變載光纖應變巖溶塌陷過程模擬試驗系統的製作方法

2023-05-28 15:40:21

變載光纖應變巖溶塌陷過程模擬試驗系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種變載光纖應變巖溶塌陷過程模擬試驗系統，包括應變儀和試驗裝置，試驗裝置包括支撐機構、測量機構和光纖固定機構，其中：支撐機構包括連接在一起構成一個正方形或長方形的左、右支架和上、下支架；測量機構包括機械百分表、異形掛鈎以及砝碼；光纖固定機構包括左側光纖固定裝置、右側光纖固定裝置和光纖，所述左側、右側光纖固定裝置結構相同，均包括移動座、滾輪、連接臂以及用於固定滾輪的緊固件，光纖的一端纏繞於左側光纖固定裝置中的滾輪上，另一端依次穿過異形掛鈎上後纏繞於右側光纖固定裝置中的滾輪上；所述光纖的一個端頭與應變儀相接。該試驗系統可增加載點和變荷載，以滿足模擬不同載荷下概化模型的巖溶塌陷試驗。
【專利說明】變載光纖應變巖溶塌陷過程模擬試驗系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及巖溶塌陷監測【技術領域】，具體涉及一種變載光纖應變巖溶塌陷過程模擬試驗系統。
【背景技術】
[0002]我國巖溶分布廣泛，約佔國土面積的1/3，這些地區地質環境脆弱，隨著人類活動的頻繁，面臨的巖溶地質災害問題日益突出，特別是巖溶塌陷問題，已經成為巖溶地區面臨的主要地質災害之一。巖溶塌陷具有發生隨機、形成隱蔽、時空不確定的特點，傳統的監測技術方法成本高、難精確定位、監測範圍有限難以滿足需求，而分布式光纖傳感技術可以實現對外部物理參量變化進行連續測量，同時獲取其空間分布和隨時間變化信息的特點，能夠系統進行大範圍、連續監測。近年來，分布式光纖傳感技術做為國際上最具價值的監測技術手段在建築物結構安全監測、巖土工程監測等方面有大量應用，但在地質災害領域還處在研究階段，在巖溶塌陷方面更是鮮有報導，僅僅在試驗方面進行了探索。巖溶塌陷因其發生的隱蔽性，傳統的試驗研究手段難以直觀地對巖溶塌陷過程進行有效研究，目前也尚未發現有能夠通過改變荷載以滿足模擬不同載荷條件下概化模型的巖溶塌陷過程模擬試驗系統。

【發明內容】

[0003]本發明要解決的技術問題是提供一種變載光纖應變巖溶塌陷過程模擬試驗系統。該試驗系統可採用增加或減少異形掛鈎的數量來增加載點和變荷載，可以滿足模擬不同載荷條件下概化模型的巖溶塌陷試驗。
[0004]本發明所述的變載光纖應變巖溶塌陷過程模擬試驗系統，包括應變儀和試驗裝置，所述的試驗裝置包括支撐機構、測量機構和光纖固定機構，其中:
[0005]所述的支撐機構包括呈垂直方向設置的左支架和右支架，呈水平方向設置的上支架和下支架，所述的左支架、右支架、上支架和下支架相互連接在一起構成一個正方形或長方形；
[0006]所述的測量機構包括通過表架安裝在上支架上的若干個機械百分表、與機械百分表數量相當的異形掛鈎以及放置於異形掛鈎上的砝碼，所述異形掛鈎的一端具有兩個開口在水平方向上且開口相背離的「U」形槽，其中靠近於異形掛鈎端頭處的「U」形槽為第一「U」形槽，位於第一「U」形槽下方的為第二「U」形槽，在第一「U」形槽靠近異形掛鈎端頭一側的內側壁上開設有第三「U」形槽，所述機械百分表的測量頭卡接於該第三「U」形槽中；所述異形掛鈎的另一端具有可放置砝碼的平臺，所述的砝碼放置於該平臺上；
[0007]所述的光纖固定機構包括左側光纖固定裝置、右側光纖固定裝置和光纖，所述的左側光纖固定裝置和右側光纖固定裝置的結構相同，均包括移動座、滾輪、連接臂以及設置於連接臂上用於固定滾輪的緊固件，其中，所述滾輪的中心設置有軸承，其圓周面上開設有向滾輪中心凹進的光纖纏繞槽，在光纖纏繞槽的底部開設有導向槽，所述的緊固件為螺釘、螺栓或定位銷；所述的移動座安裝於左支架或右支架上，所述連接臂的一端通過可拆卸連接的方式安裝在移動座上，其另一端則與滾輪上的軸承相連接；所述的光纖的一端纏繞於左側光纖固定裝置中的滾輪上，另一端依次穿過測量機構中的異形掛鈎上的第二 「U」形槽後纏繞於右側光纖固定裝置中的滾輪上；所述光纖其中的一個端頭與所述的應變儀相連接。
[0008]上述試驗系統的試驗裝置中，所述的左支架、右支架、上支架和下支架之間的連接方式可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，優選為可拆卸連接。在進行實際的測試時，左支架和右支架應分別與上支架和下支架相垂直。當它們採用可拆卸連接的方式時，為了使整個試驗系統能夠實現在不同跨度與不同載荷條件下模擬不同載荷條件下概化模型的巖溶塌陷試驗，優選是在上支架上開設一與其自身平行的跨度調節槽，在下支架上開設若干個定位孔或一與其自身平行的定位槽，此時，所述左支架的一端和右支架的一端均分別通過可拆卸連接的方式安裝於所述的跨度調節槽中，所述左支架的另一端和右支架的另一端均分別通過可拆卸連接的方式安裝於所述的定位孔或定位槽中。
[0009]上述試驗裝置中，優選是將異形掛鈎上的第二 「U」形槽的靠近第一 「U」形槽一側的內側壁設計成弧形，以使光纖能更好的卡於所述的第二 「U」形槽中而不滑動或彈出。
[0010]為了進一步確保纏繞於滾輪上的光纖不從滾輪上彈出，所述的光纖固定機構優選還包括兩個用以夾持固定光纖的夾具，所述的夾具通過螺栓固定於所述的移動座上。
[0011]為了使本試驗裝置能更穩固的置放於地面上，所述的試驗裝置還包括底座機構，所述的底座機構包括左側固定底座和右側固定底座，其中左側固定底座與左支架的底端固接或可拆卸連接，右側固定底座與右支架的底端固接或可拆卸連接。
[0012]在進行實際測試時，左側光纖固定裝置中的滾輪和右側光纖固定裝置中的滾輪需要在同一高度上，為了能方便地調節上述兩個滾輪的高度，優選是在左支架開設一其自身平行的移動槽，並在右支架上也開設一與其自身平行的移動槽，從而將左側光纖固定裝置中的移動座通過可拆卸連接的方式安裝於左支架上的移動槽中，將右側光纖固定裝置中的移動座通過可拆卸連接的方式安裝於右支架上的移動槽中。
[0013]上述技術方案中，所述的表架通常為普通表架、萬能表架或磁力表座,優選為磁力表座。
[0014]上述技術方案中，所述的可拆卸連接可以是現有技術中常用的可拆卸連接方式，具體可以是螺栓連接、螺柱連接、螺釘連接或銷連接。
[0015]上述技術方案中，所述的光纖儀可以是現有技術中常用的光纖儀，具體可以是光纖應變分析儀AQ8603 (為日本橫河公司(Ando Electric C0.，Ltd.)生產)。
[0016]與現有技術相比，本發明所述的試驗系統的特點在於:
[0017]1、本試驗系統可採用增加或減少異形掛鈎的數量來增加載點和變荷載，可以滿足模擬不同載荷條件下概化模型的巖溶塌陷試驗。
[0018]2、進一步地，通過在上支架上設置跨度調節槽，同時在下支架上設置定位孔或定位槽，可對左支架和右支架之間的跨度進行任意控制，實現對一定距離內(根據需要設置)的多跨度塌陷力學過程的概化模擬試驗。
[0019]3、本試驗系統成本低、安裝操作方便簡單、節能，可模擬多跨度變載荷巖溶塌陷過程模擬試驗。【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發明所述的變載光纖應變巖溶塌陷過程模擬試驗系統的一種實施方式的結構不意圖；
[0021]圖2為圖1實施方式中異形掛鈎的結構示意圖；
[0022]圖3為應用圖1所示系統，當光纖為普通通信光纖時受單一定荷載不同跨度規模條件下巖溶塌陷過程模擬測試結果；其中 表示左支架和右支架間距為1.0m時，載荷為OKg時的模擬測試結果，* 表示左支架和右支架間距為1.0m時，載荷為2Kg時的模擬測試結果，*:表示左支架和右支架間距為1.5m時，載荷為2Kg時的模擬測試結果，
* 表示左支架和右支架間距為2.0m時,載荷為2Kg時的模擬測試結果，X 表示左支架和右支架間距為2.4m時，載荷為2Kg時的模擬測試結果；
[0023]圖4為應用圖1所示系統，當光纖為GFRP鎧裝光纖時同一跨度條件下不同單一載荷條件下巖溶塌陷過程模擬測試結果；其中。表示左支架和右支架間距為2m時，載荷為0.5Kg時的模擬測試結果，? 表示左支架和右支架間距為2m時，載荷為IKg時的模擬測試結果，* 表示左支架和右支架間距為2m時，載荷為2Kg時的模擬測試結果，
ψ.表不左支架和右支架間距為2m時,載荷為3Kg時的模擬測試結果，x:表不左支
架和右支架間距為2m時，載荷為5Kg時的模擬測試結果。
[0024]圖中標號為:
[0025]I機械百分表；2異形掛鈎；2_1第一「U」形槽'2-2第二「U」形槽；2_3第三「U」形槽；2-4平臺；2-5連杆；3砝碼；4上支架；5跨度調節槽；6螺栓；7夾具；8滾輪；9移動座；10軸承；11螺釘；12左支架；13右支架；14下支架；15定位銷；16定位孔；17移動槽；18連接臂；19支撐臂；20支撐墊；21磁力表座；22光纖；23應變儀。
【具體實施方式】
[0026]如圖1所示，本發明所述的變載光纖應變巖溶塌陷過程模擬試驗系統，包括應變儀23(本實施例中，具體為光纖應變分析儀AQ8603)和試驗裝置，所述的試驗裝置包括支撐機構、底座機構、測量機構和光纖固定機構，其中:
[0027]所述的支撐機構包括呈垂直方向設置的左支架12和右支架13、呈水平方向設置的上支架4和下支架14 ;在左支架12上開設有一道與其自身平行的移動槽17，在右支架13上也開設有一道與其自身平行的移動槽17 ;在上支架4上開設有一條與其自身平行的跨度調節槽5，該跨度調節槽5的長度稍小於上支架4的長度，在下支架14上開設有若干個定位孔16 ;所述左支架12上靠近左支架12 —個端頭的端頭處開設有孔，用螺栓6穿過該孔及上支架4上的跨度調節槽5以螺栓連接的方式將左支架12的一端與上支架4連接固定，同樣地，右支架13上靠近右支架13 —個端頭的端頭處也開設有孔，用螺栓6穿過該孔及上支架4上的跨度調節槽5以螺栓連接的方式將右支架13的一端與上支架4連接固定；在左支架12上靠近左支架12另一個端頭的端頭處也開設有孔，用定位銷15穿過該孔及下支架14上的定位孔16從而將左支架12的另一端與下支架14連接固定，同樣地，右支架13上靠近右支架13另一個端頭的端頭處也開設有孔，用定位銷15穿過該孔及下支架14上的定位孔16從而將右支架13的另一端與下支架14連接固定；當所述的左支架12、右支架13、上支架4和下支架14相互連接在一起後，它們之間相互垂直，並且構成一個長方形；
[0028]所述的底座機構包括左側固定底座和右側固定底座，所述左側固定底座和右側固定底座結構相同，均包括一個支撐墊20和兩個支撐臂19，其中支撐墊20與左支架12或右支架13的底端固定連接，所述支撐臂19的一端與左支架12或右支架13固定連接，另一端則與支撐墊20固定連接；以左側固定底座為結構來說明，則是支撐墊20與左支架12底端固定連接，兩個支撐臂19的一端均是與左支架12固定連接，另一端則均與支撐墊20固定連接，形成三角支撐結構以使整個試驗裝置更為穩定的放置在地面上；該底座機構中，支撐墊20和支撐臂19與左支架12或右支架13的連接方式也可以採用可拆卸連接，如螺栓連接等，但本實施方式中優選採用固定連接；
[0029]所述的測量機構包括若干個機械百分表1、與機械百分表I數量相當的異形掛鈎2以及將要用於放置在異形掛鈎2上的砝碼3，其中，所述異形掛鈎2的結構如圖2所示，其一端具有兩個開口在水平方向上且開口相背離的「U」形槽，其中靠近於異形掛鈎2端頭處的「U」形槽為第一 「U」形槽2-1，位於第一 「U」形槽2-1下方的為第二 「U」形槽2-2，該第二「U」形槽2-2中，靠近第一「U」形槽2-1 —側的內側壁為弧形(以使光纖22能更好的卡於所述的第二 「U」形槽2-2中而不滑動或彈出)；在第一 「U」形槽2-1靠近異形掛鈎2端頭一側的內側壁上還開設有第三「U」形槽2-3，該第三「U」形槽2-3的開口方向與第一「U」形槽2-1的開口方向相同；所述異形掛鈎2的另一端具有一個可放置砝碼3的平臺2-4 ;所述異形掛鈎2其中一個端頭上的第二「U」形槽2-2與其另一端頭上的平臺2-4之間由一連杆2-5連接；所述的機械百分表I通過磁力表座21安裝在上支架4上，所述機械百分表I的測量頭卡接於異形掛鈎2的第三「U」形槽2-3中，所述的砝碼3放置於異形掛鈎2的平臺2-4上；
[0030]所述的光纖固定機構包括左側光纖固定裝置、右側光纖固定裝置、光纖22 (所述的光纖22可以是現有技術中常用的光纖22，具體如普通通信光纖或GFRP鎧裝光纖等)以及兩個用以夾持固定光纖22的夾具7，所述的左側光纖固定裝置和右側光纖固定裝置的結構相同，均包括移動座9、滾輪8、連接臂18以及設置於連接臂18上用於實現滾輪8制動的螺釘11，其中，所述滾輪8的中心設置有軸承10，滾輪8的圓周面上開設有向滾輪8中心凹進的光纖纏繞槽(用於纏繞光纖22)，在光纖纏繞槽的底部開設有導向槽；所述的移動座9安裝於左支架12或右支架13上的移動槽17中，所述連接臂18的一端通過可拆卸連接的方式安裝在移動座9上，其另一端則與滾輪8上的軸承10相連接；以左側光纖22固定裝置進行具體說明，則是所述移動座9通過螺栓連接的方式安裝於左支架12上的移動槽17中，所述連接臂18的一端通過螺釘連接的方式安裝在移動座9上，其另一端則與滾輪8上的軸承10相固接，安裝好的兩個滾輪8應處於同一高度；該機構中的光纖22的一端纏繞於左側光纖固定裝置中的滾輪8上的光纖纏繞槽中，並從導向槽中導出，另一端依次穿過測量機構中與機械百分表I相卡接的所有異形掛鈎2上的第二「U」形槽2-2並與所述第二「U」形槽2-2的弧形內側壁相貼，最後進入右側光纖固定裝置中的滾輪8上的導向槽並纏繞於其上的光纖纏繞槽中；所述的夾具7設置於位於左側光纖固定裝置中的滾輪8和右側光纖固定裝置中的滾輪8之間的光纖22上，並通過螺栓6固定於所述的移動座9上。
[0031]上述實施方式中，所述左支架12、右支架13、上支架4和下支架14優選採用Z 50mmX 50mmX 5mm的角鋼製作，其中上支架4和下支架14的長度通常取2.5m,上支架4上的跨度調節槽5的長和寬可根據需要進行設置，本實施方式中，其長和寬分別2400mm和20mm ;所述左支架12、右支架13的高度通常取1.2m，其上的移動槽17的寬和高分別為20mm和 30mm。
[0032]具體進行安裝時，通常是先按需要測定的跨度將上支架4、下支架14分別和左支架12和右支架13進行固定；然後，將左側光纖固定裝置和右側光纖固定裝置裝好，再通過調節連接移動座9與左支架12或移動座9與右支架13連接的螺栓6對兩個移動座9分別進行固定，與此同時保證兩個滾輪8的水平對準；之後，將被測光纖22分別纏繞於兩個滾輪8上，並最後由導向槽引出或導入，同時用夾具7進行固定，在整個被測光纖22將兩側的滾輪8進行固定時，記錄每個滾輪8上被測光纖22的起止標碼並記錄，進行預加拉伸力。對光纖22進行微調，然後將機械百分表I按設計需求進行安裝固定，機械百分表I的測量頭卡接於異形掛鈎2的第三「U」形槽2-3，將加入預應力的光纖22放置異形掛鈎2的第二 「U」形槽2-2並使光纖22緊貼於第二「U」形槽2-2的內側壁(該內側壁為與第一「U」形槽2_1相鄰的內側壁)，調節機械百分表I歸零，然後根據試驗設計，將各種荷載施加於異形掛鈎2底部的平臺2-4上，在加荷載前及加載卸載過程中，通過應變儀23對光纖22進行測量，以得到光纖22無荷載的初始值及過程中光纖22應變數據，同時根據機械百分表I的位移，可以獲得光纖22受荷點垂向位移數據，通過計算分析得出光纖22軸向變形與光纖22應變分析儀測試結果進行對比，通過對不同類型光纖22不同載荷變化條件下的測量結果對比分析，獲取不同類型光纖22對荷載的敏感性並通過數據統計進行標定。
[0033]圖3和圖4為採用圖1所示的變載光纖應變巖溶塌陷過程模擬試驗系統進行具體模擬試驗的結果，其中圖3為圖1所示的變載光纖應變巖溶塌陷過程模擬試驗系統(系統中的光纖22為普通通信光纖22)受單一定荷載不同跨度規模條件下巖溶塌陷過程模擬測試結果；圖4為圖1所示的變載光纖應變巖溶塌陷過程模擬試驗系統(系統中的光纖22為GFRP鎧裝光纖22)在同一跨度條件下不同單一載荷條件下巖溶塌陷過程模擬測試結果。
【權利要求】
1.變載光纖應變巖溶塌陷過程模擬試驗系統，包括應變儀(23)和試驗裝置，其特徵在於:所述的試驗裝置包括支撐機構、測量機構和光纖固定機構，其中: 所述的支撐機構包括呈垂直方向設置的左支架(12)和右支架(13)，呈水平方向設置的上支架(4)和下支架(14)，所述的左支架(12)、右支架(13)、上支架(4)和下支架(14)相互連接在一起構成一個正方形或長方形； 所述的測量機構包括通過表架安裝在上支架(4)上的若干個機械百分表(I)、與機械百分表(I)數量相當的異形掛鈎(2)以及放置於異形掛鈎(2)上的砝碼(3)，所述異形掛鈎(2)的一端具有兩個開口在水平方向上且開口相背離的「U」形槽，其中靠近於異形掛鈎(2)端頭處的「U」形槽為第一 「U」形槽(2-1)，位於第一 「U」形槽(2-1)下方的為第二 「U」形槽(2-2)，在第一「U」形槽2-1靠近異形掛鈎(2)端頭一側的內側壁上開設有第三「U」形槽(2-3)，所述機械百分表(I)的測量頭卡接於該第三「U」形槽(2-3)中；所述異形掛鈎(2)的另一端具有可放置砝碼(3)的平臺(2-4)，所述的砝碼(3)放置於該平臺(2-4)上；所述異形掛鈎(2)其中一個端頭上的第二「U」形槽(2-2)與其另一端頭上的平臺(2-4)之間由一連杆(2-5)連接； 所述的光纖固定機構包括左側光纖固定裝置、右側光纖固定裝置和光纖(22)，所述的左側光纖固定裝置和右側光纖固定裝置的結構相同，均包括移動座(9)、滾輪(8)、連接臂(18)以及設置於連接臂(18)上用於固定滾輪⑶的緊固件，其中，所述滾輪⑶的中心設置有軸承10，其圓周面上開設有向滾輪(8)中心凹進的光纖纏繞槽，在光纖纏繞槽的底部開設有導向槽，所述的緊固件為螺釘(11)、螺栓(6)或定位銷(15);所述的移動座(9)安裝於左支架(12)或右支架(13)上，所述連接臂(18)的一端通過可拆卸連接的方式安裝在移動座(9)上，其另一端則與滾輪(8)上的軸承(10)相連接；所述的光纖(22)的一端纏繞於左側光纖固定裝置中的滾輪(8)上，另一端依次穿過測量機構中的異形掛鈎(2)上的第二「U」形槽(2-2)後纏繞於右側光纖固定裝置中的滾輪(8)上；所述光纖(22)其中的一個端頭與所述的應變儀(23)相連接。
2.根據權利要求1所述的變載光纖應變巖溶塌陷過程模擬試驗系統，其特徵在於:所述的左支架(12)、右支架(13)、上支架(4)和下支架(14)之間的連接方式為可拆卸連接，在上支架(4)上開設一與其自身平行的跨度調節槽(5)，在下支架(14)上開設若干個定位孔(16)或一與其自身平行的定位槽，此時，所述左支架(12)的一端和右支架(13)的一端均分別通過可拆卸連接的方式安裝於所述的跨度調節槽(5)中，所述左支架(12)的另一端和右支架(13)的另一端均分別通過可拆卸連接的方式安裝於所述的定位孔(16)或定位槽中。
3.根據權利要求1所述的變載光纖應變巖溶塌陷過程模擬試驗系統，其特徵在於:所述的光纖固定機構還包括兩個用以夾持固定光纖(22)的夾具(7)，所述的夾具(7)通過螺栓(6)固定於所述的移動座(9)上。
4.根據權利要求1~3中任一項所述的變載光纖應變巖溶塌陷過程模擬試驗系統,其特徵在於:所述的試驗裝置還包括底座機構，所述的底座機構包括左側固定底座和右側固定底座，其中左側固定底座與左支架(12)的底端固接或可拆卸連接，右側固定底座與右支架(13)的底端固接或可拆卸連接。
5.根據權利要求4所述的變載光纖應變巖溶塌陷過程模擬試驗系統，其特徵在於:所述左支架(12)和右支架(13)上均開設有與其自身平行的移動槽(17)，所述的移動座(9)通過可拆卸連接的方式安裝於所述的移動槽(17)中。
6.根據權利要求4所述的變載光纖應變巖溶塌陷過程模擬試驗系統，其特徵在於:所述的表架為普通表架、萬能表架或磁力表座(21)。
7.根據權利要求4所述的 變載光纖應變巖溶塌陷過程模擬試驗系統，其特徵在於:所述的可拆卸連接為螺栓連接、螺柱連接、螺釘連接或銷連接。
【文檔編號】G01N33/24GK103983755SQ201410233666
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月29日 優先權日:2014年5月29日
【發明者】管振德, 蔣小珍, 雷明堂, 蒙彥, 戴建玲, 羅偉權, 賈龍, 吳遠斌, 覃有強, 姜伏偉 申請人:中國地質科學院巖溶地質研究所