地下结构监测力致发光色变材料激励波长与土压力的模型研究

本项目通过研究力致发光色变材料在土压力作用下激励产生有色光线的机理，建立色变材料发光波长与土压力之间的定量关系，为地下结构土压力监测感知器件的制备和安装提供基本理论和核心设计参数。为此，课题将首先研究色变材料与土体接触面尺寸和色变材料的空间形状，以确定最佳受压面和最优的发光模式；然后研究色变材料与土体土粒的耦合作用过程，揭示土体不同粒径级配和密实度状态以及含水量和土粒密度参数在相同埋设工艺条件下对色变材料发光激励的不同影响，建立色变材料与土体耦合计算的理论分析方法，为不同土体条件色敏测试方法提供评价依据，从而指导并保证现场色变材料器件的安装质量；最后研究色变材料在土体开挖和地下结构运营过程中土压力与发光波长之间的数学模型和影响参数，通过现场测试并揭示土压力和色变波长之间的关系，分析影响发光波长模型的主要参数，从而获得色变感知器件土压力测试的灵敏度设计和调整方法，为地下结构监测提供理论基础。

根据项目研究计划，首先在原有色敏基材制备基础上，对色敏传感器基质的制备进行了改善研究，提出了基于混合光子晶体薄膜的制备方法；该方法主要采用胶体自组装技术完成光子晶体的制备，并用垂直沉降法将混合在溶液中的大分子和金属离子沉淀为需要的薄膜。.基于制备的力致色敏薄膜，对其光子晶体光传播规律进行了理论分析，推导了力致光子晶体薄膜层间电磁场与光波特性的关系，提出了接触面与非接触面应变对光子晶体电磁光波的影响，给出了应变与光子晶体光波长的本构关系。.根据获得的应变和光子晶体波长的关系，针对力致色敏传感器埋设在土体中的测试功能并考虑到对土体原有应力场的扰动，用ABAQUS分析计算不同外形尺寸、刚度的传感器与土体的匹配误差，揭示了土压力传感器匹配误差的变化规律，为力致变色传感器传结构的优化设计提供理论依据。.根据上述力致变色传感器基材光子晶体薄膜应变与光波传递特性，重新设计了传感器内部传力结构，仿真分析了传感器在均布荷载作用下基材受力和变形的耦合情况，结合基材力致变色性质，提出了力致色敏传感器输入应力与输出激励波长的关系曲线。.结合目前隧道新奥法施工（NATM）过程中围岩稳定性和支护结构压力的分布，使用ABAQUS计算隧道开挖和支护结构施工过程中围岩压力分布和变化情况，仿真研究了力致色敏传感器的应用，预估了在工程事故发生时传感器的颜色变化情况。.最后，通过对研究结果进行了总结，提出并展望了今后研究的主要方向和亟需解决的关键技术问题。