高水压作用下承载盾构隧道管片加速腐蚀劣化试验装置

摘要

本发明涉及一种高水压作用下承载盾构隧道管片加速腐蚀劣化试验装置，包括高水压加速腐蚀劣化装置以及用于给试验管片施加水平向力的水平力学加载装置，试验管片的两侧分别支撑在水平力学加载装置上，试验管片的两侧分别与水平力学加载装置接触，高水压加速腐蚀劣化装置包括加压腐蚀水槽、加压设备，加压腐蚀水槽设置在试验管片的上端，加压设备与加压腐蚀水槽连通，用于给加压腐蚀水槽内施加压力，并通过压力检测装置读取压力数值。本发明能够真实盾构隧道衬砌结构在长期处于水土荷载环境与周围侵蚀劣化环境联合作用下的力学性能，并通过管片受力性能测试系统测试管片试件的应力应变、变形、钢筋锈蚀状态、裂缝发生发展情况等。

说明书

技术领域

本发明涉及一种盾构隧道原型管片结构加速腐蚀装置，具体涉及一种高水压作用下承载盾构隧道管片加速腐蚀劣化试验装置。

背景技术

目前，对于隧道衬砌结构的加速锈蚀试验主要是针对无压状态下的腐蚀溶液开展的，通常在构件试验区布置腐蚀溶液(或将构件浸泡)的方式对其进行通电加速锈蚀，然后对锈蚀后的试件或构件进行加载，测试锈蚀后试件或构件的强度、刚度、破坏情况等力学及工程特性。这种试验方法与隧道管片衬砌所处真实环境不符，不能真实反映隧道衬砌的腐蚀环境。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，考虑盾构隧道衬砌结构在实际服役期限内，长期处于水土荷载环境与周围侵蚀劣化环境联合作用下的特点，提供了一种高水压作用下承载盾构隧道管片加速腐蚀劣化试验装置，其真实地模拟服役期盾构隧道管片结构的实际受力状态，同时在管片外表面构建加压腐蚀劣化系统，从而可用于模拟隧道衬砌结构腐蚀、开裂、失稳直至灾变溃损的发生发展过程，以研究不同荷载环境条件、不同水压作用及不同劣化阶段内的盾构隧道管片结构力学性能衰退演变规律。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种高水压作用下承载盾构隧道管片加速腐蚀劣化试验装置，包括高水压加速腐蚀劣化装置以及用于给试验管片施加水平向力的水平力学加载装置，试验管片的两侧分别支撑在水平力学加载装置上，试验管片的两侧分别与水平力学加载装置接触，所述高水压加速腐蚀劣化装置包括加压腐蚀水槽、加压设备，所述加压腐蚀水槽设置在试验管片的上端，所述加压设备与加压腐蚀水槽连通，用于给加压腐蚀水槽内施加压力，并通过压力检测装置读取压力数值。

本发明的高水压作用下承载盾构隧道管片加速腐蚀劣化试验装置还包括用于给试验管片施加竖向力的垂直力学加载装置，所述垂直力学加载装置位于试验管片的上方，与试验管片的上端接触。

进一步地，所述水平力学加载装置包括左加载梁、右加载梁、左管片支撑座、右管片支撑座、第一动力驱动装置以及横向拉杆，左管片支撑座、右管片支撑座分别位于试验管片的左右两侧，用于分别接触、支撑试验管片的两侧，所述左管片支撑座与左加载梁连接，所述右管片支撑座与第一动力驱动装置连接，所述第一动力驱动装置与右加载梁连接，用于给试验管片施加水平向力，所述横向拉杆的左端与左加载梁相连，所述横向拉杆的右端与右加载梁相连；所述垂直力学加载装置包括上加载梁、底座、加载头、竖向拉杆，所述加载头位于试验管片的上方，与试验管片的顶部接触，所述加载头与第二动力驱动装置连接，第二动力驱动装置与上加载梁连接，用于给试验管片施加竖向力，竖向拉杆的上端与上加载梁相连，竖向拉杆的下端与底座相连。

进一步地，左加载梁、右加载梁固定在底座上。

进一步地，左管片支撑座、右管片支撑座均包括座体以及用于支撑试验管片的支撑板，所述支撑板倾斜设置在座体上，左管片支撑座上的支撑板与右管片支撑座上的支撑板相对设置，两支撑板上端之间的间距大于两支撑板下端之间的间距。

进一步地，所述右管片支撑座与第一动力驱动装置之间设有水平压力传感器；所述加载头与第二动力驱动装置之间设有竖向压力传感器，水平压力传感器、竖向压力传感器分别与控制台的输入端连接，控制台的输出端与动力驱动系统连接，动力驱动系统用于控制第一动力驱动装置、第二动力驱动装置，实现对试验管片施加压力的调节。

第一动力驱动装置、第二动力驱动装置为液压千斤顶。

进一步地，加压腐蚀水槽内放置有阴极不锈钢网，阴极不锈钢网通过导电线与稳流直流电源的阴极电连接，试验管片的钢筋则通过导电线与稳流直流电源的阳极电连接。

进一步地，所述加压腐蚀水槽包括四侧槽壁以及槽顶，四侧槽壁与槽顶在试验管片的顶部围合形成密封的加压腐蚀水槽，四侧槽壁与试验管片的顶部之间分别设有密封垫，所述加压腐蚀水槽的槽壁或槽顶设有加压口，所述加压口通过管道与加压设备连通。

进一步地，所述压力检测装置用于检测加压腐蚀水槽内的压力数值显示或传递给控制台；所述加压设备与控制台连接；所述压力检测装置采用压力表，所述加压设备采用加压泵。

本发明的高水压作用下承载盾构隧道管片加速腐蚀劣化试验装置还包括受力性能测试系统，受力性能测试系统用于测试试验管片的应力应变、变形、钢筋锈蚀状态、裂缝发生发展情况。

本发明至少具有如下有益效果：本发明的高水压作用下承载盾构隧道管片加速腐蚀劣化试验装置包括力学加载装置，力学加载装置用于实现对管片施加工作荷载，通过控制台和动力驱动系统实现管片弯矩、轴力的精确导入，模拟管片结构在水土荷载环境中的真实受力状态。

本发明解决了现有锈蚀试验装置无法对腐蚀溶液加压，因而不能模拟高水压作用下盾构隧道衬砌结构力学性能的问题，在力学加载装置的基础上，增加高水压加速腐蚀劣化装置，通过加压腐蚀水槽对腐蚀溶液进行加压，通过压力检测装置读取溶液压力，通过加压设备控制对腐蚀溶液施加的压力，以达到精确控制水压的效果，能够真实盾构隧道衬砌结构在长期处于水土荷载环境与周围侵蚀劣化环境联合作用下的力学性能，并通过管片受力性能测试系统测试管片试件的应力应变、变形、钢筋锈蚀状态、裂缝发生发展情况等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明的高水压作用下承载盾构隧道管片加速腐蚀劣化试验装置的结构示意图。

附图中，1为水平力学加载装置，11为左加载梁，12为右加载梁，13为左管片支撑座，14为右管片支撑座，15为横向拉杆，16为第一动力驱动装置，2为垂直力学加载装置，21为上加载梁，22为底座，23为加载头，24为竖向拉杆，25为第二动力驱动装置，3为加压腐蚀水槽，4为加压泵，5为密封垫，6为稳流直流电源，7为导电线，8为管片应力应变测试系统，9为压力表，10为试验管片。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例提供一种高水压作用下承载盾构隧道管片加速腐蚀劣化试验装置，包括高水压加速腐蚀劣化装置以及用于给试验管片10施加水平向力的水平力学加载装置1，试验管片10的两侧分别支撑在水平力学加载装置1上，试验管片10的两侧分别与水平力学加载装置1接触，所述高水压加速腐蚀劣化装置包括加压腐蚀水槽3、加压设备，所述加压腐蚀水槽3位于试验管片10的上端，所述加压设备与加压腐蚀水槽3连通，用于给加压腐蚀水槽3内施加压力，并通过压力检测装置读取压力数值。本发明采用高水压加速腐蚀劣化装置对管片结构进行电化学加速腐蚀，模拟高水压及周围侵蚀环境对既有管片结构性能的长期弱化、劣化的影响。

进一步地，本发明的高水压作用下承载盾构隧道管片加速腐蚀劣化试验装置还包括用于给试验管片10施加竖向力的垂直力学加载装置2，所述垂直力学加载装置2位于试验管片10的上方，与试验管片10的上端接触。

水平力学加载装置1、垂直力学加载装置2用于实现对管片施加工作荷载，通过控制台和动力驱动系统实现管片弯矩、轴力的精确导入，模拟管片结构在水土荷载环境中的真实受力状态。

进一步地，所述水平力学加载装置1包括左加载梁11、右加载梁12、左管片支撑座13、右管片支撑座14、第一动力驱动装置16以及横向拉杆15，左管片支撑座13、右管片支撑座14分别位于试验管片10的左右两侧，用于分别接触、支撑试验管片10的两侧，所述左管片支撑座13与左加载梁11连接，所述右管片支撑座14与第一动力驱动装置16连接，所述第一动力驱动装置16与右加载梁12连接，用于给试验管片10施加水平向力，所述横向拉杆15的左端与左加载梁11相连，所述横向拉杆15的右端与右加载梁12相连；所述垂直力学加载装置2包括上加载梁21、底座22、加载头23、竖向拉杆24，所述加载头23位于试验管片10的上方，与试验管片10的顶部接触，所述加载头23与第二动力驱动装置25连接，第二动力驱动装置25与上加载梁21连接，用于给试验管片10施加竖向力，竖向拉杆24的上端与上加载梁21相连，竖向拉杆24的下端与底座22相连。

进一步地，横向拉杆15至少有两根。竖向拉杆24至少有两根。

横向拉杆15将左加载梁11与右加载梁12拉在一起，加载时提供反力。竖向拉杆24将上加载梁21与底座22拉在一起，加载时提供反力。

横向拉杆15、竖向拉杆24可以采用高强传力螺纹拉杆，高强传力螺纹拉杆穿过加载梁或底座22后，与螺母螺纹连接。高强传力螺纹拉杆与加载梁或底座22之间可以是螺纹连接。

进一步地，左加载梁11、右加载梁12固定在底座22上。

进一步地，左管片支撑座13、右管片支撑座14均包括座体以及用于支撑试验管片10的支撑板，所述支撑板倾斜设置在座体上，左管片支撑座13上的支撑板与右管片支撑座14上的支撑板相对设置，两支撑板上端之间的间距大于两支撑板下端之间的间距。

进一步地，所述右管片支撑座14与第一动力驱动装置16之间设有水平压力传感器；所述加载头23与第二动力驱动装置25之间设有竖向压力传感器，水平压力传感器、竖向压力传感器分别与控制台的输入端连接，控制台的输出端与动力驱动系统连接，动力驱动系统用于控制第一动力驱动装置16、第二动力驱动装置25，实现对试验管片10施加压力的调节。

本发明的第一动力驱动装置16、第二动力驱动装置25采用液压千斤顶，但不仅仅限于液压千斤顶。

进一步地，加压腐蚀水槽3内放置有阴极不锈钢网，阴极不锈钢网通过导电线7与稳流直流电源6的阴极电连接，试验管片10的钢筋则通过导电线7与稳流直流电源6的阳极电连接。

进一步地，所述加压腐蚀水槽3包括四侧槽壁以及槽顶，四侧槽壁与槽顶在试验管片10的顶部围合形成密封的加压腐蚀水槽3，四侧槽壁与试验管片10的顶部之间分别设有橡胶密封垫5，所述加压腐蚀水槽3的槽壁或槽顶设有加压口，所述加压口通过管道与加压设备连通。

进一步地，所述压力检测装置用于检测加压腐蚀水槽3内的压力数值显示或传递给控制台；所述加压设备与控制台连接；本实施例的所述压力检测装置采用压力表9，所述加压设备采用加压泵4。当然，本发明的压力检测装置不仅仅限于压力表9。本发明的加压设备不仅仅限于加压泵4。

本发明的高水压作用下承载盾构隧道管片加速腐蚀劣化试验装置还包括管片应力应变测试系统8，管片应力应变测试系统8用于测试试验管片10的应力应变、变形、钢筋锈蚀状态、裂缝发生发展情况等。本发明的管片应力应变测试系统8可以采用现有的管片应力应变测试系统，在此不再详细说明。

为了对力学加载进行实时控制，可采用以下步骤：

在控制台中设置要施加的水平目标压力P

竖向压力传感器、水平压力传感器分别将测得的水平压力P

本实施例m为0.5％，当然，m值可以根据需要进行调整。m(如0.5％)是易于控制器判断压力差值的数据，实际压力与设置压力差值在m(如0.5％)以上时继续加压，差值小于m(如0.5％)后缓慢加压以免加压过快超过设定值。

使用本发明进行试验时，首先通过控制台设定需要施加的弯矩、轴力、水压力等数值；然后，动力驱动系统驱动力学加载装置对管片施加工作荷载，实现管片弯矩、轴力的精确导入，模拟管片结构在水土荷载环境中的真实受力状态；同时，加压泵4对加压腐蚀水槽3施加压力，通过压力表9读取压力数值，通过稳流直流电源6对阴极不锈钢网和加压腐蚀水槽3中的腐蚀溶液供电，以加速管片结构的腐蚀；通过受力性能测试系统测试管片试件的应力应变、变形、钢筋锈蚀状态、裂缝发生发展情况等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。