[發(fā)明專利]裂隙水影響下的三趾馬紅土隧道圍巖應(yīng)力測量系統(tǒng)及方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210590877.1
• 申請日: 2012-12-28
• 公開（公告）號: CN103075195A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王家鼎;谷天峰;王建斌;趙金剛;李家棟
• 申請（專利權(quán)）人: 西北大學(xué)
• 主分類號: E21F17/18
• 分類號: E21F17/18;G01L1/22
• 代理公司: 西安恒泰知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61216
• 代理人: 林兵

1.一種裂隙水影響下的三趾馬紅土隧道圍巖應(yīng)力的測量系統(tǒng)，其特征在于，包括信號放大器、數(shù)據(jù)采集器、上位機、電源和8個傳感器組；其中，每個所述傳感器組由一個電阻式土壓力盒和一個孔隙水壓力傳感器組成，每個電阻式土壓力盒和每個孔隙水壓力傳感器的輸出端均通過信號放大器連接數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器輸出端連接上位機；所述電源連接數(shù)據(jù)采集器、信號放大器、電阻式土壓力盒和孔隙水壓力傳感器為其供電；所述8個傳感器組分別安裝在三趾馬紅土隧道監(jiān)測斷面的拱頂、拱腰兩側(cè)、邊墻兩側(cè)、拱腳兩側(cè)和仰拱部位；

由所述8個傳感器組的電阻式土壓力盒和一個孔隙水壓力傳感器實時采集土壓力和水壓力數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)信號放大器發(fā)送到數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器按一定頻率采集數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到上位機，由上位機對接收到的數(shù)據(jù)進行處理。

2.如權(quán)利要求1所述的裂隙水影響下的三趾馬紅土隧道圍巖應(yīng)力的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述電阻式土壓力盒包括鐵盒體（6）、電阻應(yīng)變片（2）、接線板（3）和頂蓋（5），鐵盒體（6）底面鍍鋅作為受力膜（1），鐵盒體（6）內(nèi)固定有電阻應(yīng)變片（2）組成的橋式電路和接線板（3），電阻應(yīng)變片（2）組成的橋式電路緊貼鐵盒體（6）內(nèi)底面，所述接線板（3）位于電阻應(yīng)變片（2）組成的橋式電路的上方；電阻應(yīng)變片（2）組成的橋式電路通過接線板（3）由信號線（4）引出鐵盒體（6），在鐵盒體（6）頂部安裝有頂蓋（5）。

3.一種利用權(quán)利要求1所述的測量裝置進行裂隙水影響下的三趾馬紅土隧道圍巖應(yīng)力的測量的方法，其特征在于，具體包括如下步驟：

1）測量系統(tǒng)的組裝：包括傳感器組的焊接、電源模塊的組裝、信號放大器的安裝、信號線的連接及其與數(shù)據(jù)采集器的匹配。

2）傳感器的標(biāo)定：分別對電阻式土壓力盒、孔隙水壓力傳感器進行標(biāo)定，得到電阻式土壓力盒標(biāo)定曲線和孔隙水壓力傳感器標(biāo)定曲線；

3）傳感器的埋設(shè)：采用盲管引線法，將8個傳感器組分別固定到三趾馬紅土隧道監(jiān)測斷面的8個監(jiān)測點上，8個監(jiān)測點分別位于拱頂、拱腰兩側(cè)、邊墻兩側(cè)、拱腳兩側(cè)和仰拱部位；按順序從拱頂向兩側(cè)逐步挖土洞進行埋設(shè)，埋設(shè)過程中注意土壓力盒的方向，保證土壓力盒的受力膜1與洞身徑向垂直，埋深30cm-50cm，然后用土回填土洞并夯實；

4）數(shù)據(jù)采集：在測量開始前啟動數(shù)據(jù)采集器，記錄保存每個傳感器組的初始信號并發(fā)送給上位機；測量開始，各傳感器組的讀數(shù)隨著土壓力的變化而改變，電阻式土壓力盒及孔隙水壓力傳感器分別實時采集土壓力和水壓力數(shù)據(jù)，并實時向數(shù)據(jù)采集器發(fā)出信號，數(shù)據(jù)采集器以一定的頻率采集并記錄接收到的信號，測量過程中共采集n次，并實時將采集到的信號發(fā)送給上位機；

5）數(shù)據(jù)處理：上位機通過數(shù)據(jù)采集器發(fā)送的信號得到電阻式土壓力盒及孔隙水壓力傳感器的初值，也即測量開始前各監(jiān)測點的初始圍巖應(yīng)力及孔隙水壓力；對每個傳感器組的標(biāo)定曲線進行重新擬合得到擬合標(biāo)定曲線及對應(yīng)的擬合公式；由標(biāo)定擬合公式得知電阻式土壓力盒的標(biāo)定系數(shù)ξ和孔隙水壓力傳感器的標(biāo)定系數(shù)η；

由式5計算得到圍巖總應(yīng)力σ：

σ=V×ξ?????(式5)

式中，σ—圍巖總應(yīng)力；V—輸出電壓值；ξ—標(biāo)定系數(shù)；

由式6計算得到孔隙水壓力u：

u=v×η?????(式6)

式中，u—孔隙水壓力；v—輸出電壓值；η—標(biāo)定系數(shù)；

將某一時刻t₁采集的1#BX系列電阻式土壓力盒的輸出值V代入式5，得到該時刻圍巖的總應(yīng)力σ₁，按照同樣的方式對每次采集的1#BX系列電阻式土壓力盒的輸出值V進行處理，共得到n組數(shù)據(jù)：(σ₁，t₁)，(σ₂，t₂)，.....，(σ_n，t_n)；其中，n表示試驗期內(nèi)的采集次數(shù)；以圍巖總應(yīng)力σ為縱軸，以時間t為橫軸建立坐標(biāo)系，得到的n組數(shù)據(jù)在該坐標(biāo)系中表示為σ—t時態(tài)曲線；同理，得到的n組數(shù)據(jù)在該坐標(biāo)系中表示為u—t時態(tài)曲線，即孔隙水壓力時態(tài)曲線；將每個采集時刻所得到的圍巖總應(yīng)力σ減去孔隙水壓力u得到該時刻的有效應(yīng)力σ_e，以有效應(yīng)力σ_e為縱軸，以時間t為橫軸，得到有效應(yīng)力σ_e—t時態(tài)曲線；至此，得到由1#傳感器組采集的數(shù)據(jù)處理得到的有效應(yīng)力時態(tài)曲線；同理，得到由其余7個傳感器組采集的數(shù)據(jù)處理得到的有效應(yīng)力時態(tài)曲線。