加锚节理岩体在海水侵蚀下锚固锈蚀机理的研究系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种加锚节理岩体在海水侵蚀下锚固锈蚀机理的研究系统及方法，包括模型制备系统、加速腐蚀系统、力学实验系统、数据采集分析系统以及加锚岩体海底隧道相似模型试验系统，所述模型制备系统用于制备在相似模型条件下的加锚节理岩体模型试件；所述加速腐蚀系统对所述的加锚节理岩体模型试件进行电化学腐蚀，且通过该系统测得腐蚀电压、电流与时间的数值关系；所述力学实验系统用于对腐蚀前、后的加锚节理岩体模型试件进行三轴压缩渗透全破坏过程试验；所述数据采集分析系统用来获取相关力学参数，并进行数据对比分析；所述加锚岩体海底隧道相似模型试验系统用于全面地研究在复杂应力状态下加锚节理岩体腐蚀进程中锚固锈蚀损伤机理。

Research system and method for anchorage corrosion mechanism of anchored jointed rock mass under seawater erosion

The invention discloses a system in the study of anchored jointed rock mass under anchorage corrosion mechanism of seawater erosion and methods, including model preparation system, accelerated corrosion system, mechanical testing system, data acquisition and analysis system of anchored rock mass tunnel model test system, the preparation of the model system for the preparation of anchored joint rock model in similar models under the condition of the specimen; the accelerated corrosion system of anchored jointed rock mass model of the specimen of electrochemical corrosion, and through the system to get the numerical relationship between corrosion voltage, current and time; the mechanical experimental system for anchored jointed rock mass model before and after corrosion specimen three axial compression failure process of full penetration test; the data acquisition and analysis system was used to obtain the mechanical parameters, and the data were analyzed; the anchor The similar model test system for rock mass undersea tunnel is used to comprehensively study the mechanism of anchorage corrosion damage during the corrosion process of jointed rock mass under complex stress state.

【技术实现步骤摘要】
加锚节理岩体在海水侵蚀下锚固锈蚀机理的研究系统及方法
本专利技术涉及一种加锚节理岩体在海水侵蚀下锚固锈蚀机理的研究系统及方法。
技术介绍
随着地下交通的不断发展，海底隧道逐渐成为一种普遍的地下工程。锚固结构对于海底隧道不可或缺，人们在设计阶段对于锚固结构的耐久性高度关注，但是由于节理岩体的复杂性及对锚固结构锈蚀损伤演化作用机理的认识还不够充分，加固设计依然停留在经验设计的层面上，如何正确的分析海水对于节理岩体锚固结构应力、腐蚀、渗流及耦合作用效应，充分认识节理岩体锚固锈蚀损伤演化机理，提出合理加固海底隧道节理岩体的支护参数，避免由于锚固支护结构过早失效而造成海底隧道衬砌结构的开裂或崩溃，是当前海底隧道节理岩体布锚优化设计的关键问题，研究该损伤机理变得尤为重要。针对以上问题，需要一种海底隧道加锚节理岩体在海水长期侵蚀下的锚固锈蚀损伤演化机理的研究方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种相对全面地加锚节理岩体腐蚀进程中锚固锈蚀损伤机理的研究系统及方法，能够为海底隧道在设计阶段、使用阶段提供锚固结构的耐久性的相关参数与理论支持。本专利技术采用的技术方案如下：一种海底隧道加锚节理岩体在海水长期侵蚀下的锚固锈蚀损伤演化机理的研究系统，包括模型制备系统、加速腐蚀系统、力学实验系统、数据采集分析系统以及加锚岩体海底隧道相似模型试验系统，所述模型制备系统用于制备在相似模型条件下的加锚节理岩体模型试件；所述加速腐蚀系统对所述的加锚节理岩体模型试件进行电化学腐蚀，且通过该系统测得腐蚀电压、电流与时间的数值关系；所述力学实验系统用于对腐蚀前、后的加锚节理岩体模型试件进行三轴压缩渗透全破坏过程试验；所述数据采集分析系统用来获取相关力学参数，并进行数据对比分析；所述加锚岩体海底隧道相似模型试验系统用于全面地研究在复杂应力状态下加锚节理岩体腐蚀进程中锚固锈蚀损伤机理。进一步的，所述模型制备系统，主要由底部钢板，前置钢板，后置钢板，左置钢板，右置钢板构成的一个槽状结构，其中左、右钢板上有与底面呈一定角度且高度为板高一半的凹槽，该凹槽内插装不锈钢片；所述的前置钢板上存在有洞口，以插入锚固钢筋。优选地，所述钢片的插装角度选为45°，模拟节理，同时左、右钢板上还设有用于连接前后钢板的凹槽，所述的前置钢板上存在有洞口，以插入锚固钢筋；所述五块钢板通过螺丝紧密相连调整螺丝使模型规则。在制备过程中以45°面相似模拟节理面角度，光滑不锈钢片插入凹槽中，待试件凝固脱模后拔出不锈钢片，制备完成，优选地，养护时间为7天。进一步的，所述加速腐蚀系统包括电化学反应站、反应室、数据显示器；所述反应室包括Ⅰ室、Ⅱ室、Ⅲ室，三个反应室相对独立，不同反应室氯离子浓度不同，电化学反应站可实时监测电流、电压情况，同时利用法拉第定律可得腐蚀量数据，数据显示器则可实时显示监测数据。在所述的反应室上安装有声发射装置、光栅传导装置和CT实时扫描装置，用于检测试件初始应力发生时间、起始开裂时间、以及裂隙扩列到节理岩体临界时间。而后选取不同时间拆样、清洗、称重并采用电镜扫描和X射线荧光谱分析，建立锈蚀不同腐蚀度与氯离子浓度、腐蚀时间标定关系研究。所述力学实验系统为常规的三轴实验系统。本专利技术还提供了一种利用上述系统进行海底隧道加锚节理岩体在海水长期侵蚀下的锚固锈蚀损伤演化机理的研究方法，其特征是：包括以下步骤：步骤1：实验室测得岩体力学相关参数，并在模型相似比条件下制备加锚节理岩体模型试件并进行养护；步骤2：将模型试件置于不同的反应室中进行电化学加速腐蚀，测得电压、电流等相关参数，同时利用法拉第定律可得腐蚀量数据，数据显示器则可实时显示监测数据；步骤3：将置于反应室中的模型试件取出处理后进行三轴压缩渗透实验，选取不同的围压和渗透压力，同时开展相应未腐蚀的加锚岩体试验，对实验结果进行对比分析；步骤4：上述试验完成后进行加锚节理岩体海底隧道相似模型试验，在模型试验箱的顶部施加一定压力的海水，模型内预埋多点位移计、微型压力传感器、微型渗压计、光纤传感器，实验过程中监测加锚节理区腐蚀影响下的位移场、应力场及渗流场变化。进一步的，在模型制备系统制备试件前实验室应测得岩石力学参数，利用实验模型的几何相似比C1、容重相似比CY，根据强度相似比CR＝C1×CY，弹性模量相似比CE＝C1×CY，制备试件并进行编号以及计算出原料配合比。进一步的，所述试件制备过程中模拟现场加锚环境，以水泥、砂、水、外加剂为材料通过调整配合比制备相似模型试件，根据现场实测岩体强度；优选地，选取配合比为水泥：砂：水＝1：2.34:0.35；砂根据粒径不同主要比例；优选地，比例取为10-20目：20-40目：40-70目：70-120目＝53.3％：26.7％：13.3％：6.7％；减水剂取为总量的2％；试件中，以钢筋作为锚杆模拟加锚条件。进一步的，步骤4中采用加锚岩体海底隧道相似模型试验系统进行试验，模型试验主要由模型架、相似模型注浆体、人工开挖过程、支护结构组成，其中，模型架四周为钢化透明玻璃，其中一面设有人工开挖开始时的孔洞，预设节理面位于注浆体内，在模型试验顶部设置装有海水的容器，可从顶部向注浆体注入一定压力的海水，海水沿节理面渗透在注浆体内营造腐蚀环境，在注浆体内预埋包括但不限于多点位移计、微型压力传感器、微型渗压计、光纤传感器的监测元件；实验开始，人工模拟在注浆体内进行开挖并进行锚杆支护，支护完成后，将锚杆设置为阳极，多点位移计设置为阴极，将两者连接到电化学站进行电化学加速腐蚀，从而在加速腐蚀的实验过程中监测加锚节理区腐蚀影响下的位移场、应力场及渗流场变化情况。进一步的，在三轴压缩渗透试验前将锚固节理岩体模拟试件的钢筋锚固端长于试件的部分截断，在进行三轴压缩试验时，改进三轴压缩试验，原有的压力端直接接触被压试件，在进行本实验时，利用力的传递原理将压力端置于压力接触面钢板之上，能够实现试件的均匀受压。进一步的，反应室利用声发射技术、光栅传导技术和CT实时扫描，检测试件初始应力发生时间、起始开裂时间、以及裂隙扩列到节理岩体临界时间。选取不同时间拆样、清洗、称重并采用电镜扫描和X射线荧光谱分析，建立锈蚀不同腐蚀度与氯离子浓度、腐蚀时间标定关系研究。本专利技术的工作原理为：本专利技术利用钢制模具制备在相似模型条件下的加锚节理岩体模型试件，调整氯离子浓度，通过电化学站的加速腐蚀环境作用，利用所测腐蚀电压、电流与时间的数值关系，进行加锚节理岩体腐蚀度与氯离子浓度、腐蚀时间的标定关系研究，而后在对加锚试件处理后进行三轴压缩渗透全破坏过程试验，利用数据采集系统获取相关力学参数，进而利用加锚岩体海底隧道室内相似模型试验与现场试验进行数据对比分析，从而相对全面地研究在复杂应力状态下加锚节理岩体腐蚀进程中锚固锈蚀损伤机理的研究。本专利技术的有益效果为：1)通过相似模型时间的制备，模仿真实环境下的岩体节理发展状态，是本实验的一处创新所在，相似模型能够在保持岩体强度、弹性模量等相关力学参数的相对准确的前提下，便于开展实验。2)基于电化学腐蚀原理和法拉第定律，运用光纤传感技术、声发射技术和CT扫描等，监测加锚节理岩体锚固锈蚀过程中试件初始应力发生时间、起始开裂时间及裂纹扩展至节理岩体的临界时间，识别对应于三种时间节点的锈蚀层状态以及估算锈蚀量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种加锚节理岩体在海水侵蚀下锚固锈蚀机理的研究系统，其特征在于，包括模型制备系统、加速腐蚀系统、力学实验系统、数据采集分析系统以及加锚岩体海底隧道相似模型试验系统，所述模型制备系统用于制备在相似模型条件下的加锚节理岩体模型试件；所述加速腐蚀系统对所述的加锚节理岩体模型试件进行电化学腐蚀，且通过该系统测得腐蚀电压、电流与时间的数值关系；所述力学实验系统用于对腐蚀前、后的加锚节理岩体模型试件进行三轴压缩渗透全破坏过程试验；所述数据采集分析系统用来获取相关力学参数，并进行数据对比分析；所述加锚岩体海底隧道相似模型试验系统用于全面地研究在复杂应力状态下加锚节理岩体腐蚀进程中锚固锈蚀损伤机理。

【技术特征摘要】
1.一种加锚节理岩体在海水侵蚀下锚固锈蚀机理的研究系统，其特征在于，包括模型制备系统、加速腐蚀系统、力学实验系统、数据采集分析系统以及加锚岩体海底隧道相似模型试验系统，所述模型制备系统用于制备在相似模型条件下的加锚节理岩体模型试件；所述加速腐蚀系统对所述的加锚节理岩体模型试件进行电化学腐蚀，且通过该系统测得腐蚀电压、电流与时间的数值关系；所述力学实验系统用于对腐蚀前、后的加锚节理岩体模型试件进行三轴压缩渗透全破坏过程试验；所述数据采集分析系统用来获取相关力学参数，并进行数据对比分析；所述加锚岩体海底隧道相似模型试验系统用于全面地研究在复杂应力状态下加锚节理岩体腐蚀进程中锚固锈蚀损伤机理。2.如权利要求1所述的研究系统，其特征在于，所述模型制备系统，主要由底部钢板，前置钢板，后置钢板，左置钢板，右置钢板构成的一个槽状结构，其中左、右钢板上有与底面呈一定角度且高度为板高一半的凹槽，该凹槽内插装不锈钢片；所述的前置钢板上存在有洞口，以插入锚固钢筋。3.如权利要求2所述的研究系统，其特征在于，所述钢片的插装角度选为45°同于模拟节理。4.如权利要求1所述的研究系统，其特征在于，所述加速腐蚀系统包括电化学反应站、反应室、数据显示器；所述反应室包括Ⅰ室、Ⅱ室、Ⅲ室，三个反应室相对独立，不同反应室氯离子浓度不同，所述的电化学反应站可实时监测电流、电压情况，同时利用法拉第定律可得腐蚀量数据，数据显示器则可实时显示监测数据。5.如权利要求1所述的研究系统，其特征在于，在所述的反应室上安装有声发射装置、光栅传导装置和CT实时扫描装置，用于检测试件初始应力发生时间、起始开裂时间、以及裂隙扩列到节理岩体临界时间。6.一种利用权1-5任一所述的研究系统进行海底隧道加锚节理岩体在海水长期侵蚀下的锚固锈蚀损伤演化机理的研究方法，其特征是：包括以下步骤：步骤1：实验室测得岩体力学相关参数，并在模型相似比条件下制备加锚节理岩体模型试件并进行养护；步骤2：将模型试件置于不同的反应室中进行电化学加速腐蚀，测得电压、电流等相关参数，同时利用法拉第定律可得腐蚀量数据，...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁万涛，陈瑞，李明江，刘克奇，史培贺，侯铭垒，朱建，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37