CN105258829A - 地下工程模型试验内部空间应力测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种地下工程模型试验内部空间应力测量装置及方法，属于内部应力测量装置及方法。测量装置包括单元应力计、应变采集仪和分析模块。该单元应力计包括电阻应变片和相似单元块，在相似单元块的对角相邻的三个面分别贴三个电阻应变片，相似单元块是根据相似材料的力学特性及匹配要求设计制作，弹性模量和模型材料的弹性模量相当；利用Matalab编制的分析模块将应变仪采集的数据自动导入后，可直接显示加载方向垂直或平行的六个应力分量和主应力大小、方向，也可输出任意方向的应力分量，实现对模型内部空间应力状态的量测及试验加载过程中应力变化的实时监控。本发明结构构造简单，安装与测试便捷，且有较高的精确度，可广泛用于模型试验中。

Description

地下工程模型试验内部空间应力测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种内部应力测量装置及方法，尤其是一种地下工程模型试验内部空间应力测量装置及方法。

背景技术

目前，获取模型试验内部的应力状态常采用的方法是内部埋入压力盒、应变砖等，压力盒只能测某个方向的压力，解决不了复杂的空间应力问题。应变砖虽然可以间接测量不同方向上的应力，但由于传感器材料同模型材料之间的刚性差异较明显以及埋入式传感器的尺寸不合理等，直接影响了其测量的精确度，尤其是传统的测量方法无法直接获得内部空间开挖后，围岩内的主应力不与加载方向平行或垂直时的应力状态，限制了其在三维立体模型中的应用。

发明内容

发明目的：本发明的目的是克服现有测量方法的不足之处，提供一种地下工程模型试验内部空间应力测量装置及方法，实现对模型内部空间应力状态的量测及试验加载过程中应力变化的实时监控。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明的技术方案为：实时监控地下工程模型试验内部空间应力包括测量装置和测量方法：

测量装置包括：单元应力计、应变采集仪和分析模块；单元应力计、应变采集仪和分析模块顺序连接；所述的单元应力计由电阻应变片和相似单元块组成；所述的相似单元块采用与模型材料弹性模量相当的聚氨酯制作而成；在相似单元块的对角相邻的三个面分别贴三个电阻应变片，其中两个应变片的方向互相垂直，另一个应变计与前两个成45°角；所述的应变采集仪采集单元应力计上的应变值；所述的分析模块是利用Matalab编制的计算软件。

所述的单元应力计预埋在模型内部测试点；单元应力计获得的检测信息通过应变采集仪导入分析模块，在分析模块上直观显示模型内部空间应力状态，所述的应力状态包括主应力大小和方向、任意方向的应力分量。

测量方法为：单元应力计通过三个正交方向应变片获得ε_x、ε_y、ε_z，实测得到的ε_xy(45°)、ε_yz(45°)、ε_zx(45°)及ε_x、ε_y、ε_z计算出剪应变γ_xy、γ_yz、γ_xz，根据ε_x、ε_y、ε_z及γ_xy、γ_yz、γ_xz六个应变分量即可求解出σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx六个应力分量，进而求解出三个主应力的大小和方向，得到测试点的空间应力状态；

利用Matalab计算软件将整个计算过程编制成分析模块，分析模块的计算方法：首先将应变采集仪采集的数据导入预处理模块中对采集的数据进行分析处理，判断数据是否具有可靠性；将处理完的数据导入应力求解模块，求解出加载方向的应力分量和主应力的大小和方向；再将主应力的大小和方向导入应力状态分析模块，求解出任意方向上的应力状态；实现对模型内部空间应力状态的量测及试验加载过程中应力变化的实时监控。

有益效果，由于采用了上述方案，利用Matalab编制的分析模块将应变仪采集的数据导入后，可直接显示模型内部空间应力状态，包括主应力大小和方向、任意方向的应力分量等，实现对模型内部空间应力状态的量测及试验加载过程中应力变化的实时监控。克服了传感器材料同模型材料之间的刚性差异太大以及埋入式传感器的尺寸不合理等问题，所述的相似单元块的制作材料具有高强度、弹性好等优点，且弹性模量和模型材料的弹性模量相当，实现了对模型内部空间应力状态的量测及试验加载过程中应力变化的实时监控，用于监控和测试相似模拟试验内部的空间应力状态，尤其是地下工程模型试验中围岩内部的应力变化情况，包括任意方向的应力分量和主应力大小、方向等。

优点：本发明结构构造简单，安装与测试便捷，且有较高的精确度，可广泛用于模型试验中。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的分析模块流程图。

图中：1、第一应变片；2、第二应变片；3、第三应变片；4、第四应变片；5、第五应变片；6、第六应变片；7、第七应变片；8、第八应变片；9、第九应变片。

具体实施方式

实时监控地下工程模型试验内部空间应力包括测量装置和测量方法：

测量装置包括：单元应力计、应变采集仪和分析模块；单元应力计、应变采集仪和分析模块顺序连接；所述的单元应力计由电阻应变片和相似单元块(10mm×10mm×10mm)组成；所述的电阻应变片规格为B×120-3CA(栅长×栅宽＝3×2mm)，可由市场购得；所述的相似单元块采用与模型材料弹性模量相当的聚氨酯制作而成；在相似单元块的对角相邻的三个面分别贴三个电阻应变片，其中两个应变片的方向互相垂直，另一个应变计与前两个成45°角(如附图1所示)；所述的应变采集仪采集单元应力计上的应变值；所述的分析模块是利用Matalab编制的计算软件。

所述的单元应力计预埋在模型内部所需测试点；单元应力计获得的检测信息通过应变采集仪导入分析模块，在分析模块上直观显示模型内部空间应力状态，所述的应力状态包括主应力大小和方向、任意方向的应力分量。

所述的相似单元块是根据相似材料的力学特性及匹配要求，采用聚氨酯设计制作，其具有高强度、弹性好、弹性模量可控等优点，可根据实验需要选择和模型材料弹性模量相当的材料进行试验。相似单元块在单元尺寸足够小的情况下，可以近似认为代表某一点的应力状态或小区域内的平均应力情况，考虑应变片的贴片要求，相似单元块的尺寸设计为10mm×10mm×10mm。

测量方法为：单元应力计通过三个正交方向应变片获得ε_x、ε_y、ε_z，实测得到的ε_xy(45°)、ε_yz(45°)、ε_zx(45°)及ε_x、ε_y、ε_z计算出剪应变γ_xy、γ_yz、γ_xz，根据ε_x、ε_y、ε_z及γ_xy、γ_yz、γ_xz六个应变分量即可求解出σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx六个应力分量，进而求解出三个主应力的大小和方向，得到测试点的空间应力状态；

利用Matalab计算软件将整个计算过程编制成分析模块，分析模块的计算方法：首先将应变采集仪采集的数据导入预处理模块中对采集的数据进行分析处理，判断数据是否具有可靠性；将处理完的数据导入应力求解模块，求解出加载方向的应力分量和主应力的大小和方向；再将主应力的大小和方向导入应力状态分析模块，求解出任意方向上的应力状态；实现对模型内部空间应力状态的量测及试验加载过程中应力变化的实时监控。

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明由单元应力计、应变采集仪10和分析模块三个部分组成。单元应力计由电阻应变片和相似单元块(10mm×10mm×10mm)组成。所述的电阻应变片规格为B×120-3CA(栅长×栅宽＝3×2mm)，可由市场购得；所述的相似单元块采用与模型材料弹性模量相当的聚氨酯制作而成；在相似单元块的对角相邻的三个面分别贴三个电阻应变片，其中两个应变片的方向互相垂直，另一个应变计与前两个成45°角如附图1所示。其中，第一应变片1、第三应变片3、第六应变片6分别用于测量ε_x、ε_y、ε_z，第七应变片7、第四应变片4、第九应变片9用于校核，第二应变片2、第五应变片5、第八应变片8分别用于测量ε_xy(45°)、ε_yz(45°)、ε_zx(45°)。将这9个应变片连接到应变采集仪上，应变仪将采集的数据导入到Matalab编制的预处理模块对数据进行分析处理，判断数据是否具有可靠性。处理完的数据导入应力求解模块，求解出加载方向的应力分量和主应力的大小和方向；再将主应力的大小和方向导入应力状态分析模块，求解出任意方向上的应力状态。

在模型制作过程中，将该单元应力计放在所需测试点，单元应力计预埋在模型内部测试点与之形成一个整体并最大限度的减少对模型本身的干扰，能真实的反应模型内部测试点的空间应力状态。

Claims (3)

1.一种地下工程模型试验内部空间应力测量装置，其特征在于：测量装置包括：单元应力计、应变采集仪和分析模块；单元应力计、应变采集仪和分析模块顺序连接；所述的单元应力计由电阻应变片和相似单元块组成；所述的相似单元块采用与模型材料弹性模量相当的聚氨酯制作而成；在相似单元块的对角相邻的三个面分别贴三个电阻应变片，其中两个应变片的方向互相垂直，另一个应变计与前两个成45°角；所述的应变采集仪采集单元应力计上的应变值；所述的分析模块是利用Matalab编制的计算软件。

2.根据权利要求1所述的一种地下工程模型试验内部空间应力测量装置，其特征在于：所述的单元应力计预埋在模型内部测试点；单元应力计获得的检测信息通过应变采集仪导入分析模块，在分析模块上直观显示模型内部空间应力状态，所述的应力状态包括主应力大小和方向、任意方向的应力分量。

3.一种地下工程模型试验内部空间应力测量方法，其特征在于：测量方法为：单元应力计通过三个正交方向应变片获得ε_x、ε_y、ε_z，实测得到的ε_xy(45°)、ε_yz(45°)、ε_zx(45°)及ε_x、ε_y、ε_z计算出剪应变γ_xy、γ_yz、γ_xz，根据ε_x、ε_y、ε_z及γ_xy、γ_yz、γ_xz六个应变分量即可求解出σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx六个应力分量，进而求解出三个主应力的大小和方向，得到测试点的空间应力状态；

利用Matalab计算软件将整个计算过程编制成分析模块，分析模块的计算方法：首先将应变采集仪采集的数据导入预处理模块中对采集的数据进行分析处理，判断数据是否具有可靠性；将处理完的数据导入应力求解模块，求解出加载方向的应力分量和主应力的大小和方向；再将主应力的大小和方向导入应力状态分析模块，求解出任意方向上的应力状态；实现对模型内部空间应力状态的量测及试验加载过程中应力变化的实时监控。