CN108132114A - 一种用于离心模型试验隧道模型表面压力采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于离心模型试验隧道模型表面压力采集装置，主要由薄膜压力传感器、信号发射器、信号接收器与计算机组成。薄膜压力传感器包裹在隧道模型表面，与模型一起置于离心试验模型箱内；薄膜压力传感器有引线接出，与信号发射器连接；模型箱与信号发射器封闭于离心试验机中；信号接收器位于离心试验机外，可接受信号发射器传出的测量信号；信号接收器再通过数据线与计算机连接，从而使用相关软件处理、分析数据。与现有技术相比，本发明使用薄膜压力传感器可以获得隧道表面压力分布情况，相比单点测量更加可靠，更全面反映了隧道的受力情况；且克服了传统试验中由于离心试验机旋转而难以以有线方式连接传感器和信号接收器的缺点。

Description

一种用于离心模型试验隧道模型表面压力采集装置

技术领域

本发明属于岩土工程领域，尤其是涉及一种用于离心模型试验隧道模型表面压力采集装置。

背景技术

隧道结构的科研、设计、建设是土木工程行业非常重要组成部分，其中对隧道与土的相互作用研究是科研的核心领域。只有认清隧道与土的相互作用关系，才能更好指导设计与施工。对此，现有的研究方法主要有解析法、数值模拟法、试验法与实测法。解析法通常是建立在物理假设的前提下，结果与实际情况有所差异。数值模拟法在土体本构及本构参数选取上有较大困难，其准确程度对结果有很大影响，也难以考虑土体的应力历史、模型边界条件等因素。试验法与实测法的结果相对可靠，尤其实测法基本可以看作是真实结果。但实测法需要付出的人力物力大，难以长期测量。

试验法中的离心模型试验恰好能解决实测法的这一缺点。离心模型试验能够重现真实隧道所处的应力场，模拟真实隧道与土的相互作用，而且可以以较少的试验时间模拟真实隧道几十年的过程。

现有的离心模型试验在研究隧道与土体相互作用方面通常做法是在隧道模型周围埋设土压力盒。但土压力盒数量有限，测试结果少，而且土压力盒的存在改变了地应力场，干扰了土体与隧道模型的相互作用，误差较大。此外还存在由于离心试验机空间较小，整套测试装置布线繁琐，降低了试验方案的可操作性。

因而，客观上有必要发明一种能够精确显示隧道周围土压力分布的测量装置，并提高其对离心试验机的适应性，提高装置布置的可行性与信号传输的可靠性。

中国专利CN103175729A公开了盾构隧道开挖面稳定性离心模型试验配套装置，包括模型箱，模型箱内设有模型隧道、隧道刚性支护面、动力组件、传动组件及数据采集组件；其中模型隧道位于模型箱中，模型隧道的外侧充填试验地基土；隧道刚性支护面设在模型隧道内部的顶端；动力组件设在模型隧道的外侧；传动组件设在模型隧道内部，连接动力组件及隧道刚性支护面；数据采集组件包括力传感器、LVDT位移计及土压力计；动力组件通过传动组件为隧道刚性支护面提供动力，带动隧道刚性支护面移动，实现对隧道刚性支护面的位移控制，模拟隧道开挖面土体失稳的过程，数据采集组件同步采集数据。该发明的作用是模拟盾构隧道的开挖过程，对开挖面失稳破坏进行研究，其主要研究对象是盾构施工中影响的土层，获得的是土的失稳破坏行为特性，并不能反映隧道结构的受力与变形规律。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种新的用于离心模型试验的隧道模型表面压力采集装置，使得试验结果更加全面、准确地反映隧道模型的受力状况。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于离心模型试验隧道模型表面压力采集装置，包括薄膜压力传感器、信号发射器、信号接收器和计算机，所述的薄膜压力传感器与信号发射器位于离心试验机内部，所述的信号接收器与计算机位于离心试验机外部。

所述的薄膜压力传感器与隧道模型密贴，置于模型箱内，所述的模型箱置于离心试验机内；模型箱内按试验需求铺设土层与其他模型或传感器；薄膜压力传感器通过导线与信号发射器相连，将压力响应转化成电压信号传输给信号发射器。

所述的薄膜压力传感器由两片聚酯薄膜组成，内表面分别铺设若干行、若干列的带状导体，导体外表涂有特殊的压敏半导体材料涂层。横向和纵向导体的交叉点形成了压力传感点阵列，呈网格状。当外力作用到传感点上时，半导体的阻值会随外力成比例变化，继而将压力响应转化为电信号。

所述的薄膜压力传感器以多测点实现近似的连续分布测量的，其包含的测点数应根据隧道模型尺寸选取与设计，根据试验实际情况进行调整，以获得足够的测量数据。一般可以在环形面上每隔10°布置一个测点，而在隧道模型纵向上的间距宜根据环向间距调整，使测点近似为正方形布置。当然为进一步提高测量精度，获得更精确的压力分布，上述测点布置可以增多、增密。

所述的信号发射器具有A/D转换的功能，将薄膜压力传感器传输的电压信号转化成数字信号，再将数字信号通过编码调制的方法转换为无线电信号发射出去，采用数字信号进行无线信号传输，抗干扰能力强。

所述的信号发射器尽量靠近离心试验机的转轴，信号发射器的引线固定，不可随离心机转动有大幅振动。

所述的信号接收器将信号发射器传出的无线电信号解调重新获得数字信号，再将信号传输给计算机。

所述的计算机通过软件处理、分析和储存测量数据，用彩色云图的方式显示隧道环向的压力分布，直观输出试验结果。

试验之前，应该根据需要设计合理的隧道模型尺寸，进而设计合适的薄膜压力传感器。这是因为薄膜压力传感器是以多测点实现近似的连续分布测量的，其包含的测点数应根据隧道模型尺寸与数据采集需要进行选取和设计。

正式试验前，需要对上述测量系统进行调试，一方面根据相关理论方法求出隧道模型表面压力分布情况，与试验结果比较；另一方面，检查测量数据是否稳定变化，如果出现明显“噪声”，应停止试验，检查装置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、薄膜压力传感器内设许多测点，当隧道模型受到周边土体作用时，薄膜传感器可以较全面地反映隧道表面的压力分布，更加真实地反映隧道的受力情况；此外，压敏材料还具有灵敏度高、机械性能好等利于试验结果的优点；

2、无线信号传输克服了部分离心试验机由于自身空间限制而无法进行较复杂的试验监测设计的缺点，避免了试验数据的单一性；

3、使用数字信号进行无线传输，增强了传输过程中信号的抗干扰能力，提高了试验数据的精确性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为薄膜压力传感器与隧道模型的关系图；

图3为薄膜压力传感器与隧道模型的关系图

图4为实施例1使用本发明进行试验的示意图。

图中，1-薄膜压力传感器，2-信号发射器，3-信号接收器，4-计算机，5-隧道模型，6-模型箱，7-导体，8-测点，9-离心试验机，10-离心试验机吊篮，11-离心试验机转臂。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

一种用于离心模型试验隧道模型表面压力采集装置，其结构如图1所示，包括薄膜压力传感器1、信号发射器2、信号接收器3和计算机4，薄膜压力传感器1与信号发射器2位于离心试验机9的内部，信号接收器3与计算机4位于离心试验机9外部。

薄膜压力传感器1与隧道模型5密贴，如图2-3所示，然后置于模型箱6内，模型箱6置于离心试验机9内；模型箱6内按试验需求铺设土层与其他模型或传感器；薄膜压力传感器通过引线与信号发射器相连，将压力响应转化成电压信号传输给信号发射器。薄膜压力传感器1为双层膜结构，沿纵向每隔8mm布置一列导体，环向每隔10°布置一列导体7，形成近似正方形分布的测点群，以多测点实现近似的连续分布测量的。一般可以在环形面上每隔10°布置一个测点8，而在隧道模型纵向上的间距宜根据环向间距调整，使测点近似为正方形布置。当然为进一步提高测量精度，获得更精确的压力分布，上述测点布置可以增多、增密。

使用的信号发射器2具有A/D转换的功能，将薄膜压力传感器1传输的电压信号转化成数字信号，再将数字信号通过编码调制的方法转换为无线电信号发射出去，采用数字信号进行无线信号传输，抗干扰能力强。信号发射器2尽量靠近离心试验机的转轴，并且信号发射器的引线固定，不可随离心机转动有大幅振动。信号接收器3将信号发射器2传出的无线电信号解调重新获得数字信号，再将信号传输给计算机。计算机4通过软件处理、分析和储存测量数据，用彩色云图的方式显示隧道环向的压力分布，直观输出试验结果。

为了研究隧道在软弱土层中的土压力分布情况，在本实施例中设计了如图4所示的离心模型试验，相似比N＝100。离心试验机处于一个封闭的空间内，装有隧道模型的模型箱放置于离心试验机吊篮10中，由离心试验机转臂11带动旋转。旋转产生的离心力为模型箱提供了100倍的离心力场，模拟了隧道原型所处的重力场。在隧道模型外包裹薄膜压力传感器，一同置于模型箱内的土体中。传感器由引线与信号发射器连接，信号发射器通过无线电信号与离心试验机外的信号接收器传输数据，最后信号接收器有线连接计算机，继而对测试数据进行处理分析。本实施例中所采用的模型箱的长×宽×高为500mm×300mm×440mm。隧道模型外径62mm，内径55mm，长度比模型箱宽度略小，避免与模型箱接触，埋深150mm，处于淤泥质土层中，淤泥质土下方铺设了砂层，用于排水。由于离心试验机处于封闭空间中，使用本发明可以避免封闭空间狭窄，布线困难的窘境。此外，本发明使用数字信号进行无线传输，信号稳定，不容易受高速旋转的离心试验机的影响。使用本发明进行该离心模型试验，很好地探究了软土地层中隧道周围土压力的分布形式，也很容易实现控制变量法研究某一因素，比如隧道埋深，对土压力分布形式的影响，也可以在本实施例的基础上设计更加复杂的试验。这些试验结果对指导隧道设计、施工与后期养护维修均由重要意义。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种用于离心模型试验隧道模型表面压力采集装置，其特征在于，该装置包括薄膜压力传感器、信号发射器、信号接收器和计算机，所述的薄膜压力传感器与信号发射器位于离心试验机内部，所述的信号接收器与计算机位于离心试验机外部。

2.根据权利要求1所述的一种用于离心模型试验隧道模型表面压力采集装置，其特征在于，所述的薄膜压力传感器与隧道模型密贴，置于模型箱内，所述的模型箱置于离心试验机内；模型箱内按试验需求铺设土层与其他模型或传感器；薄膜压力传感器通过引线与信号发射器相连，将压力响应转化成电压信号传输给信号发射器。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于离心模型试验隧道模型表面压力采集装置，其特征在于，所述的薄膜压力传感器由两片聚酯薄膜组成，内表面分别铺设若干行、若干列的带状导体，导体外表涂有特殊的压敏半导体材料涂层，横向和纵向导体的交叉点形成了压力传感点阵列，呈网格状，当外力作用到传感点上时，半导体的阻值会随外力成比例变化，继而将压力响应转化为电信号。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于离心模型试验隧道模型表面压力采集装置，其特征在于，所述的薄膜压力传感器以多测点实现近似的连续分布测量的，其包含的测点数应根据隧道模型尺寸选取与设计，根据试验实际情况进行调整，以获得足够的测量数据。

5.根据权利要求4所述的一种用于离心模型试验隧道模型表面压力采集装置，其特征在于，所述的薄膜压力传感器在环形面上至少每隔10°布置一个测点，在隧道模型纵向上的间距宜根据环向间距调整，使测点近似为正方形布置。

6.根据权利要求1所述的一种用于离心模型试验隧道模型表面压力采集装置，其特征在于，所述的信号发射器具有A/D转换的功能，将薄膜压力传感器传输的电压信号转化成数字信号，再将数字信号通过编码调制的方法转换为无线电信号发射出去。

7.根据权利要求1或6所述的一种用于离心模型试验隧道模型表面压力采集装置，其特征在于，所述的信号发射器尽量靠近离心试验机的转轴，信号发射器的引线固定。

8.根据权利要求1所述的一种用于离心模型试验隧道模型表面压力采集装置，其特征在于，所述的信号接收器将信号发射器传出的无线电信号解调重新获得数字信号，再将信号传输给计算机。

9.根据权利要求1所述的一种用于离心模型试验隧道模型表面压力采集装置，其特征在于，所述的计算机通过软件处理、分析和储存测量数据，用彩色云图的方式显示隧道环向的压力分布，直观输出试验结果。