CN108760484A - 用于测量土体内部应力与应变关系的集成装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于测试土体内部应力与应变关系的集成装置,该装置埋在土体内部并与数据采集系统相连接,该装置具体包括6个土压力盒、6个应变盒、数据传输导线、密封胶、基座。同时提供应力与应变关系的集成装置的测试方法。有益效果是更准确的了解测量土体在受力过程中应力和应变间的关系,也为研究土体的强度和变形提供便利,同时精确度的提高不仅提供更好的安全储备,也为土体的强度研究提供保障。
Description
技术领域
本发明适用于岩土工程领域,对土体所受的应力、应变都能很好的进行测试,特别是一种用于测量土体内部应力与应变关系的集成装置及其测试方法。
背景技术
土体的三相是固、液、气。土是由零散的固体颗粒组成。从宏观上看,土体在受到应力时,土体的外形发生了变化;从微观上讲是由于这些零散的固体颗粒间产生了一定的位移这种形变称之为应变。土体在应力作用下产生应变的这种因果关系对研究两者间的关系有关键作用。土体中一点的应力状态可以用通过该点的任意三个互相正交的平面上的三个法应力分量σx、σy、σz和三个独立的剪应力分量σxy、σyz、σzx完全确定。
专利号201410740140.2和专利号201410345195.3分别公布了用于土体内部三维应变和三维应力状态测试的装置,限于应力和应变测试中存在的较大不同,无法计算出土体内部的应力应变关系。专利号201710191532.1给出了一种计算土体弹性参数的测试装置和计算方法,该装置布置的应力与应力测试元件在法线不平行,在微观上不能获取线性的应力应变关系。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于测量土体内部应力与应变关系的集成装置及其测试方法,用以实现对土体弹性性能的测试,以及应力和应变之间的关系系数,从而能够更加准确的对土体的弹塑性、强度以及变形特性进行测试。
为解决上述问题,本发明提供了一种用于测试土体内部应力与应变关系的集成装置,该装置埋在土体内部并与数据采集系统相连接,其中:该装置具体包括6个土压力盒、6个应变盒、数据传输导线、密封胶、基座;所述基座呈上棱台、中八棱柱、下棱台组成的立方体结构。
同时提供一种应力与应变关系的集成装置的测试方法。
本发明效果是弥补了土体的应变不能直接测试的缺点。此种测试方法不仅能够直观的展现土体在受到外加荷载的作用下应力和应变之间的作用关系,还能为土体九参数强度模型的建立提供可能。设某一个土压力盒的精度为k,某个应变盒的精度为p,则最大正应力的精度为1.5k,最大剪应力的精度为1.3p,最大正应变的精度为1.2p,最大剪应变的精度为1.6p,由此可以看出该装置精度的提高能够十分精准的呈现应力和应变间的关系,也为土体的弹塑性、强度以及变形特性的研究打下一个很好的基础。
附图说明
图1为本发明涉及到的用于测试土体内部应力与应变关系的集成装置结构示意图;
图2为本发明涉及到的应力应变集成装置形成图;
图3为本发明涉及到的应力应变集成装置切割图;
图4为本发明涉及到的密封胶图;
图5为本发明涉及到的应变片图;
图6为本发明涉及到的基座剖面图;
图7为本发明涉及到的硅胶图。
图中:
1.压力盒 2.应变盒 3.数据传输导线 4.密封胶 5.基座
21.硅胶 22.应变片 52.数据传输导线汇总孔 61.凹槽
62.第二凹槽 63.第三凹槽 64.第四凹槽 65.第五凹槽 66.第六凹槽
具体实施方式
结合附图对本发明的用于测量土体内部应力与应变关系的集成装置及其测试方法加以说明。
本发明的用于测量土体内部应力与应变关系的集成装置及其测试方法基于:通过数据采集系统得到的数据,对数据进行筛选和分析,其中包括采集到的6个应力和6个应变,分别对两个矩阵进行相应的逆运算即可获得到正应力分量、剪应力分量、正应变分量、剪应变分量,由此即可得到土体间的应力和应变间作用关系系数,从而建立土体间应力和应变间的关系曲线,便能够直观的研究土体的弹塑性、强度以及变形特性。
1.本发明的用于测量土体内部应力与应变关系的集成装置结构,该土体应力和应变关系测试的集成装置先与数据采集箱连接,然后将该测试装置埋在土体内部,待数据稳定以后,对土体施加一定的荷载进行相应的测试,具体特征包括:6个土压力盒1、6个应变盒2、数据传输导线3、基座5、密封胶4组成;而基座则呈上棱台、中八棱柱、下棱台组成的上中下结构,共包含18个正方形面和8个等边三角形面,18个正方形面均设有凹槽,每个正方形面上均设有凹槽,在基座5的下棱台底面正方形的凹槽为数据传输导线汇总孔凹槽52;所述6个土压力盒1中的2个土压力盒1设置在基座5的上棱台的两个相邻于同一个正三角形面的凹槽61和第二凹槽62内,3个土压力盒1设置在基座5的中八棱柱的三个相邻面第三凹槽63、第四凹槽64、第五凹槽65内,且所述3个土压力盒1的三个相邻面的中间面与上棱台的三角形面相邻,1个土压力盒1设置在基座5的下部棱台任一个面上,该面位于中八棱柱中设置有3个土压力盒面的正下方的任一个面上且该面相邻于下部棱台的正三角形面;所述6个应变盒2设置在基座5上未设置土压力盒1的面上,且这6个面关于平面XOZ对称于设置有土压力盒的6个面上,且设置6个应变盒2面的法线与设置有土压力盒1面的法线平行;每个土压力盒1和应变盒2的所有数据传输导线3穿过基座5从数据传输导线汇总孔52凹槽引出并与数据采集箱连接,基座5与土压力盒1、应变盒2之间的空隙通过密封胶4防水密封,即形成用于测试土体内部应力与应变关系的集成装置。
2.本发明的应变盒包括有硅胶21、应变片22和数据传输导线52,所述硅胶21呈圆柱形状,应变片22布置在圆柱形硅胶的轴线位置,数据传输导线一端与应变片22相连接,另一端与数据采集箱连接,即形成应变盒2。
本发明的土体应力和应变关系测试装置的测试方法步骤如下:
1)将土体内部应力状态和应变状态的集成装置埋入土体内部,并将数据传输导线与数据采集箱连接。
2)通过数据采集箱显示的数据得到6个土压力盒1的读数,并分别记为σT1、σT2、σM2、σM3、σM4、σB1;同时得到6个应变盒2的读数,并分别记为:εB3、εB4、εM6、εM7、εM8、εT3。
3)根据(1)式计算出土体所受三维应力状态;根据(2)式计算出土体所受的三维应变状态,计算公式如下:
式中,σT1、σT2、σM2、σM3、σM4、σB1为土体应力应变测试装置的6个土压力盒(1)的读数;σx、σy、σz、σxy、σyz、σzx表示待测点的3个正应力分量和3个剪应力分量
式中,εB3、εB4、εM6、εM7、εM8、εT3为土体应力应变测试装置的6个应变盒2的读数;εx、εy、εz、εxy、εyz、εzx表示待测点的3个正应变分量和3个剪应变分量。
5)依据式(3)计算土体内部应力与应变间的关系,公式(3)为:
式中,分别表示土体待测点的应力应变关系系数;σx、σy、σz、σxy、σyz、σzx表示待测点的3个正应力分量和3个剪应力分量;εx、εy、εz、εxy、εyz、εzx表示待测点的3个正应变分量和3个剪应变分量;
依据土体待测点的应力应变关系系数,从而为土体材料的强度和变形计算提供便利。
本发明的土体应力和应变关系测试装置的测试方法是这样实现的:
第一步,制作基座5,基座5的外部形状是由2个八棱台,和1个八棱柱组,选取如图2所示的各棱长为a的正方体,正方体MABC-DEFG中,点X、Y、Z、W分别位于棱ED、FG、AE、BF上,且 连接ZX、ZW、WY、XY并对面XYWZ进行切割,像XYWZ这样的面称之为相邻面的导面,对该正方体任意相邻面的导面进行切割如图2所示,然后对该基座5的所有正方形面分别开半径为r的圆形孔总共18个圆形孔。
第二步,将2个土压力盒1放置在基座5上部棱台的两个相邻于同一个正三角形面的凹槽61和第二凹槽62内,再将另外3个土压力盒1放置基座5中八棱柱的三个相邻面第三凹槽63、第四凹槽64、第五凹槽65内,且该3个土压力盒1所在面中有一个面与上棱台的三角形面相邻,再将最后1个土压力盒1放置在基座5上部棱台的第六凹槽66内,且该上部棱台的凹槽61、第二凹槽62、第六凹槽66内与基座5下部棱台设置的土压力盒1所在面关于基座中八棱柱的中间平面对称,同时该下部棱台的第三凹槽63、第四凹槽64、第五凹槽65所在面与基座中八棱柱的相邻面未设置土压力盒1。其中应变盒2包括有硅胶21、应变片22和数据传输导线3,所述硅胶21呈圆柱形状,应变片22用强力胶贴在圆柱形硅胶的轴线位置,数据传输导线一端与应变片相连接,另一端与数据采集箱连接,即形成应变盒2。再将6个应变盒2布置在基座5上未设置土压力盒1的面,且布置6个应变盒2面的法线与布置有土压力1盒面的法线平行。
第三步,将6个土压力盒1和6个应变盒2的数据传输导线由基座5内部的数据传输孔道引入到数据汇总孔道然后与数据采集箱连接,然后用密封胶4将基座与土压力盒1、应变盒2之间的空隙进行防水密封,即形成用于测试土体内部应力与应变关系的集成装置。
第四步,将该集成装置埋入土体内部,并将数据传输导线3与数据采集箱连接,待数据稳定后对土体施加一定的力进行数据采集,通过数据采集箱得到6个土压力盒1的读数,并分别记为σT1、σT2、σM2、σM3、σM4、σB1;同时得到6个应变盒2的读数,并分别记为:εB3、εB4、εM6、εM7、εM8、εT3。
第五步,根据式(1)计算出土体的三维应力状态;根据(2)式计算出土体的三维应变状态,计算公式如下:
式中,σT1、σT2、σM2、σM3、σM4、σB1为土体应力应变测试装置的6个土压力盒1的读数;σx、σy、σz、σxy、σyz、σzx表示待测点的3个正应力分量和3个剪应力分量
式中,εB3、εB4、εM6、εM7、εM8、εT3为土体应力应变测试装置的6个应变盒2的读数;εx、εy、εz、εxy、εyz、εzx表示待测点的3个正应变分量和3个剪应变分量。
依据式(3)计算土体的应力与应变关系,公式(3)为:
式中,分别表示土体待测点的应力应变关系系数;σx、σy、σz、σxy、σyz、σzx表示待测点的3个正应力分量和3个剪应力分量;εx、εy、εz、εxy、εyz、εzx表示待测点的3个正应变分量和3个剪应变分量。
精确度分析
得到应力的平均精度为1.352
得到应变的平均精度为1.907
本装置的特点是计算过程明确直观、操作简单、价格低廉、改善了以往获取土体应力和应变间关系不准确所带来的误差,为识别土体的强度、形变研究提供了一种便捷的手段。假设土压力和的精度为p,计算所得应力的测试精度为1.352p,应变的测试精度为1.907p,精确度的提高能十分准确的反应土体的受力状态和形变情况,能十分有效的提高工程的安全储备。
依据土体待测点的应力应变关系系数,从而为土体材料的强度和变形计算提供便利。
以上所述仅为结合本次制作过程进行说明,于本领域的实际应用来说,本发明可以有各种变化和更改。凡在本发明的精神和原则之内,所作的修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种用于测试土体内部应力与应变关系的集成装置,该装置埋在土体内部并与数据采集系统相连接,其特征是:该装置具体包括6个土压力盒(1)、6个应变盒(2)、数据传输导线(3)、密封胶(4)、基座(5);所述基座(5)呈上棱台、中八棱柱、下棱台组成的立方体结构,中八棱柱上下方的上棱台、下棱台对称设置,上棱台、下棱台均由五个正方形和四个正三角形所围合而成,中八棱柱为八个正方形围成的正八棱柱形状,每个正方形面上均设有凹槽,在基座(5)的下棱台底面正方形的凹槽为数据传输导线汇总孔凹槽(52);所述6个土压力盒(1)中的2个土压力盒(1)设置在基座(5)的上棱台的两个相邻于同一个正三角形面的凹槽(61)和第二凹槽(62)内,3个土压力盒(1)设置在基座(5)的中八棱柱的三个相邻面第三凹槽(63)、第四凹槽(64)、第五凹槽(65)内,且所述3个土压力盒(1)的三个相邻面的中间面与上棱台的三角形面相邻,1个土压力盒(1)设置在基座(5)的下部棱台任一个面上,该面位于中八棱柱中设置有3个土压力盒面的正下方的任一个面上且该面相邻于下部棱台的正三角形面;所述6个应变盒(2)设置在基座(5)上未设置土压力盒(1)的面上,且这6个面关于平面XOZ对称于设置有土压力盒的6个面上,且设置6个应变盒(2)面的法线与设置有土压力盒(1)面的法线平行;每个土压力盒(1)和应变盒(2)的所有数据传输导线(3)穿过基座(5)从数据传输导线汇总孔(52)凹槽引出并与数据采集箱连接,基座(5)与土压力盒(1)、应变盒(2)之间的空隙通过密封胶(4)防水密封,即形成用于测试土体内部应力与应变关系的集成装置。
2.根据权利要求1所述用于测试土体内部应力与应变关系的集成装置,其特征是:所述的应变盒(2)包括有硅胶(21)、应变片(22)和数据传输导线(3),所述硅胶(21)呈圆柱形状,应变片(22)设置在圆柱形硅胶(21)的轴线位置,数据传输导线(3)一端与应变片(22)相连接,另一端与数据采集箱连接,即形成应变盒(2)。
3.利用权利要求1所述用于测试土体内部应力与应变关系的集成装置的测试方法,其特征是:该方法包括以下步骤:
1)将所述用于测试土体内部应力与应变关系的集成装置埋入土体内部,并将数据传输导线(3)与数据采集箱连接;
2)通过数据采集箱得到6个土压力盒(1)的读数,并分别记为σT1、σT2、σM2、σM3、σM4、σB1;同时得到6个应变盒(2)的读数,并分别记为:εB3、εB4、εM6、εM7、εM8、εT3;
3)根据式(1)计算出土体的三维应力状态;根据(2)式计算出土体的三维应变状态,计算公式如下:
式中,σT1、σT2、σM2、σM3、σM4、σB1为土体应力应变测试装置的6个土压力盒(1)的读数;σx、σy、σz、σxy、σyz、σzx表示待测点的3个正应力分量和3个剪应力分量
式中,εB3、εB4、εM6、εM7、εM8、εT3为土体应力应变测试装置的6个应变盒(2)的读数;εx、εy、εz、εxy、εyz、εzx表示待测点的3个正应变分量和3个剪应变分量;
5)依据式(3)计算土体的应力与应变关系,公式(3)为:
式中,分别表示土体待测点的应力应变关系系数;σx、σy、σz、σxy、σyz、σzx表示待测点的3个正应力分量和3个剪应力分量;εx、εy、εz、εxy、εyz、εzx表示待测点的3个正应变分量和3个剪应变分量;
依据土体待测点的应力应变关系系数,从而得出土体的形变与应力成正比关系,与应变成反比关系。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20181106 |
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