CN209356096U - 模型试验应力测试块体 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种模型试验应力测试块体，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；所述坯体是采用与模型材料相同的材料制成的块体，在块体上贴有应变片；所述防潮涂层附着在所述块体外部、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。根据模型试验应力测试的需求，本实用新型提供的基于相似材料的应力测试块体，即块体的坯体选用与所在模型层位相同的相似材料，两者之间的力学性能匹配、变形相容性好，能够精准捕捉块体所在位置的应力动态；该应力测试块体的防潮处理采用自主研制的苯—烯复合型防潮液，涂层密封性好；外部贴片采用箔式应变片，测试精度高。

Description

模型试验应力测试块体

技术领域

本实用新型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。

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。模型开挖过程中，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。

实用新型内容

针对本领域存在的问题，本实用新型的目的是提出一种模型试验应力测试块体。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。

实现本实用新型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试验的材料相同的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部、所述块体和所述应变片之间、以及所述应变片外面；

在所述防潮涂层的外表面附着所述沙粒层。

本实用新型的一种优选技术方案为，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。

其中，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)。

根据具体试验测试要求，所述应变片可以是1片，或者2～3片组成的应变花。

更优选地，所述外接导线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。

其中，所述外接导线的外径为0.4～0.6mm。

更优选地，所述防潮涂层的成分为聚乙烯。

其中，所述防潮涂层的厚度为40μm～80μm。

防潮涂层是用聚乙烯颗粒溶解于有机溶剂中制成的防潮液，涂刷在块体上；在自然干燥过程中有机溶剂挥发，形成聚乙烯材质的防潮涂层。

涂刷防潮液后蘸取标准砂颗粒，干燥后沙粒紧紧附着于涂层外表面，以此增加块体与模型体的粘结力，提高模型试验的应力测试效果。

所述的模型试验应力测试块体的制备方法，包括步骤：

1)用相似材料压制成为坯体；

2)在坯体上涂布防潮液，待干燥后贴上应变片；

3)再次涂布防潮液；在最后涂布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。所述聚乙烯颗粒与有机溶剂的质量比为1：(20～50)。

其中，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。

进一步地，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。

所述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；

整个模型干燥养护完成后，进行开挖测试。模型分阶段测试过程中，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，采用无量纲化处理方法，即分别将应力块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；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。

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可以重复使用。

本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型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相似材料，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变动态；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、防潮封装、裹沙等工艺环节的优化研究，本实用新型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。

具体实施方式

以下具体实施方式用于说明本实用新型，但不应理解为对本实用新型的限制。

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：模型试验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。

(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，应力测试块体的坯体选用与试验模型材料相同的相似材料制成。在模型试验之前，首先根据矿山地层中的煤层、砂质泥岩、粉粒砂岩、泥岩等岩层的力学参数，经过相似理论换算，确定模型试验中模型各分层的材料强度参数，然后以河砂、石膏、碳酸钙为原材料制成相似材料(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，可以满足模型试验的需求。

(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当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，则测试块体的边长以小于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。根据应力块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中批量使用的性价比，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，与应力测试块体的坯体尺寸相匹配的箔式应变片参数见表1。

表1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，应变片贴片工序平均用时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，模型开挖试验过程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”，干扰模型破断块体的正常运动，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2。

表2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。

本实用新型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快速挥发，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3，一种模型试验应力测试块体，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(通常为长方形)长边与所在面的一条边的角度为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外表面；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。

防潮涂层4的厚度为40μm～80μm。

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4～6次。待干燥后贴上应变片；

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。

实施例1-3应力测试块体的防潮绝缘与零漂测试

如前所述，应力块内置于相似材料模型中，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。

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，各应力块48小时的最大零漂值见表3。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3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制备的应力测试块体的零漂结果也均合格。

以上的实施例仅仅是对本实用新型的具体实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，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，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种模型试验应力测试块体，其特征在于，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，所述应变片的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.根据权利要求4所述的模型试验应力测试块体，其特征在于，所述应变片的外接导线的外径为0.4～0.6mm。

6.根据权利要求1～5任一项所述的模型试验应力测试块体，其特征在于，所述防潮涂层的成分为聚乙烯。

7.根据权利要求1～5任一项所述的模型试验应力测试块体，其特征在于，所述防潮涂层的厚度为40μm～80μm。