地下混凝土衬砌结构基于渗流耦合作用的实验研究★

李 彬 潘洪科* 吴光照

(湖北文理学院建筑工程学院，湖北 襄阳 441053)



地下混凝土衬砌结构基于渗流耦合作用的实验研究★

李 彬 潘洪科* 吴光照

(湖北文理学院建筑工程学院，湖北 襄阳 441053)

考虑地应力场与地下水渗流场的耦合，介绍了其对衬砌结构的损伤与耐久性产生影响的方式与规律，阐述了渗流耦合作用下，建立地下混凝土结构劣化模型的过程，最后提出了对结构耐久性寿命开展评判与预测研究的方法。

地下混凝土，衬砌结构，渗流耦合，耐久性

随着经济发展和社会进步，各类重大地下工程的建设也大量涌现，如地铁、地下通道、越江隧道、地下街、电站地下厂房、公路与铁路隧道、深基坑工程等。地下工程结构在施工与运营过程中需要面对岩土压力、地下水渗流以及水土介质中运移的典型侵蚀性物质(本文主要选取氯离子加以讨论)等几个因素的耦合作用，因此对于这种情形下结构耐久性能与使用寿命预测的研究就很重要了。该类问题的研究中涉及的几个方面的内容为：岩体与衬砌结构中地应力场与地下水渗流场耦合的方式与规律的研究；渗流耦合作用下地下混凝土结构劣化模型的建立；结构耐久性寿命评判与预测研究。

岩体在渗流水的作用下，其物理力学特性发生显著的变化。本文主要介绍建立岩体与衬砌结构在渗流耦合状态下开展分析的实验、理论及计算方法，并介绍开展耦合状态下对地下混凝土结构耐久性影响的规律及程度的研究方法。

1 氯离子渗流对结构的侵蚀

国内外学者对于氯离子如何侵蚀破坏混凝土结构已开展了相当多的研究，并已证明了氯离子是导致钢筋腐蚀破坏最重要的元凶之一。

自然界中的氯离子在侵入混凝土后，主要以自由氯离子和结合氯离子两种形式存在，其中自由氯离子会造成钢筋锈蚀，影响混凝土结构的耐久性，而结合氯离子并不会直接对结构的损伤劣化与性能下降起到作用。

氯离子对钢筋锈蚀的影响主要表现在以下四个方面：破坏钝化膜、形成腐蚀电池、去极化作用、导电作用，其影响过程可通过电化学腐蚀原理及反应方程得以说明。电化学腐蚀过程主要表现为：在阳极反应区，在氯离子作用下铁将开始离子化，并经过化学反应产生铁锈(氢氧化亚铁)；在阴极反应区，存在的水和氧气得到电子后可产生氢氧根离子，并与铁离子作用生成铁锈(氢氧化亚铁)。

虽然氯离子在混凝土中的运移机理非常复杂，大量的理论与实验及检测结果都表明：通过扩散作用及其相关理论成果(主要是Fick第二定律)可以较准确的进行解释描述与分析计算。

对于一维状态下的氯离子扩散，其在混凝土中的扩散现象可以通过Fick第二扩散定律描述如下：

(1)

其中，CCl为氯离子浓度，%；t为时间，年；x为位置，m；DCl为氯离子在混凝土中的扩散系数。

2 岩土应力场与地下水渗流场双场耦合作用研究

对于赋含地下水的岩土体，其中的地应力场和渗流场之间的相互关系、依存与耦合表现形式，是影响岩土及衬砌结构物理力学性能的非常重要的因素。水体在渗流过程中既要以力和作用场的形式作用于岩土介质及结构物，也要由于水体中赋存的有害离子的侵蚀而与岩土或结构发生化学反应而造成损伤破坏，反过来，岩土体的应力也会使水体的渗流及空隙压力发生变化，这两种作用就像两个场一样存在和影响于所研究的整个地下工程区域内部。岩土介质渗流场和应力场这种相互影响、互相联系的关系也就是所谓的双场耦合。

研究过程可在地下工程现场取岩体及混凝土试样若干或自制试件，经加工处理后通过特殊加荷装置在模拟应力场作用下在自行改装的渗透试验机上进行实验，实验数据再结合对该工程环境岩体围压、地质、软弱带展布等实际状况的分析，以描绘其渗流场与应力场的耦合效果。

作者所在课题组曾结合国家自然科学基金研究项目“软岩多元分析的智能化随机模糊决策与工程控制”开展了该方面的研究工作[1-3]，该项目以云南某高速公路隧道为背景，通过建立渗流应力耦合的岩土介质本构模型，并结合对隧道内围岩和衬砌结构的力学与渗透性试验成果，研究了软岩的各向异性变形及渗流耦合特性，建立各向异性软岩渗流应力耦合分析理论及计算方法。

2.1 渗流应力耦合试验装置

选取典型岩样并考虑各试件的岩性、轴向与层理面关系、尺寸进行实验，其中渗透系数的测定采用瞬态压力脉冲法，测试原理见图1。

实验在MTS电液伺服岩石力学试验系统上进行，试件采用塑料绝缘胶带和透水板、压头紧密贴合，确保试验时孔隙水不会从侧面渗出。通过实验得到岩体的应力—应变关系以及渗透系数应变之间的关系。

2.2 渗流应力耦合本构模型

课题组在认真分析已有成果的基础上，结合试验实测结果，建立可体现渗流应力耦合效应的本构模型如下：

σd=(σ1-σ3)=m(ε1+ε0)·[aexp(-ε1/b)+k0]

(2)

其中，σ1-σ3为主应力差；ε1为纵向(轴向)应变；ε0为岩样的初始应变；k0为试验测得的初始渗透系数；a，b，m均为试验参数。

岩体的渗透性与其应力状态或者变形是密切相关的，通常将渗透系数表达为应力或者应变的函数。

K=f(σ)或K=f(ε)

(3)

式(3)能反映出岩体的渗流应力/应变耦合特性。由于耦合基本原理是渗流应力耦合问题研究的一个核心问题，多年来，很多学者通过试验和工程实践得到了式(3)的多种表述形式。归纳起来，可利用指数方程，幂函数方程，双曲线方程和多项式方程等来描述耦合效应，这些方程多为基于试验数据的拟合公式，具有一定的适用条件。

利用上述本构模型可以通过数值模拟分析即得到岩体(及衬砌结构)内部各处的耦合应力场分布规律。

3 多场耦合作用下地下混凝土结构氯离子渗流及结构劣化研究

地下结构在应力场与渗流场耦合作用下考虑氯离子侵蚀的规律和对结构损伤破坏方式开展研究是地下结构耐久性研究中比较典型和重要的一个环节。有了上一节对应力与渗流双场耦合规律的研究，接下来可以在此基础上开展氯离子对结构侵蚀破坏规律的研究。

陈聪、杨林德、潘洪科曾开展了压力水头下开裂混凝土中氯离子渗透破坏的研究工作[4，5]，作者近期也结合湖北省自然科学基金项目开展多场耦合作用下氯离子对地下混凝土结构的损伤破坏与寿命预测研究工作，本文简略介绍部分实验与研究的方法、设想及主要内容。

3.1 实验研究方法

实验研究采取的基本原理是考虑地下结构承受渗流压力及地应力耦合作用的情形，通过对试件施加预应力并在压力水头装置下进行渗透性试验(预应力大小及压力水头大小根据前一节双场耦合作用影响的实验结果确定)，以测定在不同渗透水压、不同氯离子浓度和不同外荷载(地应力)的情形下，氯离子在地下混凝土结构中渗透的特性。

本项试验拟按荷载或应力大小、氯离子浓度、压力水头区分为不同的试验工况，采取专门的装置以形成压力水头。混凝土试样采取牛腿型加载方式，见图2。氯离子测定采用盐溶液萃取法和AgNO3显色试验法。

通过试验可得到各试块在不同渗透压力及地应力、不同溶液浓度和不同标号混凝土条件下自由氯离子浓度、渗透深度及速率、试块强度等实测数据。 对实验结果进行分析可得到氯离子渗透特性，并可在此基础上进一步分析氯离子在衬砌结构中的运移规律及计算模型，然后建立氯离子侵蚀深度与混凝土锈胀开裂(或强度性能下降)之间的关系。

3.2 地下结构混凝土氯离子运移规律及计算模型

通过前一节对压力水头下混凝土氯离子运移机制的分析，可建立同时考虑预应力试件在水力渗透和氯离子的扩散驱动力的作用下氯离子运移基本模型。在此基础上结合工程实际对基本模型做以简化或理想化，通过引入扩散经时衰减指数、渗透经时衰减指数、氯离子结合能力参数和混凝土整体渗透系数，借助数学变换式建立渗流耦合作用下地下结构混凝土中氯离子的运移模型，为准确地预测地下混凝土结构服役寿命提供一条新的思路。

Fick第二扩散定律很方便地将氯离子的扩散浓度与扩散系数联系起来，参数具有明确的物理意义，并且它的解与现有结构的实测结果吻合较好，能够很好反映氯离子扩散进入混凝土内部的过程，已经成为预测氯离子在混凝土内部扩散的经典模型。

压力水头下混凝土中氯离子的运移是浓度梯度、压力梯度驱动下流体和组分的质量传递现象。通过对氯离子渗透(压力梯度)通量和氯离子扩散(浓度梯度)通量的计算，并应用对流—扩散方程和质量守恒定律，再结合初始与边界条件，可推导得到氯离子在地下混凝土结构中运移的基本模型。

4 地下混凝土结构基于氯离子渗流的耐久性寿命预测研究

氯离子环境下地下混凝土结构的耐久性寿命预测同样可以应用所建立的寿命评判准则分别进行结构的使用寿命分析与预测。例如，若采用氯离子侵蚀深度寿命准则，则以前一节推导的氯离子运移模型公式结合实际工程边界条件可计算得到氯离子侵蚀达到预定深度(一般以突破保护层厚度达到钢筋表面为预定值或可根据需要选取某个临界值)所需要的时间作为结构(构件)的使用寿命期限。若采用锈胀开裂寿命准则，则以混凝土表面出现顺筋锈胀裂缝所需要的时间，作为结构的使用寿命，这一准则认为，混凝土中的钢筋锈蚀使混凝土纵裂以后，钢筋锈蚀速度明显加快，将这一界限视为危及结构安全，需要维修加固的前兆。采用锈胀开裂寿命准则需要分别计算钢筋表面去钝化所需时间(即诱导期)和钢筋开始锈蚀至保护层开裂所需时间(即锈蚀膨胀期)，诱导期可采用前述渗流耦合作用下氯离子的运移模型进行计算，锈蚀膨胀期的计算需要获知混凝土保护层开裂的钢筋临界锈蚀量以及锈蚀产物生成速度。上述两个准则的应用更具代表性，也在作者的课题研究中得到采纳和更深入研究；另外两个寿命评判准则的应用方法在此不再赘述。

5 结语

[1] 国家自然科学基金项目“软岩多元分析的智能化随机模糊决策与工程控制(50378069)”结项报告[R].2007.

[2] 李 燕.各向异性软岩的渗流耦合分析及其工程应用[D].上海：同济大学博士学位论文,2006.

[3] 张向霞.各向异性软岩的渗流耦合本构模型[D].上海：同济大学博士学位论文,2006.

[4] 国家自然科学基金项目“地下混凝土衬砌结构的耐久性与使用寿命(50678135)”[Z].2010.

[5] 陈 聪.压力水头下氯离子耦合耐久性研究[D].上海：同济大学博士学位论文,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项目：湖北文理学院2016创新创业项目(编号：201610519095)

李 彬(1995- )，男，在读本科生； 吴光照(1995- )，男，在读本科生

潘洪科(1971- )，男，博士，教授

TU375

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