，可使用PVC管接头加长。预应力锚筋3的上端穿过腐蚀池2的PVC管，预应力锚筋3的下端穿过三通管的第二端口的管盖、反力墙11后，使用下端锚具4-2固定于反力墙11，预应力锚筋3不与PVC管接触，预应力锚筋3的上端穿过PVC管、测力计5后，通过穿心千斤顶张拉，张拉后使用上端锚具4-1锁定于坡体的边坡面；测力计5放置于上端锚具4-1与坡体的边坡面之间，测力计5一端贴紧坡面，测力计5另一端与上端锚具4-1接触，预应力锚筋3的上端通过穿心千斤顶张拉与锁定，张拉和锁定后的预应力锚筋3两端由上端锚具4-1和下端锚具4-2分别固定在坡体的边坡面和反力墙11上，预应力锚筋3拉动上端锚具4-1，上端锚具4-1挤压测力计5进行测量。

柔性水平应力加载装置包括加荷板6、传荷板7、定位销8、弹簧9、千斤顶10、反力墙11、支撑三脚架12。

加荷板6与传荷板7均使用1cm厚钢板制成，传荷板7紧贴坡体垂直侧，定位销8一端固定于传荷板7，一端伸出设置在加荷板7上的定位销预留孔道，定位销预留孔道的直径大于定位销8的直径，允许传荷板7与加荷板6发生倾斜或弯曲变形，传荷板7底部加工为弧形，减少移动阻力，以便水平施压；加荷板6与传荷板7在PVC管的延伸处开设有管道预留穿孔以供PVC管和预应力锚筋3穿过，管道预留穿孔直径大于PVC管直径；多个弹簧9布置于加荷板6与传荷板7之间，且各个弹簧9分别套于定位销8上；千斤顶10的固定端固定于反力墙11，千斤顶10的伸缩端支撑于加荷板6，千斤顶10作用在加荷板6上的高度位于坡体的总高度的三分之一处，反力墙11下端部分嵌入地下，使用支撑三脚架12对反力墙11进行加固，增加反力墙11的刚度与承载力，支撑三脚架12采用螺栓分别固定于反力墙11与地面。

电化学测试装置13包括，用作工作电极的预应力锚筋3或无预应力筋14、辅助电极15、参比电极16、工作电极导线17、参比电极导线18、辅助电极导线19、电化学工作站20、可调式供氧泵21、氧气管22、密封圈23、绝缘固定绳24等。

预应力锚筋3与预应力工作电极导线17-1连接，无预应力筋14与无预应力工作电极导线17-2连接，预应力锚筋3或无预应力筋14作为工作电极时分别进行测试，无预应力筋14用于对比分析，预应力锚筋3设置于三通管中部，无预应力筋14设置于三通管底部；辅助电极15与辅助电极导线19连接，辅助电极15设置于预应力锚筋3与无预应力筋14之间；无预应力筋14与辅助电极15使用绝缘固定绳24悬挂于三通管中，绝缘固定绳24具有一定的直径，可以使预应力锚筋3、无预应力筋14、辅助电极15相互不接触。辅助电极15与无预应力筋14两端均为自由端，并不固定，且位于三通管中，仅仅是通过绝缘固定绳24悬挂于三通管中。

参比电极16可通过三通管的第三端口插入到三通管中，参比电极16与参比电极导线18连接，参比电极16可使用甘汞电极，测试时放入三通管内的腐蚀液中，参比电极16不与预应力锚筋3、无预应力筋14、辅助电极15接触；预应力工作电极导线17-1一端与预应力锚筋3焊接，另一端接电化学工作站20，无预应力工作电极导线17-2一端与无预应力筋14焊接，另一端引出后接电化学工作站20，辅助电极导线19一端与辅助电极15焊接，另一端引出后接电化学工作站20、参比电极导线18一端与参比电极焊接，另一端接电化学工作站20，各个电极（15、16）、预应力锚筋4、无预应力筋14与导线焊接处使用环氧树脂密封；可调式供氧泵21通过转子流量计标定后，连接氧气管22，氧气管22出气端置于三通管底部，对腐蚀液进行供氧，所有电极可在预应力锚筋3张拉前进行安装。

实施例：现以一个公路顺层边坡的开挖、锚固及腐蚀环境下时效演化行为的模型试验为例说明本试验系统的实施步骤。

1、根据研究需要，制作坡体，该坡体用于模拟天然边坡，可按公路边坡设计坡率进行开挖，具体为：设计模型试验的比尺关系，根据天然坡体的岩层和结构面的物理参数、力学参数按模型试验中的比尺关系配置岩层材料1和结构面材料25，利用岩层材料1制作岩层，岩层上预制有岩体预留孔道，按照设定倾角由下至上分层吊装岩层，每完成一层在其上部均匀铺设结构面材料25，岩体预留孔道内设置腐蚀池2的PVC管，直至完成含有岩体预留孔道的坡体，腐蚀池2的PVC管内放置预应力锚筋3，岩体预留孔道方向与预应力锚筋3设置方向平行；

2、制作并安装柔性水平应力加载装置，具体为：将传荷板7紧贴坡体垂直侧，架设加荷板6，加荷板6与传荷板7在PVC管的延伸处开设供PVC管和预应力锚筋3穿过的管道预留穿孔，定位销8上套设弹簧9，定位销8一端固定于传荷板7，另一端伸出加荷板6上的定位销预留孔道，架设反力墙11，反力墙11下端部分嵌入地下，使用支撑三脚架12对反力墙11进行加固，将千斤顶10的固定端固定于反力墙11，千斤顶10的伸缩端支撑于加荷板6；

3、安装应变传感设备27、位移传感设备26及相关位移传感器安装支架。应变传感设备27可采用应变片，应变片按45°三轴应变花方式分别粘贴于坡体侧面不同部位，位移传感设备26可采用百分表式位移传感器，位移传感设备26固定于型钢制成的位移传感器安装支架，位移传感器安装支架固定于地面，位移传感设备26的测头直接接触测点，测点使用刚性小方块制成，刚性小方块通过螺丝固定于坡体侧面不同位置；

4、按照设计坡率进行边坡面开挖，并进行应变与位移数据采集；

5、制作腐蚀池与电化学测试装置并安装，具体为：腐蚀池2的PVC管设置在岩体预留孔道内，PVC管一端伸出加荷板6和传荷板7上的管道预留穿孔与三通管的第一端口连接，三通管的第一端口和第二端口位于同一直线上，三通管的第二端口用管盖封闭，三通管的第三端口朝上，将预应力锚筋3的上端穿过PVC管、测力计5，预应力锚筋3的下端穿过三通管的第二端口的管盖、反力墙11，预应力锚筋3不与PVC管接触，将无预应力筋14与辅助电极15使用绝缘固定绳24悬挂于三通管中，预应力锚筋3、无预应力筋14、辅助电极15相互不接触，将参比电极放置到三通管的第三端口的管路中，并将辅助电极15、参比电极16通过辅助电极导线19、参比电极导线18与电化学工作站20连接，电化学工作站20可使用CS350型电化学工作站，将预应力锚筋3或无预应力筋14分别通过预应力工作电极导线17-1和无预应力工作电极导线17-2与电化学工作站20连接；

6、使用下端锚具4-2将预应力锚筋3的下端固定于反力墙11，测力计5放置于上端锚具4-1与坡体的边坡面之间，测力计5一端贴紧坡面，测力计5另一端与上端锚具4-1接触，使用穿心千斤顶对预应力锚筋3的上端进行张拉，并使用上端锚具4-1将预应力锚筋3锁定于坡体的边坡面，采集边坡锚固过程中的应力与位移数据；

7、对三通管的第二端口进行封水处理，配制腐蚀液并通过三通管的第三端口灌注腐蚀液到三通管和PVC管内，腐蚀液可使用NaCl溶液或Na₂SO₄溶液；

8、使用转子流量计标定供氧泵，供氧泵连接氧气管后将氧气管插入三通管的底部；

9、制作完成后按设计频率对电化学工作站20检测预应力锚筋3或无预应力筋14的电化学参数，以及测力计5、应变传感设备27、位移传感设备26检测的应力、应变、位移等相关数据进行采集，开展腐蚀环境下锚固顺层边坡时效演化行为研究；其中电化学参数通过电化学工作站采用三电极体系测试，三个电极分别为辅助电极15、参比电极16和工作电极，当测试预应力锚筋3时，预应力锚筋3为工作电极，将预应力锚筋3通过工作电极导线与电化学工作站20连接，当测试无预应力筋14时，无预应力锚筋14为工作电极，将无预应力筋14与电化学工作站20连接。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。