CN109667256A - 一种用于测量铁路、公路路基及堤坝边坡土体剪应力的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量铁路、公路路基及堤坝边坡土体剪应力的装置，包括剪应力测量盘、锁扣和底座；剪力测量盘由‘凸’型结构的圆盘及至少四个沿圆周方向均匀竖起固定在圆盘下层的挡臂组成，挡臂内侧上可贴附压应力测量元件；锁扣中心开有通孔，圆盘的上端穿过通孔后将锁扣扣在挡臂上，且锁扣与压应力测量元件相切，同时锁扣固定连接在底座上，挡臂与锁扣接触力指向剪应力测量盘的轴心方向；剪应力测量盘的底面与底座之间支承有一圈钢珠。该装置突破了以往难以测量土体剪应力的现状，可适用于交通移动荷载作用下路基内土体所受剪应力变化的监测，及堤坝边坡内土体剪应力的测量等。

Description

一种用于测量铁路、公路路基及堤坝边坡土体剪应力的装置 及方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量铁路、公路路基及堤坝边坡土体剪应力的装置，适用于交通移 动荷载作用下路基内土体所受剪应力变化过程的监测，以及堤坝边坡内土体剪应力的测量。 也可通过改变该装置的尺寸，将其应用于多尺度的模型试验中，以研究具有不同颗粒级配土 体的剪应力特征，为工程应用及室内土工试验研究提供技术支撑。

背景技术

在工程现场和原位测试当中，土体剪应力的准确测量对精确判断路基、堤坝边坡的强度 特性以及稳定性至关重要。已有研究表明，路基内土体剪应力会在列车、汽车荷载移动过程 中发生显著变化，并增大了路基发生变形与破坏的可能性。在持续降雨工况下，堤坝边坡内 的孔隙水压会有所上涨，继而土体有效应力沿深度方向出现不同程度降低，在部分区域由于 剪应力达到了相应位置处的抗剪强度而逐渐形成潜在滑动面，堤坝边坡会在滑动面贯通后发 生失稳破坏，造成一定的经济损失，甚至会威胁临近区域人民的生命安全。

在理论层面，土体单元所受剪应力与主应力间的转化关系已经被公众所熟知，但在实际 工程测量当中土体主应力状态的捕捉是非常困难的，同时目前尚无有效测量土体剪应力的技 术手段；针对复杂地形及外在荷载扰动下土体受力状态的评估，忽视剪应力往往会造成过高 评估路基、边坡的强度特征，进而影响对路基及边坡的长期稳定性的判断。同时，土体是由 离散土颗粒、水和空气三项介质经压密组合而成，其在复杂荷载作用下所受剪应力以及剪应 力的变化过程难以得到有效、精确测量，因此亟需一种测量手段能够应用于工程实践以及相 应室内土工模型试验，用于获取路基、边坡内土体单元所受到的剪应力。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种用于测量铁路、公路路基以及堤坝边坡土体剪应力的装 置，该装置不仅能够消除垂直于剪应力测量盘表面的应力的影响，还充分考虑了与剪应力测 量盘表面平行的所有分力的影响。通过合理计算剪应力测量盘与外围所有接触点的分力，剪 应力测量盘表面上的剪应力幅值及其方向可以得到有效确定。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种用于测量铁路、公路路基及堤坝边坡 土体剪应力的装置，包括剪应力测量盘、锁扣和底座；所述剪力测量盘由‘凸’型结构的圆 盘及至少四个沿圆周方向均匀竖起固定在圆盘下层的挡臂组成，每个挡臂内侧上贴附压应力 测量元件；所述锁扣中心开有通孔，圆盘的上端穿过通孔后将锁扣扣在挡臂上，且锁扣与压 应力测量元件相切，同时锁扣固定连接在底座上，所述挡臂与锁扣接触力指向剪应力测量盘 的轴心方向；所述剪应力测量盘的底面与底座之间支承有一圈钢珠。

进一步的，使用圆环形防渗条将剪应力测量盘的外壁与锁扣的通孔之间的空隙密封。

进一步的，所述锁扣通过螺丝固定于底座上，使用螺丝孔顶盖将螺丝孔密封。

进一步的，所述钢珠放置在用于限制其水平方向移动的约束套环上，约束套环被夹在剪 应力测量盘的下表面和底座之间。

进一步的，所述底座上开有与压应力测量元件一一对应的信号线预留孔，所有信号线预 留孔汇集连通到开设在底座上的接口，接口上安装密封盖。

本发明的另一目的是提供一种测量铁路、公路路基及堤坝边坡土体剪应力的方法，该方 法在上述的装置中实现，具体包括如下步骤：

(1)将该装置放入待测量的土体内，若剪应力测量盘上表面所受剪应力为则剪应力 测量盘上表面所受剪力

(2)剪应力测量盘有n(n≥4)个挡臂，每个挡臂内侧上贴附压应力测量元件，在第i个挡臂上可测量得到的压力为 的方向背向剪应力测量盘轴心方向，根据力的平行四边形 法则，剪应力测量盘所有挡臂受力的合力

(3)根据牛顿第一定律，因此，

本发明的有益效果如下：

1)基于现有高精度压应力测量元件，土体所受剪应力及其变化过程可以得到有效、精准 测量，上述装置成本较低，且构造简单，安装调试方便。

2)钢珠尺寸可调，可通过减小钢珠直径与增加钢珠数量以满足垂直于剪应力测量盘表面 正压力的不同幅值要求。同时，该测量装置可通过调整尺寸来满足不同路基与边坡土体性质 的要求，如铁路道砟颗粒较大，需要大尺寸剪应力测量装置来满足工程与研究需要。

3)该剪应力测量装置也可非水平放置于土体内，在上覆土体覆盖前，记录或清除由该剪 应力装置自身重力引起的四个压应力传感器荷载输出，通过换算可获得倾斜剪应力测量面所 受剪应力的幅值及方向。

4)改善了当前在工程与研究当中难以测量土体剪应力的现状，可实时高效地监测在交通 移动荷载，地震循环荷载，以及其它类型动荷载下，路基、边坡等内部土体剪应力的变化情 况。可与其它压应力传感器结合，有助于获知土体在复杂外在荷载作用下的三维空间受力状 态，为工程实践与科学研究提供技术支撑。

附图说明：

图1为本发明装置俯视图；

图2a为图1沿A”-A”方向的剖面示意图；

图2b为图1沿A-A方向的剖面示意图；

图3a为本发明装置中剪应力测量盘俯视图；

图3b为本发明装置中剪应力测量盘全剖视图；

图4a为本发明装置中测量盘锁扣俯视图；

图4b为图4a沿A’-A’方向的剖面示意图；

图5为图2b沿C-C方向的剖面示意图；

图6为图2b沿D-D方向的剖面示意图；

图7为本发明装置中剪应力测量盘与测量盘锁扣接触位置处的受力示意图；

图8为本发明装置实际应用示意图；

图中，锁扣1、圆环形防渗条2、剪应力测量盘3、挡臂4、压应力测量元件5、螺丝6、螺丝孔7、约束套环8、信号线预留孔9、钢珠10、接口11、螺丝孔顶盖12、信号线预留孔 13、列车14、轨道系统15、路基16、用于测量铁路、公路路基及堤坝边坡土体剪应力的装 置17、底座18。

具体实施方式

下面结合实例对本发明做进一步说明

实施例：

如图8所示，在列车14高速运行过程中，列车自身重量通过轮轴-轮子-轨道系统15传 递至下部路基16；相对于路基16，列车14荷载为移动荷载并循环施加于路基内土体。对于 路基16内某一位置处的土体单元，其所受应力在列车靠近-通过-驶离过程中发生显著变化， 主要表现为压应力与剪应力重复性激增并伴随方向改变。在工程实践当中，路基、边坡、地 基土体所受荷载虽然复杂，但其主应力方向易于确认，并在不考虑循环动荷载的情况下，主 应力幅值及方向不会发生明显改变，因此引起的关注有限。随着我国高速铁路的快速发展， 为保障高速列车安全、舒适运行，施工期及运行期对路基沉降控制要求严苛，促使相关研究 人员与工程人员研发精密测量仪器，高效精确地获取路基内土体在列车通过时的受力变化特 征，进而可对路基的变形潜势有更加精准的判断。

将该发明的用于测量铁路、公路路基及堤坝边坡土体剪应力的装置17埋设于指定位置， 并与外界信号接受设备相连接；在列车通过时可测量在指定位置处剪应力的变化情况。也可 将多台装置同时埋设于不同位置，用于研究列车可引起剪应力的范围。对于存在放坡的路基， 可将该测量装置以任意角度放置，通过后期数据处理可消除测量装置自身质量产生的影响， 可同时获得上方土体自重引起的静剪应力，以及列车通过时产生的动剪应力。

如图1、图2a、图2b、图3a、图3b、图4a、图4b、图5、图6、图7所示，本发明提供 一种用于测量铁路、公路路基及堤坝边坡土体剪应力的装置，包括剪应力测量盘3、锁扣1 和底座18；所述剪力测量盘3由‘凸’型结构的圆盘及至少四个沿圆周方向均匀竖起固定在 圆盘下层的挡臂4组成(图中给出了四个挡臂的实施例)，每个挡臂4内侧上贴附压应力测 量元件5；所述锁扣1中心开有通孔，圆盘的上端穿过通孔后将锁扣1扣在挡臂4上，且锁 扣1与压应力测量元件5相切，同时锁扣1固定连接在底座18上，所述挡臂4与锁扣1接触 力指向剪应力测量盘3的轴心方向；所述剪应力测量盘3的底面与底座18之间支承有一圈钢 珠10。

为能够使剪应力测量盘3上表面与周围土体充分接触，剪应力测量盘3的上表面应做粗 糙处理。为保障本发明的测量装置能够重复使用，所述锁扣1通过螺丝6固定于底座18上， 使用螺丝孔顶盖12将螺丝孔7密封，以防止土颗粒以及孔隙水流入。使用圆环形防渗条2将 剪应力测量盘3的外壁与锁扣1的通孔之间的空隙进行密封，用于防止孔隙水渗入以及土颗 粒落入，装置底座18接口将利用接口盖做密封处理。

所述钢珠放置在用于限制其水平方向移动的约束套环8上，约束套环8被夹在剪应力测 量盘3的下表面和底座18之间，在钢珠的作用下，剪应力测量盘3可在水平面内自由滑动与 旋转。

所述底座18上开有与压应力测量元件5一一对应的信号线预留孔9，所有信号线预留孔 9汇集连通到开设在底座18上的接口11，接口11上安装密封盖，压应力测量元件5的信号 线放置在信号线预留孔9中，最后汇集从接口11上的密封盖穿出。需要注意的是，压应力测 量元件5的信号线的直径与摆放位置，以剪应力测量盘3在锁扣1安装完毕后能够旋转2度 以上为合格，但不能过度旋转以防止剪应力测量盘3被信号线卡住。压应力测量元件5可以 选用薄膜压力传感器(RFP602)、KFGS通用箔式应变片等，但不限于此。

上述装置放入路基、堤坝边坡，或相应的路基、边坡模型内，根据牛顿第三定律，测量 装置上侧相邻位置处土体所受到的剪应力也将会施加于剪应力测量盘3表面，同时剪应力测 量盘3也会受到垂直于测量盘方向的压应力。垂直于测量盘方向的压应力将通过钢珠与测量 装置底座18传递至装置下侧土体。剪应力测量盘3所受到的剪应力将传递至测量盘与测量盘 锁扣1的四个接触点，由于圆柱曲面与其切面的接触力仅指向圆柱曲面的中轴线，即所有接 触点的荷载均指向剪应力测量盘3的轴心方向。由于接触点所受荷载方向与压应力测量元件 5垂直，压应力测量元件5测量得到的压应力即为此接触点处的合力，而不存在沿压应力测 量元件5表面的任何摩擦力。基于力的平行四边形法则，可以计算得到四个接触点测量荷载 的合力及其方向，该合力除以剪应力测量盘3上表面的面积后，即可得到剪应力测量装置上 方土体与装置上表面接触面位置处土体所受剪应力。具体测量方法包括如下步骤：

(1)将该装置放入待测量的土体内，若剪应力测量盘3上表面所受剪应力为由于剪 应力测量盘3测量面积A较小，剪应力在该测量面上可认为均匀分布，因此，剪应力测量盘 3上表面所受剪力

(2)剪应力测量盘3有n(n≥4)个挡臂4，每个挡臂4内侧上贴附压应力测量元件5，在第i个挡臂4上可测量得到的压力为 的方向背向剪应力测量盘3轴心方向，根据力的平行四边形法则，剪应力测量盘3所有挡臂4受力的合力

(3)根据牛顿第一定律，因此，

(4)垂直于剪应力测量盘3上表面的荷载通过钢珠与底座18传递至装置下侧的土体， 不干扰上述计算得到的剪应力；同时，剪应力产生的旋转扭矩由钢珠的支撑力平衡。

该测量装置突破了以往难以测量土体剪应力的现状；其不仅仅可应用于高铁路基动力响 应方面，还可应用于边坡工程、地基工程等相关领域。由于该测量装置尺寸可变，其也可应 用于多尺度的模型试验当中，研究具有不同颗粒级配土体的剪应力特征。

Claims (6)

1.一种用于测量铁路、公路路基及堤坝边坡土体剪应力的装置，其特征在于，包括剪应力测量盘、锁扣和底座等；所述剪力测量盘由‘凸’型结构的圆盘及至少四个沿圆周方向均匀竖起固定在圆盘下层的挡臂组成，每个挡臂内侧上贴附压应力测量元件；所述锁扣中心开有通孔，圆盘的上端穿过通孔后将锁扣扣在挡臂上，且锁扣与压应力测量元件相切，同时锁扣固定连接在底座上，所述挡臂与锁扣接触力指向剪应力测量盘的轴心方向；所述剪应力测量盘的底面与底座之间支承有一圈钢珠。

2.根据权利要求1所述的一种用于测量铁路、公路路基及堤坝边坡土体剪应力的装置，其特征在于，使用圆环形防渗条将剪应力测量盘的外壁与锁扣的通孔之间的空隙进行密封。

3.根据权利要求1所述的一种用于测量铁路、公路路基及堤坝边坡土体剪应力的装置，其特征在于，所述锁扣通过螺丝固定于底座上，使用螺丝孔顶盖将螺丝孔密封。

4.根据权利要求1所述的一种用于测量铁路、公路路基及堤坝边坡土体剪应力的装置，其特征在于，所述钢珠放置在用于限制其水平方向移动的约束套环上，约束套环被夹在剪应力测量盘的下表面和底座之间。

5.根据权利要求1所述的一种用于测量铁路、公路路基及堤坝边坡土体剪应力的装置，其特征在于，所述底座上开有与压应力测量元件一一对应的信号线预留孔，所有信号线预留孔汇集连通到开设在底座上的接口，接口上安装密封盖。

6.一种测量铁路、公路路基及堤坝边坡土体剪应力的方法，其特征在于，该方法在权利要求1所述的装置中实现，具体包括如下步骤：

(1)将该装置放入待测量的土体内，若剪应力测量盘上表面所受剪应力为则剪应力测量盘上表面所受剪力

(2)剪应力测量盘有n(n≥4)个挡臂，每个挡臂内侧上贴附压应力测量元件，在第i个挡臂上可测量得到的压力为 的方向背向剪应力测量盘轴心方向，根据力的平行四边形法则，剪应力测量盘所有挡臂受力的合力

(3)根据牛顿第一定律，因此，