CN117346939A - 一种基于力-热耦合效应的土压力监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于力‑热耦合效应的土压力监测方法，包括以下步骤：在挡土墙受力面和土体之间构建柔性垫层‑‑‑温度测量系统，柔性垫层紧贴挡土墙受力面且依据挡土墙平面展开设置，温度测量系统设置在柔性垫层和土体之间，温度测量系统用于布设在柔性垫层上监测柔性垫层各处温度变化情况，将kv作为柔性垫层压缩厚度的判别指标，构建柔性垫层温度变化和压缩厚度之间的拟合关系kv＝α1dt+β1‑‑‑‑(2)，利用p＝Erdt/d0，建立升温曲线线性段的斜率kv与土压力p的标定关系kv＝α2.p+β2‑‑‑‑(3)。本发明摒弃现有技术使用的土压力盒，不改变土压力的原始分布状态，通过力‑热耦合建立温度‑厚度‑土压力的换算关系，从而能够实现大范围土压力监测的覆盖。
Description
技术领域
本发明涉及土压力测试领域，具体涉及一种基于力-热耦合效应的土压力监测方法。
背景技术
土压力是表征土体力学状态的重要指标之一，也是岩土结构的主要荷载。土压力的分布规律是研究土体-结构相互作用机理、合理设计岩土结构的重要依据。土压力的计算理论有很多，由于土体自身结构的复杂性，理论计算结果可能存在较大误差，如何准确确定土压力的分布是岩土工程科学研究和工程实践的核心问题。土压力测量作为验证土压力计算理论的技术手段，可以推动土压力计算理论的发展。同时，土压力监测也是岩土体和岩土结构(边坡、路基、挡土墙、基坑支护结构、隧道等)安全监测的重要内容，通过对土压力时空分布规律的监测，为岩土体和岩土结构受力状态评估提供依据，从而弥补土压力计算理论的不足，保障岩土工程结构安全。因此，土压力测量技术的研究具有重要的理论意义和工程实践价值。
土压力盒是土压力测量最常用的传感器，在岩土工程实践和科研中被广泛应用，由于土压力盒与土体刚度存在差异，土压力盒表面易产生拱效应及应力重分布，从而影响土压力测量的准确性。为了提高土压力监测数据的准确性及可靠性，往往需要根据实测工作环境对预埋设土压力盒进行标定。常用的土压力盒有电阻式、振弦式、光纤光栅式等，其基本测量原理是通过受力膜片将土压力转化为敏感元件(电阻丝、钢弦、光纤光栅等)的应变，利用敏感元件感知的信号(电压、频率、波长)与应变的关系，再根据土压力盒的基本结构，结合土压力与应变的转换关系，实现土压力的测量。这类传感器均属于点式测量技术，只能测量测点处的土压力状态，覆盖面窄。目前尚没有覆盖面宽的监测方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明目的在于提供一种基于力-热耦合效应的土压力监测方法，该土压力测试方法不改变土压力的原始分布状态，通过力-热耦合建立温度-厚度-土压力的转换关系，从而能够实现大范围土压力监测的覆盖。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于力-热耦合效应的土压力监测方法，包括以下步骤：1、在挡土墙受力面和土体之间构建柔性垫层---温度测量系统，柔性垫层紧贴挡土墙受力面且依据挡土墙平面展开设置，温度测量系统设置在柔性垫层和土体之间，温度测量系统用于布设在柔性垫层上监测柔性垫层各处温度变化情况；2、施加热源给柔性垫层使其升温，升温过程选择温度随时间线性增长阶段，记为tj～tj+99，将该线性增长阶段的温度时程曲线斜率定义为kv，式中Ti为ti时刻的温度，Tθ为环境温度，将kv作为柔性垫层压缩厚度的判别指标，构建柔性垫层温度变化和压缩厚度之间的拟合关系kv＝α1dt+β1----(2)，利用p＝Erdt/d0，建立升温曲线线性段的斜率kv与土压力p的标定关系
kv＝α2.p+β2----(3)，其中Er为柔性垫的弹性模量，d0为柔性垫的初始厚度，α1、α2、β1和β2为标定系数；3、监测时，根据温度测量系统测量的温度时程数据，将其代入kv方程计算各测点升温速度(率)kv，再将kv代入式(3)标定方程，即可计算各测点处的土压力大小。α1、α2、β1和β2可通过室内试验标定得到。标定系数与柔性垫层的材料属性和厚度有关。
本发明和现有基于土压力盒的土压力测试方法不同，本发明通过引入外界热源，构建区域温度变化速率-柔性垫层厚度变化规律，再依据压力和压缩厚度的关系，建立了区域温度变化速率-土压力的标定关系，创建了一种新的土压力监测方法，扩大了土压力的测试范围。在挡土墙受力面和柔性垫层之间设置导热装置使得施加热源能均匀加热柔性垫层。导热装置可以为金属板等。
温度测量系统包括多个温度传感器和解调仪，多个温度传感器以阵列的方式设置在柔性垫层接触土体的侧面上，多个温度传感器均和解调仪连接。
柔性材料为多孔材料。测试时，当温升曲线上连续出现100s的线性升温段即可停止加热，tj与tj+99之差≥100S。
一种土压力测试装置，包括热源、柔性垫层和温度测量系统，热源和柔性垫层连接用于给柔性垫层提供热量，柔性垫层设置在挡土墙受力面和土体之间，柔性垫层紧贴挡土墙受力面且依据挡土墙平面展开设置，温度测量系统包括多个温度传感器，多个温度传感器以阵列的方式布设在柔性垫层背离挡土墙受力面的一侧，多个温度传感器和解调仪连接，测试时，接通热源给柔性垫层加热适当时间，通过解调仪监测柔性垫层远离挡土墙一侧表面温度变化速率与柔性垫层厚度变化的关系。
在实施时，热源为面热源，此时面热源设置在挡土墙和柔性垫层之间且紧贴柔性垫层，面热源可采用电阻丝密布的硅胶加热板；导热板应采用导热系数较大的金属板，如：铝板或铜板，其作用是使面热源释放的热量在面内快速传递，从而使面内温度分布更均匀；柔性垫层应具有较好的弹性，其软硬度和厚度应根据土压力的大小进行选择；温度测量系统应具有较高的测量精度、灵敏性和长期稳定性，适于实施大范围温度测量。垫层厚度应结合土压力所需量程、测量灵敏性、垫层材料的导热系数和弹性模量来综合确定。导热板的厚度需根据所选材料进行确定，当采用铝板时，厚度可用3mm，采用铜板时，可用2mm。加热时长取决于垫层厚度和导热系数，垫层厚度越大，导热系数越小，所需加热时长越长。当温升曲线上连续出现100s的线性升温段即可停止加热，增加加热时长对测试结果没有影响。
当有热量在物体上传输时，物体两端温度差与热源的功率之比称为热阻，如式(4)所示。
式中，T1、T2为物体两端的温度；P为热源的功率。
当热量在物体内部以热传导的方式传递时，遇到的阻力为导热热阻。当热流经过截面积不变的平板时，导热热阻为：
式中，L为平板的厚度，A为平板垂直于热流方向的截面积，k为平板材料的热传导系数。
如图2所示，当柔性垫层受到土压力作用时，其厚度将减小，从而导致导热热阻减小。
若柔性垫层为多孔材料，其热传导系数可表示为：
式中，kp为多孔材料的等效热传导系数；为多孔材料的孔隙率；ka和ks分别为空气和多孔材料固体骨架的热传导系数。
因此，由多孔材料制作的柔性垫层受到土压力作用时，还会导致其孔隙率降低，从而导致柔性垫的等效热传导系数增大，其产生的效果同样是降低导热热阻。给面热源通电加热，热量经导热板均匀化后，在柔性平板中传递，柔性垫层外表面(靠土体侧)各测点的温度响应规律，可反映柔性垫层的厚度分布，而柔性垫层的厚度分布与其所承受的土压力相关。根据柔性垫层厚度与温度响应规律的标定关系，可间接换算土压力大小。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明摒弃现有技术使用的土压力盒，不改变土压力的原始分布状态，通过力-热耦合建立温度-厚度-土压力的换算关系，从而能够实现大范围土压力监测的覆盖。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明土压力监测系统示意图；
图2为柔性垫受压后的变形形态；
图3为加热垫的生热区域；
图4为柔性垫层外表面的温度极值分布云图对比(℃)；
图5为不同压缩厚度对应的柔性垫层外表面形心处的温度时程曲线；
图6为升温速度与柔性垫层压缩厚度的拟合关系；
图7为模拟荷载工况；
图8为数值模拟计算结果与本发明方法反演结果对比(kPa)；
图9为模型试验加载方案示意图；
图10为温升时程曲线；
图11为kv与p的标定关系。
1、柔性垫层，2、温度传感器，3、面热源，4、挡土墙，5、土体，
6-解调仪，7-导热板，8-稳定电源。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
在图1中选取一个区域建立有限元模型，通过数值模拟得到柔性垫层1外表面的温度响应。设计算模型平面尺寸为0.4m×0.4m，挡土墙4厚度为0.2m，面热源3采用硅胶加热垫(外接稳压电源8)，其厚度为2mm，导热板7采用铝板，厚度为3mm，柔性垫层1采用海绵垫，初始孔隙率为0.2，初始厚度为30mm，土体厚度为0.2m。数值模拟中各材料的热力学参数如表1所示。
表1热力学参数
| 材料 | 密度(kg.m-3) | 比热(J.kg-1.℃-1) | 热传导系数(W.m-1.℃-1) |
| 挡土墙 | 2500 | 1500 | 1.0 |
| 加热垫 | 1250 | 1700 | 0.27 |
| 导热板 | 2700 | 880 | 218 |
| 柔性垫层 | 14 | 2300 | 0.1 |
| 土体 | 1900 | 1000 | 0.6 |
初始温度设置为20℃，设硅胶加热垫的生热区域如图3阴影部分所示，该区域硅胶加热垫的体积生热率为4×106W.m-3，加热时长为180s。不设置导热板7和设置3mm厚铝板作为导热板7时，柔性垫层1外表面的温度极值分布云图如图4所示。可以看出设置导热板7后，温度分布更加均匀。
设柔性垫层1的压缩厚度为dt，不同压缩厚度对应的柔性垫层外1表面形心处的温度时程曲线如图5所示。可以看出：在加热垫的体积生热率和加热时长相同时，随着压缩厚度的增大，升温速度越快，最大升温值越大；在升温过程中，存在一个温度随时间线性增长的阶段(在该实施例中，取时间段为130s～229s)，将该时间段温度时程曲线的斜率定义为初始升温速度式中Ti为ti时刻的温度，Tθ为环境温度)，并将其作为柔性垫层压缩厚度的判别指标，二者的拟合关系如图6所示，可以看出二者呈线性关系(kv＝0.00017514dt+0.00206234)。利用升温速度kv能很好地识别压缩厚度，从而根据柔性垫层的弹性模量换算压力。
为了验证图6所示拟合关系用于压力反演的准确性，开展了变形场与温度场的耦合分析。设计算模型平面尺寸为1.0m×1.0m，各层的厚度与上述标定分析模型相同，在土体外表面施加如图7所示两种压力荷载，图中200mm×200mm正方形区域内的压力均为50kPa，其他区域的压力均为20kPa。
先对该计算模型进行变形场分析，除加载面以外，模型其他面均施加法向约束。然后对变形后的计算模型进行温度场分析，获得柔性垫层表面各节点的温度时程响应。同样取时间段130s～229s各节点的温度时程数据进行线性拟合，获得各节点的升温速度kv，然后利用图6所示拟合关系kv＝0.00017514dt+0.00206234，获得各节点处柔性垫层的压缩厚度dt，再利用应力应变关系反演各节点处的压应力(p＝Erdt/d0，式中Er为柔性垫的弹性模量，d0为柔性垫的初始厚度)。反演结果与数值模拟的计算结果对比如图8所示，可以看出二者基本吻合，从而验证了本发明提出方法的有效性。
实施例2
对图1所示监测方案开展了模型试验，其中：挡土墙采用40cm×40cm×10cm的混凝土板模拟，面热源采用硅胶加热垫，导热板采用厚度3mm的铝板，柔性垫层采用厚度3cm、硬度为85D的海绵垫，温度测量采用光纤光栅温度传感系统，土体用夯实的河沙模拟。将试验模型平放在刚性自平衡反力架中部，在河沙表面平放一块边长20cm，厚12mm的钢板作为刚性承压板，采用螺旋千斤顶施加压力荷载，加载示意如图9所示。
施加至预定荷载后稳定一段时间，对硅胶加热垫通电加热3分钟，然后自然降温，通过光纤光栅解调仪实时记录光纤光栅温度传感器的波长变化规律，采样频率为1Hz。根据光纤光栅温度传感器的温度灵敏系数kT，按下式将其波长λ换算为温度(T＝kTλ+γ，γ为标定常数)。不同荷载作用下，海绵垫顶面中部的温升(ΔT)时程曲线如图10所示，可以看出：温升时程曲线与压力p有明显相关性，压力越大，升温越快。
在升温阶段，按式(7)分别计算当线性拟合时段长度取100s时(即tj～tj+99)，各时刻的线性相关系数R：
式中：t和ΔT分别为时间和温升；t’和ΔT’分别为所取的拟合时段内，时间和温升的平均值。
将线性相关系数最大值对应的拟合时段作为最优时段，将该时段线性拟合的斜率kv作为升温速度进而标定其与压力p的关系(kv＝0.0001749p+0.00090358)，如图11所示，二者呈线性关系，与实施例1的标定关系基本一致。在柔性垫外表面按一定间距(如：10cm)布设温度传感器构成传感阵列，根据各个温度传感器测量的温度时程数据，计算各测点的压力判别指标即升温速度(率)kv，将kv代入上述标定方程，即可计算各测点处的土压力大小。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于力-热耦合效应的土压力监测方法，其特征在于，包括以下步骤：1、在挡土墙受力面和土体之间构建柔性垫层---温度测量系统，柔性垫层紧贴挡土墙受力面且依据挡土墙平面展开设置，温度测量系统设置在柔性垫层和土体之间，温度测量系统用于布设在柔性垫层上监测柔性垫层各处温度变化情况；2、施加热源给柔性垫层使其升温，升温过程选择温度随时间线性增长阶段，记为tj～tj+99，将该线性增长阶段的温度时程曲线斜率定义为kv，式中Ti为ti时刻的温度，Tθ为环境温度，将kv作为柔性垫层压缩厚度的判别指标，构建柔性垫层温度变化和压缩厚度之间的拟合关系kv＝α1dt+β1----(2)，利用p＝Erdt/d0，建立升温曲线线性段的斜率kv与土压力p的标定关系kv＝α2.p+β2----(3)，其中Er为柔性垫的弹性模量，d0为柔性垫的初始厚度，α1、α2、β1和β2为标定系数；3、监测时，根据温度测量系统测量的温度时程数据，将其代入kv方程计算各测点升温速度kv，再将kv代入式(3)标定方程，即可计算各测点处的土压力大小。
2.根据权利要求1所述的土压力测试方法，其特征在于，在挡土墙受力面和柔性垫层之间设置导热装置使得施加热源能均匀加热柔性垫层。
3.根据权利要求1所述的土压力测试方法，其特征在于，温度测量系统包括多个温度传感器和解调仪，多个温度传感器以阵列的方式设置在柔性垫层接触土体的侧面上，多个温度传感器均和解调仪连接。
4.根据权利要求1所述的土压力测试方法，其特征在于，柔性材料为多孔材料。
5.根据权利要求1所述的土压力测试方法，其特征在于，测试时，当温升曲线上连续出现100s及以上的线性升温段即可停止加热，tj与tj+99之差≥100S。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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