一種用于相似模擬試驗(yàn)的應(yīng)力測(cè)試裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于相似模擬試驗(yàn)的應(yīng)力測(cè)試裝置及方法，尤其是涉及到巖土、礦山等相似模擬應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]相似模擬試驗(yàn)是一種建立在相似理論和因次分析基礎(chǔ)上，利用相似材料模擬真實(shí)的巖土和采礦地質(zhì)和工程條件，采用一定的相似比，研宄巖土或采礦工程對(duì)圍巖環(huán)境及工程設(shè)施的影響規(guī)律的實(shí)驗(yàn)方法。
[0003]在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，主要測(cè)量的參數(shù)有兩個(gè):位移與應(yīng)力變化。位移變化規(guī)律一般采用全站儀觀測(cè)，能達(dá)到很高的精度，而應(yīng)力的變化規(guī)律的測(cè)量卻存在很多問(wèn)題。這是因?yàn)閼?yīng)力的測(cè)量常采用應(yīng)變片和土壓力盒進(jìn)行。應(yīng)變片的使用是通過(guò)測(cè)量相似材料的應(yīng)變換算成應(yīng)力，以達(dá)到測(cè)量的目的。雖然應(yīng)變片的價(jià)格便宜，測(cè)量精度高，但是對(duì)使用環(huán)境及操作有較高的要求，安裝時(shí)要求粘貼的方向和位置必須準(zhǔn)確無(wú)誤。在相似模擬試驗(yàn)中，由于相似材料經(jīng)過(guò)水拌合后比較潮濕，會(huì)影響應(yīng)變片的電阻變化規(guī)律，不能很好地反映真實(shí)的數(shù)值，另一方面由于應(yīng)變片要求緊密的粘貼到被測(cè)物體上才能準(zhǔn)確的測(cè)出物體應(yīng)變，但是將應(yīng)變片埋設(shè)到相似材料中，應(yīng)變片很難緊密粘結(jié)到相似材料上，另外應(yīng)變片兩側(cè)均被粘結(jié)，兩側(cè)發(fā)生的應(yīng)變相互影響降低了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和合理性，如果相似材料與應(yīng)變片粘結(jié)不緊密則可能造成沒(méi)有數(shù)據(jù)的情況，這種情況在真實(shí)的使用過(guò)程中，并不鮮見，一般能達(dá)到50%左右。土壓力盒是一種用于土應(yīng)力測(cè)量的裝置，其作用原理是通過(guò)一側(cè)(或同一方向兩側(cè))承壓膜的變形最終換算成應(yīng)力值以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的測(cè)量。土壓力盒具有對(duì)潮濕環(huán)境的適應(yīng)性好，安裝要求低的特點(diǎn)，在非破壞型的模擬試驗(yàn)中可以很好的實(shí)現(xiàn)應(yīng)力變化規(guī)律的測(cè)量，但是對(duì)于像礦藏被開采，引起頂板垮落這種類型的模式時(shí)，會(huì)因?yàn)橹車鷩鷰r的破壞和大變形造成壓力轉(zhuǎn)移到非承壓膜側(cè)，造成承壓膜受力與真實(shí)壓力值相差很大的問(wèn)題，嚴(yán)重的則無(wú)法測(cè)量數(shù)據(jù)。
[0004]土壓力盒還有另外一個(gè)問(wèn)題限制了它的應(yīng)用，就是一個(gè)土壓力盒不能同時(shí)測(cè)各個(gè)方向上的應(yīng)力。雖然現(xiàn)有的雙膜土壓力盒和應(yīng)測(cè)量同一方向上土壓力盒兩側(cè)的不同壓力，但是由于承壓膜變形的相互影響，至今無(wú)法實(shí)現(xiàn)相鄰面同時(shí)測(cè)量的問(wèn)題，即無(wú)法同時(shí)一個(gè)位置的垂直和水平應(yīng)力，更不用說(shuō)各個(gè)方向的應(yīng)力。當(dāng)然使用多個(gè)土壓力盒各個(gè)方向安裝可以測(cè)到各個(gè)方向的應(yīng)力，但是由于距離太近相互影響造成測(cè)量極不準(zhǔn)確，且也不是測(cè)量同一位置的應(yīng)力。這樣更無(wú)法反映真實(shí)的應(yīng)力變化規(guī)律。
[0005]較新發(fā)展的光纖應(yīng)力傳感器，雖然在相似模擬試驗(yàn)中有所應(yīng)用，可以測(cè)量各個(gè)方向上的合力，但是無(wú)法得出應(yīng)力主方向和某一方向的分力，在現(xiàn)有文獻(xiàn)《相似模擬試驗(yàn)中的光纖光柵測(cè)試研宄》中提出了用光纖應(yīng)力傳感器測(cè)應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律的方法，這也限制了光纖應(yīng)力傳感器在相似模擬中的應(yīng)用。在現(xiàn)有文獻(xiàn)和現(xiàn)有專利中也沒(méi)有其他類似的裝置公布或授權(quán)。
[0006]鑒于現(xiàn)有應(yīng)力測(cè)量裝置無(wú)法同時(shí)、有效、準(zhǔn)確測(cè)量各個(gè)方向的應(yīng)力變化的問(wèn)題。亟待發(fā)明一種在相似模擬試驗(yàn)中能夠同時(shí)精確便捷的測(cè)量同一位置各個(gè)方向應(yīng)力的裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明旨在提供一種用于相似模擬試驗(yàn)的應(yīng)力測(cè)試裝置及方法，利用薄膜傳感器(或傳感器陣列)和承載裝置同時(shí)測(cè)量多方向應(yīng)力的裝置，解決了現(xiàn)有相似模擬應(yīng)力測(cè)試裝置中無(wú)法同時(shí)、有效、準(zhǔn)確測(cè)量各個(gè)方向的應(yīng)力的問(wèn)題，并提高了試驗(yàn)結(jié)果的精確度。
[0008]本發(fā)明提供了一種用于相似模擬試驗(yàn)的應(yīng)力測(cè)試裝置，包括應(yīng)力測(cè)量單元，信號(hào)放大器，信號(hào)采集裝置，數(shù)據(jù)處理裝置；所述應(yīng)力測(cè)量單元包括壓力柱、受壓板、傳感器、導(dǎo)線，壓力柱的外表面上均勻設(shè)有凸臺(tái)，凸臺(tái)上設(shè)有傳感器，傳感器位于受壓板內(nèi)側(cè)，二者之間有間隙，在壓力柱兩底面上設(shè)有與各個(gè)柱面對(duì)應(yīng)的凹槽，用來(lái)固定受壓板，受壓板由面板和兩端的約束板組成，面板寬度小于壓力柱單個(gè)柱面的寬度且大于凸臺(tái)的寬度，以保證受壓板收到的壓力能精確地傳遞到薄膜壓力傳感器上，約束板與凹槽的形狀相同，但其厚度和主平面的面積都比凹槽的厚度和主平面的面積小，目的是凹槽在固定約束板的同時(shí)使其有活動(dòng)空間，這樣可以保護(hù)受壓板在收到較大的瞬時(shí)壓力時(shí)約束板不被損壞同時(shí)使導(dǎo)線從約束板和凹槽的微小間隙中通過(guò)，導(dǎo)線一端連接傳感器，另一端連接傳輸模塊，導(dǎo)線外裝有護(hù)套管；若干個(gè)應(yīng)力測(cè)量單元設(shè)置在相似模擬試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)，相似模擬試驗(yàn)臺(tái)連接信號(hào)放大器，信號(hào)放大器連接信號(hào)采集裝置，信號(hào)采集裝置連接數(shù)據(jù)處理裝置。
[0009]作為一種優(yōu)選方案，所述壓力柱為棱柱，傳感器分布在每個(gè)柱面上，傳感器外側(cè)設(shè)有受壓板，在棱柱兩底面上均勻設(shè)有凹槽，凹槽與棱柱的柱面對(duì)應(yīng)設(shè)置，用來(lái)約束受壓板；所述受壓板的面板為平面。進(jìn)一步地，所述壓力柱的橫截面外接圓直徑為15~30mm，厚度為10?30mm。
[0010]作為另一種優(yōu)選方案，所述壓力柱為圓柱體，傳感器分布在整個(gè)柱面上，傳感器外側(cè)設(shè)有受壓板，在圓柱體兩底面上均勻設(shè)置6~8個(gè)凹槽，用來(lái)約束受壓板；所述受壓板的面板為弧形面。
[0011 ] 上述方案中，所述傳感器為薄膜壓力傳感器或薄膜壓力傳感器陣列。
[0012]上述方案中，所述傳感器采用無(wú)線傳輸信號(hào)時(shí)，壓力柱中心安裝有無(wú)線傳輸模塊，受壓板的約束板與凹槽之間設(shè)有間隙，保護(hù)約束板和受壓板不受損壞；安裝有無(wú)線傳輸模塊的壓力柱中心部分與凹槽之間設(shè)有鉆孔，傳感器導(dǎo)出的導(dǎo)線經(jīng)由約束板與凹槽之間的間隙和該鉆孔向壓力柱內(nèi)導(dǎo)入，與無(wú)線傳輸模塊連接，壓力信號(hào)經(jīng)由無(wú)線傳輸模塊向外導(dǎo)出。
[0013]上述方案中，所述傳感器采用有線傳輸信號(hào)時(shí)，壓力柱中心部分為實(shí)心，約束板與凹槽之間有間隙，使受壓板在受到較大壓力時(shí)有活動(dòng)間隙，保護(hù)約束板和受壓板不受損壞；壓力柱的中心部分與凹槽之間設(shè)有鉆孔，傳感器導(dǎo)出的導(dǎo)線經(jīng)由約束板與凹槽之間的間隙和該鉆孔向壓力柱外導(dǎo)出，連接信號(hào)放大器和信號(hào)采集裝置。
[0014]上述方案中，所述凹槽的形狀為三角形、橢圓形或半圓形。優(yōu)選半圓形。
[0015]本發(fā)明提供的裝置中，壓力柱的形狀為圓柱體或正棱柱體中的任一種。如果壓力柱為正棱柱體，壓力柱端面上的凹槽與受壓板之間有一定的間隙，當(dāng)受壓板收到較大壓力時(shí)，可以有一定的活動(dòng)空間保護(hù)受壓板不受損傷；如果壓力柱為圓柱體，薄膜壓力傳感器分布在整個(gè)柱面上，薄膜壓力傳感器上方設(shè)有受壓板，在壓力柱兩端面上均勻設(shè)置凹槽，用來(lái)約束受壓板，當(dāng)受壓板受到較大壓力時(shí)，可以更好的保護(hù)受壓板。從薄膜壓力傳感器或薄膜傳感器陣列上引出的導(dǎo)線，經(jīng)由約束板與凹槽的間隙及壓力柱內(nèi)的鉆孔導(dǎo)出。
[0016]本發(fā)明提供了一種用于相似模擬試驗(yàn)的應(yīng)力測(cè)試方法，采用上述用于相似模擬試驗(yàn)的應(yīng)力測(cè)試裝置，其特征在于:包括以下步驟:
(1)將壓力柱、傳感器、受壓板、無(wú)線傳輸模塊、電源導(dǎo)線組裝，再采用聚乙烯薄膜封裝；
(2)將每個(gè)薄膜壓力傳感器按照測(cè)量應(yīng)力的方向進(jìn)行編號(hào)，以方便記錄和分析；
(3)按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，將應(yīng)力測(cè)量單元埋設(shè)到相似材料中；
(4)在進(jìn)行模擬開挖時(shí)，頂板變形造成應(yīng)力應(yīng)變變化，受力板將應(yīng)力變化傳到薄膜壓力傳感器或薄膜傳感器陣列上；
(5)相似模擬試驗(yàn)臺(tái)連接信號(hào)放大器，信號(hào)放大器用來(lái)放大傳感器信號(hào)，設(shè)置多個(gè)放大量級(jí)，實(shí)現(xiàn)多用途；信號(hào)放大器將信號(hào)放大后傳送給信號(hào)采集裝置；
(6)利用信號(hào)采集裝置采集數(shù)據(jù)并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理裝置，進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理與分析。
[0017]當(dāng)傳感器采用有線傳輸信號(hào)時(shí)，導(dǎo)線向壓力柱外導(dǎo)出，導(dǎo)線裝有護(hù)套管，用來(lái)保護(hù)導(dǎo)線，防止在使用過(guò)程中損壞；當(dāng)傳感器采用無(wú)線傳輸信號(hào)時(shí)，導(dǎo)線向壓力柱內(nèi)導(dǎo)入，并連接安裝有電源的無(wú)線傳輸模塊。
[0018]本發(fā)明的有益效果:
(1)本發(fā)明對(duì)于潮濕環(huán)境的適應(yīng)性好，安裝要求較低，便于操作，測(cè)量到的數(shù)值精確度高，解決了數(shù)據(jù)缺失的問(wèn)題；
(2)本發(fā)明在薄膜壓力傳感器或薄膜傳感器陣列上設(shè)置了受壓板，可以有效避免當(dāng)模擬開挖時(shí)造成的頂板垮落引起的應(yīng)力轉(zhuǎn)移，能夠得到更為精確的測(cè)量值；
(3)本發(fā)明采用單點(diǎn)式薄膜壓力傳感器或薄膜壓力傳感器陣列，同時(shí)把多個(gè)單點(diǎn)式壓力傳感器或薄膜壓力傳感器陣列布置在壓力柱上，能夠同時(shí)測(cè)得同一位置各個(gè)方向的應(yīng)力值及其應(yīng)力主方向，同時(shí)將各個(gè)傳感器之間的相互影響降到最低；
(4)本發(fā)明在壓力柱端面加工凹槽可以約束受力板的受力方向，并且在使用中涂抹潤(rùn)滑油進(jìn)一步減少摩擦，使得測(cè)量值更準(zhǔn)確。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是實(shí)施例1應(yīng)力測(cè)量單元的結(jié)構(gòu)模型。
[0020]圖2是圖1的主視圖。
[0021]圖3是圖2的A-A剖面圖。
[0022]圖4是實(shí)施例1相似模擬試驗(yàn)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0023]圖5是實(shí)施例2應(yīng)力測(cè)量單元的結(jié)構(gòu)模型。
[0024]圖6是圖5的主視圖。
[0025]圖7是圖6的B-B剖面圖。
[0026]圖8是C處的放大圖。
[0027]圖9是實(shí)施例2相似模擬試驗(yàn)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0028]圖中，1-受壓板，2-薄膜壓力傳感器，3-凹槽，4-導(dǎo)線，5-無(wú)線傳輸模塊，6_鉆孔，7-相似模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，8-應(yīng)力測(cè)量單元，9-信號(hào)放大器，10-信號(hào)采集裝置，11-數(shù)據(jù)處理裝置；12_第二受壓板，13-薄膜壓力傳感器陣列，14-第二凹槽，15-第二鉆孔，16-第二無(wú)線傳輸模塊，17-凸臺(tái)，18-第二相似模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，19-第二應(yīng)力測(cè)量單元，20-第二信號(hào)放大器，21-第二信號(hào)采集裝置，22-第二數(shù)據(jù)處理裝置。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面通過(guò)實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，但不局限于以下實(shí)施例。
[0030]實(shí)施例1:以棱柱作為應(yīng)力測(cè)量單元如圖1~4所示，棱柱為八棱柱。
[0031]在應(yīng)力測(cè)量單元每個(gè)柱面上都有一個(gè)小型凸臺(tái)，在每個(gè)凸臺(tái)上都裝有薄膜應(yīng)力傳感器2，在對(duì)應(yīng)的端面上加工凹槽3，用來(lái)約束受壓板1，凹槽的長(zhǎng)度略小于端面長(zhǎng)度，其形狀可以為三角形、橢圓形或半圓形，優(yōu)先選擇半圓形，半圓形可減小約束板與凹槽之間的摩擦。約束板與壓力柱端面間留有間隙，薄膜壓力傳感器或壓力傳感器陣列引出導(dǎo)線4，在應(yīng)力測(cè)量單元凹槽底部設(shè)有鉆孔6，其與約束板和凹槽3之間的間隙相通，導(dǎo)線4通過(guò)上述間隙和鉆