本實用新型涉及巖土工程模型試驗技術領域，具體涉及一種能模擬腐蝕環(huán)境的錨固順層邊坡模型試驗系統(tǒng)，適用于露天礦模型及巖土滑坡模型試驗。

背景技術：

順層邊坡是指層面和坡面的走向、傾向基本一致的層狀結構巖體邊坡。經(jīng)歷工程擾動后，順層邊坡易發(fā)生失穩(wěn)破壞，預應力錨固結構廣泛應用于高陡順層邊坡加固工程。而預應力錨固工程并非“一勞永逸”，應用于邊坡工程中的預應力錨固結構所處環(huán)境十分惡劣，坡體中的預應力錨索（桿）在經(jīng)歷較長時間的運行后會因化學腐蝕、應力腐蝕以及坡體蠕變等綜合因素發(fā)生結構損傷或失效。預應力錨索脆性失效導致的高速滑坡易造成嚴重的災害，迫切需要開展腐蝕環(huán)境下錨固順層邊坡穩(wěn)定性退化機理與安全評估研究。

邊坡模型試驗是一種用于研究斜坡變形失穩(wěn)的發(fā)生、發(fā)展及破壞形態(tài)的試驗方法。主要是使用相似材料在室內構建邊坡的縮尺物理模型，對其施加開挖、降雨、堆載等外荷載，同時測試其應力應變響應過程，從而揭示斜坡失穩(wěn)模式與災變機理。

目前，對錨固順層邊坡試驗研究主要集中于錨固結構受力規(guī)律、錨索失效后邊坡破壞特征、錨固筋材預應力損失等方面。而邊坡工程中，腐蝕環(huán)境下預應力鋼絞線腐蝕損傷機制、錨固結構腐蝕損傷對邊坡變形與穩(wěn)定性的影響規(guī)律等問題尚未解決。國內外對腐蝕環(huán)境下錨固順層邊坡系統(tǒng)長期演化行為研究較少。

現(xiàn)有的預應力錨固順層邊坡模型試驗系統(tǒng)存在以下不足：

(1) 現(xiàn)有的錨固邊坡模型試驗系統(tǒng)不能對錨索所處的腐蝕性溶液、供氧條件等腐蝕環(huán)境進行模擬，無法研究腐蝕環(huán)境下錨固順層邊坡時效演化行為。

(2) 現(xiàn)有的錨固邊坡模型試驗系統(tǒng)可以測試邊坡的變形、應力等響應過程，但不能測試錨固結構的腐蝕速率、腐蝕程度等參數(shù)。

(3) 現(xiàn)有的錨固邊坡模型試驗系統(tǒng)可以實現(xiàn)自重荷載、垂直堆載、水位變化等外部荷載，但不能施加非均勻分布的水平應力場。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于避免現(xiàn)有技術中的不足之處而提供一種能模擬腐蝕環(huán)境的錨固順層邊坡模型試驗系統(tǒng)，解決了如何在錨固邊坡模型試驗系統(tǒng)中模擬腐蝕環(huán)境，如何在錨固邊坡模型試驗中測試預應力錨筋的腐蝕速率與腐蝕程度，如何對邊坡模型施加水平向的非均布荷載，且當坡體變形時及時補充加載的問題，能夠模擬腐蝕環(huán)境、非均勻分布的水平應力場，并能在試驗過程中開展錨固結構的電化學測試。

本實用新型目的通過下述技術方案來實現(xiàn)：

一種能模擬腐蝕環(huán)境的錨固順層邊坡模型試驗系統(tǒng)，包括柔性水平應力加載裝置，還包括錨固邊坡模型系統(tǒng)和電化學測試裝置，

錨固邊坡模型系統(tǒng)包括坡體和腐蝕池，坡體包括按照設定傾角由下至上設置的巖層，各個巖層之間鋪設有的結構面材料，巖層上預制有巖體預留孔道，坡體一側為垂直側，另一側為邊坡面，腐蝕池包括PVC管、三通管和管蓋，巖體預留孔道內埋設PVC管，PVC管上端口敞開，PVC管上端口與坡體的邊坡面平齊，PVC管下端口伸出巖體預留孔道并與三通管的第一端口連接，三通管的第二端口用管蓋封閉，三通管的第三端口朝上，坡體側部不同設定位置設置應變傳感設備，坡體旁邊安裝位移傳感設備，

電化學測試裝置包括預應力錨筋、無預應力筋、輔助電極、參比電極和電化學工作站，

預應力錨筋一端穿過三通管的第二端口的管蓋、反力墻后，使用下端錨具固定于反力墻，預應力錨筋另一端穿過PVC管、測力計后，使用上端錨具固定于坡體的邊坡面，

無預應力筋和輔助電極均通過絕緣固定繩懸掛于三通管中；參比電極設置在三通管內，預應力錨筋、無預應力筋、輔助電極、參比電極相互不接觸并分別通過導線與電化學工作站連接，

柔性水平應力加載裝置為坡體的垂直側整體提供加載力。

如上所述的柔性水平應力加載裝置包括加荷板、傳荷板和反力墻，傳荷板緊貼坡體垂直側設置，定位銷一端固定于傳荷板，另一端伸出設置在加荷板的定位銷預留孔道，加荷板與傳荷板在PVC管的延伸處開設有供PVC管和預應力錨筋穿過的管道預留穿孔；定位銷上套設有彈簧，彈簧位于加荷板與傳荷板之間；千斤頂?shù)墓潭ǘ斯潭ㄓ诜戳?，千斤頂?shù)纳炜s端支撐于加荷板，反力墻下端部分嵌入地下并通過支撐三腳架加固。

如上所述的千斤頂作用在加荷板上的高度位于坡體的總高度的三分之一處。

氧氣管一端插入到三通管內且位于三通管的底部，氧氣管另一端與供氧泵連通。

本實用新型相對于現(xiàn)有技術具有以下優(yōu)點：

1、現(xiàn)有錨固邊坡模型試驗系統(tǒng)主要用于研究錨固邊坡的力學加固機制與變形破壞規(guī)律，尚未涉及到預應力錨固邊坡體系的腐蝕耐久性問題，而該問題不容忽視。本實用新型在邊坡模型中內置腐蝕池，腐蝕池中填充腐蝕液，并采用可調供氧泵供氧，可以模擬預應力錨索所處的腐蝕環(huán)境，從而研究錨固順層邊坡體系對腐蝕環(huán)境的響應規(guī)律。

2、現(xiàn)有錨固邊坡模型試驗系統(tǒng)中的測試內容主要包括位移、應力、土壓力、孔隙壓力等測試，而不能探測與描述坡體中預應力筋材的腐蝕狀態(tài)。本實用新型在預應力錨固邊坡內置的腐蝕池中設置三電極體系，使用電化學工作站可以實時監(jiān)測預應力錨筋的自腐蝕電位、腐蝕電流密度、交流阻抗譜等電化學參數(shù)，能很好的掌握腐蝕環(huán)境下預應力錨筋的腐蝕狀態(tài)變化過程與腐蝕機理。

3、現(xiàn)有邊坡模型試驗系統(tǒng)中的水平加載裝置為剛性加載，剛性加載裝置施加在坡體上的力可以認為是均布荷載，而實際上，不同高程處巖體的水平應力并不相同，另外，當坡體發(fā)生一定位移時，剛性加載裝置與坡體之間不能滿足變形協(xié)調,會導致荷載不能及時施加在變形坡體上。本實用新型組合兩塊薄鋼板與多個彈簧開發(fā)了邊坡水平柔性加載裝置，將集中力作用點設置于距離地面h/3處（h為坡體高度），可以模擬巖體不同高程水平向的非均勻分布荷載，當坡體發(fā)生變形時柔性加載裝置的彈性變形量可以對坡體迅速補充加載，故較逼真地模擬了邊坡中的水平應力。

附圖說明

圖1為本實用新型的立面圖。

圖2為本實用新型的剖面圖。

圖3為本實用新型的右視圖。

圖4為本實用新型中電化學測試裝置示意圖。

圖中：1—巖層材料，2—腐蝕池，3—預應力錨筋，4-1—上端錨具，4-2—下端錨具，5—測力計，6—加荷板，7—傳荷板，8—定位銷，9—彈簧，10—千斤頂，11—反力墻，12—支撐三腳架，13—電化學測試裝置，14—無預應力筋，15—輔助電極，16—參比電極，17-1—預應力工作電極導線，17-2無預應力工作電極導線，18—參比電極導線，19—輔助電極導線，20—電化學工作站，21—可調式供氧泵，22—氧氣管，23—密封圈，24—絕緣固定繩，25—結構面材料，26—位移傳感設備，27—應變傳感設備。

具體實施方式

下面結合附圖并通過具體實施方式來進一步說明本實用新型的技術方案，但附圖中的實施例不構成對本實用新型的任何限制。

如圖1～圖4所示，一種能模擬腐蝕環(huán)境的錨固順層邊坡模型試驗系統(tǒng)，包括錨固邊坡模型系統(tǒng)、柔性水平應力加載裝置、電化學測試裝置13，具體為：

錨固邊坡模型系統(tǒng)包括坡體、腐蝕池2、錨具（4-1、4-2）、測力計5等。

坡體包括按照設定傾角由下至上設置的巖層，各個巖層之間鋪設有的結構面材料25，巖層內預制有巖體預留孔道，巖體預留孔道內設置有腐蝕池2的PVC管，巖層采用巖層材料1制作。巖層材料1和結構面材料25為室內人工配置而成，可根據(jù)工程實際中巖層和結構面的物理參數(shù)、力學參數(shù)按模型試驗中的相似準則進行配置。使用預制模板中預留巖體預留孔道的方式制作巖層，制作出的巖層是含巖體預留孔道的，多個含巖體預留孔道的巖層材料1和結構面材料25組成含有巖體預留孔道的坡體，按照設計傾角由下至上分層吊裝巖層，每完成一層在其上部均勻鋪設結構面材料25，直至完成含有巖體預留孔道的坡體，巖體預留孔道用于放置腐蝕池2的PVC管與預應力錨筋3，孔道方向與預應力錨筋3設置方向平行。坡體一側為垂直側，另一側為邊坡面。

為滿足常規(guī)測試要求，可在坡體側部不同位置預埋應變傳感設備27，可在坡體旁制作測試支架并安裝位移傳感設備26，應變傳感設備27可采用應變片，應變片按45°三軸應變花方式分別粘貼于坡體側面不同設定部位，位移傳感設備26可采用百分表式位移傳感器，位移傳感設備26固定于型鋼制成的位移傳感器安裝支架，位移傳感器安裝支架固定于地面，位移傳感設備26的測頭直接接觸測點，測點使用剛性小方塊制成，剛性小方塊通過螺絲固定于坡體側面不同設定位置。坡體完成后埋設腐蝕池2，腐蝕池2包括PVC管、三通管及管蓋，PVC管直徑小于巖體預留孔道直徑，PVC管直接放置于巖體預留孔道中，PVC管上端口自然敞開，PVC管上端口面與坡體的邊坡面平齊，不伸出巖體預留孔道；PVC管下端口略伸出巖體預留孔道，PVC管下端口與三通管的第一端口連接，三通管的第一端口和第二端口位于同一直線上，三通管的第二端口用管蓋封閉，三通管的第三端口朝上，三通管的第三端口用于灌注腐蝕液，通過三通管的第三端口中的液面高度控制預應力錨筋3的浸泡長度，三通管的第三端口的高度不足時，可使用PVC管接頭加長。預應力錨筋3的上端穿過腐蝕池2的PVC管，預應力錨筋3的下端穿過三通管的第二端口的管蓋、反力墻11后，使用下端錨具4-2固定于反力墻11，預應力錨筋3不與PVC管接觸，預應力錨筋3的上端穿過PVC管、測力計5后，通過穿心千斤頂張拉，張拉后使用上端錨具4-1鎖定于坡體的邊坡面；測力計5放置于上端錨具4-1與坡體的邊坡面之間，測力計5一端貼緊坡面，測力計5另一端與上端錨具4-1接觸，預應力錨筋3的上端通過穿心千斤頂張拉與鎖定，張拉和鎖定后的預應力錨筋3兩端由上端錨具4-1和下端錨具4-2分別固定在坡體的邊坡面和反力墻11上，預應力錨筋3拉動上端錨具4-1，上端錨具4-1擠壓測力計5進行測量。

柔性水平應力加載裝置包括加荷板6、傳荷板7、定位銷8、彈簧9、千斤頂10、反力墻11、支撐三腳架12。

加荷板6與傳荷板7均使用1cm厚鋼板制成，傳荷板7緊貼坡體垂直側，定位銷8一端固定于傳荷板7，一端伸出設置在加荷板7上的定位銷預留孔道，定位銷預留孔道的直徑大于定位銷8的直徑，允許傳荷板7與加荷板6發(fā)生傾斜或彎曲變形，傳荷板7底部加工為弧形，減少移動阻力，以便水平施壓；加荷板6與傳荷板7在PVC管的延伸處開設有管道預留穿孔以供PVC管和預應力錨筋3穿過，管道預留穿孔直徑大于PVC管直徑；多個彈簧9布置于加荷板6與傳荷板7之間，且各個彈簧9分別套于定位銷8上；千斤頂10的固定端固定于反力墻11，千斤頂10的伸縮端支撐于加荷板6，千斤頂10作用在加荷板6上的高度位于坡體的總高度的三分之一處，反力墻11下端部分嵌入地下，使用支撐三腳架12對反力墻11進行加固，增加反力墻11的剛度與承載力，支撐三腳架12采用螺栓分別固定于反力墻11與地面。

電化學測試裝置13包括，用作工作電極的預應力錨筋3或無預應力筋14、輔助電極15、參比電極16、工作電極導線17、參比電極導線18、輔助電極導線19、電化學工作站20、可調式供氧泵21、氧氣管22、密封圈23、絕緣固定繩24等。

預應力錨筋3與預應力工作電極導線17-1連接，無預應力筋14與無預應力工作電極導線17-2連接，預應力錨筋3或無預應力筋14作為工作電極時分別進行測試，無預應力筋14用于對比分析，預應力錨筋3設置于三通管中部，無預應力筋14設置于三通管底部；輔助電極15與輔助電極導線19連接，輔助電極15設置于預應力錨筋3與無預應力筋14之間；無預應力筋14與輔助電極15使用絕緣固定繩24懸掛于三通管中，絕緣固定繩24具有一定的直徑，可以使預應力錨筋3、無預應力筋14、輔助電極15相互不接觸。輔助電極15與無預應力筋14兩端均為自由端，并不固定，且位于三通管中，僅僅是通過絕緣固定繩24懸掛于三通管中。

參比電極16可通過三通管的第三端口插入到三通管中，參比電極16與參比電極導線18連接，參比電極16可使用甘汞電極，測試時放入三通管內的腐蝕液中，參比電極16不與預應力錨筋3、無預應力筋14、輔助電極15接觸；預應力工作電極導線17-1一端與預應力錨筋3焊接，另一端接電化學工作站20，無預應力工作電極導線17-2一端與無預應力筋14焊接，另一端引出后接電化學工作站20，輔助電極導線19一端與輔助電極15焊接，另一端引出后接電化學工作站20、參比電極導線18一端與參比電極焊接，另一端接電化學工作站20，各個電極（15、16）、預應力錨筋4、無預應力筋14與導線焊接處使用環(huán)氧樹脂密封；可調式供氧泵21通過轉子流量計標定后，連接氧氣管22，氧氣管22出氣端置于三通管底部，對腐蝕液進行供氧，所有電極可在預應力錨筋3張拉前進行安裝。

實施例：現(xiàn)以一個公路順層邊坡的開挖、錨固及腐蝕環(huán)境下時效演化行為的模型試驗為例說明本試驗系統(tǒng)的實施步驟。

1、根據(jù)研究需要，制作坡體，該坡體用于模擬天然邊坡，可按公路邊坡設計坡率進行開挖，具體為：設計模型試驗的比尺關系，根據(jù)天然坡體的巖層和結構面的物理參數(shù)、力學參數(shù)按模型試驗中的比尺關系配置巖層材料1和結構面材料25，利用巖層材料1制作巖層，巖層上預制有巖體預留孔道，按照設定傾角由下至上分層吊裝巖層，每完成一層在其上部均勻鋪設結構面材料25，巖體預留孔道內設置腐蝕池2的PVC管，直至完成含有巖體預留孔道的坡體，腐蝕池2的PVC管內放置預應力錨筋3，巖體預留孔道方向與預應力錨筋3設置方向平行；

2、制作并安裝柔性水平應力加載裝置，具體為：將傳荷板7緊貼坡體垂直側，架設加荷板6，加荷板6與傳荷板7在PVC管的延伸處開設供PVC管和預應力錨筋3穿過的管道預留穿孔，定位銷8上套設彈簧9，定位銷8一端固定于傳荷板7，另一端伸出加荷板6上的定位銷預留孔道，架設反力墻11，反力墻11下端部分嵌入地下，使用支撐三腳架12對反力墻11進行加固，將千斤頂10的固定端固定于反力墻11，千斤頂10的伸縮端支撐于加荷板6；

3、安裝應變傳感設備27、位移傳感設備26及相關位移傳感器安裝支架。應變傳感設備27可采用應變片，應變片按45°三軸應變花方式分別粘貼于坡體側面不同部位，位移傳感設備26可采用百分表式位移傳感器，位移傳感設備26固定于型鋼制成的位移傳感器安裝支架，位移傳感器安裝支架固定于地面，位移傳感設備26的測頭直接接觸測點，測點使用剛性小方塊制成，剛性小方塊通過螺絲固定于坡體側面不同位置；

4、按照設計坡率進行邊坡面開挖，并進行應變與位移數(shù)據(jù)采集；

5、制作腐蝕池與電化學測試裝置并安裝，具體為：腐蝕池2的PVC管設置在巖體預留孔道內，PVC管一端伸出加荷板6和傳荷板7上的管道預留穿孔與三通管的第一端口連接，三通管的第一端口和第二端口位于同一直線上，三通管的第二端口用管蓋封閉，三通管的第三端口朝上，將預應力錨筋3的上端穿過PVC管、測力計5，預應力錨筋3的下端穿過三通管的第二端口的管蓋、反力墻11，預應力錨筋3不與PVC管接觸，將無預應力筋14與輔助電極15使用絕緣固定繩24懸掛于三通管中，預應力錨筋3、無預應力筋14、輔助電極15相互不接觸，將參比電極放置到三通管的第三端口的管路中，并將輔助電極15、參比電極16通過輔助電極導線19、參比電極導線18與電化學工作站20連接，電化學工作站20可使用CS350型電化學工作站，將預應力錨筋3或無預應力筋14分別通過預應力工作電極導線17-1和無預應力工作電極導線17-2與電化學工作站20連接；

6、使用下端錨具4-2將預應力錨筋3的下端固定于反力墻11，測力計5放置于上端錨具4-1與坡體的邊坡面之間，測力計5一端貼緊坡面，測力計5另一端與上端錨具4-1接觸，使用穿心千斤頂對預應力錨筋3的上端進行張拉，并使用上端錨具4-1將預應力錨筋3鎖定于坡體的邊坡面，采集邊坡錨固過程中的應力與位移數(shù)據(jù)；

7、對三通管的第二端口進行封水處理，配制腐蝕液并通過三通管的第三端口灌注腐蝕液到三通管和PVC管內，腐蝕液可使用NaCl溶液或Na₂SO₄溶液；

8、使用轉子流量計標定供氧泵，供氧泵連接氧氣管后將氧氣管插入三通管的底部；

9、制作完成后按設計頻率對電化學工作站20檢測預應力錨筋3或無預應力筋14的電化學參數(shù)，以及測力計5、應變傳感設備27、位移傳感設備26檢測的應力、應變、位移等相關數(shù)據(jù)進行采集，開展腐蝕環(huán)境下錨固順層邊坡時效演化行為研究；其中電化學參數(shù)通過電化學工作站采用三電極體系測試，三個電極分別為輔助電極15、參比電極16和工作電極，當測試預應力錨筋3時，預應力錨筋3為工作電極，將預應力錨筋3通過工作電極導線與電化學工作站20連接，當測試無預應力筋14時，無預應力錨筋14為工作電極，將無預應力筋14與電化學工作站20連接。

最后應當說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非對本實用新型保護范圍的限制，盡管參照較佳實施例對本實用新型作了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術方案的實質和范圍。