CN111442992A - 非饱和土三维应力状态动态测试装置及其实施方法 - Google Patents

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CN111442992A CN202010498019.9A CN202010498019A CN111442992A CN 111442992 A CN111442992 A CN 111442992A CN 202010498019 A CN202010498019 A CN 202010498019A CN 111442992 A CN111442992 A CN 111442992A
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Abstract

本发明提供了非饱和土三维应力状态动态测试装置及其实施方法，该装置是基于主应力与应力状态之间的关系，结合基质吸力和孔隙水压力的各向同性基础，通过球体结构削弱了应力集中对测试结果的影响，采用双模等效方法实现了曲面与平面受力之间的转换，采用倾角传感技术手段量化了装置旋转引起的误差。同时提供了非饱和土三维应力状态动态测试装置的实施方法。本发明有益效果是：减小应力集中对装置骨架和测试结果的影响和土体颗粒位置变化嵌入受力膜片造成的误差；向量计算方式降低了计算繁杂程度；多方位选取测试方向的方式提升主应力测试精度，从而提升非饱和状态下土体内部应力状态量测准确度，为岩土工程安全建设与可靠运行提供保障。

Description

非饱和土三维应力状态动态测试装置及其实施方法
技术领域
本发明属于三维土压力测试领域，具体为一种非饱和土三维应力状态动态测试装置及其实施方法，适用于岩土力学与工程领域。
技术背景
非饱和土是由土颗粒、水和气组成的多相体，饱和土是由土颗粒和水组成的二相体，干土是由土颗粒和气组成的二相体。一般情况下，陆地表层涉及的均为非饱和土或近似饱和土问题。非饱和土是存在范围最广的土体，饱和土和干土仅是非饱和土的一种特殊状态。应力状态的量测是确定最大主应力方向及其大小的依据，是评估土体结构稳定性的基础。因此，给出能够测定非饱和状态下土体内部的三维应力状态，对于提升工程建设的安全性，保证工程监测与检测的可靠性具有重要作用。
目前的三维土压力测试装置存在以下不足：①依附于有棱角的基座设置，如公开号为CN106442104A、CN105606261A、CN109443604A的中国专利，均不能消除基座的应力集中问题；②可以测定总应力或饱和土的有效应力状态，如公开号为CN106248267A、CN105403330A、CN109990941A、C N109443604A的中国专利，但不能测定非饱和土有效的应力状态；③不能排除测试过程中测试装置角度变化引起的误差，如公开号为CN108169458A、CN109990941A的中国专利；或是存在计算复杂的问题，如公开号为CN106525297A的中国专利；亦或存在计算错误问题，如公开号CN109443604的中国专利，当A中的θ、
Figure BDA0002523598680000011
δ均为0时，其公式(6)得到的结果并非单位矩阵，即仍需对公式(1)进行修正，也就是说未发生旋转的情况下其测试结果也是旋转了的；④不能考虑受力过程中颗粒与压力传感器接触界面数量变化对结果的影响，如公开号为CN109990941A、CN109443604A的中国专利；⑤不能考虑土体各向异性对一点真实应力状态的反映，如公开号为CN109990941A、CN109443604A的中国专利。该类问题造成了测试结果与真实值之间的误差，使得非饱和土中一点的三维应力状态认识不够准确。
为克服以上不足，必须解决的问题有：①传感器的表面更加圆滑以降低应力集中问题；②能够测定土体的孔隙水压力和基质吸力；③能够确定测试过程中传感器的角度变化；④排除土颗粒嵌入测试膜片引起的微量误差；⑤能够直接测定主要受力方向或坐标方向的应力值。
发明内容
鉴于上述缺点，本发明的目的是提供非饱和土三维应力状态动态测试装置及其实施方法，以提升对非饱和土内部三维应力状态的量测精度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种非饱和土三维应力状态动态测试装置，该装置包括有：球状本体、圆弧弹性膜片、下层平面弹性膜片、液压油、圆弧透水板、圆弧陶土板、高灵敏弹性膜片、环形应变片、圆弧状倾角传感器、数据导线；所述球状本体外观呈球状，表面开有26个大小一致的圆柱形凹槽，其中顶面和底面各1个圆柱形凹槽，另外24个圆柱形凹槽平均分为上中下三层关于顶面圆柱形凹槽和底面圆柱形凹槽对称分布在球状本体上；所述圆柱形凹槽底部开有比圆槽直径小的通透的圆孔，圆孔朝球状本体中心开有传感器数据导线通道；将环形应变片粘贴在高灵敏弹性膜片外侧，并将环形应变片的信号线与数据导线相连接，将粘贴有环形应变片的高灵敏弹性膜片布置在球状本体中间层的两个相邻圆柱形凹槽底部并与圆孔连接，并分别将圆弧透水板和圆弧陶土板布置在高灵敏弹性膜片的上部，分别将圆弧透水板与球状本体和圆弧陶土板与球状本体之间的缝隙用密封胶填满以保证水汽压力是分别通过圆弧透水板和圆弧陶土板传递给高灵敏弹性膜片，其中圆弧透水板和圆弧陶土板的外表面与球状本体表面平齐；将圆弧状倾角传感器布置在中间层与圆弧陶土板的圆柱形凹槽相邻的圆柱形凹槽内，且圆弧状倾角传感器的外表面与球状本体表面平齐；将环形应变片粘贴在下层平面弹性膜片外侧，将圆弧弹性膜片边缘与下层平面弹性膜片边缘连接一体，并将液压油填满圆弧弹性膜片与下层平面弹性膜片之间的空腔，将环形应变片的信号线与数据导线相连接，即形成双膜传感器；将所述的双膜传感器布置在除底部圆柱形凹槽外的其余22个圆柱形凹槽内，且双膜传感器的圆弧弹性膜片外表面与球状本体表面平齐；将圆弧状倾角传感器的数据导线和环形应变片的数据导线穿过球状本体底部的圆柱形凹槽与外部采集系统相连接，并将数据导线与球状本体底部圆柱形凹槽之间的孔隙用密封胶填满，即形成所述的非饱和土三维应力状态动态测试装置。
所述的圆弧透水板内侧边沿设置有支撑环，以便于圆弧透水板不直接与高灵敏弹性膜片直接接触；所述圆弧陶土板内侧边沿设置有陶土板支撑环，以便于圆弧陶土板不直接与高灵敏弹性膜片直接接触；所述下层平面弹性膜片和高灵敏弹性膜片均分为外侧固定圈和圆形测试区，所述环形应变片依据中心对称粘贴在下层平面弹性膜片和高灵敏弹性膜片圆形测试区的0.577倍半径之内。
一种非饱和土三维应力状态动态测试装置的实施方法，该方法包括以下步骤：
1)布设所述的非饱和土三维应力状态动态测试装置，并将数据导线与采集系统相连接；
2)以球状本体的中心为原点，以球状本体的顶面与底面的中间点连线为z轴正方向，以原点与弧状倾角传感器表面中心的连线为x轴正方向，按照右手系建立空间直角坐标系，并对球体本体上的圆柱形凹槽进行编号，其中Au为布置有圆弧透水板的圆柱形凹槽，As为布置有圆弧陶土板的圆柱形凹槽，AT为布置有圆弧状倾角传感器的圆柱形凹槽，A1为球状本体顶部方向的圆柱形凹槽；A2、A3、A4、A5、A6为球状本体中间层从圆弧透水板的圆柱形凹槽相邻圆柱形凹槽开始顺时针方向的5个相邻圆柱形凹槽，A7、A8、A9、A10、A11、A12、A13、A14为布置在球状本体上层从与圆弧透水板的圆柱形凹槽相邻圆柱形凹槽开始顺时针方向的8个相邻圆柱形凹槽，A15、A16、A17、A18、A19、A20、A21、A22为布置在球状本体下层从与圆弧透水板的圆柱形凹槽相邻圆柱形凹槽开始顺时针方向的8个相邻圆柱形凹槽；
3)开启采集系统并依据步骤2)中建立的空间直角坐标系方位平衡圆弧状倾角传感器的度数，之后将平衡后的非饱和土三维应力状态动态测试装置埋入非饱和土体内部；
4)根据布置在圆柱形凹槽上的双膜传感器能够测定22个方向的双膜传感器测试值σi，i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22，其中σ1为布置在球状本体A1圆柱形凹槽上双膜传感器的测试值，σ2、σ3、σ4、σ5、σ6为布置在球状本体A2、A3、A4、A5、A6圆柱形凹槽上双膜传感器的测试值，σ7、σ8、σ9、σ10、σ11、σ12、σ13、σ14为布置在球状本体A7、A8、A9、A10、A11、A12、A13、A14圆柱形凹槽上双膜传感器的测试值，σ15、σ16、σ17、σ18、σ19、σ20、σ21、σ22为布置在球状本体A15、A16、A17、A18、A19、A20、A21、A22圆柱形凹槽上双膜传感器的测试值，σu为布置在球状本体Au圆柱形凹槽上应变片传感器的测试值，σs为布置在球状本体As圆柱形凹槽上应变片传感器的测试值，θ、η、ζ分别为布置在球状本体AT圆柱形凹槽上的圆弧状倾角传感器采集到的绕z、y、x轴的夹角；
5)利用公式(1)计算非饱和土三维应力状态动态测试装置上σi方向的有效应力值σi’，其中i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22，公式(1)为：
σ′i＝σi-(σs+σu)+Seσs (1)
式中，σi’为非饱和土三维应力状态动态测试装置上Ai圆柱形凹槽上的有效应力值，i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22，σi为布置在球状本体Ai圆柱形凹槽上双膜传感器的测试值，σu为布置在球状本体Au圆柱形凹槽上应变片传感器的测试值，σs为布置在球状本体As圆柱形凹槽上应变片传感器的测试值，Se为非饱和土的有效饱和度；
6)依据步骤2)建立的空间直角坐标系，将σi方向用过原点的单位向量
Figure BDA0002523598680000056
表示出来，其中i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22；
7)采用公式(2)将非饱和土三维应力状态动态测试装置的动态测试方向向量
Figure BDA0002523598680000057
表示出来，公式(2)为：
Figure BDA0002523598680000051
式中，
Figure BDA0002523598680000052
为非饱和土三维应力状态动态测试装置的动态测试方向向量，i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22，θ、η、ζ分别为布置在球状本体AT圆柱形凹槽的圆弧状倾角传感器采集到的绕z、y、x轴的夹角，
Figure BDA0002523598680000058
方向过原点的单位向量；
8)将非饱和土三维应力状态动态测试装置动态测试方向的方向余弦Di{li’,mi’,ni’}用公式(3)、(4)、(5)分别计算出来，公式为：
Figure BDA0002523598680000053
Figure BDA0002523598680000054
Figure BDA0002523598680000055
式中，li’、mi’、ni’为非饱和土三维应力状态动态测试装置动态测试方向的方向余弦，i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22，
Figure BDA0002523598680000065
为非饱和土三维应力状态动态测试装置的动态测试方向向量，
Figure BDA0002523598680000062
为非饱和土三维应力状态动态测试装置动态测试方向向量的模，
Figure BDA0002523598680000063
分别为x、y、z轴上的单位向量，
Figure BDA0002523598680000064
分别为x、y、z轴上单位向量的模；
9)选取6个不相同的方向余弦Di{li’,mi’,ni’}构建公式(6)所示转换矩阵M，其中i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22，并分别将选取的方向余弦记为Di1{li1’,mi1’,ni1’}、Di2{li2’,mi2’,ni2’}、Di3{li3’,mi3’,ni3’}、Di4{li4’,mi4’,ni4’}、Di5{li5’,mi5’,ni5’}、Di6{li6’,mi6’,ni6’}，公式(6)为：
Figure BDA0002523598680000061
式中，M为转换矩阵，Di1{li1’,mi1’,ni1’}、Di2{li2’,mi2’,ni2’}、Di3{li3’,mi3’,ni3’}、Di4{li4’,mi4’,ni4’}、Di5{li5’,mi5’,ni5’}、Di6{li6’,mi6’,ni6’}为选取的6个不相同的方向余弦，i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22；
10)计算式(6)中矩阵M的逆矩阵M-1，并依据公式(7)计算非饱和土三维应力状态动态值{σ}，公式(7)为：
{σ}＝M-1·{σ′ij} (7)
式中，{σ}为非饱和土三维应力状态动态值，M-1为矩阵M的逆矩阵，{σ′ij}为依据公式(1)确定的步骤9)中方向余弦Di1{li1’,mi1’,ni1’}、Di2{li2’,mi2’,ni2’}、Di3{li3’,mi3’,ni3’}、Di4{li4’,mi4’,ni4’}、Di5{li5’,mi5’,ni5’}、Di6{li6’,mi6’,ni6’}所对应方向的有效应力值σi’，i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22，j为6个不相同的方向余弦Di{li’,mi’,ni’}的顺序编号，j＝1、2、3、4、5、6。
本发明的效果是该非饱和土三维应力状态动态测试装置采用球体外观，减小了应力集中对装置骨架和测试结果的影响；采用不可压缩液压油的缓冲双模模式，减小了土体颗粒嵌入受力膜片造成的测试误差；采用向量计算的方式降低了计算繁杂程度；采用多方位选取测试方向的方式，提升主应力测试精度；实现了非饱和土三维应力状态动态测试。若单个环形应变片的测试精度为k，则3个主应力的测试精度在水平8个方向均为k，推算真值的最差角度为22.5°，量程优于土体的最小内摩擦角范围。精度的提高能够最大限度的提升非饱和状态下土体内部的应力状态量测准确度，为岩土工程安全建设与可靠运行提供保障。
附图说明
图1为本发明的非饱和土三维应力状态动态测试装置的剖面图；
图2为本发明的非饱和土三维应力状态动态测试装置的俯视示意图；
图3为本发明的非饱和土三维应力状态动态测试装置的仰视示意图；
图4为本发明的双膜传感器剖面示意图；
图5为本发明的圆弧透水板/陶土板剖面示意图；
图6为本发明的高灵敏/平面弹性膜片内侧平面示意图。
图中：
1.球状本体 2.圆弧弹性膜片 3.平面弹性膜片
4.液压油 5.圆弧透水板 6.圆弧陶土板
7.高灵敏弹性膜片 8.环形应变片 9.圆弧状倾角传感器
10.数据导线 11.圆形凹槽 12.传感器数据导线通道
21.双膜传感器 31.外侧固定圈 32.圆形测试区
111.圆孔 112.密封胶
具体实施方式
结合附图对本发明的非饱和土三维应力状态动态测试装置及其实施方法加以说明。
本发明的非饱和土三维应力状态动态测试装置及其实施方法设计原理是：基于主应力与应力状态之间的关系，结合基质吸力和孔隙水压力的各向同性基础，提出通过球体外观削弱应力集中对测试结果的影响，采用双模等效方法实现了曲面与平面受力之间的转换，进而计算获取非饱和土三维应力状态。
本发明的非饱和土三维应力状态动态测试装置及其实施方法具体实施方式如下：
如图1-3所示的非饱和土三维应力状态动态测试装置，包括：球状本体1、圆弧弹性膜片2、下层平面弹性膜片3、液压油4、圆弧透水板5、圆弧陶土板6、高灵敏弹性膜片7、环形应变片8、圆弧状倾角传感器9、数据导线10；所述球状本体1外观呈球状，表面开有26个大小一致的圆柱形凹槽11，其中顶面和底面各1个圆柱形凹槽11，另外24个圆柱形凹槽11平均分为上中下三层关于顶面圆柱形凹槽11和底面圆柱形凹槽11对称分布在球状本体1上；所述圆柱形凹槽11底部开有比圆槽直径小的通透的圆孔111，圆孔111朝球状本体1中心开有传感器数据导线通道12；将环形应变片8粘贴在高灵敏弹性膜片7外侧，并将环形应变片8的信号线与数据导线10相连接，将粘贴有环形应变片8的高灵敏弹性膜片7布置在球状本体1中间层的两个相邻圆柱形凹槽11底部并与圆孔111连接，并分别将圆弧透水板5和圆弧陶土板6布置在高灵敏弹性膜片7的上部，分别将圆弧透水板5与球状本体1和圆弧陶土板6与球状本体1之间的缝隙用密封胶112填满以保证水汽压力是分别通过圆弧透水板5和圆弧陶土板6传递给高灵敏弹性膜片7，其中圆弧透水板5和圆弧陶土板6的外表面与球状本体1表面平齐；将圆弧状倾角传感器9布置在中间层与圆弧陶土板6的圆柱形凹槽11相邻的圆柱形凹槽11内，且圆弧状倾角传感器9的外表面与球状本体1表面平齐；将环形应变片8粘贴在下层平面弹性膜片3外侧，将圆弧弹性膜片2边缘与下层平面弹性膜片3边缘连接一体，并将液压油4填满圆弧弹性膜片2与下层平面弹性膜片3之间的空腔，将环形应变片8的信号线与数据导线10相连接，即形成双膜传感器21，如图4所示；将所述的双膜传感器21布置在除底部圆柱形凹槽11外的其余22个圆柱形凹槽11内，且双膜传感器21的圆弧弹性膜片2外表面与球状本体1表面平齐；将圆弧状倾角传感器9的数据导线10和环形应变片8的数据导线10穿过球状本体1底部的圆柱形凹槽11与外部采集系统相连接，并将数据导线10与球状本体1底部圆柱形凹槽11之间的孔隙用密封胶112填满，即形成所述的非饱和土三维应力状态动态测试装置。
所述的圆弧透水板5内侧边沿设置有支撑环51，以便于圆弧透水板5不直接与高灵敏弹性膜片7直接接触，如图5所示；所述圆弧陶土板6内侧边沿设置有陶土板支撑环61，以便于圆弧陶土板6不直接与高灵敏弹性膜片7直接接触；所述下层平面弹性膜片3和高灵敏弹性膜片7均分为外侧固定圈31和圆形测试区32，如图6所示；所述环形应变片8依据中心对称粘贴在下层平面弹性膜片和高灵敏弹性膜片7圆形测试区32的0.577倍半径之内。
非饱和土三维应力状态动态测试装置的实施方法，该方法包括以下步骤：
1)组装所述的非饱和土三维应力状态动态测试装置，并将数据导线10与采集系统相连接；
2)以球状本体1的中心为原点，以球状本体1的顶面与底面的中间点连线为z轴正方向，以原点与弧状倾角传感器9表面中心的连线为x轴正方向，按照右手系建立空间直角坐标系，并对球状本体1上的圆柱形凹槽11进行编号，其中Au为布置有圆弧透水板5的圆柱形凹槽11，As为布置有圆弧陶土板6的圆柱形凹槽11，AT为布置有圆弧状倾角传感器9的圆柱形凹槽11，A1为球状本体1顶部方向的圆柱形凹槽11；A2、A3、A4、A5、A6为球状本体1中间层从圆弧透水板5的圆柱形凹槽11相邻圆柱形凹槽11开始顺时针方向的5个相邻圆柱形凹槽11，A7、A8、A9、A10、A11、A12、A13、A14为布置在球状本体1上层从与圆弧透水板5的圆柱形凹槽11相邻圆柱形凹槽11开始顺时针方向的8个相邻圆柱形凹槽11，A15、A16、A17、A18、A19、A20、A21、A22为布置在球状本体1下层从与圆弧透水板5的圆柱形凹槽11相邻圆柱形凹槽11开始顺时针方向的8个相邻圆柱形凹槽11；
3)开启采集系统并依据步骤2)中建立的空间直角坐标系方位平衡圆弧状倾角传感器9的度数，之后将平衡后的非饱和土三维应力状态动态测试装置埋入非饱和土体内部；
4)根据布置在圆柱形凹槽11上的双膜传感器21测定22个方向的双膜传感器21测试值σi，i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22，其中σ1为布置在球状本体1A1圆柱形凹槽11上双膜传感器21的测试值，σ2、σ3、σ4、σ5、σ6为布置在球状本体1A2、A3、A4、A5、A6圆柱形凹槽11上双膜传感器21的测试值，σ7、σ8、σ9、σ10、σ11、σ12、σ13、σ14为布置在球状本体1A7、A8、A9、A10、A11、A12、A13、A14圆柱形凹槽11上双膜传感器21的测试值，σ15、σ16、σ17、σ18、σ19、σ20、σ21、σ22为布置在球状本体1A15、A16、A17、A18、A19、A20、A21、A22圆柱形凹槽11上双膜传感器21的测试值，σu为布置在球状本体1Au圆柱形凹槽11上应变 片传感器的测试值，σs为布置在球状本体1As圆柱形凹槽11上变片传感器的测试值，θ、η、ζ分别为布置在球状1AT圆柱形凹槽11上的圆弧状倾角传感器9采集到的绕z、y、x轴的夹角；
5)利用公式(1)计算非饱和土三维应力状态动态测试装置上σi方向的有效应力值σi’，其中i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22，公式(1)为：
σ′i＝σi-(σs+σu)+Seσs (1)
σ′i＝σi-(σs+σu)+χσs (2)
式中，σi’为非饱和土三维应力状态动态测试装置上Ai圆柱形凹槽11上的有效应力值，i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22，σi为布置在球状本体1Ai圆柱形凹槽11上双膜传感器21的测试值，σu为布置在球状本体1Au圆柱形凹槽11上高灵敏弹性膜片7的测试值，σs为布置在球状本体1As圆柱形凹槽11上高灵敏弹性膜片7的测试值，Se为非饱和土的有效饱和度，χ为土的饱和度相关参数；
6)依据步骤2)建立的空间直角坐标系，将σi方向用过原点的单位向量
Figure BDA0002523598680000113
表示出来，其中i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22；
7)采用公式(3)将非饱和土三维应力状态动态测试装置的动态测试方向向量
Figure BDA0002523598680000114
表示出来，公式(3)为：
Figure BDA0002523598680000111
式中，
Figure BDA0002523598680000112
为非饱和土三维应力状态动态测试装置的动态测试方向向量，i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22，θ、η、ζ分别为布置在球状本体1AT圆柱形凹槽11上的圆弧状倾角传感器9采集到的绕z、y、x轴的夹角，
Figure BDA0002523598680000127
为σi方向过原点的单位向量；
8)将非饱和土三维应力状态动态测试装置动态测试方向的方向余弦Di{li’,mi’,ni’}用公式(4)、(5)、(6)分别计算出来，公式为：
Figure BDA0002523598680000121
Figure BDA0002523598680000122
Figure BDA0002523598680000123
式中，li’、mi’、ni’为非饱和土三维应力状态动态测试装置动态测试方向的方向余弦，i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22，
Figure BDA0002523598680000128
为非饱和土三维应力状态动态测试装置的动态测试方向向量，
Figure BDA0002523598680000124
为非饱和土三维应力状态动态测试装置动态测试方向向量的模，
Figure BDA0002523598680000125
分别为x、y、z轴上的单位向量，
Figure BDA0002523598680000126
分别为x、y、z轴上单位向量的模；
9)选取6个不相同的方向余弦Di{li’,mi’,ni’}构建公式(7)所示转换矩阵M，其中i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22，并分别将选取的方向余弦记为Di1{li1’,mi1’,ni1’}、Di2{li2’,mi2’,ni2’}、Di3{li3’,mi3’,ni3’}、Di4{li4’,mi4’,ni4’}、Di5{li5’,mi5’,ni5’}、Di6{li6’,mi6’,ni6’}，公式(7)为：
Figure BDA0002523598680000131
式中，M为转换矩阵，Di1{li1’,mi1’,ni1’}、Di2{li2’,mi2’,ni2’}、Di3{li3’,mi3’,ni3’}、Di4{li4’,mi4’,ni4’}、Di5{li5’,mi5’,ni5’}、Di6{li6’,mi6’,ni6’}为选取的6个不相同的方向余弦，i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22；
10)计算式(7)中矩阵M的逆矩阵M-1，并依据公式(8)计算非饱和土三维应力状态动态值{σ}，公式(8)为：
{σ}＝M-1·{σ′ij} (8)
式中，{σ}为非饱和土三维应力状态动态值，M-1为矩阵M的逆矩阵，{σ′ij}为依据公式(1)确定的步骤9)中方向余弦Di1{li1’,mi1’,ni1’}、Di2{li2’,mi2’,ni2’}、Di3{li3’,mi3’,ni3’}、Di4{li4’,mi4’,ni4’}、Di5{li5’,mi5’,ni5’}、Di6{li6’,mi6’,ni6’}所对应方向的有效应力值σi’，i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22，j为6个不相同的方向余弦Di{li’,mi’,ni’}的顺序编号，j＝1、2、3、4、5、6。
本发明的技术特点有：
(1)采用球体外观，减小了应力集中对装置骨架和测试结果的影响；
(2)采用不可压缩液压油的缓冲双模模式，减小了土体颗粒嵌入受力膜片造成的误差；
(3)采用向量计算的方式降低了数据计算的繁杂程度；
(4)能够通过不同方位的测试主应力修正计算结果的准确性；
(5)考虑埋设和测试过程中装置旋转引起的测试误差，实现了动态测定非饱和土中的三维应力状态。
若单个环形应变片的测试精度为k，则3个主应力的测试精度在水平8个方向均为k，推算真值的最差角度为22.5°，量程优于土体的最小内摩擦角范围。精度的提高能够最大限度的提升非饱和状态下土体内部的应力状态量测准确度，为岩土工程安全建设与可靠运行提供保障。
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，比如将安装面具体至某几个方位，用振弦替代环形应变片，在实施方法中增加传感器的标定等。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 (10)

1.一种非饱和土三维应力状态动态测试装置，包括：球状本体(1)、数据导线(10)，其特征是：所述球状本体(1)外表面设有多个圆柱形凹槽(11)，所述圆柱形凹槽(11)底部圆孔(111)均设有通孔与球状本体中心形成有传感器数据导线通道(12)，所述数据导线(10)在球状本体(1)中心汇总后经底部通道及圆柱形凹槽(11)引出；所述圆柱形凹槽(11)设有圆弧状倾角传感器(9)、应变片传感器或双膜传感器(21)。
2.根据权利要求1所述的一种非饱和土三维应力状态动态测试装置，其特征是：所述双膜传感器包括设置在圆柱形凹槽(11)上层的圆弧弹性膜片(2)、下层平面弹性膜片(3)，所述上层的圆弧弹性膜片(2)和下层平面弹性膜片(3)边缘分别与圆柱形凹槽(11)的内壁密封连接，圆弧弹性膜片(2)和下层平面弹性膜片中间形成液压油(4)的腔室，所述下层平面弹性膜片外侧粘贴有环形应变片(8)。
3.根据权利要求1所述的一种非饱和土三维应力状态动态测试装置，其特征是：所述应变片传感器包括设置在圆柱形凹槽(11)上层的圆弧板、下层平面弹性膜片(3)和下层平面弹性膜片(3)外侧的环形应变片(8)。
4.根据权利要求3所述的一种非饱和土三维应力状态动态测试装置，其特征是：所述上层的圆弧板为圆弧透水板(5)或圆弧陶土板(6)且外表面与球状本体(1)表面平齐，所述圆弧透水板(5)内侧边沿设置有支撑环(51)，所述圆弧陶土板(6)内侧边沿设置有陶土板支撑环(61)；所述圆弧透水板(5)和圆弧陶土板(6)与球状本体(1)之间密封连接，所述下层平面弹性膜片(3)为高灵敏弹性膜片(7)。
5.根据权利要求4所述的一种非饱和土三维应力状态动态测试装置，其特征是：所述下层平面弹性膜片(3)和高灵敏弹性膜片(7)均分为外侧固定圈(31)和圆形测试区(32)，所述环形应变片(8)对称粘贴在下层平面弹性膜片(3)或高灵敏弹性膜片(7)圆形测试区(32)的中心且长度在圆形测试区(32)的0.577倍半径之内。
6.根据权利要求1所述的一种非饱和土三维应力状态动态测试装置，其特征是：所述多个圆柱形凹槽(11)设有26个，分别在球状本体(1)的顶部和底部各设置一个，其余24个圆柱形凹槽(11)分为上中下三层对称分布在球状本体(1)上。
7.根据权利要求6所述的一种非饱和土三维应力状态动态测试装置，其特征是：所述中间层的两个圆柱形凹槽(11)内设有布置有圆弧透水板(5)或圆弧陶土板(6)的应变片传感器，与布置有圆弧陶土板(6)的应变片传感器相邻的一个圆柱形凹槽(11)内设有圆弧状倾角传感器(9)，球状本体(1)底部的圆柱形凹槽(11)作为传感器数据导线(10)通道，其余的圆柱形凹槽(11)内均设置双膜传感器(21)。
8.根据权利要求7所述的一种非饱和土三维应力状态动态测试装置，其特征是：所述球状本体(1)的外表面与圆柱形凹槽(11)上层的圆弧弹性膜片(2)、圆弧透水板(5)、圆弧陶土板(6)或圆弧状倾角传感器(9)外表面平齐。
9.根据权利要求1所述的一种非饱和土三维应力状态动态测试装置，其特征是：所述传感器数据导线(10)的通道内有密封胶(112)作为填充物。
10.一种根据权利要求1所述非饱和土三维应力状态动态测试装置的实施方法，其特征是，包括以下步骤：
1)布设非饱和土三维应力状态动态测试装置，并将数据导线与采集系统相连接；
2)以球状本体(1)的中心为原点、顶面与底面的中间点连线为z轴正方向，以原点与弧状倾角传感器(9)表面中心的连线为x轴正方向，按照右手系建立空间直角坐标系，并对球体本体(1)上的圆柱形凹槽(11)进行编号，其中Au为布置有圆弧透水板(5)的圆柱形凹槽(11)，As为布置有圆弧陶土板(6)的圆柱形凹槽(11)，AT为布置有圆弧状倾角传感器(9)的圆柱形凹槽(11)，A1为球状本体(1)顶部方向的圆柱形凹槽(11)；A2、A3、A4、A5、A6为球状本体(1)中间层从圆弧透水板(5)的圆柱形凹槽(11)开始顺时针方向的5个相邻圆柱形凹槽(11)，A7、A8、A9、A10、A11、A12、A13、A14为布置在球状本体(1)上层从与圆弧透水板(5)的圆柱形凹槽(11)相邻圆柱形凹槽(11)开始顺时针方向的8个相邻圆柱形凹槽(11)，A15、A16、A17、A18、A19、A20、A21、A22为布置在球状本体(1)下层从与圆弧透水板(5)的圆柱形凹槽(11)相邻圆柱形凹槽(11)开始顺时针方向的8个相邻圆柱形凹槽(11)；
3)开启采集系统并依据步骤2)中建立的空间直角坐标系方位平衡圆弧状倾角传感器(9)的度数，之后将平衡后的非饱和土三维应力状态动态测试装置埋入非饱和土体内部；
4)根据布置在圆柱形凹槽(11)上的双膜传感器(21)测定22个方向的双膜传感器(21)测试值σi，i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22，其中σ1为布置在球状本体(1)A1圆柱形凹槽(11)上双膜传感器(21)的测试值，σ2、σ3、σ4、σ5、σ6为布置在球状本体(1)A2、A3、A4、A5、A6圆柱形凹槽(11)上双膜传感器(21)的测试值，σ7、σ8、σ9、σ10、σ11、σ12、σ13、σ14为布置在球状本体(1)A7、A8、A9、A10、A11、A12、A13、A14圆柱形凹槽(11)上双膜传感器(21)的测试值，σ15、σ16、σ17、σ18、σ19、σ20、σ21、σ22为布置在球状本体(1)A15、A16、A17、A18、A19、A20、A21、A22圆柱形凹槽(11)上双膜传感器(21)的测试值，σu为布置在球状本体(1)Au圆柱形凹槽(11)上应变片传感器的测试值，σs为布置在球状本体(1)As圆柱形凹槽(11)上应变片传感器的测试值，θ、η、ζ分别为布置在球状本体(1)AT圆柱形凹槽(11)上的圆弧状倾角传感器(9)采集到的绕z、y、x轴的夹角；
5)利用公式(1)计算非饱和土三维应力状态动态测试装置上σi方向的有效应力值σi’，其中i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22，公式(1)为：
σ′i＝σi-(σs+σu)+Seσs (1)
式中，σi’为非饱和土三维应力状态动态测试装置上Ai圆柱形凹槽(11)上的有效应力值，i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22，σi为布置在球状本体(1)Ai圆柱形凹槽(11)上双膜传感器(21)的测试值，σu为布置在球状本体(1)Au圆柱形凹槽(11)上应变片传感器的测试值，σs为布置在球状本体(1)As圆柱形凹槽(11)上应变片传感器的测试值，Se为非饱和土的有效饱和度；
6)依据步骤2)建立的空间直角坐标系，将σi方向用过原点的单位向量
Figure FDA0002523598670000046
表示出来，其中i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22；
7)采用公式(2)将非饱和土三维应力状态动态测试装置的动态测试方向向量
Figure FDA0002523598670000045
表示出来，公式(2)为：
Figure FDA0002523598670000041
式中，
Figure FDA0002523598670000042
为非饱和土三维应力状态动态测试装置的动态测试方向向量，i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22，θ、η、ζ分别为布置在球状本体(1)AT圆柱形凹槽(11)上的圆弧状倾角传感器(9)采集到的绕z、y、x轴的夹角，
Figure FDA0002523598670000043
Figure FDA0002523598670000044
为σi方向过原点的单位向量；
8)将非饱和土三维应力状态动态测试装置动态测试方向的方向余弦Di{li’,mi’,ni’}用公式(3)、(4)、(5)分别计算出来，公式为：
Figure FDA0002523598670000051
Figure FDA0002523598670000052
Figure FDA0002523598670000053
式中，li’、mi’、ni’为非饱和土三维应力状态动态测试装置动态测试方向的方向余弦，i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22，
Figure FDA0002523598670000054
为非饱和土三维应力状态动态测试装置的动态测试方向向量，
Figure FDA0002523598670000055
为非饱和土三维应力状态动态测试装置动态测试方向的向量模，
Figure FDA0002523598670000056
分别为x、y、z轴上的单位向量，
Figure FDA0002523598670000057
分别为x、y、z轴上单位向量的模；
9)选取6个不相同的方向余弦Di{li’,mi’,ni’}构建公式(6)所示转换矩阵M，其中i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22，并分别将选取的方向余弦记为Di1{li1’,mi1’,ni1’}、Di2{li2’,mi2’,ni2’}、Di3{li3’,mi3’,ni3’}、Di4{li4’,mi4’,ni4’}、Di5{li5’,mi5’,ni5’}、Di6{li6’,mi6’,ni6’}，公式(6)为：
Figure FDA0002523598670000058
式中，M为转换矩阵，Di1{li1’,mi1’,ni1’}、Di2{li2’,mi2’,ni2’}、Di3{li3’,mi3’,ni3’}、Di4{li4’,mi4’,ni4’}、Di5{li5’,mi5’,ni5’}、Di6{li6’,mi6’,ni6’}为选取的6个不相同的方向余弦，i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22；
10)计算式(6)中矩阵M的逆矩阵M-1，并依据公式(7)计算非饱和土三维应力状态动态值{σ}，公式(7)为：
{σ}＝M-1·{σ'ij} (7)
式中，{σ}为非饱和土三维应力状态动态值，M-1为矩阵M的逆矩阵，{σ'ij}为依据公式(1)确定的步骤9)中方向余弦Di1{li1’,mi1’,ni1’}、Di2{li2’,mi2’,ni2’}、Di3{li3’,mi3’,ni3’}、Di4{li4’,mi4’,ni4’}、Di5{li5’,mi5’,ni5’}、Di6{li6’,mi6’,ni6’}所对应方向的有效应力值σi’，i＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22，j为6个不相同的方向余弦Di{li’,mi’,ni’}的顺序编号，j＝1、2、3、4、5、6。
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