CN109632158A - 模型试验应力测试块体及其制备和使用方法 - Google Patents

模型试验应力测试块体及其制备和使用方法 Download PDF

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CN109632158A CN201811556671.0A CN201811556671A CN109632158A CN 109632158 A CN109632158 A CN 109632158A CN 201811556671 A CN201811556671 A CN 201811556671A CN 109632158 A CN109632158 A CN 109632158A
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李建忠
王晓卿
杨景贺
刘晓敏
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杨磊
陈金宇
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Abstract

本发明提供一种模型试验应力测试块体及其制备和使用方法。所述模型试验应力测试块体包括坯体、防潮涂层、应变片和沙粒层；所述坯体是采用相似材料制成的块体，在块体上贴有应变片；所述防潮涂层附着在所述块体外表面、所述块体和所述应变片之间、以及所述应变片外表面；在所述防潮涂层的外表面附着所述沙粒层。本发明所研制的应力测试块体选用与模型材料相同的相似材料，因此两者之间力学性能匹配，能够精准反映测点处的应力变化；应力测试块体的封装采用自主研制的苯—烯复合型防潮液，防潮涂层密封性好；采用性价比高的箔式应变片，测试精度高。本发明在防潮和零漂测试中均表现出良好的性能，满足模型试验应力测试的需求。

Description

模型试验应力测试块体及其制备和使用方法
技术领域
本发明属于相似材料模型试验测试技术领域，具体涉及一种应力检测元件及其制备和使用方法。
背景技术
相似材料模型试验是开展矿山采动压力研究的重要试验方法。在制模阶段，采用不同的相似材料配比方案模拟相应的煤系地层，逐层铺设模型。模拟开挖过程中，实时监测模型体的位移、应力(应变)及支护体工况等测试指标，据此研究岩层运移破断及采动应力演化特征。近年来，随着三维激光扫描、近景摄影测量、数字散斑等先进测试技术逐渐应用于模型试验，模型表面变形及位移等指标的测试精度、测试效率得到显著提高。但模型试验发展至今，模型体应力监测技术发展相对滞后，已成为制约模型试验精细化发展的短板。
根据应力测试装置的不同，模型体应力测试方法主要分为压力盒、应力测试块体等测试方法。上述传感器外部多采用金属或橡胶材料封装。由于封装材料的弹性模量等变形指标与模型材料有显著差异，变形传递的耦合度差，降低了测试数据的准确度；并且传感器只能进行单方向的应力测量。近年来随着光纤光栅测试技术的发展，应力测试块体外贴光纤光栅的方法逐渐应用于模型试验中，但该方法涉及调试解调、信号转换、传输等环节，对测试人员的专业性要求很高，特别是模型尺寸较大时，由于测点数量很多，导致测试成本大幅提高，该方法在模型试验中难以广泛普及。
发明内容
针对本领域存在的问题，本发明的目的是提出一种模型试验应力测试块体。本研究团队基于多年的模型测试经验，在借鉴传统应力测试方法的基础上，研制了基于相似材料母体的应力测试块，并进行了成套制作工艺的优化改进。该应力测试块体制作过程包括应力测试块体的坯体制作、贴片引线、防潮封装等工艺。测试结果表明，块体与模型材料力学性能匹配、变形协调性好；应力测试块体具有良好的防潮绝缘性能和长时间低零漂值，长时测试性能稳定；监测数据能够反映模型内部应力的演化过程。
本发明的另一目的是提供所述模型试验应力测试块体的制备方法。
本发明的又一目的是提出所述模型试验应力测试块体的使用方法。
实现本发明上述目的的技术方案为：
一种模型试验应力测试块体，包括坯体、防潮涂层、应变片和沙粒层；
所述坯体是采用与模型材料相同的相似材料制成的块体，在块体外表面贴有应变片；所述防潮涂层附着在所述块体外表面、所述块体和所述应变片之间、以及所述应变片外表面；
在所述防潮涂层的外表面附着所述沙粒层。
优选地，所述应变片通过α氰基丙烯酸乙酯胶黏剂粘结于所述防潮涂层之上。所述α氰基丙烯酸乙酯胶黏剂可以是市售的495胶水、或由本领域已知方式制得。
所述块体为长方体或者正方体，所述应变片有1～3片，位于块体的一个面上，所述应变片的长边与其所在面的一条边的夹角为0度、90度或45度(应变片通常为长方形)。
更优选地，所述外接导线为的外套材料为聚四氟乙烯(Teflon)材料。导线最小标称截面为0.05mm2。
一种模型试验应力测试块体的制备方法，包括以下步骤：
1)用相似材料压制成为坯体；
2)在坯体上涂刷防潮液，待干燥后贴上应变片；
3)再次涂刷防潮液；在最后一次涂刷的防潮液尚未干燥的时候粘上标准砂。
其中，所述防潮液是以聚乙烯颗粒溶解于有机溶剂中制成；所述有机溶剂为甲苯、乙苯、二甲苯中的一种或多种；优选地，所述聚乙烯颗粒与有机溶剂的质量比为1：(20～50)。
进一步地，所述步骤2)为，在坯体上涂刷防潮液，在室温下干燥1.5～2小时；继续涂刷和干燥，共涂刷4～6次，然后粘贴应变片。
其中，所述步骤3)为：在步骤2)制成的块体上涂刷防潮液，在室温下干燥1.5～2小时，再涂刷和干燥，共涂刷2～3次，在最后涂刷的防潮液尚未干燥时蘸取标准砂颗粒。
本发明应力测试块体的使用方法，包括操作：
铺设相似材料模型过程中，在模型内部的预定位置埋设所述应力测试块体，导线引出后外露至模型外面；
所述相似材料模型干燥养护完成后，将模型进行分阶段式开挖试验，应力测试块体实时测试模型不同位置的应力；模型试验测试过程中，应力测试块体通过导线外接测试仪器，实时采集、存储应变片的测试数据，进而获得块体在不同试验阶段的形变参数；
试验结束后进行块体应力分析时，采用无量纲化处理方法，分别将应力测试块体在不同开挖阶段的应变值与其初始应变值对比，将二者的比值定义为测点处的应变集中系数；根据块体应变与应力变化的对应关系，确定各块体所在测点处的应力变化情况，进而得到整个模型体的应力场变化特征。由于同一测点的弹性模量等指标为常数，根据广义胡克定律的经典分析理论，各测点的应变增量与应力增量呈正相关关系，因此各测点的应变集中系数能够反映其应力集中系数，据此确定各块体所在测点处的应力变化情况，进而反演得到整个模型体的应力场变化特征。
其中，模型试验结束后，将所述应力测试块体回收，在以后的模型试验中重复使用。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明根据模型试验应力测试的需求，研制了基于相似材料的应力测试块体。其特点之一在于应力测试块体选用与所在模型层位相同的材料，两者之间的力学性能匹配、变形相容性好，能够精准捕捉测点的应力动态；特点之二在于应力测试块体的封装采用自主研制的苯—烯复合型防潮液，涂层密封性好，块体防潮绝缘性能够适应模型铺设、干燥养护期间的潮湿环境；特点之三在于外部贴片采用性价比高的箔式应变片，测试精度高(分辨率1με)、贴片工艺成熟，可根据测试需要在模型内布置多个测点，据此反演模型应力场的动态变化特征。此外，应力测试块体的导线采用抗磨损、耐折性的聚四氟乙烯(Teflon)材料，导线外径小，便于降低植入导线的“加筋效应”。
(2)基于坯体制作、贴片引线、封装裹沙等工艺环节的优化研究，本发明研制的应力测试块体对模型应力场扰动小、相容性好、可重复使用、制备方便，能够监测开挖期间模型体内部的应力分布特征。该应力测试块体的有益效果已经在矿山采场与巷道支护等模型试验中得到验证。根据测试需要，可以选择不同规格的应变片对横向、纵向和切向三个方向的应力进行实时监测。
附图说明
图1为应力测试块体制备流程图。
图2为应力测试块体立体视图。
图3为应力测试块体局部结构示意图。
其中1：沙粒层，2：导线，3：应变片，4：防潮涂层，5：相似材料。
图4为贴片引线与防潮工艺过程的实物照片，左图为贴片防潮工艺过程；右图为裹沙封装后的样品。
图5为应力测试块体零漂测试期间的照片。
图6为零漂测试期间应变块的零漂曲线。
图7为矿山模型试验上、下两排应变块的布置方案图。
图8为不同开挖阶段上、下测线的垂直与水平应变变化特征图。
图9为岩层破断冒落的最终状态，其中图9(a)为岩层破断概貌，图9(b)为岩层的局部破断结构。
图10为岩层大范围垮落后各应变块的水平应变集中系数分布特征图。
图11为应力块的挖掘与回收照片。图中，(a)揭露应力块，(b)回收应力块，(c)回收样品。
具体实施方式
以下具体实施方式用于说明本发明，但不应理解为对本发明的限制。
实施例中，如无特别说明，所用技术手段为本领域常规的技术手段。
试验例1：应力测试块体的材料选择
应力测试的主体是应力测试块体(简称应力块)，经过反复优化试验，其制作工艺流程分为坯体制作、贴片引线、封装裹沙等3个阶段。坯体制作包括坯体选材、坯体规格、坯体成型等环节。贴片引线包括防潮绝缘、贴片等工艺。应力测试块体制作流程如图1所示。工艺过程的照片参见图4。
(1)坯体选材
应力测试块体与模型材料的力学性能应具有良好的匹配性，这样才能保证应力测试块体与模型产生同步协调变形，进而通过块体表面的应变片读数反映测点处的应力变化情况。为此，坯体材料选用与其埋设层位相同的相似材料配比方案。发明人所在团队通过多年的相似材料配比实验，研制了以河砂、石膏、碳酸钙为原材料的相似材料(简称SGC)，该类相似材料的密度1800～1900kg/m3，单轴抗压强度348～1100kPa，弹性模量0.11～0.725GPa，泊松比0.028～0.404，粘聚力0.13～0.33MPa。近年来的模型试验应用表明，SGC相似材料基本满足煤矿开采模型试验的力学性能要求，限于篇幅，在此列举部分配比方案的力学指标，见表1。
表1SGC配比方案力学参数汇总表
(2)坯体规格与成型
应力测试块体是反映块体所在点的受力状态，相当于力学理论分析中的微元体，因此块体的外形尺寸应远小于模型体三维尺寸中的最小值，这样才能尽可能降低块体对模型应力场的干扰。应力测试块体拟植入采场平面应力模型和巷道支护平面应变模型的中部垂直剖面内，模型体厚度分别为400mm和300mm，借鉴煤矿井巷开挖扰动范围为3～5倍开挖跨度的工程经验，则块体边长以小于40mm、30mm为宜。虽然可以进一步减小块体尺寸，但考虑到相似材料制块、脱模、应变片尺寸及后续粘贴应变片等工序的可操作性，确定坯体规格为40mm×40mm×25mm的长方体，采用模具制作而成。
(3)应变片及胶黏剂选型
目前应变片的种类很多，包含丝式、箔式、半导体、薄膜和厚膜等5类。根据坯体的材质及表观特征，对比5类应变片的适宜工况及模型试验大量使用的性价比，选择金属箔式应变片。该类应变片的特点是性能稳定，适应温度范围宽，在测力、称重传感器领域，有80％～90％采用金属箔式应变片，与应力试验测试块体的坯体尺寸相匹配的箔式应变片参数见表2。
表2箔式应变片参数
为保证应变片基底与坯体均匀粘结，应选择低粘度、快速固化、无刺激气味的胶黏剂。对比502、495、914等多种胶黏剂的黏结机理与初固时间等指标，确定采用495瞬干胶黏剂。该胶黏剂材料粘度为20-60MPa·s，初固时间20秒，应变片贴片平均用时10-15秒，因此初固时间满足贴片操作要求。
(4)导线
由于应力测试块体内置于模型中，应尽可能降低导线对于模型体垮落运移的影响，更不能干涉模型破断块体之间的自然回转运动，否则将影响其它测试指标的准确度，为此对于导线的外径、抗磨损、耐折性等3个方面有严格的要求。与之相矛盾的是，由于应力测试块体为单点测试，为了获得模型内部应力场的分布特征，一般内置很多测点，当导线数量较多时，如果导线直径较粗，容易产生“加筋效应”，干扰模型块体的正常运动，甚至影响覆岩破断结构特征。为此在保证导线信号传输的前提下，应该尽可能降低导线外径。
试验初期曾经采用漆包线，其优点是外径极细，植入模型体内不会产生“加筋效应”。其缺点是韧性较差，当模型试验植入导线数量较多时，引出导线容易弯折、缠绕，且漆皮颜色单一，视觉可辨识性差，在早期的模型试验中线路梳理困难，增加了线路故障的排查难度。
经过前期的调研，确定选用近年来电子行业广泛应用的特氟龙导线，其外套材料为耐磨、抗折的聚四氟乙烯(Teflon)材料，导线最小标称截面0.05mm2，外径0.5mm，该导线植入模型体内，可最大限度降低植入导线的“加筋效应”，导线参数见表3。
表3应力测试块体的导线参数
(5)防潮液
建筑领域有市售的防潮液，但如果直接用于应力测试块体会发生严重的渗入，导致块体软化崩解，影响块体的工作性能。
本发明所述防潮液是将聚乙烯颗粒溶解于有机溶剂中制成；所述有机溶剂为甲苯。聚乙烯颗粒与有机溶剂的质量比为1：(20～50)。该防潮液涂刷于块体外表面后，防潮液内的有机溶剂组分会挥发，所以有机溶剂不会渗入坯体。待防潮涂层干燥后，块体外表面形成防潮绝缘的聚乙烯防潮涂层。根据试验测试经验，防潮液涂刷4～6次后，涂层形成的薄膜厚度满足防潮要求。由于外覆涂层的弹性模量介于应变片基底和相似材料，因此能够将块体形变准确传递给应变片，保证二者之间具有良好的变形协调性，实现测点处应变的精准测量。
实施例1
参见图3，一种应力测试块体，包括坯体、应变片3、防潮涂层4和沙粒层1；
所述坯体为相似材料5(SGC材料)制成的块体，在块体上贴有应变片3；所述防潮涂层4分别覆盖在所述块体的外部、所述块体和所述应变片之间、以及所述应变片3外面；
所述坯体为长方体、所述应变片有1～3片，应变片长边于所在面一条边的角度为0度、90度或45度(使用时，应变片所在平面与水平面垂直，其所在面的一条边则为底边)；具体本实施例有2片，与底边的角度分别为0度和90度。应变片通过495瞬干胶黏剂粘结于所述防潮涂层上；在所述防潮涂层的外表面设置所述沙粒层。
所述应变片连接的导线2为特氟龙导线，标称截面0.05mm2，外径为0.5mm。
本实施例进一步提出所述应力测试块体的制备方法，包括步骤：
1)采用专用模具将相似材料压制成为坯体，所述相似材料是以河沙为粗骨料、碳酸钙为细骨料、石膏为胶黏剂而构成；
2)在坯体上涂刷防潮液，在室温下干燥1.5～2小时后；再涂刷和干燥，共涂刷4～6次。待干燥后粘贴应变片；
所述防潮液是以聚乙烯颗粒溶解于甲苯制成；聚乙烯颗粒与甲苯的质量比为1：30。
3)在步骤2)制成的块体上涂布防潮液，在室温下干燥1.5～2小时后，再涂布和干燥，共涂布2～3次，在最后一次涂布的防潮液尚未干燥的时候蘸取标准砂颗粒。
实施例2
一种应力测试块体，包括坯体、应变片、防潮涂层和沙粒层；
所述坯体为相似材料(SGC材料)制成的块体，在块体上贴有应变片；所述防潮涂层设置于所述块体外部、所述块体和所述应变片之间、以及所述应变片外面；
所述坯体为立方体、所述应变片有1片，与底边的角度0度。应变片通过495瞬干胶黏剂粘结于所述防潮涂层上；在所述防潮涂层外表面设置所述沙粒层。
所述应变片连接的导线为特氟龙导线，标称截面0.05mm2，外径为0.5mm。
本应力测试块体的制备方法同实施例1。
实施例3
一种应力试验测试块体，包括坯体、应变片、防潮涂层和沙粒层；
所述坯体为相似材料(SGC材料)制成的块体，在块体上贴有应变片；所述防潮涂层设置于所述块体外部、所述块体和所述应变片之间、以及所述应变片外面；
参见图2，本实施例中，坯体为立方体、所述应变片有3片，与底边的角度分别为0度、45度和90度。应变片通过495瞬干胶黏剂粘结于所述防潮涂层上；在所述防潮涂层外表面设置所述沙粒层。
所述应变片连接的导线为特氟龙导线，标称截面0.05mm2，外径为0.5mm。
本应力试验测试块体的制备方法同实施例1。
试验例2：防潮绝缘与零漂测试
如前所述，应力块埋设在相似材料模型中，在模型铺设、干燥养护阶段，块体周围为尚未干燥的较为潮湿的相似材料，为此应力块需具备良好的防潮绝缘性能。此外，由于模型试验测试周期较长，应力块需保持较低的长时零漂值，以保证测试数据的准确性。根据上述性能要求，应力块样品需进行防潮绝缘与长时零漂测试。
(1)防潮绝缘性能测试
参照《煤和岩石块体密度测定方法》进行块体防潮性能测试。测试过程：首先用干毛巾清洁应力块表面的浮尘，在天平上称重M0；然后将应力块置于盛水的烧杯中浸泡24小时，取出应力块后擦去表面水分，用热风机烘干表面可能残存的水分，重新在天平上称重M1。若M1与M0之差小于0.5克，防潮性能视为合格，否则说明水已浸入试件，视为防潮失效。防潮性能测试合格后，同步测试应力块的电阻值，进行绝缘性能测试。
经测试，实施例1-3的应力试验测试块体的防潮性能和绝缘性能均合格。
(2)零漂测试
应力块的敏感元件为应变片。根据应变片的工况特性可知，在进行电阻应变测试时，由于外界环境变化如时间、温度和电磁场等干扰会产生测量值变化的现象，应变片往往会发生零点漂移，简称零漂现象。
根据采场模型试验的测试方案，试验周期长达48小时以上。考虑到夏季、冬季的昼夜存在较大温差，应变片与应变仪之间的接线方式已采取温度补偿措施，可以排除昼夜温差对测试数据的干扰；但由于测试周期较长，应力块势必发生零漂现象，因此必须测试应力块在真实试验期间的零漂特性，并将零漂值与应力块的测试数据相对比，只有零漂值远低于测试数据，才能保证测试结果的可靠性，否则将干扰整体试验结果。
应力块零漂测试方案为，根据采场模型试验方案，首先铺设一架与正式试验完全相同的相似材料模型。模型顶部为自由面，由于模型自重远低于正式试验期间顶部油缸施加的载荷，这里近似认为应力块处于零点状态。沿模型的高度方向，模型内自下而上埋设5排应力块，共计42块。每个应力块包含1个垂直片和1个水平片，共计84片应变片。测试场景如图5所示。
零漂试验之前将各应力块分别与应变仪连接，各通道数据清零后，启动定时自动采样模式，应变数据定时采样周期10秒。测试持续48小时，采集数据17280组。
限于篇幅，以下仅列举第1、第2排应力块(实施例1制)的测试数据，如图6所示。各应力块48小时的最大零漂值见表4。统计表明，块体上各垂直、水平应变片的最大零漂值分别为7.8με和8.5με。与之相比，正式模型在开挖试验期间，各应变片的应变值变化范围为115-240με。由此可知，与模型开挖期间的测试值相比，应变块零漂占比仅为3.25％-6.78％，对测试结果无显著影响。
表4各应力块48小时零漂统计
注：表中各编号的命名含义为：“1-1垂直片”代表第1排第1个应力块测试垂直方向应力的应变片；“1-1水平片”代表第1排第1个应力块测试水平方向应力的应变片。其它各应变片以此类推。
实施例2-3制备的应力测试块的零漂结果也均合格。
应用实施例
为检验应力块在模型试验中的测试效果，模型铺设期间在模型内部埋设应力块，用于监测开挖期间模型体内部的应力分布特征。模型以我国晋城矿区大采高综采工作面为工程原型，试验目的是研究大采高综采工作面采场矿山压力与岩层移动特征。该模型中各应力块的布置方案见图7。模型高1850mm，长5000mm。
制定实验方案之初，基于岩层控制的关键层理论，判定厚度17.00m(上)和6.00m(下)的细砂岩分别为亚关键层2和亚关键层1，亚关键层2破断后将引起覆岩大范围垮断。为此，在模型内相应的层位各布置1排测线，重点关注这两层亚关键层的应力分布特征，如图7所示，亚关键层2和亚关键层1在图中以虚线框出。采用实施例1制应力块(其中，上部1-9#应力块的材料选用表1的A类SGC相似材料，下部10-18#应力块选用D类SGC相似材料，即分别采用与应变块所在层位相同的模型材料)，相邻块体间距500mm，共埋设18个。模型开挖过程中，应力测试块体外接测试仪器，实时采集、存储应变片的测试数据，进而获得块体在不同试验阶段的形变参数。
试验结束后进行块体应力数据分析时，为便于数据对比分析，采用无量纲化处理方法，分别将测点在不同试验阶段的应变值与其初始应变值对比，将二者的比值定义为测点处的应变集中系数。由于同一测点的弹性模量等指标为常数，根据广义胡克定律的经典分析理论，各测点的应变增量与应力增量呈正相关关系，因此各测点的应变集中系数能够反映其应力集中系数，据此确定各块体所在测点处的应力变化情况，进而反演得到整个模型体的应力场变化特征。
上、下两排测线在不同开挖阶段的垂直与水平应变特征如图8所示。图8(a)垂直应变(上排测线)；图8(b)垂直应变(下排测线)；图8(c)水平应变(上排测线)；图8(d)水平应变(下排测线)。由图可知，开挖过程中上部岩层的垂直、水平应变集中系数整体呈现递增趋势。上排测线垂直应变的3个峰值递增幅度尤为明显，在其接近极限跨距即将破断时，测线的垂直应变峰值系数分别增至3.93、2.59和3.97，水平应变峰值增至3.52和7.12。下排测线的变化趋势与之类似。
模型开挖至第39、51和57阶段时，下位岩层先后发生初次来压及周期来压。第59阶段时，上部岩层自下而上先后分3次冒落，岩层破断冒落的最终状态如图9所示。根据各岩层的破断结构形态可知，6.00m细砂岩(不含)以下层位呈周期性悬臂式折断，断前最大悬顶长度45cm，引发工作面周期来压。6.00m细砂岩以上层位断后块体排列紧密，在水平挤压力的作用下，块体之间铰接形成传力结构。
上部岩层大范围垮落后，两条测线各应力块的应力分布特征如图10所示。由图可知，上排测线位于覆岩破断线附近的3#、7#测点，其水平应变系数高达9.10和28.06。下排测线位于破断线附近的16#测点达到7.20。在水平挤压作用下，块体之间紧密有序排列，铰接形成砌体梁结构。根据测试结果可知，砌体梁结构的水平挤压力峰值出现在覆岩前、后破断边界线附近，特别是前部边界线，峰值远高于同一层位的其它测点。
为检验应力块的防潮性能及可重复使用性，在模型后续拆除过程中同步开展应力块的挖掘与回收，如图11所示。由图可知，揭露的应力块外观完整，应力块裹覆标准砂后能够与周围模型体保持紧密粘结，应力块能够完整回收，回收后的应力块已经用于后续模型试验中，具有良好的可重复使用性。
以上的实施例仅仅是对本发明的具体实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，本领域技术人员在现有技术的基础上还可做多种修改和变化，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种模型试验应力测试块体，其特征在于，包括坯体、防潮涂层、应变片和沙粒层；
所述坯体是采用与模型材料相同的相似材料制成的块体，在块体外表面贴有应变片；所述防潮涂层附着在所述块体外表面、所述块体和所述应变片之间、以及所述应变片外表面；
在所述防潮涂层的外表面附着所述沙粒层。
2.根据权利要求1所述的模型试验应力测试块体，其特征在于，所述应变片通过α氰基丙烯酸乙酯胶黏剂粘贴于所述防潮涂层外表面。
3.根据权利要求1所述的模型试验应力测试块体，其特征在于，所述块体为长方体或者正方体，所述应变片有1～3片，位于块体的一个面上，所述应变片的长边与其所在面的一条边的夹角为0度、90度或45度。
4.根据权利要求3所述的模型试验应力测试块体，其特征在于，所述外接导线的外套材料为聚四氟乙烯材料，导线最小标称截面为0.05mm2。
5.一种模型试验应力测试块体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)用相似材料压制成为坯体；
2)在坯体上涂刷防潮液，待干燥后贴上应变片；
3)再次涂刷防潮液；在最后一次涂刷的防潮液尚未干燥的时候粘上标准砂颗粒。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述防潮液是以聚乙烯颗粒溶解于有机溶剂中制成；所述有机溶剂为甲苯、乙苯、二甲苯中的一种或多种；优选地，所述聚乙烯颗粒与有机溶剂的质量比为1：(20～50)。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)为，在坯体上涂刷防潮液，在室温下干燥1.5～2小时；继续涂刷和干燥，共涂刷4～6次，然后粘贴应变片。
8.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)为：在步骤2)制成的块体上涂刷防潮液，在室温下干燥1.5～2小时，再涂刷和干燥，共涂刷2～3次，在最后一次涂刷的防潮液尚未干燥时蘸取标准砂颗粒。
9.权利要求1～4任一项所述模型试验应力测试块体的使用方法，其特征在于，包括操作：
铺设相似材料模型过程中，在模型内部的预定位置埋设所述应力测试块体，导线引出后外露至模型外面；
所述相似材料模型干燥养护完成后，将模型进行分阶段式开挖试验，应力测试块体实时测试模型不同位置的应力；模型试验测试过程中，应力测试块体通过导线外接测试仪器，实时采集、存储应变片的测试数据，进而获得块体在不同试验阶段的形变参数；
试验结束后进行块体应力分析时，采用无量纲化处理方法，分别将应力测试块体在不同开挖阶段的应变值与其初始应变值对比，将二者的比值定义为测点处的应变集中系数；根据块体应变与应力变化的对应关系，确定各块体所在测点处的应力变化情况，进而得到整个模型体的应力场变化特征。
10.根据权利要求9所述的使用方法，其特征在于，模型试验结束后，将应力测试块体回收，在以后的模型试验中重复使用。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110723442A (zh) * 2019-10-23 2020-01-24 常州工业职业技术学院 一种电缆用防潮存储仓库
CN111780921A (zh) * 2020-08-07 2020-10-16 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种光纤光栅三维应力监测传感器的标定方法
CN111811938A (zh) * 2020-07-21 2020-10-23 重庆大学 应变砖及其制备方法
CN115541064A (zh) * 2022-11-24 2022-12-30 云南省交通投资建设集团有限公司 一种适用于高地应力隧道撑子面的应力监测探头及方法
CN116183668A (zh) * 2022-12-28 2023-05-30 中国矿业大学 一种围压条件下超动态爆破参数测试系统及方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04274720A (ja) * 1991-03-01 1992-09-30 Teraoka Seiko Co Ltd 歪ゲージ式ロードセル
CN104991043A (zh) * 2015-08-10 2015-10-21 河南理工大学 一种三维相似材料模拟实验中导水裂隙带高度的观测装置及方法
CN105258829A (zh) * 2015-11-17 2016-01-20 中国矿业大学 地下工程模型试验内部空间应力测量装置及方法
CN106595918A (zh) * 2016-11-17 2017-04-26 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种盾构隧道管片外土压力的长期监测装置及方法
CN107560950A (zh) * 2017-09-29 2018-01-09 山东建筑大学 一种预应力锚杆界面剪应力测量装置及其试验方法
CN208254423U (zh) * 2018-06-29 2018-12-18 苏州热工研究院有限公司 一种监测混凝土整体冻融膨胀应变传感器
CN209356096U (zh) * 2018-12-19 2019-09-06 天地科技股份有限公司 模型试验应力测试块体

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04274720A (ja) * 1991-03-01 1992-09-30 Teraoka Seiko Co Ltd 歪ゲージ式ロードセル
CN104991043A (zh) * 2015-08-10 2015-10-21 河南理工大学 一种三维相似材料模拟实验中导水裂隙带高度的观测装置及方法
CN105258829A (zh) * 2015-11-17 2016-01-20 中国矿业大学 地下工程模型试验内部空间应力测量装置及方法
CN106595918A (zh) * 2016-11-17 2017-04-26 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种盾构隧道管片外土压力的长期监测装置及方法
CN107560950A (zh) * 2017-09-29 2018-01-09 山东建筑大学 一种预应力锚杆界面剪应力测量装置及其试验方法
CN208254423U (zh) * 2018-06-29 2018-12-18 苏州热工研究院有限公司 一种监测混凝土整体冻融膨胀应变传感器
CN209356096U (zh) * 2018-12-19 2019-09-06 天地科技股份有限公司 模型试验应力测试块体

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
沈观林: "电阻应变测量方法的若干应用技术问题", 化工设备与管道, no. 03, 10 June 1982 (1982-06-10), pages 56 - 61 *
饶俊: "矿山地压相似材料模型应力测量的应变砖法", 南方冶金学院学报, no. 02, 30 April 1998 (1998-04-30), pages 91 - 95 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110723442A (zh) * 2019-10-23 2020-01-24 常州工业职业技术学院 一种电缆用防潮存储仓库
CN110723442B (zh) * 2019-10-23 2021-06-01 常州工业职业技术学院 一种电缆用防潮存储仓库
CN111811938A (zh) * 2020-07-21 2020-10-23 重庆大学 应变砖及其制备方法
CN111811938B (zh) * 2020-07-21 2022-09-20 重庆大学 应变砖及其制备方法
CN111780921A (zh) * 2020-08-07 2020-10-16 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种光纤光栅三维应力监测传感器的标定方法
CN111780921B (zh) * 2020-08-07 2021-05-11 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种光纤光栅三维应力监测传感器的标定方法
CN115541064A (zh) * 2022-11-24 2022-12-30 云南省交通投资建设集团有限公司 一种适用于高地应力隧道撑子面的应力监测探头及方法
CN115541064B (zh) * 2022-11-24 2023-03-10 云南省交通投资建设集团有限公司 一种适用于高地应力隧道撑子面的应力监测探头及方法
CN116183668A (zh) * 2022-12-28 2023-05-30 中国矿业大学 一种围压条件下超动态爆破参数测试系统及方法

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