一种圆形隧道物理模型的形变位移测量装置及方法

本发明涉及工程试验测试，尤其是涉及一种圆形隧道物理模型的形变位移测量装置及方法。

背景技术：

1、隧道物理模型试验可以比较直观、全面、真实地模拟隧道围岩力学行为。在制作模型或在试验过程中，通过植入应力及应变等测量传感器，实现对模型内部应力、应变等变化情况的监测，弥补现场测试的不足，能更直观地分析变形破坏模式及失效机理；隧道物理模拟还可以用于研究许多难以用数学和力学方法解决的问题，为建立新的理论和模型提供基础和验证；针对深部隧道力学问题，常通过圆形隧道物理模型试验来验证相关力学理论及探明隧道工程失效机理。在隧道物理模型试验过程中，通过位移测量装置对隧道内部围岩位移进行监测，可直观反映隧道在外荷载作用下隧道变形特征；

2、现有技术中的位移测量装置包括非接触式和接触式，非接触式位移测量装置存在装置结构复杂，制作成本高等缺点；而现有技术中的接触式位移测量装置一般只能针对隧道内部定点的位移测量并不能实现全断面位移的实时测量。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出了一种圆形隧道物理模型的形变位移测量装置及方法。

2、根据本发明第一方面实施例的一种圆形隧道物理模型的形变位移测量装置，包括：

3、轴承座；

4、旋转轴，一端与所述轴承座转动连接；

5、电机，输出轴与所述旋转轴另一端连接；

6、第一固定机构和第二固定机构，均设置在所述旋转轴上；

7、悬臂梁应变片位移测量机构，设置在所述第一固定机构上，一端与所述圆形隧道物理模型接触，用于测量所述圆形隧道物理模型的形变位移；

8、压力传感器位移测量机构，设置在所述第二固定机构上，一端与所述圆形隧道物理模型接触，用于测量所述圆形隧道物理模型的形变位移；

9、控制器，所述控制器与所述悬臂梁应变片位移测量机构和所述压力传感器位移测量机构均采用电连接。

10、根据本发明的一种圆形隧道物理模型的形变位移测量装置，通过所述旋转轴一端转动连接在所述轴承座上，另一端与所述电机的输出轴连接，使得所述电机转动后，带动所述旋转轴在所述轴承座中转动；而所述第一固定机构和所述第二固定机构均是设置在所述旋转轴上，所以，当所述旋转轴转动时，设置在所述旋转轴上的所示第一固定机构和所述第二固定机构均随着所述旋转轴转动而转动；所述悬臂梁应变片位移测量机构，设置在所述第一固定机构上，一端与所述圆形隧道物理模型接触，当所述第一固定机构随着所述旋转轴转动时，所述悬臂梁应变片位移测量机构也随着所述旋转轴转动而做圆周运动，又因为所述悬臂梁应变片位移测量机构一端与所述圆形隧道物理模型接触，所以其一端贴着所述圆形隧道物理模型内壁做圆周运动，从而测量所述所述圆形隧道物理模型的形变位移；同理，所述压力传感器位移测量机构设置在所述第二固定机构上，一端与所述圆形隧道物理模型接触，通过所述旋转轴转动，带动所述第二固定机构转动，从而带动所述压力传感器位移测量机构，因为所述压力传感器位移测量机构一端与所述圆形隧道物理模型接触，从而导致其一端紧贴所述圆形隧道物理模型做圆周运动，同样能够量所述所述圆形隧道物理模型的形变位移；

11、使用时，首先将所述形变位移测量装置安装在所述圆形隧道物理模型中，通过所述控制器连接外部显示设备，通过对所述圆形隧道物理模型施加外力负载，从而模拟隧道在复杂受力状态下的变形和破坏规律；通过显示设备设置所述电机的旋转速度和显示设备的采集频率；设置完成后，启动电机，形变位移测量装置开始工作，此时，悬臂梁应变片位移测量机构和压力传感器位移测量机构同时转动，当电机转速和显示设别采集频率稳定后，开始对圆形隧道物理模型进行伺服加载，可模拟圆形隧道卸荷开挖所受到在不同外荷载作用下的隧道变形破坏规律；在伺服加载过程中，悬臂梁应变片位移测量机构和压力传感器位移测量机构对在圆形隧道内贴近内壁做圆周运动，对圆形隧道物理模型两处不同位置进行全断面接触测量，采集被测隧道模型的全段面形变位移变化波形图；测量完成后，关闭所述电机，显示设备上出现两条波形图，分别为悬臂梁应变片位移测量机构和压力传感器位移测量机构对应测量的两处全断面的形变位移；通过分析波形图可以提取隧道全断面内任意一点的位移形变值，从而可以分析出外部压力对隧道内壁所有点的变形影响。

12、根据本发明的一些实施例，所述第一固定机构包括：

13、第一固定圈，固定套在所述旋转轴上；

14、第一固定杆，一端设置在所述第一固定圈上，所述第一固定杆长度方向与所述旋转轴轴向垂直；

15、所述第一固定杆为中空管状，其侧边设有贯穿的安装槽，所述悬臂梁应变片位移测量机构通过所述安装槽设置所述第一固定杆上；

16、固定螺栓，设置在所述第一固定杆远离所述第一固定圈一端；与所述第一固定杆螺纹连接，用于固定所述悬臂梁应变片位移测量机构。

17、根据本发明的一些实施例，所述悬臂梁应变片位移测量机构，包括：

18、测量板，一端设置在所述安装槽内，通过所述固定螺栓与所述第一固定杆固定；

19、长条单应变片，设置在所述测量板表面，与所述控制器电连接；

20、第一接触竖杆，垂直设置在所述测量板远离所述第一固定杆一端；所述第一接触竖杆贯穿所述测量板，并在所述第一接触竖杆上螺纹连接调节螺母；

21、所述调节螺母设置在所述测量板两侧，用于调节和固定所述接触竖杆；

22、第一球型转动接触件，所述第一球型转动接触件设置在所述第一接触竖杆远离所述测量板一端。

23、根据本发明的一些实施例，所述第二固定机构，包括：

24、第二固定圈，所述第二固定圈套在所述旋转轴上；

25、第二固定杆，一端设置在所述第二固定圈上，所述第二固定杆长度方向与所述旋转轴轴向垂直；

26、所述第二固定杆为一端开口的中空管，开口端设置在远离所述第二固定圈一端；所述压力传感器位移测量机构设置在所述第二固定杆内。

27、根据本发明的一些实施例，所述压力传感器位移测量机构，包括：

28、压力传感器，设置在所述第二固定杆内顶壁上，与所述控制器电连接；

29、弹簧组件，设置在所述第二固定杆内，所述弹簧组件一端与所述压力传感器(154)连接；

30、第二接触竖杆，所述第二接触竖杆设置在所述弹簧组件远离所述压力传感器一端；

31、第二球型转动接触件，设置在所述第二接触竖杆远离所述弹簧组件一端。

32、根据本发明的一些实施例，所述弹簧组件，包括：

33、固定框，所述固定框两端开口；

34、压力弹簧，所述压力弹簧设置在所述固定框内；

35、压力垫片，所述压力垫片设置在所述固定框内，所述压力弹簧两端均连接有所述压力垫片；

36、所述第二接触竖杆和所述压力传感器均通过所述压力垫片与所述弹簧组件连接。

37、根据本发明的一些实施例，还包括：

38、刻度盘，设置在所述轴承座远离所述旋转轴一端。

39、根据本发明的一些实施例，还包括：

40、支撑轴承，所述支撑轴承为圆环型，套在所述旋转轴上，与所述旋转轴转动连接。

41、根据本发明的一些实施例，还包括：

42、电机支座，设置在所述电机输出轴一端，所述电机输出轴穿过所述电机支座后与所述旋转轴连接；所述电机与所述电机支座通过螺栓固定。

43、根据本发明第二方面实施例的一种圆形隧道物理模型的形变位移测量方法，所述方法包括：

44、步骤s100：对形变位移测量装置进行标定，得出测试结果与位移之间的拟合函数关系；

45、步骤s200：将装置通过固定架固定在隧道模型内部，使得第一球型转动接触件和第二球型转动接触件与隧道内部充分接触，通过控制器连接显示设备，通过显示设备设定测量频率和速度；

46、步骤s300：启动电机，旋转轴转动，带动第一球型转动接触件和第二球型转动接触件旋转，当预测试结果采集频率与旋转速度稳定时，开始对隧道模型进行外力伺服加载；

47、步骤s400：加载过程中，稳定旋转轴转速和采集频率，直至试验结束，最终在显示设备上出现被测断面的形变位移波形图，即获得相应的应变片或压力传感器测量数据；

48、步骤s500：将应变片或压力传感器测量数据，通过拟合函数进行数据处理，获得全断面任意点的位移变化值。

49、根据本发明的一种圆形隧道物理模型的形变位移测量方法，首先对所述形变位移测量装置进行标定，得到测试结果与隧道模型位移之间存在的拟合函数关系，并将上述拟合函数关系输入至外部设备中，实现传感器采集数据与测量位移值的对应；将所述形变位移测量装置安装在圆形隧道物理模型中，调节第一固定杆和第二固定杆的位置，使得第一球型转动接触件和第二球型转动接触件与隧道内部充分接触；确保在装置转动时，第一球型转动接触件和第二球型转动接触件始终紧贴隧道内表面；再将显示设备与本装置的控制器电连接，使得通过显示设备能够控制本装置的运作；在显示设备上设定测量频率和速度，电机开始转动，进行预测试，当电机转速和采集频率稳定后，开始对圆形隧道物理模型进行伺服加载，可模拟圆形隧道卸荷开挖所受到在不同外荷载作用下的隧道变形破坏规律；在伺服加载过程中，采集被测隧道模型的全段面形变位移变化波形图；通过分析波形图，提取隧道全断面不同测点的位移形变值，得到隧道内轮廓的形变位移变化规律；另外，本装置的悬臂梁应变片位移测量机构和压力传感器位移测量机构既可以同时测量两处的全断面形变位移变化，也可以针对一处全断面形变位移变化通过一个机构进行测量，另一个机构进行验证的方式，从而确保测量准确，提升测量精度。

50、根据本发明的一种圆形隧道物理模型的形变位移测量装置及方法，其有益效果如下：

51、(1)通过设定旋转轴以及设置在旋转轴上的悬臂梁应变片位移测量机构和压力传感器位移测量机构，能够对圆形隧道物理模型内的全断面位置进行测量；

52、(2)通过同时设置悬臂梁应变片位移测量机构和压力传感器位移测量机构，能够同时对圆形隧道物理模型内两处的全断面进行测量；

53、(3)通过同时设置悬臂梁应变片位移测量机构和压力传感器位移测量机构，能够实现通过压力传感器位移测量机构对圆形隧道物理模型内部进行测试，再通过悬臂梁应变片位移测量机构对同一位置进行验证，从而确保测量准确度；

54、(4)通过设置控制器以及通过控制器与外部显示设备连接，通过显示设备控制装置的测量频率和旋转速度，并且可以实施显示测量结果，生成波形图，使得装置更加智能，分析结果更加方便准确。

55、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。