一种基于形状记忆聚合物支撑的土压力计的制作方法

1.本发明涉及岩土工程压应力检测技术领域，具体而言，涉及一种基于形状记忆聚合物支撑的土压力计。


背景技术：

2.土压力计是测试土体对土中构筑物应力变化量的重要仪器，适用于长期测量边坡、基坑、隧道、堤坝等构筑物所承受土体的压应力。以最常用的弦振式土压力计为例，其工作原理为：当被测构筑物内土应力发生变化时，通过感应板产生变形，传递给振弦并转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率，频率信号经电缆传输至显示器，即可测量出被测构筑物的所承受的土压力值。随着地下空间开发的飞速发展，基坑开挖、隧道建设等岩土工程中的开挖深度越来越大，地下连续墙的深度也随之越来越深，地下连续墙两侧产生较大的土压力，往往会导致地下连续墙的变形、开裂甚至坍塌等，因此准确掌握地下连续墙墙体外侧的土压力显得十分重要。
3.但是由于岩土工程的土体埋填、充基等过程中会不断有冲击作用，传统的土压力计在埋设后，在不断的冲击下，测量结果会受到影响甚至造成土压力计零部件损坏，导致数据测量结果误差大，进而增加工程难度。因此，如何使土压力计既不受冲击等作用的影响、又能精确测得最终土体埋填、充基后的土压力值是岩土工程类亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.针对以上现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种基于形状记忆聚合物支撑的土压力计。
5.为实现上述目的，本发明具体通过以下技术实现：
6.一种基于形状记忆聚合物支撑的土压力计，包括壳体、隔离环、承压盖、承压筒、压力传感器和用于给所述承压筒加热的加热组件，所述隔离环固设于所述壳体内侧壁上以用于将所述承压筒安装在所述壳体内腔，所述承压筒为两端开口的中空筒体且所述承压筒由形状记忆聚合物材料制成，所述压力传感器设于所述承压筒的正下方，所述承压盖设于所述承压筒顶部且与所述壳体内侧壁滑动连接，所述承压盖的底部固设有伸长杆，所述伸长杆的底部延伸至所述承压筒内腔且与所述压力传感器的受力面之间留有间隙。
7.进一步地，所述隔离环的顶部设有定位槽，所述承压筒的底部设于所述定位槽内。
8.进一步地，所述压力传感器、所述承压筒、所述伸长杆和所述承压盖同轴线设置。
9.进一步地，所述加热组件包括加热膜和温度传感器，所述加热膜设于所述承压筒内侧壁上，所述温度传感器设于所述承压筒外侧壁上。
10.进一步地，所述隔离环和所述壳体上均设有通孔用于输送所述加热膜和所述温度传感器的导线至所述壳体外部。
11.进一步地，所述壳体包括缸筒和底座，所述缸筒与所述底座通过螺纹配合连接。
12.进一步地，所述底座顶部设有安装槽，所述压力传感器设于所述安装槽内。
13.进一步地，还包括柱状体，所述柱状体采用形状记忆聚合物材料制成且经预拉伸处理，所述柱状体设于所述压力传感器和/或所述伸长杆的底部，所述柱状体表面设置有加热组件。
14.进一步地，所述柱状体与所述压力传感器和/或所述伸长杆之间设有隔热板。
15.进一步地，还包括套设于所述壳体外侧的橡胶套，所述橡胶套为顶部封闭、底部开口的中空柱状结构。
16.另外，本发明提供了如上所述的基于形状记忆聚合物支撑的土压力计的使用方法，包括以下步骤：
17.s1、在工程埋填之前，将如上所述的基于形状记忆聚合物支撑的土压力计水平固定于需要测量土压力的位置，之后进行填土；
18.s2、填土完成，进行测压时，给所述加热组件通电，所述加热组件用于给所述承压筒加热直至所述承压筒彻底软化，所述压力传感器测定土压力，然后根据所述压力传感器的标定测试函数计算实际土压力，测试完成后，断开电源，待所述承压筒完全降温冷却，所述承压筒恢复高刚度状态，恢复承载；
19.s3、如没有达到目标土压力，继续进行工程埋填，二次埋填结束后，重复步骤s2，直至达到目标土压力，结束测试。
20.进一步地，步骤s3中，继续进行工程埋填前还包括对预拉伸的柱状体加热使其恢复拉伸前的形状的步骤。
21.本发明的有益效果是：
22.本发明通过设置由形状记忆聚合物材料制成的承压筒，在非工作状态下，承压筒承载土压力，使伸长杆与压力传感器之间留有间隙，此时压力传感器不受力，可充分保护压力传感器，消除施工过程中产生的冲击力对土压力计的性能影响，防止损坏土压力计。而在工作状态时，对承压筒加热使其变形成鼓形，承压盖随即下移并带动伸长杆同步下降至抵接压力传感器，并将土压力传递给压力传感器，继而精确测得土压力，之后降温冷却，承压筒刚度提高，与压力传感器一起承载土压力，分担其受力，也能起到保护压力传感器的作用。此外，承压筒在变形成鼓形后，结构稳定性好，冷却后拥有高刚度可继续承压，为一次测量不满足压力要求的工程提供二次乃至多次测量的可能性。而且，通过隔离环固定承压筒并将承压筒与压力传感器相隔离，可避免承压筒加热时的高温环境对压力传感器造成影响，有利于提高压力传感器的使用寿命。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明实施例的基于形状记忆聚合物支撑的土压力计的爆炸图；
25.图2为本发明实施例的基于形状记忆聚合物支撑的土压力计的非工作状态下的结构示意图；
26.图3为本发明实施例的基于形状记忆聚合物支撑的土压力计的工作状态下的结构
示意图；
27.图4为本发明实施例的压力传感器与柱状体配合的结构示意图；
28.附图标记说明：
29.10、壳体；101、缸筒；102、底座；11、隔离环；12、承压筒；13、承压盖；14、伸长杆；15、压力传感器；16、加热组件；161、加热膜；162、温度传感器；17、定位槽；18、安装槽；19、柱状体；20、隔热板；21、橡胶套。
具体实施方式
30.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中使用的技术术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。说明书以及权利要求书中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的部件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的部件或者物件及其等同部件，并不排除其他部件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。
32.需要理解的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中使用的术语“上”、“下”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的部件或者物件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.当前岩土工程中常使用的土压力计大多数为裸露在填土中的土压力计，但很多施工过程中都存在冲击爆破等操作而产生较大的冲击力，会对土压力计产生扰动或者破坏土压力计的结构，难以精确测得实际土压力值，造成工程施工难度大。
34.现有技术中有通过弹性支撑杆来保护土压力计，但是杆状结构的弯曲方向无法确定，无法保证多根弹性支撑杆的变形情况相同，弹性支撑杆如若向土压力计一侧弯曲则会挤压土压力计，进而影响土压力计的测量结果，此外，弹性支撑杆的功能是分担压力，弯曲变形后不稳定，弯曲后即使冷却恢复高刚度依旧无法继续承载高压，对于一次加载未满足要求的工程，无法继续进行测试，使用局限较大。
35.为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于形状记忆聚合物支撑的土压力计，参见图1
‑
3，包括壳体10、隔离环11、承压盖13、承压筒12、压力传感器15和用于给所述承压筒12加热的加热组件16，所述壳体10为顶部开口、底端封闭的空心柱状结构，所述隔离环11为环状结构且中部成型有环腔，所述环腔与所述壳体10内腔连通，所述隔离环11固设于所述壳体10内侧壁上以用于将所述承压筒12安装在所述壳体10内腔，所述承压筒12为两端开口的中空筒体且所述承压筒12由形状记忆聚合物材料制成，所述压力传感器15设于所述承压筒12的正下方，所述承压盖13设于所述承压筒12顶部(所述承压筒12背离所述压力传感器15的一侧)且与所述壳体10内侧壁滑动连接，所述承压盖13的底部(所述承压盖13靠近所述压力传感器15的一侧)固设有伸长杆14，所述伸长杆14的底部延伸至所述承压筒
12内腔且与所述压力传感器15的受力面之间留有间隙；即，所述承压盖13与所述伸长杆14配合形成t字形结构，所述承压盖13直径与所述壳体10内径相同且大于所述承压筒12内径，所述伸长杆14直径小于所述承压筒12内径，在非工作状态下，所述伸长杆14的底部与所述压力传感器15的受力面之间的间隙一般为2
‑
3mm，在工作状态下，所述伸长杆14的底部穿过所述环腔并抵接所述压力传感器15的受力面。所述压力传感器15的受力面为所述伸长杆14与所述压力传感器15相接触的一面，其能感受压力信号。
36.所述压力传感器15适于与压力显示器电连接，所述加热组件16适于与温度控制器电连接，所述压力显示器和所述温度控制器置于所述壳体10外部。
37.本发明利用形状记忆聚合物的变刚度特性，设置由形状记忆聚合物材料制成的承压筒12，在非工作状态下(见图2)，即不测试土压力时，承压筒12为冷却状态的高刚度结构，可支撑承压盖13并与承压盖13一起承载土压力，进而使伸长杆14与压力传感器15相分离，即伸长杆14的底部不触及压力传感器15，二者之间留有间隙，此时压力传感器15并不受力，进而可充分保护压力传感器15，消除施工过程中产生的冲击力对土压力计的性能影响，防止损坏土压力计。而需测量土压力时，即工作状态(见图3)，控制加热组件16对承压筒12进行加热，至温度达到形状记忆聚合物的玻璃化转变温度进而使承压筒12变软，此时承压筒12在承载了土压力的承压盖13的挤压下变形成鼓形，承压盖13随即下移并带动伸长杆14同步下降，伸长杆14的底部渐渐抵接压力传感器15的受力面，将土压力传递给压力传感器15，由压力传感器15精确测得土压力，之后停止加热，降温冷却，使承压筒12刚度提高，恢复承载，此时压力传感器15与承压筒12一起承载土压力，以分担压力传感器15的受力，起到保护压力传感器15的作用。
38.此外，承压筒12在变形后成为鼓形结构，具有较高的结构稳定性，冷却后拥有高刚度可继续承压，为一次测量不满足压力要求的工程提供二次乃至多次测量的可能性。且承压筒12弯曲方向可控，在经过50次以上的加热降温的实验过程中始终能保证向外弯曲形成鼓形结构，不会对内部组件造成影响。而且，通过隔离环11固定承压筒12并将承压筒12与压力传感器15相隔离，可避免承压筒12加热时的高温环境对压力传感器15造成影响，有利于提高压力传感器15的使用寿命。
39.为了使承压筒12具有较高的强度，优选地，所述承压筒12的厚度为5
‑
8mm，但不仅限于此，可根据需要承受的土压力来调节壁厚。
40.所述承压筒12可由玻璃转化温度为55℃的苯乙烯聚合物制成，本实施例中，以尺寸为外径d＝38mm、内径d＝25mm、高度h＝30mm、横截面面积为643.24mm2的承压筒12为例考察其变刚度特性，进行不同温度条件下的变形和压缩模量测试。试验结果如下表1所示。
41.表1承压筒在不同温度条件下的变形量和压缩模量测试结果
[0042][0043]
注：
①
设置极限变形为3mm，软化后的加载以3mm变形为终止信号；
②
压缩模量选取
形状记忆聚合物材料测试曲线的稳定段计算，并非整个过程的应力应变。
[0044]
由表1实验数据可以看出，室温条件下，在1.87mpa压力作用下，承压筒12变形仅有0.2mm，远不及土压力计装配时为伸长杆14和压力传感器15预留的间隙2mm，承压筒12有效实现了对压力传感器15的保护。在高温状态(70℃)下，承压筒12压缩模量不足常温状态的1％，软化后能够尽可能地释放土压力给压力传感器15，充分体现出变刚度特性。
[0045]
可以理解的是，所述壳体10和所述承压盖13均需承重且与土壤直接接触，因此需要采用具有一定强度和防水防腐性能的金属材质制成，以保证在土压力作用下有足够的刚度和使用寿命。
[0046]
可选地，所述压力传感器15选择dyz
‑
101型称重传感器，量程为300kg，精度0.05％，所述压力传感器15适于与压力显示器电连接，所述压力显示器配套有dy054a多功能测力仪表，可精确读取土压力值数据。
[0047]
可选地，所述压力传感器15、所述承压筒12、所述伸长杆14和所述承压盖13同轴线设置，以保证所述承压盖13受到的土压力能够均匀传递给所述压力传感器15。
[0048]
可选地，所述隔离环11的顶部设有定位槽17，所述承压筒12的底部设于所述定位槽17内，以对所述承压筒12进行定位固定，使其与所述壳体10内壁保留一定间距，进而具有一定的变形空间。
[0049]
具体地，所述加热组件16包括加热膜161和温度传感器162，所述加热膜161设于所述承压筒12内侧壁上，所述温度传感器162设于所述承压筒12外侧壁上，具体可通过硅橡胶粘贴于所述承压筒12内侧壁和/或外侧壁上，以防止承压筒12变形时加热膜161和/或温度传感器162脱落。加热膜161用于给承压筒12加热，温度传感器162用于监控承压筒12的实时温度，以防内部温度过高影响其他组件的功能。
[0050]
所述加热膜161采用聚酰亚胺(pi)加热膜，可通过调节电压控制加热速率；所述温度传感器162采用xh
‑
t110热敏电阻；所述加热膜161和所述温度传感器162均适于通过导线与所述温度控制器相连。具体地，所述隔离环11和所述壳体10上均设有通孔用于输送所述加热膜161和所述温度传感器162的导线至所述壳体10外部以与所述温度控制器相连。所述壳体10上的通孔处设有三层橡胶垫进行防水，保护导线并防止水分或其他物质进入壳体10内。
[0051]
所述温度控制器采用xh
‑
w3001微电脑数字温度控制器，温控范围：
‑
50
‑
110℃，温控精度0.1℃。由温度控制器控制加热膜161，根据承压筒12温度高低控制加热与否。
[0052]
可选地，所述壳体10包括缸筒101和底座102，所述缸筒101与所述底座102通过螺纹配合连接，具体地，所述缸筒101内侧壁设有内螺纹，所述底座102外侧设有外螺纹，所述缸筒101与所述底座102通过螺纹连接形成可拆卸结构，便于安装所述压力传感器15，且确保土压力计底部的密封性。
[0053]
可选地，所述底座102顶部设有安装槽18，所述压力传感器15通过所述安装槽18定位在所述壳体10内腔中，以提高压力传感器15固定的稳定性，减少其受力面发生变化，进而有利于提高测试精度。
[0054]
可选地，参见图4，还包括柱状体19，所述柱状体19采用形状记忆聚合物材料制成且经预拉伸处理，所述柱状体19设于所述压力传感器15和/或所述伸长杆14的底部，所述柱状体19表面设置有加热组件16。具体地，所述压力传感器15的底部设有所述柱状体19(如图
4中所示)，或者所述伸长杆14的底部设有所述柱状体19，或者所述压力传感器15的底部和所述伸长杆14的底部均设有所述柱状体19。对于前两种情况，适于进行二次测试，对于第三种情况，适于进行三次测试。
[0055]
在第一次测量未满足压力要求的工程中，此时由于伸长杆14已经抵接压力传感器15，直接进行第二次测试时，无法完全保护压力传感器15，外部冲击力会通过伸长杆14部分传递给压力传感器15，降低了承压筒12的保护效果。因此，针对需要多次加载测试的工程，本实施例通过设置预拉伸的柱状体19，利用柱状体19的形状记忆特性，通过加热组件16加热后，柱状体19会恢复拉伸前的形状，即长度变短，导致伸长杆14与压力传感器15相分离，使伸长杆14与压力传感器15质之间出现间隙，进而隔断土压力的传递，重新变成由承压筒12承担全部土压力的状态，进而使压力传感器15再次处于完全受保护的状态，提高其检测精度，待柱状体19降温冷却后，重新加热承压筒12进行第二次测试，该过程与第一次测试相同。因此，设置预拉伸的柱状体19可以提高对压力传感器15的保护，进一步确保多级加载测试的准确性。
[0056]
柱状体19所用材料与可与承压筒12材料相同，柱状体19固化成型后，对其进行高温下软化状态的拉伸工作，使其在原长度的基础上径向拉伸2mm，保持拉伸形状冷却至室温，得到预拉伸的柱状体19。根据形状记忆特性，对预拉伸的柱状体19再次加热时，柱状体19会恢复至开始固化成型的形状，即径向缩短2mm，预拉伸处理用来在多级加载测试过程中为伸长杆14与压力传感器15之间预留间隙。
[0057]
可选地，参见图4，所述柱状体19与所述压力传感器15和/或所述伸长杆14之间设有隔热板20，所述隔热板20为真空板、岩棉板、石棉板、气凝胶毡板中的一种。隔热板20用于阻隔柱状体19加热时的热量向压力传感器15传导，防止高温影响压力传感器15的性能。
[0058]
由于所述承压盖13与所述壳体10滑动连接，二者之间不可避免的产生间隙，因此，优选地，还包括套设于所述壳体10外侧的橡胶套21，所述橡胶套21为顶部封闭、底部开口的中空柱状结构。通过橡胶套21遮挡所述承压盖13与所述壳体10之间的间隙，保证密闭性和防水效果，避免土、水等外物侵入土压力计内部。
[0059]
本发明另一实施例提供了如上所述的基于形状记忆聚合物支撑的土压力计的使用方法，包括以下步骤：
[0060]
s1、在工程埋填之前，将土压力计水平放置于需要测量土压力的位置，进行固定以防埋设时受扰倾倒，填土时，保证填土均匀；
[0061]
s2、填土完成，进行测压时，给温度控制器和压力显示器通电，加热组件16开始给承压筒12加热，直至承压筒12彻底软化，压力传感器15测定土压力，然后根据压力传感器15的标定测试函数和压力显示器示数，计算实际土压力，测试完成后，断开电源，待承压筒12完全降温冷却，承压筒12恢复高刚度状态，恢复承载。
[0062]
前述尺寸的承压筒12经多次标定实验进行线性拟合得到压力传感器15的标定测试函数为：y＝10.34x+152.6；
[0063]
式中，y为实际土压力，单位为：mpa；x为压力显示器示数，单位为：kg；
[0064]
在步骤s1阶段，土压力计的工作温度为户外环境温度(通常小于40℃)，承压筒12为高刚度状态，土压力作用在承压盖13后传递给承压筒12，承压筒12由于变形微小，伸长杆14无法触及压力传感器15，即，土压力由承压筒12完全承载。
[0065]
在步骤s2阶段，随着加热进行，承压筒12的温度提升，其储能模量降低，形状记忆聚合物材料逐渐软化变形，形成鼓形结构，承压盖13随即下移，带动伸长杆14靠近并触及压力传感器15，最终材料彻底软化，由压力传感器15承受大部分土压力载荷，承压筒12承受小部分载荷，压力传感器15进行测定，若测定之后达到目标土压力，则结束测试。
[0066]
若在步骤s2进行第一次测试后，没达到目标土压力，则还包括步骤s3，具体如下：
[0067]
s3、继续进行工程埋填，此时为承压筒12与压力传感器15同时承载，二次埋填结束后，重复步骤s2，直至达到目标土压力。
[0068]
在步骤s3阶段，第一次测试过程(即步骤s2的测试过程)中，压力传感器15未受到任何土压力，能得到完全保护，第二次测试过程(即步骤s3的测试过程)中，此时伸长杆14与压力传感器15已经接触，土压力加载过程是承压筒12与压力传感器15共同受力，土压力的加载过程与第一次测试有所区别，但在加热阶段，承压筒12受热软化之后，仅由压力传感器15承载土压力，因此，第二次测试的标定结果与第一次测试相同，其计算公式是同一公式。
[0069]
在外力1177.5n(1.83mpa)以及1570n(2.44mpa)的作用下，进行10次重复测试，最终得到计算值与实际值的误差都在3％之内，说明本发明的土压力计能准确测定实际土压力值。
[0070]
针对上述实施步骤中，设置柱状体19后，进行第二次测试时的步骤与未设置柱状体19的情况不同，即步骤s3中第二次测试存在差别，其继续进行工程埋填前还包括对预拉伸的柱状体加热使其恢复拉伸前的形状的步骤，本实施例以在压力传感器15底部设置预拉伸的柱状体19、在柱状体19表面设置加热膜161用于驱动变形为例，其进行第二次测试的步骤如下：
[0071]
第一次测试完成后，断开电源，待承压筒12完全降温冷却，之后对预拉伸的柱状体19加热使其恢复拉伸前的形状(即径向长度减小2mm)，压力传感器15随之下移2mm，待柱状体19完全降温冷却，继续进行工程埋填，二次埋填结束后，重复上述步骤s2。
[0072]
二次埋填过程中，由于柱状体19恢复拉伸前的形状，传感器与伸长杆14相互分离，中间出现2mm间隙，继而由承压筒12承载全部土压力，填土完成后，测试时同第一次测试步骤，且标定结果相同。通过设置柱状体19，承压筒12可以完全保护压力传感器15在需要二次填土的工程施工过程中不受外力冲击等作用的影响，确保二级加载测试的准确性。
[0073]
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。