CN103558092B - 一种测试土体静止土压力系数的光弹性传感器及测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可测试土体静止土压力系数的光弹性传感器及测试装置，该传感器的主体部分为正方形玻璃面板，玻璃面板的中心设有圆孔，玻璃面板的一侧有刚性应力接触面板，应力观测区分别位于圆孔边缘的上、下端。测试装置中的测试土样顶部为压力加载帽，竖向压力通过加载杠杆施加于压力加载帽上，最终传递至试样顶面，试样两侧中部均设有光弹性传感器，固结压力室观测面的正前方依次设置有圆形偏光镜和单反照相机。本发明光弹性传感器及测试装置能够有效的测定土体的静止土压力系数，为室内试验测定土体静止土压力系数提供新的、方便和精确的试验方法，对实际工程中作用于挡土结构物上的土压力分布、安全可靠度的评价有着重要意义。

Description

一种测试土体静止土压力系数的光弹性传感器及测试装置

技术领域

本发明涉及一种可测试土体静止土压力系数的光弹性传感器及其测试装置，属于岩土工程领域中一种能够有效精确的获得土体的室内试验测试元件及装置。

背景技术

光弹性法（Photoelasticity）是一种将透明材料制作的模型置于偏振光场中受荷，研究其在弹性变形过程中应力状态变化的光学实验法，可用于解决二维和三维工程结构的应力分析。早在上世纪20年代光弹性法就被应用于试验中并以其独特的优势被工程界和学术界所青睐。起初计算机技术和数码相机尚未大力发展和广泛普，虽然人们用偏振光穿透受荷的透明材料，根据图像色彩的变化来评价材料应力的改变，但是图像色彩的变化量主要依靠试验者的经验来确定，试验结果的精确度达不到满意的要求。上世纪80年代以后，计算机技术迅速发展，大量的数码照片得以快速的存储、处理和分析，一些学者将计算机辅助设计（CAD）和计算机图像处理（CIP）等技术与光弹性法相结合，逐步形成了数字光弹性法，成为实验力学中一个崭新的研究方向。

静止土压力系数是岩土工程中一个非常重要的参数，它是确定水平场地中应力状态和计算静止土压力的基础。能否正确确定静止土压力系数对作用在挡土结构物上的土压力分布和安全可靠程度均有直接影响。目前室内试验测定土体静止土压力系数的方法主要有侧向变形指示器法和侧压力仪器法等，侧向变形指示器法主要是利用三轴剪切仪在试样侧面安装变形指示器，土样的轴向加压的过程中，通过伺服机制来保证土样侧向不发生变形，进而获得土体静止土压力系数。这种方法需要在三轴仪腔室内完成，对试样的制作、安装以及测试仪器均有较高要求，过程繁琐且试验容易失败。侧压力仪器法是目前最常用的方法之一，试样在施加竖向垂直压力后不允许发生侧向变形，测试土体侧边所承受的压力即为静止土压力。这种方法操作简便、迅速，但由于土压力传感器的量测精度、安装等问题，使得侧压力的量测结果精确度较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对国内现有室内土工试验存在的缺陷，提出一种可用于岩土工程领域的测试土体静止土压力系数的光弹性传感器及测试装置，为岩土工程中相关设计参数的确定提供快捷有效的室内试验测定方法。

本发明采用的技术方案为：一种测试土体静止土压力系数的光弹性传感器，包括正方形玻璃面板、圆孔、应力接触面板、尖锐突起和应力观测区，所述正方形玻璃面板中心设有圆孔，正方形玻璃面板的一侧设有刚性的应力接触面板，应力接触面板与正方形玻璃面板之间设有尖锐突起，所述应力观测区为两个，分别位于所述圆孔边缘的上、下端。

一种使用上述光弹性传感器的测试土体静止土压力系数的测试装置，包括测试土样、固结压力室、透明玻璃板、压力加载帽、加载杠杆、砝码、光弹性传感器、圆形偏光镜、单反照相机、数据采集线和计算机；

所述测试装置中的测试土样放置于固结压力室中，固结压力室的观测面为透明玻璃板，测试土样的顶部为压力加载帽，竖向压力通过加载杠杆施加于压力加载帽上，最终传递至测试土样顶面，加载杠杆下挂有可调整压力变化的砝码，测试土样两侧中部均设有光弹性传感器，固结压力室观测面的正前方依次设置有圆形偏光镜和单反照相机，单反照相机通过数据采集线与计算机相连。

作为优选，所述正方形玻璃面板尺寸为25.0×25.0mm，中心圆孔的直径为12.5mm，正方形玻璃面板的杨氏模量不低于6.0×10⁵kPa。

作为优选，所述尖锐突起的位置与应力观测区在同一高度，尖锐突起的高度为20.0mm，中心应力观测区的大小为1.0×1.0mm或15×15像素，表面设置具有折射效应的透明玻璃薄板，薄板面积应大于观测区面积。

作为优选，所述单反照相机记录每级荷载稳定下的应力观测区的照片，对处理后的照片采用红色像素确定应力变化。

本发明光弹性传感器玻璃面板中心开圆孔可以有效的提高圆孔边缘的应力集中。玻璃面板与刚性应力接触面板之间设置的尖锐突起可以使水平向应力有效的传递至玻璃面板和圆孔边缘，使得应力测试的结果更为精确。

光弹性传感器中红色像素强度与应力变化之间的关系采用二次函数关系表达式：

$R_0-R_{\mathrm{\σ}}=a{\left(\frac{\mathrm{\σ}}{p_a}\right)}^2+b\left(\frac{\mathrm{\σ}}{p_a}\right)$

式中，R₀为无荷载时玻璃面板应力观测区红色像素强度；R_σ为垂直应力σ作用下玻璃面板应力观测区红色像素强度；σ为应力接触板上所受应力（kPa）；p_a为大气压力（kPa）；a、b为相关系数。

土体静止土压力系数采用下式计算：

$K_0=\frac{{\mathrm{\σ}}_h^{\′}}{{\mathrm{\σ}}_v^{\′}}$

式中，K₀为土体静止土压力系数；σ'_h为土体侧向水平有效应力（kPa）；σ'_v为土体竖直向有效应力（kPa）。

有益效果：土体静止土压力系数是岩土工程中一个非常重要的参数，其准确测定影响到水平场地中应力状态和静止土压力的计算。能否正确确定静止土压力系数对挡土结构物上土压力的分布计算、工程造价和结构安全可靠度等均有着重要影响。国内现有土工试验确定静止土压力系数的方法存在操作复杂、测试结果精度较差等缺陷，本发明可测试土体静止土压力系数的测试装置结合计算机和现代数码摄像技术，能方便、快捷、精确的测定土体静止土压力系数，该光弹性传感器和测试装置具有简单、精确、成本低廉等特点。

附图说明

图1为本发明测试土体静止土压力系数的光弹性传感器结构示意图；

图2为本发明测试土体静止土压力系数的测试装置结构示意图；

图3为本发明测试土体静止土压力系数的测试装置局部放大图。

其中有：正方形玻璃面板1，圆孔2，应力接触面板3，尖锐突起4，应力观测区5，测试土样6，固结压力室7，透明玻璃板8，压力加载帽9，加载杠杆10，砝码11，光弹性传感器12，圆形偏光镜13，单反照相机14，数据采集线15，计算机16。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示：一种测试土体静止土压力系数的光弹性传感器，包括正方形玻璃面板1、圆孔2、应力接触面板3、尖锐突起4和应力观测区5，所述正方形玻璃面板1中心设有圆孔2，正方形玻璃面板1的一侧设有刚性的应力接触面板3，应力接触面板3与正方形玻璃面板1之间设有尖锐突起4，所述应力观测区5为两个，分别位于所述圆孔2边缘的上、下端。

所述正方形玻璃面板1尺寸为25.0×25.0mm，中心圆孔的直径为12.5mm，正方形玻璃面板的杨氏模量不低于6.0×10⁵kPa。所述尖锐突起4的位置与应力观测区5在同一高度，尖锐突起4的高度为20.0mm，中心应力观测区5的大小为1.0×1.0mm或15×15像素，表面设置具有折射效应的透明玻璃薄板，薄板面积应大于观测区面积。

如图2和3所示，一种使用上述光弹性传感器测试土体静止土压力系数的测试装置，包括测试土样6、固结压力室7、透明玻璃板8、压力加载帽9、加载杠杆10、砝码11、光弹性传感器12、圆形偏光镜13、单反照相机14、数据采集线15和计算机16；

所述测试装置中的测试土样6放置于固结压力室7中，固结压力室7的观测面为透明玻璃板8，测试土样6的顶部为压力加载帽9，竖向压力通过加载杠杆10施加于压力加载帽9上，最终传递至测试土样6顶面，加载杠杆10下挂有可调整压力变化的砝码11，测试土样6两侧中部均设有光弹性传感器12，固结压力室7观测面的正前方依次设置有圆形偏光镜13和单反照相机14，单反照相机14通过数据采集线15与计算机16相连。

所述单反照相机14记录每级荷载稳定下的应力观测区5的照片，对处理后的照片采用红色像素确定应力变化。

工作过程为：将测试土样放置于固结压力室中，试样左右两侧各安装一个光弹性传感器，调整好压力加载帽和加载杠杆，同时光源照射整个固结压力室。将圆形偏光镜和单反照相机依次固定于测试土样的正前方，偏光镜、单反相机和土样之间的距离应使所拍照片清晰为宜，一般试样与偏光镜间距50～80cm，单反相机与圆形偏光镜间距8～10cm为宜。将单发相机连接至计算机，相应的图像采集、存储和处理软件打开，确保正常使用。首先记录下无荷载时，应力观测区的图像，作为R₀的依据；其次调整砝码重量，施加第一级荷载，记录荷载稳定下应力观测区图像，依次类推，记录所有不同荷载下的图像信息。

通过图像处理软件，将所有记录的图像信息转换成红、蓝、绿三种像素的图像，取红色像素计算相应应力变化。通过标定试验得到红色像素对应力变化的响应更为敏感，计算所得的结果更为精确。根据光弹性传感器中红色像素强度与应力变化之间的关系式：

$R_0-R_{\mathrm{\σ}}=a{\left(\frac{\mathrm{\σ}}{p_a}\right)}^2+b\left(\frac{\mathrm{\σ}}{p_a}\right)$

式中，σ为应力接触板上所受应力（kPa）；R₀为无荷载时玻璃面板应力观测区红色像素强度；R_σ为应力σ作用下玻璃面板应力观测区红色像素强度；p_a为大气压力（kPa）；a、b为相关系数，可通过标定试验获得。可计算得到应力接触板上所受应力σ，即测试土样的水平侧向土压力。

土体静止土压力系数采用下式计算：

$K_0=\frac{{\mathrm{\σ}}_h^{\′}}{{\mathrm{\σ}}_v^{\′}}$

式中，K₀为土体静止土压力系数；σ'_h为土体侧向水平有效应力，根据σ得到；σ'_v为土体竖直向有效应力（kPa），根据施加的竖向荷载得到。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种测试土体静止土压力系数的光弹性传感器，其特征在于：包括正方形玻璃面板、圆孔、应力接触面板、尖锐突起和应力观测区，所述正方形玻璃面板中心设有圆孔，正方形玻璃面板的边长一侧设有刚性的应力接触面板，应力接触面板与正方形玻璃面板之间设有尖锐突起，所述应力观测区为两个，分别位于所述圆孔边缘的上、下端。

2.根据权利要求1所述的一种测试土体静止土压力系数的光弹性传感器，其特征在于：所述正方形玻璃面板尺寸为25.0×25.0mm，中心圆孔的直径为12.5mm，正方形玻璃面板的杨氏模量不低于6.0×10⁵kPa。

3.根据权利要求1所述的一种测试土体静止土压力系数的光弹性传感器，其特征在于：所述尖锐突起的位置与应力观测区在同一高度，中心应力观测区的大小为1.0×1.0mm或15×15像素，表面设置具有折射效应的透明玻璃薄板，薄板面积应大于观测区面积。

4.一种使用权利要求1或2或3所述的测试土体静止土压力系数的光弹性传感器的测试装置，其特征在于：包括测试土样、固结压力室、透明玻璃板、压力加载帽、加载杠杆、砝码、光弹性传感器、圆形偏光镜、单反照相机、数据采集线和计算机；

所述测试装置中的测试土样放置于固结压力室中，固结压力室的观测面为透明玻璃板，测试土样的顶部为压力加载帽，竖向压力通过加载杠杆施加于压力加载帽上，最终传递至测试土样顶面，加载杠杆下挂有可调整压力变化的砝码，测试土样两侧中部均设有光弹性传感器，固结压力室观测面的正前方依次设置有圆形偏光镜和单反照相机，单反照相机通过数据采集线与计算机相连。

5.根据权利要求4所述的一种测试土体静止土压力系数的测试装置，其特征在于：所述单反照相机记录每级荷载稳定下的应力观测区的照片，对处理后的照片采用红色像素确定应力变化。