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土壤-管道相互作用試驗(yàn)
來(lái)源:薄膜壓力傳感器壓力分布 | 發(fā)布時(shí)間:2021/5/9 21:34:25 | 瀏覽次數(shù):

在這項(xiàng)研究中,調(diào)節(jié)、平衡和校準(zhǔn)是通過(guò)一個(gè)氣動(dòng)裝置進(jìn)行的,氣動(dòng)裝置帶有一個(gè)充滿空氣以施加均勻壓力的聚氨酯內(nèi)膽。該裝置包括一個(gè)模擬壓力表,以監(jiān)測(cè)所施加的壓力,一個(gè)撥號(hào)閥調(diào)節(jié)器,以應(yīng)用壓力,和一個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)壓力調(diào)節(jié)器。使用此設(shè)備的每個(gè)操作可以在幾分鐘內(nèi)完成。

圖3給出了典型傳感器的校準(zhǔn)曲線圖,其中插入曲線圖顯示了不同壓力水平下的響應(yīng)與時(shí)間的關(guān)系。制造商建議的校準(zhǔn)程序是(1)通過(guò)加載和卸載三到五次來(lái)調(diào)節(jié)傳感器,達(dá)到預(yù)期峰值負(fù)載的120%(2) 在預(yù)期峰值負(fù)荷的中段平衡;以及(3)在一個(gè)(一個(gè)負(fù)載校準(zhǔn))或兩個(gè)施加壓力(兩個(gè)負(fù)載校準(zhǔn))下校準(zhǔn)。通常,將校準(zhǔn)壓力保持約1分鐘,或直到使用可視化軟件看到壓力穩(wěn)定為止。

圖3。觸覺(jué)壓力傳感器校準(zhǔn)和響應(yīng)與時(shí)間曲線的比較

圖3的插圖顯示了傳感器在五種不同壓力水平下的詳細(xì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。以raw/mm2為單位測(cè)量的傳感器對(duì)時(shí)間的響應(yīng)是非線性的,并根據(jù)選擇的保持負(fù)載的時(shí)間產(chǎn)生不同的壓力校準(zhǔn)。通常,選擇60到120秒之間的時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn),因?yàn)樵谶@段時(shí)間間隔內(nèi),測(cè)量負(fù)載幾乎沒(méi)有變化。在這項(xiàng)研究中,人們發(fā)現(xiàn),傳感器的響應(yīng)是一個(gè)很好的特點(diǎn),傳統(tǒng)的蠕變模型負(fù)荷持續(xù)時(shí)間超過(guò)120秒。

圖3中繪制了四條校準(zhǔn)曲線,對(duì)應(yīng)于四種不同的校準(zhǔn)技術(shù)。根據(jù)制造商的建議確定的一個(gè)負(fù)載和兩個(gè)負(fù)載標(biāo)定的曲線是相對(duì)于五個(gè)負(fù)載標(biāo)定繪制的,其中傳感器在五個(gè)不同的壓力水平下進(jìn)行了更嚴(yán)格的標(biāo)定。每次平衡和校準(zhǔn)后,將壓力降至零1小時(shí)以允許松弛,然后加壓至更高,以進(jìn)行下一級(jí)平衡和加壓。通過(guò)將施加的載荷保持60和120 s來(lái)執(zhí)行兩次五次載荷標(biāo)定。

圖3顯示,在95%置信水平下,二負(fù)荷和五負(fù)荷回歸圖在統(tǒng)計(jì)學(xué)上彼此不可區(qū)分。在所有施加壓力下,尤其是在小于或等于25 kPa的壓力下,單負(fù)載曲線圖高估了一個(gè)負(fù)載壓力,其中一個(gè)負(fù)載壓力可能超過(guò)兩個(gè)和五個(gè)負(fù)載校準(zhǔn)壓力25%。

剪切應(yīng)力效應(yīng)

觸覺(jué)壓力傳感器僅用于測(cè)量法向應(yīng)力。傳感器制造商不提供說(shuō)明或量化剪切效應(yīng)的方法,用戶手冊(cè)通常建議減少或消除傳遞到傳感器的剪切。剪切應(yīng)力會(huì)使傳感器的一片相對(duì)于另一片發(fā)生位移,損壞傳感器,并導(dǎo)致法向應(yīng)力讀數(shù)不準(zhǔn)確。

為了評(píng)估剪切應(yīng)力對(duì)傳感器測(cè)量的影響,對(duì)傳感器進(jìn)行了直剪試驗(yàn)。在測(cè)試之前,對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)、平衡,然后使用雙負(fù)載方法進(jìn)行校準(zhǔn)。圖4示出了試驗(yàn)裝置的示意圖。直剪試驗(yàn)設(shè)計(jì)用于43至161 kPa的法向應(yīng)力。如圖所示,鐵砝碼懸掛在鋼制吊架上,以向傳感器傳遞法向力。將一個(gè)電動(dòng)或手動(dòng)千斤頂放置在與上部鋼板接觸的位置,并水平移動(dòng),直到引起移動(dòng)。連續(xù)監(jiān)測(cè)千斤頂位移、施加水平力和觸覺(jué)壓力傳感器測(cè)得的力。

圖4。評(píng)估剪切應(yīng)力對(duì)觸覺(jué)壓力傳感器測(cè)量影響的試驗(yàn)裝置示意圖

圖4中的展開(kāi)圖顯示了被測(cè)試的板材和薄板的水平面。在所有情況下,有兩個(gè)12毫米厚的鋁板定位在頂部和底部的層。此外,一塊3毫米厚的氈被放置在底部鋁板上,上面是觸覺(jué)壓力傳感器板。水平測(cè)試層是指位于觸覺(jué)壓力傳感器頂部的水平聚合物板。表1總結(jié)了調(diào)查的不同試驗(yàn)層以及與每個(gè)分層系統(tǒng)相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)量。它還提供了一個(gè)簡(jiǎn)短的描述,測(cè)量法向力在應(yīng)用剪切。對(duì)六種不同的分層體系進(jìn)行了評(píng)價(jià),包括單張低密度聚乙烯(LDPE)、LDPE片材與橡膠片材組合、兩張LDPE片材、兩張LDPE片材與Teflon噴霧潤(rùn)滑劑中間層、兩張LDPE片材、一張LDPE片材與一張Teflon片材和兩張Teflon片材。

表1。剪切試驗(yàn)結(jié)果匯總

圖5給出了兩層系統(tǒng)的代表性結(jié)果圖8。觸覺(jué)壓力傳感器垂直加載和卸載試驗(yàn)示意圖

兩個(gè)不同傳感器(A和B)的測(cè)量和施加壓力與時(shí)間的關(guān)系如圖9所示。給出了使用兩個(gè)和五個(gè)負(fù)載(120秒時(shí))標(biāo)定圖測(cè)量的壓力。與圖3中的校準(zhǔn)曲線一致,兩次和五次負(fù)載校準(zhǔn)的觸覺(jué)壓力傳感器響應(yīng)沒(méi)有明顯差異。測(cè)得的壓力隨時(shí)間呈非線性增加,120s時(shí)比施加壓力低4%~9%。部分卸載后,測(cè)量的壓力迅速下降,直到±120 s后施加壓力的2%。

圖9。垂直加載和卸載觸覺(jué)壓力傳感器測(cè)力和作用力的比較

這些測(cè)量結(jié)果證實(shí)了本文前面演示的性能,并顯示了測(cè)量壓力和施加壓力之間的良好比較,前提是在加載后的時(shí)間與傳感器校準(zhǔn)中使用的時(shí)間一致。此外,在部分卸載后,測(cè)量的壓力與施加的壓力進(jìn)行了比較,表明傳感器可以為簡(jiǎn)單的卸載應(yīng)力路徑提供可靠的測(cè)量。

大規(guī)模試驗(yàn)期間測(cè)量的荷載與施加的荷載

觸覺(jué)壓力傳感器已用于埋地管道地面破裂效應(yīng)的全尺寸三維(3D)試驗(yàn),以及管道在全尺寸水平地面位移和離心機(jī)下的二維(2D)試驗(yàn)(Ha等人,2008;O'Rourke和Bonneau,2007年;O'Rourke等人,2008年)。聯(lián)合試驗(yàn)是利用喬治E。Brown Jr.,地震工程模擬網(wǎng)絡(luò)(NEES)(O'Rourke et al.2008;Palmer等人,2006),以改進(jìn)大地面變形下土壤-管道相互作用的設(shè)計(jì)。

Paikowsky和Hajduk(1997)測(cè)量的觸覺(jué)壓力傳感器響應(yīng)作為顆粒介質(zhì)中加載速率的函數(shù),為傳感器性能提供了有價(jià)值的見(jiàn)解。Paikowsky和Hajduk比較了加載速率在1到10千帕/秒之間時(shí)施加的壓力和傳感器輸出。他們根據(jù)不同加載速率下施加應(yīng)力和傳感器輸出隨時(shí)間的線性回歸,開(kāi)發(fā)了校準(zhǔn)程序,并表明校準(zhǔn)程序產(chǎn)生的測(cè)量值在規(guī)定范圍內(nèi)±對(duì)于單調(diào)增加的荷載和超過(guò)100 kPa的施加壓力,為施加壓力的10%。

NEES場(chǎng)地大變形的土-管道相互作用試驗(yàn)為進(jìn)一步探索可變加載速率下的傳感器響應(yīng)提供了機(jī)會(huì)。對(duì)裝有觸覺(jué)壓力傳感器的埋地管道進(jìn)行了大規(guī)模二維試驗(yàn),試驗(yàn)中施加了2.5mm/s的恒定水平運(yùn)動(dòng)速率。管道上的橫向力是獨(dú)立于傳感器測(cè)量的。沒(méi)有進(jìn)行特殊的傳感器校準(zhǔn),以說(shuō)明負(fù)載率的影響。其目的是直接比較獨(dú)立獲取的載荷與使用前面描述的兩個(gè)載荷標(biāo)定的傳感器測(cè)量的載荷。兩個(gè)測(cè)量值之間的有利比較將使傳感器的使用更容易、更迅速。此外,仍有機(jī)會(huì)進(jìn)行更詳細(xì)的校準(zhǔn),如Paikowsky和Hajduk(1997)所述,以進(jìn)一步提高負(fù)載率影響的準(zhǔn)確性。

此外,土壤-管道相互作用試驗(yàn)提供了管道上壓力分布的測(cè)量值,作為土壤和管道之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的函數(shù)。測(cè)量結(jié)果顯示了壓力是如何隨著相對(duì)位移的增加而在管道周?chē)饾u發(fā)展的。

圖10顯示了大型2D試驗(yàn)水池的示意圖,該試驗(yàn)水池填充了在干燥和部分飽和條件下放置的級(jí)配不良的冰川洪積砂,并以200mm的高度壓實(shí)。平均粒徑為0.7mm,比10×10mm的傳感器小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。關(guān)于沙子的粒度特征、礦物學(xué)和強(qiáng)度特性的詳細(xì)信息在別處進(jìn)行了描述(O'Rourke et al.2008)。采用不同干密度、不同含水量、不同峰值抗剪角(由直剪試驗(yàn)確定)和不同管道中心線深度與管道外徑比(Hc/D)的試驗(yàn)池和砂進(jìn)行了多重土-結(jié)構(gòu)相互作用試驗(yàn)。

圖10。地下管線水平力與位移二維試驗(yàn)水池示意圖

水池設(shè)計(jì)用于通過(guò)使用兩個(gè)長(zhǎng)沖程(一個(gè)方向1.2 m)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)施加水平力來(lái)測(cè)量管道的橫向力與位移,如圖所示。水平力通過(guò)稱(chēng)重傳感器在箱體的每一側(cè)測(cè)量,橫向運(yùn)動(dòng)通過(guò)Temposonic測(cè)量提供電壓的位移傳感器

 
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