[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

权利要求书

1.一种基于3D打印的土工离心模型试验装置，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的基于3D打印的土工离心模型试验装置，其特征在于，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。

3.根据权利要求2所述的基于3D打印的土工离心模型试验装置，其特征在于，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。

4.根据权利要求2所述的基于3D打印的土工离心模型试验装置，其特征在于，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。

5.根据权利要求1所述的基于3D打印的土工离心模型试验装置，其特征在于，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。

6.根据权利要求1所述的基于3D打印的土工离心模型试验装置，其特征在于，所述管片模型为内部中空的圆柱体，所述管片模型的一端为封闭端，另一端为开口端，所述开口端位于所述模型箱侧壁上，所述封闭端位于所述轨道模型左下方、正下方或右下方。

7.根据权利要求1所述的基于3D打印的土工离心模型试验装置，其特征在于，所述轨道模型采用塑料或金属3D打印而成，所述轨道模型各部分刚度、不同部分间的连接刚度按照实际轨道进行折减。

8.根据权利要求1所述的基于3D打印的土工离心模型试验装置，其特征在于，所述轨道模型包括轨道模型轨枕及设置于所述轨道模型轨枕上的轨道模型钢轨和螺栓孔，所述轨道模型钢轨沿所述轨道模型轨枕的长边方向设置。

9.根据权利要求1所述的基于3D打印的土工离心模型试验装置，其特征在于，所述装置还包括：无线传输设备和终端；

所述无线传输设备与所述光纤光栅解调仪连接，用于接收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；

所述终端与所述无线传输设备连接，用于对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进行实时显示和记录。

10.一种如权利要求1～9任一项所述的基于3D打印的土工离心模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括：

在所述模型箱中分层填筑试验土体至预设第一高度，同时将所述若干光纤光栅传感器预埋在试验土体预设位置；

将所述管片模型安装在试验土体上表面，继续在所述模型箱中分层填筑试验土体至预设目标高度，同时将所述若干光纤光栅传感器预埋在试验土体预设位置；

将所述轨道模型安装在试验土体上表面，并将封装在所述管片模型表面的光纤光栅及所述若干光纤光栅传感器分别与所述光纤光栅解调仪连接；

通过封装在所述管片模型表面的光纤光栅及所述若干光纤光栅传感器分别采集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；

通过所述光纤光栅解调仪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。