CN106248267B - 微型三维土压力盒及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种微型三维土压力盒，该土压力盒的菱形十二面体骨架的各面中心均设有圆形孔，将菱形弹性膜片设置于菱形十二面体骨架的各菱形面上，从而在菱形弹性膜片内壁形成圆形面，选取菱形十二面体骨架顶部四个及侧面两相邻的圆形面粘贴电阻应变片；数据导线孔设置在菱形十二面体骨架底部任一菱形面上，通过数据导线将电阻应变片的导线经数据导线孔引出并与数据采集仪相连接，将菱形弹性膜片与菱形十二面体骨架之间的空隙用防水密封胶填充牢固，即形成微型三维土压力盒。同时提供一种微型三维土压力盒的测试方法。有益效果是本装置具有尺寸多样、原理鲜明、适用性广、结构简单、造价低廉、精度高等特点，为直接测试土体中某点的应力状态提供了保障。
Description
技术领域
本发明属于常规应力测试领域，具体为一种微型三维土压力盒及其测试方法，适用于岩土工程领域。
技术背景
土压力测量装置是进行土工试验和土的力学参数确定的重要设备，其测量的精确度直接影响到能否正确认识土体。目前，常规的用于测试土体应力的设备为土压力盒，按照受力传递形式不同分为单膜、双膜土压力盒。土体在荷载作用在，将应力传递给土压力盒，在土压力盒受压侧布置电阻应变片或是钢弦测定土压力盒的受压面变形，以间接获知土体的应力。
常规的应力装置只能量测土体中某确定方向的应力情况；CN201410740140.2公开的基于三维应变花的研究成果可获取土体内部的应变状态，由于土体的复杂特性，使得其泊松比等弹塑性参数难以确定，因而利用应变状态计算土体内部三维应力状态存在很大缺陷。CN201410345195.3及CN201510956800.5等公开了一类基于菱形十二面体等基座的三维土压力状态测试装置，因将土压力盒依附于基座中，受土压力盒尺寸影响，决定了该土压力测试装置的体积过大，因而影响了应力状态的测试精度。
上述问题使得测试结果与真实值之间往往存在一定差值，造成土体中一点的三维应力状态认识不够准确。为掌握土体作为建筑材料在施工和使用过程中所处的应力状态，迫切需要一种具备尺寸更小、适用性广、结构简单、造价低廉、精度高等特点，且能够用于土体内部某点三维应力状态测试的装置，以对土体内部的常规应力状态进行计算和量测，进而有效评估工程的安全性能，
发明内容
本发明目的是提供一种微型三维土压力盒及其测试方法，以提升对土体内部常规应力状态的量测精度。
本发明采用的技术方案是提供一种微型三维土压力盒的装置，其中：该土压力盒包括有：菱形十二面体骨架、菱形弹性膜片、电阻应变片、数据导线、防水密封胶；所述菱形十二面体骨架的各面中心均设有圆形孔，将菱形弹性膜片设置于菱形十二面体骨架的各菱形面上，从而在菱形弹性膜片内壁形成圆形面，选取菱形十二面体骨架顶部四个及侧面两相邻的圆形面粘贴电阻应变片；数据导线孔设置在菱形十二面体骨架底部任一菱形面上，通过数据导线将电阻应变片的导线经数据导线孔引出并与数据采集仪相连接，将菱形弹性膜片与菱形十二面体骨架之间的空隙用防水密封胶填充牢固，即形成微型三维土压力盒。
所述菱形弹性膜片的刚度小于菱形十二面体骨架各面的刚度；且菱形弹性膜片的大小与菱形十二面体骨架各面大小相一致。
同时提供一种微型三维土压力盒的测试方法。
本发明的效果是该微型三维土压力盒尺寸较小，传力方式直接，且摆脱了基座制作等引起的误差，提高了基于多面体基座与常规土压力盒组合装置来量测土压力状态的精度。本发明的微型三维土压力盒为多面体实体形式，施加应力后，解决了因局部土体压力过大引起的测量装置自身扭曲变形。若单组电阻应变片的测试精度为δ，则三个主应力的测试精度为1.5δ，三个剪应力的测试精度为0.5δ，平均测试精度为δ。整体测试精度满足了土体应力测试的基本要求，能更精确的呈现真实的受力状态。
附图说明
图1为本发明的微型三维土压力盒效果图；
图2为本发明涉及的菱形十二面体骨架效果图；
图3为本发明涉及的与菱形十二面体骨架组合示意图；
图4为本发明涉及的电阻应变片布置于菱形弹性膜片的方式图；
图5为本发明的微型三维土压力盒建立的一种空间直角坐标系；
图6至图8为本发明的菱形十二面体骨架制作流程图。
图中：
1.菱形十二面体骨架 2.菱形弹性膜片 3.电阻应变片
4.数据导线 5.防水密封胶 6.圆形孔 7.数据导线孔
8.圆形面
具体实施方式
结合附图对本发明的微型三维土压力盒及其测试方法加以说明。
本发明的微型三维土压力盒及其测试方法设计原理：根据空间内一点的应力状态与主应力之间的矩阵关系，基于主应力方向与空间坐标系之间的角度关系确定计算矩阵及其逆矩阵，进而可依据获取的主应力与逆矩阵的乘积计算一点的应力状态。
本发明的微型三维土压力盒及其测试方法具体实施方式如下：
本发明的土压力盒结构包括有：菱形十二面体骨架1、菱形弹性膜片2、电阻应变片3、数据导线4、防水密封胶5；所述菱形十二面体骨架1的各面中心均设有圆形孔6，将菱形弹性膜片2设置于菱形十二面体骨架1的各菱形面上，从而在菱形弹性膜片2内壁形成圆形面8，选取菱形十二面体骨架1顶部四个及侧面两相邻的圆形面8粘贴电阻应变片3；数据导线孔7设置在菱形十二面体骨架1底部任一菱形面上，通过数据导线4将电阻应变片3的导线经数据导线孔7引出并与数据采集仪相连接，将菱形弹性膜片2与菱形十二面体骨架1之间的空隙用防水密封胶5填充牢固，即形成微型三维土压力盒。所述菱形弹性膜片2的刚度小于菱形十二面体骨架1各面的刚度；且菱形弹性膜片2的大小与菱形十二面体骨架1各面大小相一致。
本发明的微型三维土压力盒测试方法如下：
第一，选取如图6所示的正方体，在正方体OABC-DEFG中，M、N分别为所在正方体表面的中心，P、Q、H、I分别为所在直线的中点，连接点M、H、N、I，可制作菱形MHNI。将本模型分别旋转90°、180°、270°可得到另外3个与顶面相接的菱形，如图7所示。在底面进行对称操作可得到底面的4个菱形，上下各4个菱形面相接围合成4个侧面，如图8所示。在上面4个顶面和任意两侧面中心开半径为r的圆形孔6，在任一底面上开数据导线孔7，即形成本发面的菱形十二面体骨架1，如图2所示。
第二，制作菱形弹性膜片2。菱形弹性膜片2与菱形十二面体骨架1的各面大小一致；设图7所示正方体边长为2a，则该菱形弹性膜片2的边长为√3a/2，菱形弹性膜片2的对角线长度分别为a、√2a。
第三，粘贴电阻应变片3。取上述制作好的菱形弹性膜片2，以菱形对角线的交点为圆心画半径为r的圆，即形成圆形面8，如图4所示；在圆形面8依四壁全桥接线法粘贴电阻应变片3，其中电阻应变片3，即R1、R2、R3、R4的形心位置距离菱形弹性膜片2的中心0.577r，并分别自A、B、C、D点引出4根数据导线4。
第四，组装本发明的微型三维土压力盒。将粘贴好电阻应变片3的菱形弹性膜片2的数据导线4经菱形十二面体骨架1的圆形孔6并从数据导线孔7穿出，电阻应变片3所在面朝向菱形十二面体骨架1侧，如图3所示。重复以上操作依次将A1、A2、A3、A4、A5、A6面安装好；随后将菱形弹性膜片2与菱形十二面体骨架1之间的空隙用防水密封胶5填充牢固，并用防水密封胶5将数据导线孔7与数据导线4之间孔隙填充牢固；即形成本发明的微型三维土压力盒，如图1所示。
第五，对本发明的微型三维土压力盒进行标定。获取标定压力与应变之间关系。
第六，将该三维土压力盒埋置于待测土体中，对土体的坐标方向进行定义，如图5所示，并将本发明的微型三维土压力盒对应土体的坐标方向进行埋设。
第七，通过应力应变测读设备获得六个应力读数，即σ1、σ2、σ3、σ4、σ5、σ6，利用式(1)可得一点的应力状态：
式(1)中，σx、σy、σz为三维应力状态的三个正应力分量，σxy、σyz、σzx为三维应力状态的三个剪应力分量；σ1、σ2、σ3、σ4、σ5、σ6分别表示微型三维土压力盒测得的6个应力实测值。
所述微型三维土压力盒的应变片粘贴位置计算推导如下：
根据弹性理论，周围固定的圆形板在均布荷载作用下，板上各点应力状态计算公式为
式(2)、(3)中，D为菱形弹性膜片的刚度系数；r为菱形十二面体骨架上圆形孔半径；x为计算点与菱形十二面体骨架上圆形孔中心的距离；t为菱形弹性膜片的厚度。
由式(2)和式(3)可知，切向应变为拉应变；径向应变在0<x<0.577r范围内为拉应变，在0.577r<x<r范围内为压应变。因此应在x＝0.577r范围内粘贴环向应变片，即将图4中R1、R2、R3、R4应变片的形心布置在0.577r上。本次实施采用图4所示的四臂电桥接线方式，该方式不仅能消除温度变化引起的误差，而且提高了测试灵敏度。图4中，R1、R2、R3、R4电阻应变片均为工作应变片。电阻应变片感受的应变分别为
ε1＝ε4＝εP+εt (4)
ε2＝ε3＝-μεP+εt (5)
式(4)和式(5)中，ε1、ε2、ε3、ε4分别为电阻应变片R1、R2、R3、R4测得的应变值；εP、εt分别为测试面的轴向应变和温度引起的应变。
显示读数应变εd为
εd＝ε1-ε2-ε3+ε4＝2(1+μ)εp (6)
式(6)中，μ为菱形弹性膜片的泊松比；εP为测试面的轴向应变。
微型三维土压力盒的计算公式推导如下：
本压力盒为由电阻应变片配合安装于菱形十二面体骨架上的弹性膜片组合成的微型三维土压力盒，如图1所示。土体内部一点O(x、y、z)的常规应力状态可以用过该点的微小立方体上的应力分量表示。假设空间内一点的应力状态由σx、σy、σz、σxy、σyz、σzx六个应力分量表示，则任意方向的正应力σk
其中，k＝1，2，3，4，5，6；l、m、n分别为正应力方向与x、y、z轴的余弦。进而可将式(7)用矩阵表示为
按照式(8)可得到土体中一点的6个方向的正应力σ1、σ2、σ3、σ4、σ5、σ6；若已知该六个方向的正应力且保证矩阵满足求逆要求，则按照矩阵求逆运算可得出一点的应力状态σx、σy、σz、σxy、σyz、σzx。根据图5建立的坐标系，依据式(8)构造的矩阵并求逆，一点的应力状态σx、σy、σz、σxy、σyz、σzx可按式(9)计算
本压力盒具有尺寸多样、原理鲜明、适用性广、结构简单、造价低廉、精度高等特点，改善了基于多面体基座与常规土压力盒组合量测土压力状态的误差。若单组电阻应变片的测试精度为δ，则三个主应力的测试精度为1.5δ，三个剪应力的测试精度为0.5δ，平均测试精度为δ。整体测试精度满足了土体应力测试的基本要求，能更精确的呈现真实的受力状态。
以上所述仅为结合本次制作过程进行说明，并不限制本结构，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，比如应用振弦替代电阻应变片、将一次膜变更为二次膜、更换应变片安装面等。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种利用微型三维土压力盒的测试方法，其特征是：该方法是利用微型三维土压力盒土进行测试，所述压力盒结构是在菱形十二面体骨架(1)的各面中心均设有圆形孔(6)，将菱形弹性膜片(2)设置于菱形十二面体骨架(1)的各菱形面上，从而在菱形弹性膜片(2)内壁形成圆形面(8)，选取菱形十二面体骨架(1)顶部四个及侧面两相邻的圆形面(8)粘贴电阻应变片(3)；数据导线孔(7)设置在菱形十二面体骨架(1)底部任一菱形面上，通过数据导线(4)将电阻应变片(3)的导线经数据导线孔(7)引出并与数据采集仪相连接，将菱形弹性膜片(2)与菱形十二面体骨架(1)之间的空隙用防水密封胶(5)填充牢固，即形成微型三维土压力盒；该测试方法包括以下步骤：
1)将所述微型三维土压力盒埋入土体内部，根据微型三维土压力盒6个测试面能够获取六个应力读数，即σ1、σ2、σ3、σ4、σ5、σ6；
2)根据步骤1)得到的六个应力读数，依公式(1)计算出土体内部一点的常规应力状态，公式(1)为：
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