CN108534938A - 基于八面体基座的高精度三维应力测试装置及计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于八面体基座的高精度三维应力测试装置，包括土压力盒、八面体基座、测试设备和若干数据导线，所述八面体基座由六个侧壁和对应的六边形顶面、底面形成，所述八面体基座的六个侧壁和六边形顶面分别设有凹槽，每个凹槽底部均设有数据导线孔且分别与八面体基座的六边形底面设置的数据导线孔连通，所述数据导线一端穿过数据导线孔连接设置在凹槽内的土压力盒、另一端连接测试设备。本发明的有益效果是：提高了测试土体内部三维应力状态的精度；并且操作简单，方法明了，成本低，易携带；精度的提高对准确的监测土体内部的三维应力状态和采取有效的安全措施提供了依据。

Description

基于八面体基座的高精度三维应力测试装置及计算方法

技术领域

本发明属于应力测试领域，特别涉及一种基于八面体基座的高精度三维应力测试装置及计算方法，为应力状态的监测和安全施工提供依据。

背景技术

岩土体中的应力测试是地下工程施工过程中重要的监测项目之一，也是信息化施工的组成部分。通常情况下混凝土和岩土体中的应力测试分别通过钢筋计和土压力盒完成，若想获得某一确定方向上应力的大小，常常采用在该方向上布置钢筋计或土压力盒的方式实现。若无法确定主应力方向时，通常在物体表面安装应变片，通过应变计算应力大小。虽然三维应力状态是工程中的一项基础工作，但却是进行定量力学分析和工程安全评价的前提。

三维应力状态的测试一直是工程中的一个难点，对土体内部应力状态的测试更是非常困难。虽然专利201510956800.5公布了一种测试土体内部应力状态的装置和方法，但是由于该装置只采用一组土压力盒测试，误差太大，所以迫切需要一种简单直观方便的装置测试土体内部三维应力状态，对工程安全评价具有重要意义。

发明内容

针对上述的不足，本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种能够准确测试土体内部三维应力状态的测试装置。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种基于八面体基座的高精度三维应力测试装置所测应力的计算方法。

为实现上述第一个目的，本发明的技术方案是：一种基于八面体基座的高精度三维应力测试装置，包括土压力盒、八面体基座、测试设备和若干数据导线，所述八面体基座形成有六个侧壁面和对应的六边形顶面、底面，所述八面体基座的六个侧壁面和六边形顶面分别设有凹槽，每个凹槽底部均设有数据导线孔且分别与八面体基座的六边形底面设置的数据导线孔连通，所述数据导线一端穿过数据导线孔连接设置在凹槽内的土压力盒、另一端连接测试设备。

所述八面体基座的六个侧壁面为不等分的六个斜面，所述六边形顶面平面面积小于六边形底面平面面积且平行。

所述凹槽为圆柱形，直径为29～30mm，槽深为4～5mm，侧面凹槽底面与八面体基座的侧壁斜面平行，顶面凹槽底面与八面体基座的底面平行。

所述八面体基座的底面设有七个数据导线孔。

所述凹槽与土压力盒之间设有防水胶粘结层。

所述测试设备为DH3816静态应变测试系统。

所述土压力盒为LY-350型。

为实现上述第二个目的，本发明的技术方案是：一种基于八面体基座的高精度三维应力测试装置的测试方法，其步骤包括：

1)将被测土压力盒与八面体基座连接好后埋于待测土体中；

2)依据土压力盒的外法线方向与x、y、z坐标轴的夹角确定转换矩阵T；

3)通过土压力盒测试设备测得七个应力读数，即σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆、σ₇，表示为σ_k1＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆}^T；σ_k2＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₇}^T；σ_k3＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₆,σ₇}^T；σ_k4＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₅,σ₆,σ₇}^T；σ_k5＝{σ₁,σ₂,σ₄,σ₅,σ₆,σ₇}^T；σ_k6＝{σ₁,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆,σ₇}^T；σ_k7＝{σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆,σ₇}^T；

4)计算测试点的三维应力状态，其计算公式如下:

{σ_ji}＝T_i ^-1{σ_ki} (1)

式(1)中{σ_ji}为测试点的三维应力状态，即σ_ji＝{σ_xi，σ_yi，σ_zi，σ_xyi，σ_yzi，σ_zxi}^T(2)

式(1)中T_i ^-1为对应的土压力盒的转换矩阵的逆矩阵，

根据式(1)可算出测试点常规应力状态下的七组正应力分量和剪应力分量，即σ_ji＝{σ_xi，σ_yi，σ_zi，σ_xyi，σ_yzi，σ_zxi}^T(i＝1、2、3、4、5、6、7)，然后取各分量的平均值。

本发明的有益效果是：使土体内部的三维应力状态的监测更加准确，即任意选取七个土压力盒中的六个进行计算，然后再对结果进行平均，当七个土压力盒同时监测时，即使由于一些突发因素坏掉一个，也不影响试验的进行。假设土压力盒的精度为p，计算得三个正应力的测试精度为2.00p，三个剪应力的测试精度为1.27p，平均测试精度为1.64p。再加上操作简单，方法明了，成本低，易携带，所以在三维应力测试领域具有广大发展前景。

附图说明

图1为本发明基于八面体基座的高精度三维应力测试装置的侧视效果图；

图2为本发明的八面体基座的结构示意图；

图3为本发明的八面体基座的仰视图；

图4为本发明土压力盒的测试方向坐标轴的夹角示意图；

图5为本发明八面体基座制作过程图。

图中：

1.土压力盒 2.八面体基座 3.防水胶

4.数据导线 5.凹槽 6.数据导线孔

具体实施方式

结合附图对本发明的基于八面体基座的高精度三维应力测试装置及计算方法加以说明。

本发明设计原理：空间一点的应力状态包括三个正应力和三个剪应力。因此，确定一点的应力状态至少需要在六个不同的方向上布置测试元件。

如图1—4所示，一种基于八面体基座的高精度三维应力测试装置，包括一个八面体基座、七个土压力盒、测试设备和若干数据导线，七个土压力盒分别布置在八面体基座的六个侧面和顶面的凹槽内，土压力盒通过防水胶固定在基座的凹槽里，数据导线一端连接土压力盒一端连接土压力盒测试设备相，从不同角度测试土体内部三维应力状态。

八面体基座2由六个侧壁和对应的六边形顶面、底面形成，所述八面体基座2的六个侧壁和六边形顶面分别设有凹槽5，每个凹槽5底部均设有数据导线孔6且分别与八面体基座2的六边形底面设置的数据导线孔连通，所述数据导线4一端穿过数据导线孔连接设置在凹槽5内的土压力盒1、另一端连接测试设备。

八面体基座2的六个侧壁为不等分的六个斜面，所述六边形顶面平面面积小于六边形底面平面面积且平行。

土压力盒为LY-350型，广泛适用于模型试验、软土路基等各种界面处的接触压力和土中应力。

本发明的基于八面体基座的高精度三维应力测试装置及计算方法的具体实施方式如下：

第一，制作八面体基座。首先，在立方体M₁M₂M₃M₄M₅M₆M₇M₈上切割出一个直角四面体M₁M₂M₃M₆，并定义三个直角面分别为ξ₁、ξ₂、ξ₃。然后，依次在棱线M₁M₄、M₁M₅、M₆M₅、M₆M₇、M₃M₄、M₃M₇上找六个点，即N₁、N₂、N₃、N₄、N₅、N₆，使得该点到原立方体临近顶点的距离都是边长的五分之一。比如，N₁位于M₁M₄之上，且N₁M₁等于立方体边长的五分之一。接着，分别以通过两个相邻Ni点且平行于临近外棱线的平面作为切割面对棱线进行倒角，即可得到正交异面式三维土压力盒的基座，如图5所示。比如，以经过N₁N₂且平行于M₁M₂的平面为切割面可以将一个棱角切掉，从而得到平面η₃。同样，可以得到平面η1和平面η2。最后，在靠近顶点M₂一侧用一个平行于平面M₁M₃M₆的平面π剖切得到的切割体，从而得到三维土压力测试装置的基座。可见，通过上述切割可以得到一个拥有平面ξ₁、ξ₂、ξ₃，平面η₁、η₂、η₃、平面π以及底面的八面体基座。在八面体基座的六个侧面和顶面设置圆柱形凹槽，凹槽直径为29～30mm，槽深为4～5mm，凹槽中心设置数据导线孔，凹槽底面与斜面平行。

第二，安装三维土压力盒，将土压力盒数据导线4沿着数据导线孔6穿过，用防水胶3将微型土压力盒1固定在凹槽5里，并且土压力盒1的表面与把八面体基座2的表面平行，将土压力盒数据导线4与土压力盒测试设备相连接，即形成基于八面体的土体内部应力状态的测试装置。

第三，将该装置埋于土里。

第四，依据七个土压力盒的测试方向与坐标轴的夹角，确定转换矩阵T。

第五，通过土压力盒测试设备测得七个应力读数，即σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆、σ₇。

第六，选取六个微型土压力盒的读数与对应的转换矩阵，根据公式{σ_ji}＝T_i ^-1{σ_ki}，计算出测试点的应力状态，并将结果平均。

实施例：测量某地区粉质黏土的常规应力状态

按上述方法将装置埋入土里并进行监测，取某时刻的一组应力值进行计算。

七个面上测得的压力值为0.792，0.23，0.306，0.074，0.277，0.467，0.474(kpa)

根据式(1)，得出七组应力状态，如下表：

本发明的特点是使土体内部的三维应力状态的监测更加准确，即任意选取七个土压力盒中的六个进行计算，然后再对结果进行平均。并且七个土压力盒同时监测，即使由于一些突发因素坏掉一个，也不影响试验的进行。假设土压力盒的精度为p，计算得三个正应力的测试精度为2.00p，三个剪应力的测试精度为1.27p，平均测试精度为1.64p。而且操作简单，方法明了，成本低，易携带。

以上所述仅为结合本次制图过程进行说明，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，比如多个本实体的组合、变换所用材料等。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于八面体基座的高精度三维应力测试装置，其特征是：包括土压力盒(1)、八面体基座(2)、测试设备和若干数据导线(4)，所述八面体基座(2)形成有六个侧壁面和对应的六边形顶面、底面，所述八面体基座(2)的六个侧壁面和六边形顶面分别设有凹槽(5)，每个凹槽(5)底部均设有数据导线孔(6)且分别与八面体基座(2)的六边形底面设置的数据导线孔连通，所述数据导线(4)一端穿过数据导线孔连接设置在凹槽(5)内的土压力盒(1)、另一端连接测试设备。

2.根据权利要求1所述的一种基于八面体基座的高精度三维应力测试装置，其特征是：所述八面体基座(2)的六个侧壁面为不等分的六个斜面，所述六边形顶面平面面积小于六边形底面平面面积且平行。

3.根据权利要求2所述的一种基于八面体基座的高精度三维应力测试装置，其特征是：所述凹槽(5)为圆柱形，直径为29～30mm，槽深为4～5mm，侧面凹槽底面与八面体基座(2)的侧壁斜面平行，顶面凹槽底面与八面体基座(2)的底面平行。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于八面体基座的高精度三维应力测试装置，其特征是：所述八面体基座(2)的底面设有七个数据导线孔。

5.根据权利要求1所述的一种基于八面体的土体内部应力状态的测试装置，其特征是：所述凹槽(5)与土压力盒(1)之间设有防水胶(3)粘结层。

6.根据权利要求1所述的一种基于八面体基座的高精度三维应力测试装置，其特征是：所述测试设备为DH3816静态应变测试系统。

7.根据权利要求1所述的一种基于八面体基座的高精度三维应力测试装置，其特征是：所述土压力盒(1)为LY-350型。

8.根据权利要求书1所述的一种基于八面体基座的高精度三维应力测试装置的计算方法，其步骤包括：

1)将被测土压力盒与八面体基座连接好后埋于土体中；

2)依据土压力盒的外法线方向与x、y、z坐标轴的夹角确定转换矩阵T；

3)通过土压力盒测试设备测得七个应力读数，即σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆、σ₇，表示为σ_k1＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆}^T；σ_k2＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₇}^T；σ_k3＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₆,σ₇}^T；σ_k4＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₅,σ₆,σ₇}^T；σ_k5＝{σ₁,σ₂,σ₄,σ₅,σ₆,σ₇}^T；σ_k6＝{σ₁,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆,σ₇}^T；σ_k7＝{σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆,σ₇}^T；

4)计算测试点的三维应力状态，其计算公式如下:

{σ_ji}＝T_i ^-1{σ_ki} (1)

式(1)中{σ_ji}为测试点的三维应力状态，即σ_ji＝{σ_xi，σ_yi，σ_zi，σ_xyi，σ_yzi，σ_zxi}^T (2)

式(1)中T_i ^-1为对应的土压力盒的转换矩阵的逆矩阵，

根据式(1)可算出测试点常规应力状态下的七组正应力分量和剪应力分量，即σ_ji＝{σ_xi，σ_yi，σ_zi，σ_xyi，σ_yzi，σ_zxi}^T(i＝1、2、3、4、5、6、7)，然后取各分量的平均值。