[发明专利]基于扩散-对流模型的海底混凝土隧道耐久寿命预测方法

说明书

本发明涉及一种基于扩散‑对流模型的海底混凝土隧道耐久寿命预测方法，包括步骤：建立海底隧道非饱和混凝土中氯离子扩散‑对流模型；判别海底隧道保护层处的最危险点；进行海底隧道耐久寿命预测。本发明的有益效果是：通过分析任意时间节点任意位置处的自由氯离子浓度分布，来确定隧道结构保护层位置处自由氯离子浓度最大的危险点，以及该点浓度达到临界氯离子浓度的服役时长；本发明的预测方法准确性更高，为海底隧道的耐久性设计提供科学的依据，对工程的耐久性能维护管理具有指导作用，并且为今后的海底混凝土隧道耐久设计研究提供了理论基础；适用于多种工况，包括不同环境自由浓度的海域、以及海底隧道的不同水头和混凝土初始饱和度。

技术领域

本发明属于海底混凝土隧道耐久寿命预测领域，尤其涉及一种基于扩散-对流模型的海底混凝土隧道耐久寿命预测方法。

背景技术

海底隧道是不可逆的重要工程，设计使用年限一般要求在100年以上。海底隧道长期处于高压力海水侵蚀的恶劣环境，氯离子侵蚀是其耐久寿命劣化的重要因素之一。氯离子在混凝土中的传输方式和传输速度是影响海底隧道耐久寿命的关键。目前国内外学者提出了多种基于氯离子扩散理论的海底隧道耐久寿命预测理论模型，以及采用遗传算法等隐式模糊预测模型。这些模型通常对氯离子扩散系数进行了多因素修正，然后基于Fick第一和第二扩散定律进行确定性或考虑模型不确定性的可靠度研究。

混凝土是一种孔隙材料，氯离子在混凝土孔隙溶液中除了依靠浓度梯度驱动的扩散方式外，还会以孔隙水为载体通过对流作用一起运移，包括压力渗透作用、毛细作用等。目前对海底隧道中氯离子的扩散-对流研究，有学者根据Duracrete模型直接在Fick扩散模型中设置了对流层深度来实现，也有学者考虑压力渗透作用下的饱和混凝土扩散-对流模型，基于Fick扩散定律和Darcy定律建立了考虑海水压力渗透作用的扩散-对流模型，并采用OgataBanks的解析解进行分析。丹麦、瑞典等水下混凝土工程的取芯实验发现，即使服役了数十年的水下结构，也仅在距表面30mm深度内孔隙液态水含量完全饱和，超过该深度的混凝土处于非饱和状态。非饱和混凝土中水分运动的主要驱动势是反映毛细吸收作用的基质势，相应地非饱和混凝土中氯离子的扩散-对流模型应同时考虑扩散、外水压力和基质势作用。

综上所述，目前还没有基于非饱和混凝土中氯离子传输机制的扩散-对流模型应用于海底隧道耐久寿命预测的研究成果；目前通常采用氯离子扩散模型来预测海底隧道耐久寿命，忽略了海底隧道服役环境中外水压力，以及水下非饱和混凝土的毛细吸力作用对混凝土孔隙中水分的对流驱动，因此可能低估了海底隧道中自由氯离子的浓度，相应的可能高估了海底隧道的耐久寿命。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于扩散-对流模型的海底混凝土隧道耐久寿命预测方法：

步骤1、建立海底隧道非饱和混凝土中氯离子扩散-对流模型；

步骤1.1、基于Fick第一和第二定律，将混凝土孔隙溶液中自由氯离子的扩散通量作为扩散模型；

上式中，J_d为自由氯离子的扩散通量，单位为kg/(m²s)；为Nabla算子；C_f为孔隙溶液中自由氯离子浓度，单位为kg/m³；t为扩散时间，单位为s；D_eff为氯离子有效扩散系数，单位为m²/s；

根据Atkinson和Nickerson模型，氯离子的有效扩散系数为：

D_eff＝D_s0φβ

上式中，D_s0为饱和混凝土的氯离子扩散系数，单位符号为m²/s；φ为孔隙率；β为孔结构参数β；

孔结构参数为：