[发明专利]一种基于3D打印的土工离心模型试验装置及试验方法

说明书

本发明提供了一种基于3D打印的土工离心模型试验装置及试验方法，装置包括：模型箱、基于3D打印的管片模型、基于3D打印的轨道模型、基于3D打印的若干光纤光栅传感器及光纤光栅解调仪。本发明的土工离心模型试验装置采用基于3D打印的光纤光栅传感器，传感器刚度与试验土体接近，能够与土体协调变形，提高测量数据的准确性，光纤光栅传感器以光纤光栅为感测元件，提高了测量的精度和数据的可靠度；通过控制不同部分的打印密度改变管片模型和轨道模型刚度，能够更加合理的模拟实际工程中隧道下穿铁路情况，将实际铁路具有的刚度对土体变形的影响考虑在内，进一步提高了测量结果的准确性。

技术领域

本发明涉及土工离心模型试验技术领域，具体涉及一种基于3D打印的土工离心模型试验装置及试验方法。

背景技术

土工离心模型试验是利用离心机提供的离心力模拟重力，按相似准则，将原型的几何形状按比例缩小，用相同物理性状的土体制成模型，使其在离心力场中的应力状态与原型在重力场中一致，以研究工程性状的测试技术。目前，该技术手段已经广泛应用于岩土工程的各个领域，并成为研究解决岩土工程问题不可替代的试验手段。在现有的土工离心模型试验中，对土体内部应力、内部孔隙水压力和变形、隧道结构受力变形等的监测，已有许多成熟的技术和方法，但现有土工离心模型试验中使用的传感器存在刚度大、连线对模型力学特性有干扰、测量仍然以点为单元、尚不能有效测量模型内部变形等缺点。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于3D打印的土工离心模型试验装置及试验方法，旨在解决现有土工离心模型试验中使用的传感器存在刚度大、连线对模型力学特性有干扰、测量仍然以点为单元、尚不能有效测量模型内部变形的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于3D打印的土工离心模型试验装置，其中，包括：模型箱、基于3D打印的管片模型、基于3D打印的轨道模型、基于3D打印的若干光纤光栅传感器及光纤光栅解调仪；

所述模型箱用于填筑试验土体，所述轨道模型设置于所述试验土体表面，所述管片模型预埋于所述试验土体内，所述管片模型表面封装有光纤光栅，所述光纤光栅用于采集所述管片模型的应变信号；

所述若干光纤光栅传感器预埋于所述试验土体内，用于采集所述试验土体的土压力信号和孔隙水压力信号；

所述光纤光栅解调仪与所述管片模型表面封装的光纤光栅和所述若干光纤光栅传感器连接，用于对所述管片模型的应变信号及所述试验土体的土压力信号和孔隙水压力信号进行接收并解调分析，得到所述管片模型的应变数据及所述试验土体的土压力数据和孔隙水压力数据。

所述的基于3D打印的土工离心模型试验装置，其中，所述若干光纤光栅传感器包括若干土压力传感器和若干孔隙水压力传感器；所述若干土压力传感器用于采集所述试验土体的土压力信号，所述若干孔隙水压力传感器用于采集所述试验土体的孔隙水压力信号。

所述的基于3D打印的土工离心模型试验装置，其中，所述土压力传感器包括土压力盒和封装于所述土压力盒内的光纤光栅，所述土压力盒采用聚乳酸材料3D打印而成。

所述的基于3D打印的土工离心模型试验装置，其中，所述孔隙水压力传感器包括孔隙水压力盒和封装于所述孔隙水压力盒内的光纤光栅，所述孔隙水压力盒采用聚乳酸材料3D打印而成，所述孔隙水压力盒侧部设置有气压平衡孔。

所述的基于3D打印的土工离心模型试验装置，其中，所述管片模型采用塑料或金属3D打印而成，所述管片模型分环连接，所述管片模型的厚度和刚度按照实际隧道管片的厚度和刚度进行折减，所述管片模型环间连接处刚度按照实际隧道管片环之间接口刚度进行折减。