地下混凝土襯砌結(jié)構(gòu)基于滲流耦合作用的實(shí)驗(yàn)研究★

李 彬 潘洪科* 吳光照

(湖北文理學(xué)院建筑工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053)

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地下混凝土襯砌結(jié)構(gòu)基于滲流耦合作用的實(shí)驗(yàn)研究★

李 彬 潘洪科* 吳光照

(湖北文理學(xué)院建筑工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053)

考慮地應(yīng)力場與地下水滲流場的耦合，介紹了其對襯砌結(jié)構(gòu)的損傷與耐久性產(chǎn)生影響的方式與規(guī)律，闡述了滲流耦合作用下，建立地下混凝土結(jié)構(gòu)劣化模型的過程，最后提出了對結(jié)構(gòu)耐久性壽命開展評判與預(yù)測研究的方法。

地下混凝土，襯砌結(jié)構(gòu)，滲流耦合，耐久性

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，各類重大地下工程的建設(shè)也大量涌現(xiàn)，如地鐵、地下通道、越江隧道、地下街、電站地下廠房、公路與鐵路隧道、深基坑工程等。地下工程結(jié)構(gòu)在施工與運(yùn)營過程中需要面對巖土壓力、地下水滲流以及水土介質(zhì)中運(yùn)移的典型侵蝕性物質(zhì)(本文主要選取氯離子加以討論)等幾個(gè)因素的耦合作用，因此對于這種情形下結(jié)構(gòu)耐久性能與使用壽命預(yù)測的研究就很重要了。該類問題的研究中涉及的幾個(gè)方面的內(nèi)容為：巖體與襯砌結(jié)構(gòu)中地應(yīng)力場與地下水滲流場耦合的方式與規(guī)律的研究；滲流耦合作用下地下混凝土結(jié)構(gòu)劣化模型的建立；結(jié)構(gòu)耐久性壽命評判與預(yù)測研究。

巖體在滲流水的作用下，其物理力學(xué)特性發(fā)生顯著的變化。本文主要介紹建立巖體與襯砌結(jié)構(gòu)在滲流耦合狀態(tài)下開展分析的實(shí)驗(yàn)、理論及計(jì)算方法，并介紹開展耦合狀態(tài)下對地下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響的規(guī)律及程度的研究方法。

1 氯離子滲流對結(jié)構(gòu)的侵蝕

國內(nèi)外學(xué)者對于氯離子如何侵蝕破壞混凝土結(jié)構(gòu)已開展了相當(dāng)多的研究，并已證明了氯離子是導(dǎo)致鋼筋腐蝕破壞最重要的元兇之一。

自然界中的氯離子在侵入混凝土后，主要以自由氯離子和結(jié)合氯離子兩種形式存在，其中自由氯離子會(huì)造成鋼筋銹蝕，影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，而結(jié)合氯離子并不會(huì)直接對結(jié)構(gòu)的損傷劣化與性能下降起到作用。

氯離子對鋼筋銹蝕的影響主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：破壞鈍化膜、形成腐蝕電池、去極化作用、導(dǎo)電作用，其影響過程可通過電化學(xué)腐蝕原理及反應(yīng)方程得以說明。電化學(xué)腐蝕過程主要表現(xiàn)為：在陽極反應(yīng)區(qū)，在氯離子作用下鐵將開始離子化，并經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生鐵銹(氫氧化亞鐵)；在陰極反應(yīng)區(qū)，存在的水和氧氣得到電子后可產(chǎn)生氫氧根離子，并與鐵離子作用生成鐵銹(氫氧化亞鐵)。

雖然氯離子在混凝土中的運(yùn)移機(jī)理非常復(fù)雜，大量的理論與實(shí)驗(yàn)及檢測結(jié)果都表明：通過擴(kuò)散作用及其相關(guān)理論成果(主要是Fick第二定律)可以較準(zhǔn)確的進(jìn)行解釋描述與分析計(jì)算。

對于一維狀態(tài)下的氯離子擴(kuò)散，其在混凝土中的擴(kuò)散現(xiàn)象可以通過Fick第二擴(kuò)散定律描述如下：

(1)

其中，CCl為氯離子濃度，%；t為時(shí)間，年；x為位置，m；DCl為氯離子在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)。

2 巖土應(yīng)力場與地下水滲流場雙場耦合作用研究

對于賦含地下水的巖土體，其中的地應(yīng)力場和滲流場之間的相互關(guān)系、依存與耦合表現(xiàn)形式，是影響巖土及襯砌結(jié)構(gòu)物理力學(xué)性能的非常重要的因素。水體在滲流過程中既要以力和作用場的形式作用于巖土介質(zhì)及結(jié)構(gòu)物，也要由于水體中賦存的有害離子的侵蝕而與巖土或結(jié)構(gòu)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而造成損傷破壞，反過來，巖土體的應(yīng)力也會(huì)使水體的滲流及空隙壓力發(fā)生變化，這兩種作用就像兩個(gè)場一樣存在和影響于所研究的整個(gè)地下工程區(qū)域內(nèi)部。巖土介質(zhì)滲流場和應(yīng)力場這種相互影響、互相聯(lián)系的關(guān)系也就是所謂的雙場耦合。

研究過程可在地下工程現(xiàn)場取巖體及混凝土試樣若干或自制試件，經(jīng)加工處理后通過特殊加荷裝置在模擬應(yīng)力場作用下在自行改裝的滲透試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)再結(jié)合對該工程環(huán)境巖體圍壓、地質(zhì)、軟弱帶展布等實(shí)際狀況的分析，以描繪其滲流場與應(yīng)力場的耦合效果。

作者所在課題組曾結(jié)合國家自然科學(xué)基金研究項(xiàng)目“軟巖多元分析的智能化隨機(jī)模糊決策與工程控制”開展了該方面的研究工作[1-3]，該項(xiàng)目以云南某高速公路隧道為背景，通過建立滲流應(yīng)力耦合的巖土介質(zhì)本構(gòu)模型，并結(jié)合對隧道內(nèi)圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)與滲透性試驗(yàn)成果，研究了軟巖的各向異性變形及滲流耦合特性，建立各向異性軟巖滲流應(yīng)力耦合分析理論及計(jì)算方法。

2.1 滲流應(yīng)力耦合試驗(yàn)裝置

選取典型巖樣并考慮各試件的巖性、軸向與層理面關(guān)系、尺寸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中滲透系數(shù)的測定采用瞬態(tài)壓力脈沖法，測試原理見圖1。

實(shí)驗(yàn)在MTS電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，試件采用塑料絕緣膠帶和透水板、壓頭緊密貼合，確保試驗(yàn)時(shí)孔隙水不會(huì)從側(cè)面滲出。通過實(shí)驗(yàn)得到巖體的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系以及滲透系數(shù)應(yīng)變之間的關(guān)系。

2.2 滲流應(yīng)力耦合本構(gòu)模型

課題組在認(rèn)真分析已有成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果，建立可體現(xiàn)滲流應(yīng)力耦合效應(yīng)的本構(gòu)模型如下：

σd=(σ1-σ3)=m(ε1+ε0)·[aexp(-ε1/b)+k0]

(2)

其中，σ1-σ3為主應(yīng)力差；ε1為縱向(軸向)應(yīng)變；ε0為巖樣的初始應(yīng)變；k0為試驗(yàn)測得的初始滲透系數(shù)；a，b，m均為試驗(yàn)參數(shù)。

巖體的滲透性與其應(yīng)力狀態(tài)或者變形是密切相關(guān)的，通常將滲透系數(shù)表達(dá)為應(yīng)力或者應(yīng)變的函數(shù)。

K=f(σ)或K=f(ε)

(3)

式(3)能反映出巖體的滲流應(yīng)力/應(yīng)變耦合特性。由于耦合基本原理是滲流應(yīng)力耦合問題研究的一個(gè)核心問題，多年來，很多學(xué)者通過試驗(yàn)和工程實(shí)踐得到了式(3)的多種表述形式。歸納起來，可利用指數(shù)方程，冪函數(shù)方程，雙曲線方程和多項(xiàng)式方程等來描述耦合效應(yīng)，這些方程多為基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合公式，具有一定的適用條件。

利用上述本構(gòu)模型可以通過數(shù)值模擬分析即得到巖體(及襯砌結(jié)構(gòu))內(nèi)部各處的耦合應(yīng)力場分布規(guī)律。

3 多場耦合作用下地下混凝土結(jié)構(gòu)氯離子滲流及結(jié)構(gòu)劣化研究

地下結(jié)構(gòu)在應(yīng)力場與滲流場耦合作用下考慮氯離子侵蝕的規(guī)律和對結(jié)構(gòu)損傷破壞方式開展研究是地下結(jié)構(gòu)耐久性研究中比較典型和重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。有了上一節(jié)對應(yīng)力與滲流雙場耦合規(guī)律的研究，接下來可以在此基礎(chǔ)上開展氯離子對結(jié)構(gòu)侵蝕破壞規(guī)律的研究。

陳聰、楊林德、潘洪科曾開展了壓力水頭下開裂混凝土中氯離子滲透破壞的研究工作[4，5]，作者近期也結(jié)合湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目開展多場耦合作用下氯離子對地下混凝土結(jié)構(gòu)的損傷破壞與壽命預(yù)測研究工作，本文簡略介紹部分實(shí)驗(yàn)與研究的方法、設(shè)想及主要內(nèi)容。

3.1 實(shí)驗(yàn)研究方法

實(shí)驗(yàn)研究采取的基本原理是考慮地下結(jié)構(gòu)承受滲流壓力及地應(yīng)力耦合作用的情形，通過對試件施加預(yù)應(yīng)力并在壓力水頭裝置下進(jìn)行滲透性試驗(yàn)(預(yù)應(yīng)力大小及壓力水頭大小根據(jù)前一節(jié)雙場耦合作用影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定)，以測定在不同滲透水壓、不同氯離子濃度和不同外荷載(地應(yīng)力)的情形下，氯離子在地下混凝土結(jié)構(gòu)中滲透的特性。

本項(xiàng)試驗(yàn)擬按荷載或應(yīng)力大小、氯離子濃度、壓力水頭區(qū)分為不同的試驗(yàn)工況，采取專門的裝置以形成壓力水頭?；炷猎嚇硬扇∨Ｍ刃图虞d方式，見圖2。氯離子測定采用鹽溶液萃取法和AgNO3顯色試驗(yàn)法。

通過試驗(yàn)可得到各試塊在不同滲透壓力及地應(yīng)力、不同溶液濃度和不同標(biāo)號混凝土條件下自由氯離子濃度、滲透深度及速率、試塊強(qiáng)度等實(shí)測數(shù)據(jù)。 對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可得到氯離子滲透特性，并可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析氯離子在襯砌結(jié)構(gòu)中的運(yùn)移規(guī)律及計(jì)算模型，然后建立氯離子侵蝕深度與混凝土銹脹開裂(或強(qiáng)度性能下降)之間的關(guān)系。

3.2 地下結(jié)構(gòu)混凝土氯離子運(yùn)移規(guī)律及計(jì)算模型

通過前一節(jié)對壓力水頭下混凝土氯離子運(yùn)移機(jī)制的分析，可建立同時(shí)考慮預(yù)應(yīng)力試件在水力滲透和氯離子的擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力的作用下氯離子運(yùn)移基本模型。在此基礎(chǔ)上結(jié)合工程實(shí)際對基本模型做以簡化或理想化，通過引入擴(kuò)散經(jīng)時(shí)衰減指數(shù)、滲透經(jīng)時(shí)衰減指數(shù)、氯離子結(jié)合能力參數(shù)和混凝土整體滲透系數(shù)，借助數(shù)學(xué)變換式建立滲流耦合作用下地下結(jié)構(gòu)混凝土中氯離子的運(yùn)移模型，為準(zhǔn)確地預(yù)測地下混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命提供一條新的思路。

Fick第二擴(kuò)散定律很方便地將氯離子的擴(kuò)散濃度與擴(kuò)散系數(shù)聯(lián)系起來，參數(shù)具有明確的物理意義，并且它的解與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的實(shí)測結(jié)果吻合較好，能夠很好反映氯離子擴(kuò)散進(jìn)入混凝土內(nèi)部的過程，已經(jīng)成為預(yù)測氯離子在混凝土內(nèi)部擴(kuò)散的經(jīng)典模型。

壓力水頭下混凝土中氯離子的運(yùn)移是濃度梯度、壓力梯度驅(qū)動(dòng)下流體和組分的質(zhì)量傳遞現(xiàn)象。通過對氯離子滲透(壓力梯度)通量和氯離子擴(kuò)散(濃度梯度)通量的計(jì)算，并應(yīng)用對流—擴(kuò)散方程和質(zhì)量守恒定律，再結(jié)合初始與邊界條件，可推導(dǎo)得到氯離子在地下混凝土結(jié)構(gòu)中運(yùn)移的基本模型。

4 地下混凝土結(jié)構(gòu)基于氯離子滲流的耐久性壽命預(yù)測研究

氯離子環(huán)境下地下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性壽命預(yù)測同樣可以應(yīng)用所建立的壽命評判準(zhǔn)則分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)的使用壽命分析與預(yù)測。例如，若采用氯離子侵蝕深度壽命準(zhǔn)則，則以前一節(jié)推導(dǎo)的氯離子運(yùn)移模型公式結(jié)合實(shí)際工程邊界條件可計(jì)算得到氯離子侵蝕達(dá)到預(yù)定深度(一般以突破保護(hù)層厚度達(dá)到鋼筋表面為預(yù)定值或可根據(jù)需要選取某個(gè)臨界值)所需要的時(shí)間作為結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)的使用壽命期限。若采用銹脹開裂壽命準(zhǔn)則，則以混凝土表面出現(xiàn)順筋銹脹裂縫所需要的時(shí)間，作為結(jié)構(gòu)的使用壽命，這一準(zhǔn)則認(rèn)為，混凝土中的鋼筋銹蝕使混凝土縱裂以后，鋼筋銹蝕速度明顯加快，將這一界限視為危及結(jié)構(gòu)安全，需要維修加固的前兆。采用銹脹開裂壽命準(zhǔn)則需要分別計(jì)算鋼筋表面去鈍化所需時(shí)間(即誘導(dǎo)期)和鋼筋開始銹蝕至保護(hù)層開裂所需時(shí)間(即銹蝕膨脹期)，誘導(dǎo)期可采用前述滲流耦合作用下氯離子的運(yùn)移模型進(jìn)行計(jì)算，銹蝕膨脹期的計(jì)算需要獲知混凝土保護(hù)層開裂的鋼筋臨界銹蝕量以及銹蝕產(chǎn)物生成速度。上述兩個(gè)準(zhǔn)則的應(yīng)用更具代表性，也在作者的課題研究中得到采納和更深入研究；另外兩個(gè)壽命評判準(zhǔn)則的應(yīng)用方法在此不再贅述。

5 結(jié)語

[1] 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“軟巖多元分析的智能化隨機(jī)模糊決策與工程控制(50378069)”結(jié)項(xiàng)報(bào)告[R].2007.

[2] 李 燕.各向異性軟巖的滲流耦合分析及其工程應(yīng)用[D].上海：同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文,2006.

[3] 張向霞.各向異性軟巖的滲流耦合本構(gòu)模型[D].上海：同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文,2006.

[4] 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“地下混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性與使用壽命(50678135)”[Z].2010.

[5] 陳 聰.壓力水頭下氯離子耦合耐久性研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文,2009.

Experimental study of undergroundconcrete lining structure based on the coupling effect of seepage★

Li Bin Pan Hongke* Wu Guangzhao

(School of Building Engineering, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, China)

Considering the coupling between the geo-stress field and the seepage field of the groundwater, introduces the way and law of the influence about the coupling to the damage and durability of lining structure， it is also discussed on how to establish the degradation models of underground concrete structures under the coupling of seepage. Finally, the method of judging and predicting the durability of structures is set forth.

underground concrete， lining structure， the coupling of seepage, durability

1009-6825(2017)08-0032-03

2017-01-05項(xiàng)目：湖北文理學(xué)院2016創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目(編號：201610519095)

李 彬(1995- )，男，在讀本科生； 吳光照(1995- )，男，在讀本科生

潘洪科(1971- )，男，博士，教授

TU375

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