CN115852931A - 基于树脂基传感型的压电土工带及其成型方法与监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于树脂基传感型的压电土工带，所述基于树脂基传感型的压电土工带包括压电复合材料芯、导电电极和绝缘防水封装，所述导电电极的正极接正极导线，导电电极额负极接负极导线，所述压电复合芯包括压电陶瓷颗粒、环氧树脂、导电炭黑、醚增韧剂及二亚乙基三胺固化剂。该土工带实现加固‑监测一体化，对土体内部损伤的俘获及加筋土复合地基安全运维具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于树脂基传感型的压电土工带，还涉及一种基于树脂基传感型的压电土工带的成型方法，以及基于树脂基传感型的压电土工带的监测系统。
背景技术
公路、铁路等交通基础设施在社会发展中发挥着不可替代的作用，然而在经济水平高速发展的同时，一些道路工程却时常有灾难性事故发生，如边坡垮塌、路面震裂、地面塌陷等等。土体经过土工合成材料补强能够承受更大的外荷载，具备更高的稳定性，置于土体内的土工带与周围土体所构成复合体系的强度高于土体本身，筋土界面间的摩擦和咬合作用使土工土工带的抗拉能力与土体的抗压能力被充分利用，提高了加筋复合土体的整体稳定性。
然而传统的土工加筋材料存在功能单一化的问题，除了对土体的加固功能外，并不具备反映加筋复合地基内部形变的能力，无法对土体内部破坏进行量化。路基、边坡等土体的破坏往往只有在内部损伤发展到一定程度时，外部变形指标才会有明显的变化，传统的监测手段通过观测边坡外部损伤判断边坡的健康状态，这种评价方式对土内损伤的判断存在滞后，容易导致预警不及时而出现没有充足时间对边坡破坏事故进行预防。一旦形成滑坡事故，可能伴随着巨大的经济损失和人员伤亡。因此，对加筋土内部状态的变化进行监测尤为重要。
目前，为了监测土体得内部损伤情况，通常使用附加应变传感设备的方式将传感单元与土工材料相结合(如粘贴应变片)，但外部附加单元与土工材料组合容易使整体结构过于笨重，容易影响土工材料本身与土之间的相互作用。同时，附加得应变传感器对大面积土体结构的监测为点式监测，仅在埋设传感器的部位存在反馈监测信息的能力，造成监测范围小，损伤位置监测不准确。
通常对加筋复合土体的土内变形采用的监测方式有应变片、光纤技术、数字图像分析技术、时域反射技术等，但这些监测方式存在一定弊端。应变片测量范围有限且耐久性较差，仅在5％以内的应变范围内才具备可靠的测试性能，无法满足边坡土体相对较大的变形范围。光纤光栅(FBG)监测技术通过对某一点处光栅的反射波进行解调，仅能在光纤上有限的离散点提供监测功能，串联的光栅传感器有限，无法实现分布式监测。分布式光纤可以在整个光纤长度上提供空间连续传感，但本身较为脆弱，在工程实践中需要额外的保护设计且整套设备价格较为昂贵。数字图像分析技术使用高分辨率相机、计算机分析系统等对加筋土应变行为进行识别，然而该技术系统设备价格昂贵且安装复杂不便于在现场测试中使用。利用同轴电缆作为传感模块，通过测量发射信号和接收信号之间波长、延时、范围和强度等对比进而确定边坡的破坏位置，但无法确定边坡的滑动方向，无法量化边坡的损伤位移。因此，需要开发一种加固-监测一体化的土工材料以及配套的监测系统。
发明内容
鉴于背景技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种加固-监测一体化的以环氧树脂为基体的基于树脂基传感型的压电土工带及其成型方法和其用于边坡的监测系统，对土体内部损伤的俘获及加筋土复合地基安全运维具有重要意义。
本发明是采取如下技术方案来完成的：一种基于树脂基传感型的压电土工带，所述基于树脂基传感型的压电土工带包括压电复合材料芯、导电电极和绝缘防水封装，所述导电电极的正极接正极导线，导电电极额负极接负极导线，所述压电复合芯包括压电陶瓷颗粒、环氧树脂、导电炭黑、醚增韧剂及二亚乙基三胺固化剂。
进一步的，所述醚增韧剂质量分数为4％-8％，所述压电陶瓷颗粒质量分数为55％-85％，陶瓷颗粒粒径不大于0.09mm，所述环氧树脂质量分数为20％-45％，所述导电炭黑颗粒质量分数为0.3％-1％，所述二亚乙基三胺固化剂质量分数为3％-5％。
进一步的，所述导电电极为平纹导电胶带，所述结缘防水封装为聚乙烯热缩管。
进一步的，上述一种基于树脂基传感型的压电土工带的成型方法，步骤如下，
(1)制备压电复合材料芯的原料，所述环氧树脂、压电陶瓷颗粒、炭黑颗粒与醚增韧剂按照质量分数配比称取，先搅拌后超声分散的工艺进行混合，且超声分散时间控制为0.5h以上，确保炭黑及陶瓷颗粒均匀分散；
(2)压电复合材料芯压制成型，所述压电复合材料芯使用模具注塑并真空固化的成型工艺，模具尺寸为300mm×20mm×2mm，固化温度为50℃，固化时间为12-24h，真空度为3mbar。
(3)在2kV/mm-5kV/mm电场强度条件下常温极化，极化时间为5min-20min。
(4)使用平纹导电胶带粘贴上下表面作为正负极，平纹导电胶带的上表面连接正极导线，下表面连接负极导线，在粘贴导电电极后包裹以聚乙烯热缩管，使用高温风力加热使聚乙烯热缩管贴合包裹导电电极后的压电复合芯，基于树脂基传感型的压电土工带制备完成。
进一步的，包括基于树脂基传感型的压电土工带、损伤信号采集单元、数据无限传输单元、数据处理单元和预警信息识别单元，基于树脂基传感型的压电土工带铺设于边坡土体内，压电自传感土工的信号由导线传输至损伤信号采集单元，当边坡内部土体发生位移损伤，滑裂面处的基于树脂基传感型的压电土工带被拉伸或拉拔，产生振动信号，基于树脂基传感型的压电土工带接收到振动信号并同步产生电压信号，同时基于树脂基传感型的压电土工带在滑裂面处的拉伸变形使得基于树脂基传感型的压电土工带的阻抗信号产生变化，电压信号和阻抗信号由损伤信号采集单元接收后经由数据无线传输单元传输至云端数据处理单元进行损伤信号处理，最后经过预警信息识别单元比对损伤特征信号并判断损伤状态及位置，在后端管理平台显示具体损伤信息。
进一步的，所述电压采集单元为示波器，采集目标数据为基于树脂基传感型的压电土工带由于筋土剪切或拔出震动所产生的输出电压峰值与谷值，设置测试频率为1kHz，采样频率大于150S/s。
进一步的，所述阻抗信号采集单元为阻抗仪，采集目标数据为基于树脂基传感型的压电土工带跟随土体在不同变形程度下的阻抗值，形变范围为19％，设置采样频率大于10S/s。
进一步的，所述所述损伤电压特征信号数据集与损伤阻抗特征信号数据集汇集为基于树脂基传感型的压电土工带在不同损伤条件下俘获的特征信号集，是由伸失效损伤特征信号、拉拔失效损伤特征信号、单调剪切损伤特征信号及循环剪切损伤特征信号共同构成的数据集。
进一步的，所述若干基于树脂基传感型的压电土工带均匀铺设于土体内部，并通过土工带连接件形成加固层，或者若干基于树脂基传感型的压电土工带附着于土工格栅或土工膜组合形成加固层，基于树脂基传感型的压电土工带加固层与周围土体所构成强度高于土体本身的复合体系。
本发明的有益效果：
(1)基于树脂基传感型的压电土工带铺设于边坡土体内部后，基于树脂基传感型的压电土工带与周围土体所构成复合体系的强度高于土体本身，筋土界面间的摩擦和咬合作用使土工加筋材料的抗拉能力与土体的抗压能力被充分利用，这改善了土体的强度与变形特征，提高了加筋复合土体的整体稳定性通过土工材料对土体进行强化加筋的方式能大大缓解土体内部破坏的问题。
(2)基于树脂基传感型的压电土工带内部设置有压电复合材料芯，当边坡内部土体发生位移损伤，产生振动信号，滑裂面处的基于树脂基传感型的压电土工带被拉伸或拉拔，产生电压信号和阻抗信号，从内部监测边坡的健康状况，能俘获加筋土内部早期的应变损伤信号，提前了加筋土结构损伤的预警时间，使得有充足时间对边坡破坏事故进行预防。
(3)基于树脂基传感型的压电土工带将对土体加固和对土体内部损伤监测相结合，既确保在土体内部土工足够的加筋性能，又能及时监测土体的损伤，实现土内加固-监测一体化，无需外部附加单元与土工材料组合，简化了加筋土损伤监测结构的设计，降低成本。
(4)压电自传感土工加筋材料应变范围为19％，在全应变范围内针对不同应变具备可量化的阻抗信号，且量化效果好，输出阻抗信号灵敏程度高，满足工程上监测的能力。
附图说明
图1为基于树脂基传感型的压电土工带用于边坡的监测系统的结构示意图；
图2为基于树脂基传感型的压电土工带的结构示意图；
图3为基于树脂基传感型的压电土工带的拉伸及拔出失效信号中应变-归一化阻抗信号曲线示意图；
图4为为基于树脂基传感型的压电土工带的拉伸及拔出失效信号中土内拔出破坏电压输出信号示意图；
图5为基于树脂基传感型的压电土工带的灾变前兆识别预警程序流程示意图。
标记说明：基于树脂基传感型的压电土工带1、压电复合材料芯12、导电电极13、绝缘防水封装14、正极导线15、负极导线16、损伤信号采集单元2、数据无限传输单元3、数据处理单元4和预警信息识别单元5、边坡6、滑裂面7、后端管理平台8
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
参照图1-5所示，本发明提供一种基于树脂基传感型的压电土工带，所述基于树脂基传感型的压电土工带1包括压电复合材料芯12、导电电极13和绝缘防水封装14。基于树脂基传感型的压电土工带以环氧树脂为基体，所述压电复合芯12包括压电陶瓷颗粒、环氧树脂、导电炭黑、醚增韧剂及二亚乙基三胺固化剂。所述导电电极13为平纹导电胶带，所述导电电极的正极接正极导线15，导电电极额负极接负极导线16，所述结缘防水封装为聚乙烯热缩管。
压电复合芯的材料优选的配比为，所述醚增韧剂质量分数为4％-8％，所述压电陶瓷颗粒质量分数为55％-85％，陶瓷颗粒粒径不大于0.09mm，所述环氧树脂质量分数为20％-45％，所述导电炭黑颗粒质量分数为0.3％-1％，所述二亚乙基三胺固化剂质量分数为3％-5％。其中压电复合芯材添加醚增韧剂，增加压电复合芯材脆性并提升压电复合芯材变形能力，以满足土工材料使用环境的变形要求。
上述一种基于树脂基传感型的压电土工带的成型方法，步骤如下：
(1)制备压电复合材料芯的原料。将块状陶瓷颗粒使用行星球磨机球磨2h以上，统一过筛保证压电陶瓷颗粒尺寸小于0.09mm。所述环氧树脂、压电陶瓷颗粒、炭黑颗粒与醚增韧剂按照上述质量分数配比称取，先搅拌后超声分散的工艺进行混合，且超声分散时间控制为0.5h以上，确保炭黑及陶瓷颗粒均匀分散；
(2)压电复合材料芯压制成型，所述压电复合材料芯使用模具注塑并真空固化的成型工艺，模具尺寸为300mm×20mm×2mm，固化温度为50℃，固化时间为12-24h，真空度为3mbar。
(3)取出后将试样置于硅油油浴进行极化，在极化电压为2kV/mm-5kV/mm电场强度条件下常温极化，极化时间为5min-20min。极化电压优选4kV/mm，极化时间优选20min。
(4)极化完成后取出并赋予聚酯纤维电极12，聚酯纤维电极12为平纹导电胶带。使用平纹导电胶带粘贴上下表面作为正负极，上表面接正极导线14，下表面接负极导线15。在粘贴导电电极后包裹以聚乙烯热缩管进行封装，使用200℃高温风力加热使聚乙烯热缩管贴合包裹导电电极后的压电复合芯，基于树脂基传感型的压电土工带制备完成。
上述基于树脂基传感型的压电土工带用于边坡的监测系统，包括基于树脂基传感型的压电土工带1、损伤信号采集单元2、数据无限传输单元3、数据处理单元4和预警信息识别单元5。若干基于树脂基传感型的压电土工带均匀铺设于土体内部，相邻损伤信号采集单元之间间隔30CM。
所述损伤信号采集单元2包括电压采集单元及阻抗采集单元。所述数据无限传输单元3采用通用无线分组业务(GPRS)进行信号传输。所述数据处理单元4包括数据跳变检测程序、数据拐点检测程序、信号噪声处理程序和应变-归一化阻抗计算模型，应变范围大于15％。所述预警信息识别单元5包括损伤电压特征信号数据集、损伤阻抗特征信号数据集、特征信号比对程序、损伤阈值警报程序和边坡损伤定位程序。
所述电压采集单元为示波器，采集目标数据为基于树脂基传感型的压电土工带由于筋土剪切或拔出震动所产生的输出电压峰值与谷值，设置测试频率为1kHz，采样频率大于150S/s。基于树脂基传感型的压电土工带压电效应：利用环境震动引发压电材料产生应变，使压电材料内部的正负电荷偏离中心而产生自由电荷，即正压电效应；当外电场作用在压电材料上时，压电材料将产生相应形变，即逆压电效应。
所述阻抗信号采集单元为阻抗仪，采集目标数据为基于树脂基传感型的压电土工带跟随土体在不同变形程度下的阻抗值，形变范围为19％，设置采样频率大于10S/s，在全应变范围内针对不同应变具备可量化的阻抗信号，且量化效果好，输出阻抗信号灵敏程度高，满足工程上监测的能力。基于树脂基传感型的压电土工带阻抗效应：在一定频率交变电场的作用下，压电材料产生振动，同时受制于所处环境机械阻抗的约束，此时压电材料的振动模式受到外界作用及自身应变状态的影响，并反馈至压电材料本体，这种现象直接表现为压电材料机电阻抗的变化。
所述若干基于树脂基传感型的压电土工带1均匀铺设于边坡6土体内部，并通过土工带连接件形成加固层，或者若干基于树脂基传感型的压电土工带附着于土工格栅或土工膜组合与土体形成完整的加筋体系。基于树脂基传感型的压电土工带加固层与周围土体所构成强度高于土体本身的复合体系，筋土界面间的摩擦和咬合作用使土工加筋材料的抗拉能力与土体的抗压能力被充分利用，这改善了土体的强度与变形特征，提高了加筋复合土体的整体稳定性通过土工材料对土体进行强化加筋的方式能大大缓解土体内部破坏的问题。
当边坡内部土体发生位移损伤，滑裂面处的基于树脂基传感型的压电土工带的压电复合材料芯被拉伸或拉拔，产生振动信号，基于树脂基传感型的压电土工带接收到振动信号并同步产生电压信号，同时基于树脂基传感型的压电土工带在滑裂面7处的拉伸变形使得基于树脂基传感型的压电土工带的阻抗信号产生变化，压电自传感土工的信号由导线传输至损伤信号采集单元，电压信号和阻抗信号由损伤信号采集单元采集后经由数据无限传输单元传输至云端数据处理单元进行损伤信号处理，最后经过预警信息识别单元比对损伤特征信号并判断损伤状态及位置，在后端管理平台8显示具体损伤信息。其中，所述损伤电压特征信号数据集与损伤阻抗特征信号数据集汇集为基于树脂基传感型的压电土工带在不同损伤条件下俘获的特征信号集，特征信号集是由伸失效损伤特征信号、拉拔失效损伤特征信号、单调剪切损伤特征信号及循环剪切损伤特征信号共同构成的数据集。特征信号集中的特征信号与实际的损伤状况相对应，通过对比特征信号，得出相应得损伤信号，从而判断出实际工程中的损伤状况。
通过电压信号和阻抗信号，从内部监测边坡的健康状况，能俘获加筋土内部早期的应变损伤信号，提前了加筋土结构损伤的预警时间，使得有充足时间对边坡破坏事故进行预防。同时在土体内部发生位移损伤时，土工带对土体起到加固的作用，延缓或避免灾难的发生和蔓延，为抢险和撤离提供了宝贵的时间。将对土体加固和对土体内部损伤监测相结合，既确保在土体内部土工足够的加筋性能，又能及时监测土体的损伤，实现土内加固-监测一体化，无需外部附加单元与土工材料组合，简化了加筋土损伤监测结构的设计，降低成本。
上述监测系统不限于适用于边坡，还可以用于路基结构、挡土墙结构、隧道山体结构等，实现土体的加固和提高了加筋复合土体的整体稳定性，同时对土体内部土体损伤监测。
参照图3所示，通过阻抗值体现土体应变破坏，基于树脂基传感型的压电土工带4基于室内试验的应变-归一化阻抗输出模型及多种环境条件下的特征电压信号，归一化阻抗计算公式如公式1所示，应变-归一化阻抗输出模型如公式2所示。
式中KZ为归一化阻抗，Z为拉伸过程中基于树脂基传感型的压电土工带4的阻抗值，Z0为基于树脂基传感型的压电土工带4的初始阻抗。
KZ＝-0.005381μ+1.0001 (2)
其中μ为基于树脂基传感型的压电土工带4的拉伸应变率。
参照图4所示的筋土剪切的信号，不同剪切速率和不同压强下的电压信号输出不同，根据输出的电压的不同，判断土体受到损伤的程度和损伤时间。
具体的，基于树脂基传感型的压电土工带在围压为50kPa与100kPa的剪切输出模型。
当围压为50kPa的情况下，基于树脂基传感型的压电土工带剪切输出响应电压在1mm/min最大，最大值可达101.48mV，随着剪切速率的增加，SPGB的电压响应逐渐减小，5mm/min和15mm/min的剪切速率下最大响应电压分别为71.85mV和18.06mV。在50kPa-1mm/min所得到的电压输出最高，50kPa-5mm/min和50kPa-15mm/min的电压输出依次降低。
在围压为100kPa条件下，1mm/min剪切速率所产生的电压幅值相比另外两组剪切速度的电压幅值小了很多。而100kPa-5mm/min与100kPa-15mm/min剪切速率下的电压输出幅值100kPa-1mm/min情况下的电压幅值的3-4倍。
下面提供上述一种具备土体加固与土内损伤监测功能的基于树脂基传感型的压电土工带的制备的具体实施例：
实施例1
一种具备土体加固与土内损伤监测功能的基于树脂基传感型的压电土工带的制备包括下述步骤：
(1)称取压电复合芯材制备原料，各原料质量分数配比为：压电陶瓷57.55％，环氧树脂32.35％，二亚乙基三胺固化剂3.9％，醚增韧剂5.8％，导电炭黑0.4％。
(2)将步骤(1)的原料超声分散混合均匀后，注入尺寸为300×20×2的模具后，置于真空烘箱中固化成型，温度设置为50℃，真空度设置为3mbar，固化16h。
(3)将步骤(2)固化完成的试样取出，在3kV/mm电场强度下极化，极化时间为15min后使用平纹导电胶带粘贴上下表面作为正负极，最后粘贴导线并包裹以聚乙烯热缩管，使用高温风力加热使聚乙烯热缩包裹芯材。
实施例2
一种具备土体加固与土内损伤监测功能的基于树脂基传感型的压电土工带的制备包括下述步骤：
(1)称取压电复合芯材制备原料，各原料质量分数配比为：压电陶瓷66.5％，环氧树脂32.35％，二亚乙基三胺固化剂3.9％，醚增韧剂5.8％，导电炭黑0.4％。
(2)将步骤(1)的原料超声分散混合均匀后，注入尺寸为300×20×2的模具后，置于真空烘箱中固化成型，温度设置为50℃，真空度设置为3mbar，固化16h。
(3)将步骤(2)固化完成的试样取出，在3kV/mm电场强度下极化，极化时间为10min后使用平纹导电胶带粘贴上下表面作为正负极，最后粘贴导线并包裹以聚乙烯热缩管，使用高温风力加热使聚乙烯热缩包裹芯材。
实施例3
一种具备土体加固与土内损伤监测功能的基于树脂基传感型的压电土工带的制备包括下述步骤：
(1)称取压电复合芯材制备原料，各原料质量分数配比为：压电陶瓷68.5％，环氧树脂23.1％，二亚乙基三胺固化剂3.9％，醚增韧剂4.2％，导电炭黑0.3％。
(2)将步骤(1)的原料超声分散混合均匀后，注入尺寸为300×20×2的模具后，置于真空烘箱中固化成型，温度设置为50℃，真空度设置为3mbar，固化16h。
(3)将步骤(2)固化完成的试样取出，在3kV/mm电场强度下极化，极化时间为10min后使用平纹导电胶带粘贴上下表面作为正负极，最后粘贴导线并包裹以聚乙烯热缩管，使用高温风力加热使聚乙烯热缩包裹芯材。
实施例4
一种具备土体加固与土内损伤监测功能的基于树脂基传感型的压电土工带的制备包括下述步骤：
(1)称取压电复合芯材制备原料，各原料质量分数配比为：压电陶瓷66.5％，环氧树脂23.4％，二亚乙基三胺固化剂3.9％，醚增韧剂5.8％，导电炭黑0.4％。
(2)将步骤(1)的原料超声分散混合均匀后，注入尺寸为300×20×2的模具后，置于真空烘箱中固化成型，温度设置为50℃，真空度设置为5mbar，固化16h。
(3)将步骤(2)固化完成的试样取出，在3kV/mm电场强度下极化，极化时间为10min后使用平纹导电胶带粘贴上下表面作为正负极，最后粘贴导线并包裹以聚乙烯热缩管，使用高温风力加热使聚乙烯热缩包裹芯材。
实施例5
一种具备土体加固与土内损伤监测功能的基于树脂基传感型的压电土工带的制备包括下述步骤：
(1)称取压电复合芯材制备原料，各原料质量分数配比为：压电陶瓷66.3％，环氧树脂22.4％，二亚乙基三胺固化剂3.5％，醚增韧剂7.5％，导电炭黑0.3％。
(2)将步骤(1)的原料超声分散混合均匀后，注入尺寸为300×20×2的模具后，置于真空烘箱中固化成型，温度设置为50℃，真空度设置为3mbar，固化16h。
(3)将步骤(2)固化完成的试样取出，在3kV/mm电场强度下极化，极化时间为10min后使用平纹导电胶带粘贴上下表面作为正负极，最后粘贴导线并包裹以聚乙烯热缩管，使用高温风力加热使聚乙烯热缩包裹芯材。
实施例6
一种具备土体加固与土内损伤监测功能的基于树脂基传感型的压电土工带的制备包括下述步骤：
(1)称取压电复合芯材制备原料，各原料质量分数配比为：压电陶瓷66.5％，环氧树脂23.4％，二亚乙基三胺固化剂3.9％，醚增韧剂5.8％，导电炭黑0.4％。
(2)将步骤(1)的原料超声分散混合均匀后，注入尺寸为300×20×2的模具后，置于真空烘箱中固化成型，温度设置为50℃，真空度设置为3mbar，固化16h。
(3)将步骤(2)固化完成的试样取出，在2kV/mm电场强度下极化，极化时间为10min后使用平纹导电胶带粘贴上下表面作为正负极，最后粘贴导线并包裹以聚乙烯热缩管，使用高温风力加热使聚乙烯热缩包裹芯材。
实施例7
一种具备土体加固与土内损伤监测功能的基于树脂基传感型的压电土工带的制备包括下述步骤：
(1)称取压电复合芯材制备原料，各原料质量分数配比为：压电陶瓷67.9％，环氧树脂22.8％，二亚乙基三胺固化剂3.7％，醚增韧剂5.5％，导电炭黑0.4％。
(2)将步骤(1)的原料超声分散混合均匀后，注入尺寸为300×20×2的模具后，置于真空烘箱中固化成型，温度设置为50℃，真空度设置为3mbar，固化16h。
(3)将步骤(2)固化完成的试样取出，在4kV/mm电场强度下极化，极化时间为15min后使用平纹导电胶带粘贴上下表面作为正负极，最后粘贴导线并包裹以聚乙烯热缩管，使用高温风力加热使聚乙烯热缩包裹芯材。
实施例8
一种具备土体加固与土内损伤监测功能的基于树脂基传感型的压电土工带的制备包括下述步骤：
(1)称取压电复合芯材制备原料，各原料质量分数配比为：压电陶瓷66.5％，环氧树脂23.4％，二亚乙基三胺固化剂3.9％，醚增韧剂5.8％，导电炭黑0.4％。
(2)将步骤(1)的原料超声分散混合均匀后，注入尺寸为300×20×2的模具后，置于真空烘箱中固化成型，温度设置为50℃，真空度设置为3mbar，固化24h。
(3)将步骤(2)固化完成的试样取出，在3kV/mm电场强度下极化，极化时间为20min后使用平纹导电胶带粘贴上下表面作为正负极，最后粘贴导线并包裹以聚乙烯热缩管，使用高温风力加热使聚乙烯热缩包裹芯材。
实施例9
一种具备土体加固与土内损伤监测功能的基于树脂基传感型的压电土工带的制备包括下述步骤：
(1)称取压电复合芯材制备原料，各原料质量分数配比为：压电陶瓷66.3％，环氧树脂23.2％，二亚乙基三胺固化剂3.9％，醚增韧剂5.8％，导电炭黑0.8％。
(2)将步骤(1)的原料超声分散混合均匀后，注入尺寸为300×20×2的模具后，置于真空烘箱中固化成型，温度设置为50℃，真空度设置为3mbar，固化16h。
(3)将步骤(2)固化完成的试样取出，在4kV/mm电场强度下极化，极化时间为10min后使用平纹导电胶带粘贴上下表面作为正负极，最后粘贴导线并包裹以聚乙烯热缩管，使用高温风力加热使聚乙烯热缩包裹芯材。
上述实施例1-9制备得到的压电自传感土工加筋带的性能检测结果见表1
表1
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种基于树脂基传感型的压电土工带，其特征是：所述基于树脂基传感型的压电土工带包括压电复合材料芯、导电电极和绝缘防水封装，所述导电电极的正极接正极导线，导电电极额负极接负极导线，所述压电复合芯包括压电陶瓷颗粒、环氧树脂、导电炭黑、醚增韧剂及二亚乙基三胺固化剂。
2.根据权利要求1所述的基于树脂基传感型的压电土工带，其特征是：所述醚增韧剂质量分数为4％-8％，所述压电陶瓷颗粒质量分数为55％-85％，陶瓷颗粒粒径不大于0.09mm，所述环氧树脂质量分数为20％-45％，所述导电炭黑颗粒质量分数为0.3％-1％，所述二亚乙基三胺固化剂质量分数为3％-5％。
3.根据权利要求1或2所述的基于树脂基传感型的压电土工带，其特征是：所述导电电极为平纹导电胶带，所述结缘防水封装为聚乙烯热缩管。
4.基于权利要求1所述的一种基于树脂基传感型的压电土工带的成型方法，其特征是：步骤如下，
(1)制备压电复合材料芯的原料，所述环氧树脂、压电陶瓷颗粒、炭黑颗粒与醚增韧剂按照质量分数配比称取，先搅拌后超声分散的工艺进行混合，且超声分散时间控制为0.5h以上，确保炭黑及陶瓷颗粒均匀分散；
(2)压电复合材料芯压制成型，所述压电复合材料芯使用模具注塑并真空固化的成型工艺，模具尺寸为300mm×20mm×2mm，固化温度为50℃，固化时间为12-24h，真空度为3mbar。
(3)在2kV/mm-5kV/mm电场强度条件下常温极化，极化时间为5min-20min。
(4)使用平纹导电胶带粘贴上下表面作为正负极，平纹导电胶带的上表面连接正极导线，下表面连接负极导线，在粘贴导电电极后包裹以聚乙烯热缩管，使用高温风力加热使聚乙烯热缩管贴合包裹导电电极后的压电复合芯，基于树脂基传感型的压电土工带制备完成。
5.基于权利要求1所述的基于树脂基传感型的压电土工带的监测系统，其特征是：包括基于树脂基传感型的压电土工带、损伤信号采集单元、数据无限传输单元、数据处理单元和预警信息识别单元，基于树脂基传感型的压电土工带铺设于边坡土体内，压电自传感土工的信号由导线传输至损伤信号采集单元，当边坡内部土体发生位移损伤，滑裂面处的基于树脂基传感型的压电土工带被拉伸或拉拔，产生振动信号，基于树脂基传感型的压电土工带接收到振动信号并同步产生电压信号，同时基于树脂基传感型的压电土工带在滑裂面处的拉伸变形使得基于树脂基传感型的压电土工带的阻抗信号产生变化，电压信号和阻抗信号由损伤信号采集单元接收后经由数据无线传输单元传输至云端数据处理单元进行损伤信号处理，最后经过预警信息识别单元比对损伤特征信号并判断损伤状态及位置，在后端管理平台显示具体损伤信息。
6.根据权利要求5所述的基于树脂基传感型的压电土工带的监测系统，其特征是：所述损伤信号采集单元包括电压采集单元及阻抗采集单元，所述数据无限传输单元采用通用无线分组业务(GPRS)进行信号传输，所述数据处理单元包括数据跳变检测程序、数据拐点检测程序、信号噪声处理程序和应变-归一化阻抗计算模型，应变范围大于15％，所述预警信息识别单元包括损伤电压特征信号数据集、损伤阻抗特征信号数据集、特征信号比对程序、损伤阈值警报程序和边坡损伤定位程序。
7.根据权利要求6所述的基于树脂基传感型的压电土工带的监测系统，其特征是：所述电压采集单元为示波器，采集目标数据为基于树脂基传感型的压电土工带由于筋土剪切或拔出震动所产生的输出电压峰值与谷值，设置测试频率为1kHz，采样频率大于150S/s。
8.根据权利要求6或7所述的基于树脂基传感型的压电土工带的监测系统，其特征是：所述阻抗信号采集单元为阻抗仪，采集目标数据为基于树脂基传感型的压电土工带跟随土体在不同变形程度下的阻抗值，形变范围为19％，设置采样频率大于10S/s。
9.根据权利要求8所述的基于树脂基传感型的压电土工带的监测系统，其特征是：所述损伤电压特征信号数据集与损伤阻抗特征信号数据集汇集为基于树脂基传感型的压电土工带在不同损伤条件下俘获的特征信号集，是由伸失效损伤特征信号、拉拔失效损伤特征信号、单调剪切损伤特征信号及循环剪切损伤特征信号共同构成的数据集。
10.根据权利要求9所述的基于树脂基传感型的压电土工带的监测系统，其特征是：所述若干基于树脂基传感型的压电土工带均匀铺设于土体内部，并通过土工带连接件形成加固层，或者若干基于树脂基传感型的压电土工带附着于土工格栅或土工膜组合形成加固层，基于树脂基传感型的压电土工带加固层与周围土体所构成强度高于土体本身的复合体系。
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