一种监测土与结构接触面剪应变的传感器及方法与流程

本发明涉及土木工程、水利工程、交通工程等技术领域，具体涉及一种监测土与结构接触面剪应变的传感器及方法。

背景技术：

土与结构接触面是指在土与结构的交界接触处由于结构的约束作用而形成的力学特性不同于周围土体，更不同于结构的区域。土与结构接触面是土与结构之间应力和变形相互传递的重要媒介，在土木、水利、建筑、交通、市政等工程中普遍存在，如建筑物基础与地基之间、面板与垫层料之间、防渗墙与坝体之间、挡土墙与墙后土之间等。所以土与结构接触面一直是土与结构静动力相互作用研究中最为重要和关键的课题之一。目前土与结构接触面法向应力的监测方面已经发展较完善，但是土与结构接触面切向的剪应变监测装置研究几乎是空白。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种监测土与结构接触面剪应变的传感器及方法，本发明可用于监测土与结构接触面之间的剪切变形。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种监测土与结构接触面剪应变的传感器，包括传感器基座、传感器基材、传感器受力装置和保护装置，其中：

所述传感器基座包括固定底座和与之连接的滑动块，所述传感器受力装置包括分别位于光栅两端的固定拉头和受力拉头，其中固定拉头与基座刚性连接，受力拉头处于水平方向自由受力状态，所述传感器基材设置于固定拉头和受力拉头之间，感应外界拉应变，所述传感器基材外侧设置有保护装置。

所述底座与滑动块刚性连接。

所述滑动块内侧壁附有钢珠以减小传感器受力装置与基座的摩擦。

所述传感器基材采用反应灵敏的光栅材料，光栅受到外界拉应变时，光栅的栅距会发生变化，从而引起反射波长的变化，将接触面的剪应变转换为光栅的拉应变。

所述传感器受力装置包括分别位于光栅两端的固定拉头和受力拉头，其中固定拉头与基座刚性连接，受力拉头与传感器基座之间加设有钢珠一方面保证光栅受力后只产生水平方向的应变，另一方面最大可能的减小受力拉头与基座的摩擦力，使得受力拉头处于水平方向自由受力状态。

所述固定拉头和受力拉头上开有孔洞以使得与光栅连接的光纤通过。

所述传感器保护装置包括在涂抹在光栅表面起到防水作用的玻璃胶防水层和玻璃胶防水层外侧的第一不锈钢制套筒和第二不锈钢套筒，其中第二不锈钢套筒的直径大于第一不锈钢制套筒的直径。

所述两个不锈钢套筒之间涂抹润滑油减小由于光栅变形引起的外部摩擦。

所述玻璃胶防水层和第一不锈钢制套筒与固定拉头和受力拉头刚性连接，第二不锈钢套筒只与固定拉头刚性连接。

基于上述传感器的安装方法，根据监测结构面的大小制作传感器基座、滑动块，并事先将要监测部位的土体移除，在结构面上开凿处比基座稍大的凹槽，将组装好的传感器安放在结构面开凿处的凹槽中，并在传感器基座和凹槽之间的空隙中贯入环氧树脂黏贴好，将土重新回填，将与光栅连接的光纤与调制解调器连接，开始监测接触面的剪应变。

基于上述传感器的土与混凝土接触面直剪试验方法，包括以下步骤：

(1)制备选定的干密度及含水率的扰动土试样，并浇筑下盒所需的混凝土试件，并将土与结构接触面剪应变传感器事先埋设在混凝土里面；

(2)对准上下盒，插入固定销，将装有试样的环刀平口向下，对准剪切盒口，在试样顶面放不透水板，然后将试样徐徐推入剪切盒内移去环刀；

(3)对试样施加垂直压力，每组实验取多个试样，在不同垂直压力下进行剪切试验，保证垂直压力的各级差值大致相等；

(4)施加垂直压力后，立即拔去固定销，进行计时，以设定速率剪切，使试样在设定时间内剪损，当测力计的读书达到稳定，或有显著后退，表示试样已经减损；

(5)剪切结束后，吸取剪切盒中的积水，移去垂直压力、框架与加压盖板，取出试样，测定剪切面附近土的含水率。

本发明的有益效果为：

本发明结构简单，可用于监测土与结构接触面之间的剪切变形，易于拆卸和搬运，可以重复利用。

本发明采用光栅作为传感器的基材，将难以监测的土与结构面之间的剪应变转换为可测的光栅的拉应变，并在最大程度上减小了接触面上土体的对传感器的损坏。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的结构左视图；

图3是本发明的结构俯视图；

图4是本发明的安装示意图。

其中：1.底座，2.滑动块，3.光栅，4.光纤，5.玻璃胶防水层，6.小号不锈钢套筒，7.大号不锈钢套筒，8.固定拉头，9.受力拉头，10.钢珠，11.土体，12.混凝土结构，13.凹槽。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种监测土与结构接触面剪应力的传感器，传感器主要包括传感器基座、传感器基材、传感器保护装置、传感器受力装置。

传感器基座包括底部的底座1和滑动块2构成。在底座1上安装传感器受力装置，主要包括固定拉头8和受力拉头9，其中固定拉头8固定在底座1上，受力拉头9分别与底座1和滑动块2通过钢珠10连接，在固定拉头8和受力拉头9上开有小孔用于光栅与光纤的连接。将光栅3外表面涂抹防水玻璃胶构成玻璃胶防水层5，在玻璃胶防水层5外面套入小号不锈钢套筒6，在小号不锈钢套筒外侧涂抹润滑油并套入大号不锈钢套筒7。将小号不锈钢套筒6连同玻璃防水层5采用环氧树脂黏贴在固定拉头8和受力拉头9上。将光栅3穿过固定拉头8和受力拉头9上的孔洞，并与连接用的光纤4连接。

传感器安装时将预先安装位置的土体11移除，在混凝土结构面12上开出比传感器底座1稍大的凹槽13，将传感器放置在凹槽13内并将传感器与凹槽13之间的缝隙使用环氧树脂填充，待环氧树脂强度达到后再将土体11回填。

使用方法：

1、根据监测结构面的大小制作传感器基座、滑动块，并事先将要监测部位的土体移除，在结构面上开凿处比基座稍大的凹槽；

2、将组装好的传感器安放在结构面开凿处的凹槽中，并在传感器基座和凹槽之间的空隙中贯入环氧树脂黏贴好，将土重新回填；

3、将与光栅连接的光纤与调制解调器连接，开始监测接触面的剪应变。

土与混凝土接触面直剪试验：

(1)制备选定的干密度及含水率的扰动土试样，并浇筑下盒所需的混凝土试件，并将土与结构接触面剪应变传感器事先埋设在混凝土里面。

(2)对准上下盒，插入固定销。将装有试样的环刀平口向下，对准剪切盒口，在试样顶面放不透水板，然后将试样徐徐推入剪切盒内移去环刀

(3)对试样施加垂直压力，每组实验取4个试样，在4中不同垂直压力p下进行剪切试验，一个垂直压力相当于现场预期的最大压力p，一个垂直压力大于p，另外两个均小于p，同时垂直压力的各级差值大致相等。

(4)施加垂直压力后，立即拔去固定销，开动秒表，以0.8-1.2mm/min的速率剪切，使试样在3-5min内剪损。

(5)如测力计的读书达到稳定，或有显著后退，表示试样已经减损。

(6)剪切结束后，吸取剪切盒中的积水，尽快移去垂直压力、框架、加压盖板等，取出试样，测定剪切面附近土的含水率。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。