一种氯盐环境与荷载耦合作用下盾构管片侵蚀试验装置

摘要

本发明涉及一种氯盐环境与荷载耦合作用下盾构管片侵蚀试验装置，包括人工环境模拟试验系统、静力加载系统及量测系统。该装置通过自锚式力学转换施加不同荷载来实现盾构管片偏心受压的受力特征，通过氯盐溶液单侧一维侵蚀来模拟盾构隧道所处的实际赋存环境，以真实模拟盾构隧道管片在运营过程中氯离子的入侵、扩散过程，研究氯盐环境与荷载耦合作用下盾构隧道管片混凝土耐久性演化机制及寿命预测。解决偏压荷载下盾构隧道管片氯盐单侧一维侵蚀的试验问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种氯盐环境与荷载耦合作用下盾构管片侵蚀试验装置。

背景技术

当前关于氯盐侵蚀环境下混凝土耐久性的试验方法主要有浸泡法和半浸 泡法，其基本原理是通过将试块或试件浸泡或半浸泡于配制好的氯盐溶液中， 形成持续侵蚀性人工环境，当侵蚀至设定时间，取出试件或试块，进行氯离 子含量测定，从而对混凝土的抗氯盐侵蚀性能或耐久性问题开展研究。这些 方法绝大多数是针对材料层次和无荷载条件下而开展的，实际上，任何土木 工程结构一旦建成运营，均处于一定的荷载条件下，且结构性能与材料性能 也有显著的差异，不能单纯地以材料性能来评价结构性能。

近年来，随着混凝土耐久性领域相关科学问题的大量研究，逐渐出现了 一些更有针对性的试验方法和技术。如中国发明专利公开号CN102564916A 公开的混凝土快速氯离子迁移系数加载测试装置和方法，采用呈压缩状态的 弹性连接件对混凝土试件施加持续荷载并对试件进行电加速氯离子迁移试 验，实现了持续轴压荷载条件对混凝土氯离子渗透性的影响研究。中国发明 专利公开号CN102042949A公开的混凝土氯离子渗透性测试拉伸装置及其应 用以及中国发明专利公开号CN102128773A公开的混凝土氯离子渗透性测试 拉伸荷载加载装置与测试方法，均成功地解决了常规混凝土氯离子渗透性试 验不能对被测试件施加持续轴向拉伸荷载的难题。除此之外，还有中国实用 新型专利公开号CN201527391U公开的一种混凝土氯离子渗透性测试的加载 装置；中国发明专利公开号CN101718671A公开的一种混凝土氯离子渗透性 测试的加载装置及测试方法；中国发明专利公开号CN101699267A混凝土氯 离子侵蚀性电量法测试加载装置及测试方法均在混凝土轴心受力及纯弯受力 条件下的氯离子侵蚀试验方面做出了新的贡献。

纵观上述技术成果，不难发现，仍存在一定的不足，主要体现在以下几 个方面：

（1）在氯盐侵蚀方法上，均采用的是浸泡法，即试块或试件各表面均受 氯离子的侵蚀，而事实上，工程结构与氯盐环境往往并非是所有表面都存在 接触，如盾构管片，仅在靠围岩侧的结构表面受到氯盐环境的侵蚀，因此， 上述成果仍不能解决氯盐环境单侧一维侵蚀的试验条件。

（2）在试件类型上，大多是试块或短柱形式，而盾构管片却为曲板形式， 因此，上述成果难以适用于盾构管片结构的氯盐侵蚀试验。

（3）在荷载形式上，既有技术仅能实现轴向或纯弯曲荷载条件下的氯盐 耦合作用试验，而工程结构中单纯受此类荷载的几乎没有，如盾构管片结构 主要承受的是偏压荷载，因此如何解决偏压荷载对氯离子侵蚀的影响尚未见 到有效方法和技术报道。

发明内容

为了解决目前盾构管片侵蚀试验不能实现氯盐环境和荷载耦合作用情况 的技术问题，本发明提供一种氯盐环境和荷载耦合作用下盾构管片混凝土侵 蚀试验装置，包括人工环境模拟试验系统、静力加载系统及量测系统。该装 置通过自锚式力学转换施加不同荷载来实现盾构管片偏心受压的受力特征， 通过氯盐溶液单侧一维侵蚀来模拟盾构隧道所处的实际赋存环境，以真实模 拟盾构隧道管片在运营过程中氯离子的入侵、扩散过程，揭示氯盐环境与荷 载耦合作用下盾构隧道管片混凝土耐久性演化机制、服役状态、耦合影响以 及计算其剩余寿命。解决偏压荷载下盾构隧道管片氯盐单侧一维侵蚀的试验 问题。为盾构隧道乃至地下工程结构混凝土耐久性设计、服役状态评估及剩 余寿命预计提供试验依据。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，一种氯盐环境与荷载耦 合作用下盾构管片侵蚀试验装置，包括底座、溶液箱、加压装置和数据采集 装置，所述的溶液箱安装于底座上，用于检测的盾构管片试件固定于底座上 且试件的一侧浸入溶液箱中，所述的加压装置安装于底座上并对试件加压， 所述的数据采集装置通信连接加压装置，所述的底座包括底座横梁、底座纵 梁和多个用于独立固定盾构管片试件的试件固定件，所述的底座横梁和底座 纵梁互相垂直固定并形成工字型的支撑座，所述的试件固定件固定于底座纵 梁上；

盾构管片试件竖直固定于试件固定件上；

所述的溶液箱包括溶液箱底板、多块溶液箱纵隔板和多块溶液箱横隔板， 所述的溶液箱底板固定于底座上，所述的溶液箱纵隔板和溶液箱横隔板竖直 安装于溶液箱底板上且互相垂直，并与盾构管片形成密闭的溶液箱；

所述的加压装置包括机架立柱、传力纵梁、传力横梁、荷载分配梁、液 压千斤顶、反力梁、传力滚轴、上支点、高压油管和油泵，所述的机架立柱 竖直固定于底座上，所述的反力梁、液压千斤顶、荷载分配梁、传力纵梁、 传力横梁、传力滚轴和上支点由上而下依次设置于机架立柱上，机架立柱上 在反力梁上方设有用于限制反力梁向上移动的反力梁螺母、在荷载分配梁上 方设有用于限制荷载分配梁向上移动的荷载分配梁螺母，所述的上支点设置 于盾构管片试件顶部，所述的油泵通过高压油管连接液压千斤顶；

所述的数据采集装置包括油压表、千分表支撑杆、多个千分表、多个应 变片、千分表支座、电缆线和静态应变采集仪，所述的油压表安装于高压油 管上，所述的千分表支撑杆竖直安装于底座上，所述的千分表支座固定于传 力横梁上，所述的千分表分别安装在千分表支座上或固定于千分表支撑杆上， 安装于千分表支座上的千分表的探头接触上止点的顶部，固定于千分表支撑 杆上的千分表的探头接触盾构管片试件，所述的应变片安装于盾构管片试件 侧壁上，所述的静态应变采集仪通过电缆线电连接应变片。

所述的一种氯盐环境与荷载耦合作用下盾构管片侵蚀试验装置，所述的 试件固定件包括的底部楔形支撑板和底端固定槽，所述的底部楔形支撑板分 别固定于底座纵梁上，底端固定槽固定于底部楔形支撑板上。

所述的一种氯盐环境与荷载耦合作用下盾构管片侵蚀试验装置，所述的 试件的顶部和底部均设有止水橡胶板。

所述的一种氯盐环境与荷载耦合作用下盾构管片侵蚀试验装置，所述的 固定于千分表支撑杆上的千分表分别安装在千分表支撑杆对应试件高度的0、 1/4、1/2、3/4、1分位点处。

所述的一种氯盐环境与荷载耦合作用下盾构管片侵蚀试验装置，所述的 试件固定件的数量为六个。

所述的一种氯盐环境与荷载耦合作用下盾构管片侵蚀试验装置，所述的 上支点为设有两支撑板及支板的支架，两支撑板互相平行且竖直的固定于支 板下，支撑板接触盾构管片顶部，支板支撑传力滚轴。

本发明的技术效果在于，通过设计人工环境模拟试验系统和静力加载系 统，摒弃常规的浸泡方法，实现试件（构件）偏压荷载条件下的单侧一维侵 蚀，真实反映盾构隧道管片运营过程中的环境和荷载条件，可模拟盾构隧道 管片结构不同受力状态和不同赋存环境（氯盐侵蚀性环境）耦合作用下混凝 土的耐久性演变机制。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明侧视图示意图；

图3为本发明俯视图；

图4为本发明溶液箱俯视图；

图5为本发明荷载施加示意图；

图6为本发明量测系统示意图；

图7为本发明量测系统侧视图；

图8为底座横纵梁示意图；

其中，1、底座横梁，2、底座纵梁，3、底座楔形支撑板，4、橡胶止水板，5、 橡胶止水条，6、底端固定槽，7、管片试件，8、机架立柱，9、紧固螺栓， 10、传力纵梁，11、传力横梁，12、荷载分配梁，13、液压千斤顶，14、反 力梁，15、传力滚轴，16、上支点，17、溶液箱纵隔板，18、侵蚀溶液箱， 19、侵蚀溶液，20、锁紧螺母，21、应变片，22、千分表，23、溶液箱底板， 24、溶液箱横隔板，25、玻璃胶粘合缝，26、油压表，27、高压油管，28、 油泵，29、千分表支撑杆，30、千分表，31、应变片，32、千分表支座，33、 电缆线，34、静态应变采集仪

具体实施方式

参见图1、图2、图3，底座横梁1、底座横梁2、底部楔形支撑板3及底 端固定槽6焊接成一体，组成了该试验装置的机架底座，在底座四角的预留 孔内分别插入机架立柱8，并用锁紧螺母20固定，在底端固定槽6中垫上橡 胶止水板4及橡胶止水条5后，再安装管片试件7，用水准尺检查安装误差， 符合要求后，用紧固螺栓9固定，在六片管片上分别装上上支点16，再在上 支点16上安装传力滚轴15，根据试验条件调节受力点，用水准尺测量水平之 后，在传力滚轴15上安装传力纵梁10，在传力纵梁10上通过机架立柱8安 装传力横梁11，接着安装荷载分配梁12，再用锁紧螺母20拧紧，在荷载分 配梁12上安装油压千斤顶13和反力梁14，反力梁14通过锁紧螺母20紧固 与机架立柱8上。至此，试验装置机架部分安装完成。值得注意的是，在安 装机架前，应将应变片31按设定的位置在试件7上粘贴好，并做好通电检测 和防水处理等工作。在装好的试验装置机架上，用玻璃胶把溶液箱底板28和 溶液箱纵隔板17分别粘结在试件7和机架底座上，然后逐块粘合溶液箱横隔 板，使之形成图1所示的六个侵蚀溶液箱18。完成侵蚀溶液箱18之后，等玻 璃胶干燥凝固之后，用清水检查其密封性能，若完好，就能加入预先调制好 的侵蚀溶液19，同时通过电缆线33将试件7上的应变片31与静态应变采集 仪34连接，以及通过千分表支座32和千分表支撑杆28安装千分表30。通过 高压油管27将油压千斤顶13、油压表26和油泵28连接起来，按试验工况施 加荷载，并通过计算机获取混凝土管片应变数据和直接读取其变形情况。

试验时：先把油压千斤顶13安装到荷载分配梁12上，然后在机架立柱8 上安装反力梁14，同时在六个侵蚀溶液箱18中分别加入对应浓度的侵蚀溶液 19，开启计算机及应变仪，打开静态应变测试系统，读取混凝土管片7的初 始应变及平衡数据。平衡后，打开油泵28，通过油压千斤顶13施加荷载，实 时读取油压表26的读数及应变仪34的测量曲线，待荷载达到试验设定值时， 停止加压，同时拧紧锁紧螺母20，锁定荷载。上述步骤得到了管片加压应变 曲线，可以得出本实验混凝土管片压力与应变之间的关系，为验证弹性模量 提供数据。当然在读取应变值的同时也需实时读取千分表上的位移值，完成 上述步骤之后，可在静态应变测试系统中设置读数及显示，随时监测混凝土 管片性能的变化。