CN111998981A - 一种高稳定性三维土压力传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高稳定性三维土压力传感器测量装置，该装置将八个土压力盒固定在具有八个不相关法向量平面的高稳定性传感器基座上，平面上布置土压力盒的凹槽，每个凹槽的中心处设置有土压力盒导线出线孔，土压力盒的数据导线通过导线出线孔导出，并与数据采集系统相连接。本发明还提供一种高稳定性三维土压力传感器的装配测试方法。本发明的有益效果是：避免了因一个或者两个土压力盒损坏而无法测试的情况，具有高稳定性的使用功能；在进行正常测试时具有更多种组合形式对土体三维应力状态的测试精度更高；该装置体积小，造价低，测试简单，操作方便；能够更好的测试土体内的三维应力状态，为实际工程提供安全保障。

Description

一种高稳定性三维土压力传感器及其测量方法

技术领域

本发明属于土体内三维应力测试技术领域，特别涉及一种高稳定性三维土压力传感器及其测量方法，该装置能大幅度提高土体内三维应力状态的测试精度，同时该装置具有高稳定性，为土体工程提供技术支撑。

背景技术

土体内部的受力状态十分复杂，如何准确获得土体内三维应力状态值一直是一个棘手的问题。比如，专利申请号为：201410345195.3 的菱形十二面体测试装置，虽然也可进行测试，但往往其测试精度较低，同时受限于固定条件，其装置本身具有一定的局限性。

发明内容

为解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种高稳定性三维土压力传感器及其测量方法。该测量装置在提高测试精度的基础上，可以测出多组三维应力有效值。保证装置实用性的前提下，还可确保装置使用的稳定性。当因突发状况，装置上一个或两个土压力盒发生故障时，该装置仍可进行土体内三维应力状态的测量。同时，该装置不仅可以实时保障土体工程的安全进行，还可以提供高精度的三维应力状态测试值，为探究土体本构模型提供有利支撑。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种高稳定性三维土压力传感器，具体包括：传感器基座、土压力和数据导线，所述传感器基座为一个外表面有八个五边形、一个小正方形和一个大正方形的多楞体的多楞体，所述八个五边形为法向量不相关的平面，所述平面中心设有放置土压力盒的凹槽，所述凹槽底部中心设有与土压力盒连接导线输出的数据导线孔，所述数据导线孔在多楞体内部贯通汇总后经位于大正方形中心的出线孔导出后与外部应力采集系统连接。

所述八个土压力盒与高稳定性传感器基座之间通过热熔胶固定。

所述凹槽为直径30mm、深5.5-6mm的圆柱体，所述出线孔直径为20mm。

所述土压力盒采用LY-350型应变式土压力盒。

本发明采用的测量方法技术方案是：一种高稳定性三维土压力传感器的测量方法，步骤如下：

步骤一、将八个土压力盒分别组装高稳定性三维传感器基座上；

步骤二、将步骤一组装的高稳定性三维土压力传感器基座埋入土体内部，且汇总所有数据导线从出线孔导出与外部应力采集系统相连接；

步骤三、确定埋置平面，设定埋置平面为xoy面，建立坐标系，记装置上带有凹槽的八个不同五边形平面为σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆,σ₇,σ₈，确定面内土压力盒的法向量方向与坐标夹角确定转换矩阵B_i；

步骤四、经应力采集系统测得八个应力读数，即σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆,σ₇,σ₈，其中每六个读数可得到该点的一个三维应力状态测试值，表示为：

σ_b1＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆}^T；σ_b2＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₆,σ₇}^T；σ_b3＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₇,σ₈}^T；

σ_b4＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₈}^T；σ_b5＝{σ₅,σ₆,σ₇,σ₈,σ₁,σ₂}^T；σ_b6＝{σ₅,σ₆,σ₇,σ₈,σ₂,σ₃}^T；

σ_b7＝{σ₅,σ₆,σ₇,σ₈,σ₃,σ₄}^T；σ_b8＝{σ₅,σ₆,σ₇,σ₈,σ₁,σ₄}^T；σ_b9＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₅,σ₆,σ₇}^T；

σ_b10＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₆,σ₇,σ₈}^T；σ_b11＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₅,σ₇,σ₈}^T；σ_b12＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₅,σ₆,σ₈}^T；

σ_b13＝{σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆,σ₇}^T；σ_b14＝{σ₂,σ₃,σ₄,σ₆,σ₇,σ₈}^T；σ_b15＝{σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₇,σ₈}^T；

σ_b16＝{σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆,σ₈}^T；σ_b17＝{σ₁,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆,σ₇}^T；σ_b18＝{σ₁,σ₃,σ₄,σ₆,σ₇,σ₈}^T；

σ_b19＝{σ₁,σ₃,σ₄,σ₅,σ₇,σ₈}^T；σ_b20＝{σ₁,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆,σ₈}^T；σ_b21＝{σ₁,σ₂,σ₄,σ₅,σ₆,σ₇}^T；

σ_b22＝{σ₁,σ₂,σ₄,σ₆,σ₇,σ₈}^T；σ_b23＝{σ₁,σ₂,σ₄,σ₅,σ₇,σ₈}^T；σ_b24＝{σ₁,σ₂,σ₄,σ₅,σ₆,σ₈}^T；

σ_b25＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₇}^T；σ_b26＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₆,σ₈}^T；σ_b27＝{σ₅,σ₆,σ₇,σ₈,σ₁,σ₃}^T；

σ_b28＝{σ₅,σ₆,σ₇,σ₈,σ₂,σ₄}^T；

步骤五、计算测试点的三维应力状态计算公式如下：

式(1)中B_i ^-1为对应的转换矩阵的逆矩阵，{σ_ki}(i＝1、2、3、……、 28)为测试点的三维应力状态，即

σ_ki＝{σ_xi,σ_yi,σ_zi,σ_xyi,σ_yzi,σ_zxi}^T (2)

步骤六、将测出的八个应力读数带入式(1)分别算出该测试点内部三维应力状态测试值，然后按如下所述的公式(3)取平均，作为最终的正应力分量值和剪应力分量值：

将式(3)的最终结果记为土压力测试传感器的三维应力最终测试值，其中，σ_x，σ_y，σ_z，σ_xy，σ_yz，σ_zx为土体内部三维应力状态值。

本发明的有效效果是为获得一点处的三维应力测试值提供了一种稳定的测试可能。该土压力测试传感器造价成本低，操作步骤简单。不但可以大幅度提高测试结果的精度，减少不必要的测试误差，还可以在装置上一个或两个土压力盒发生故障时，输出有效的土体内三维应力测试值。相较于之前的其他测试产品，该产品可以减少20％-30％的测试误差，提供直接、连续、有效的三维应力状态测试值。为实时保障土体工程相关领域的施工安全提供了可能，保障各类工程的安全进行。

附图说明

图1为本发明多棱体的切割示意图；

图2为本发明含有八个五边形的多楞体示意图；

图3为本发明高稳定性传感器基座示意图；

图4为本发明高稳定性传感器基座结构图；

图5为本发明一种高稳定性三维土压力传感器示意图。

图中：

1.土压力盒 2.高稳定性传感器基座 3.热熔胶

4.数据导线 5.凹槽 6.数据导线孔 7.出线孔

具体实施方式

结合附图对本发明的一种高稳定性三维土压力传感器及测量方法加以具体说明。

本发明设计原理为空间一点的应力状态由三个正应力和三个剪应力表示。因此，获得一点的应力状态至少需要在六个法向量不相同的平面上布置土压力盒。

如图5所示，本发明提供一种高稳定性三维土压力传感器，包括八个土压力盒1、高稳定性传感器基座2、热熔胶3和数据导线4，高稳定性传感器基座上设有凹槽5和出线孔，每个凹槽5内的中心处均设有数据导线孔6，将八个土压力盒1固定在高稳定性传感器基座 2上的八个相互独立的面内凹槽5上；所述八个土压力盒1与高稳定性传感器基座2之间用热熔胶3进行固定；所述凹槽5是直径为30mm 且深为5.5-6mm的圆柱体；所述出线孔7直径为20mm；八个土压力盒1的数据导线4经由凹槽5中心处的数据导线孔6导出，所有数据导线4汇总并由出线孔7导出后与外部应力采集系统连接。

具有八个五边形、一个小正方形和一个大正方形的多楞体是这样形成的：

首先在如图1所示的正方体B₁B₂B₃B₄B₅B₆B₇B₈内切割获得多棱体O₁C₁C₂C₃C₄C₅C₆C₇C₈O₂。具体切割位置为：记向量

方向为竖直正方向。以

为中轴线，做切割面C₈C₁C₂O₂、C₂C₃C₄O₂、 C₄C₅C₆O₂、C₈C₁C₂O₂，且这四个切割面的法向量与

夹角均为67.2。切割面C₈C₁C₂O₂、C₂C₃C₄O₂、C₄C₅C₆O₂、C₈C₁C₂O₂的法向量所在直线分别与楞B₁B₅、B₂B₆、B₃B₇、B₄B₈所在直线相交。做切割面C₁C₂C₃O₁、C₃C₄C₅O₁、C₅C₆C₇O₁、C₆C₇C₈O₁，且这四个切割面的法向量与

夹角均为140.1。切割面C₁C₂C₃O₁、C₃C₄C₅O₁、 C₅C₆C₇O₁、C₆C₇C₈O₁的法向量所在直线分别与楞B₁B₂、B₂B₃、B₃B₄、 B₄B₁所在直线垂直。即可得到如图1所示的多棱体。

然后，取棱边O₁C₁、O₁C₃、O₁C₅、O₁C₇上距点O₁三分之一处的点D₁、D₂、D₃、D₄进行切割，得到小正方形切割面D₁D₂D₃D₄；取棱边O₂C₂、O₂C₄、O₂C₆、O₂C₈中点D₅、D₆、D₇、D₈继续进行切割，得到大正方形切割面D₅D₆D₇D₈。即可得到如图2所示的含有八个五边形的多楞体。

本发明的一种高稳定性三维土压力传感器的测量方法，步骤如下：

第一，在多楞体的所有五边形平面内，布置如图2所示凹槽5。凹槽5直径为28-30mm，底部槽深为6-8mm，且在凹槽5中心设置数据导线孔6。在切割面D₅D₆D₇D₈的中心处设有如图3所示出线孔7。形成如图4所示的高稳定性传感器基座。记面D₁D₂D₃D₄为基座底面，面D₅D₆D₇D₈为基座顶面。在基座的每个凹槽5布置土压力盒1，共计八个土压力盒1。凹槽5与土压力盒1之间有热熔胶3填充固定；八个土压力盒的数据导线4经由导线出线孔7导出，并与应力采集系统连接，即形成如图5所示的一种高稳定性三维土压力传感器。

第二，将该装置埋于待测土体内；

第三，将八个相互独立的面记为σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆、σ₇、σ₈，依据测试方向与坐标轴的夹角，确定转换矩阵B_i；

第四，通过土压力盒测试设备测得八个应力读数，即σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆、σ₇、σ₈；

其中每六个读数可得到该点的一个三维应力状态测试值，表示为：

σ_b1＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆}^T；σ_b2＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₆,σ₇}^T；σ_b3＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₇,σ₈}^T；

σ_b4＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₈}^T；σ_b5＝{σ₅,σ₆,σ₇,σ₈,σ₁,σ₂}^T；σ_b6＝{σ₅,σ₆,σ₇,σ₈,σ₂,σ₃}^T；

σ_b7＝{σ₅,σ₆,σ₇,σ₈,σ₃,σ₄}^T；σ_b8＝{σ₅,σ₆,σ₇,σ₈,σ₁,σ₄}^T；σ_b9＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₅,σ₆,σ₇}^T；

σ_b10＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₆,σ₇,σ₈}^T；σ_b11＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₅,σ₇,σ₈}^T；σ_b12＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₅,σ₆,σ₈}^T；

σ_b13＝{σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆,σ₇}^T；σ_b14＝{σ₂,σ₃,σ₄,σ₆,σ₇,σ₈}^T；σ_b15＝{σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₇,σ₈}^T；

σ_b16＝{σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆,σ₈}^T；σ_b17＝{σ₁,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆,σ₇}^T；σ_b18＝{σ₁,σ₃,σ₄,σ₆,σ₇,σ₈}^T；

σ_b19＝{σ₁,σ₃,σ₄,σ₅,σ₇,σ₈}^T；σ_b20＝{σ₁,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆,σ₈}^T；σ_b21＝{σ₁,σ₂,σ₄,σ₅,σ₆,σ₇}^T；

σ_b22＝{σ₁,σ₂,σ₄,σ₆,σ₇,σ₈}^T；σ_b23＝{σ₁,σ₂,σ₄,σ₅,σ₇,σ₈}^T；σ_b24＝{σ₁,σ₂,σ₄,σ₅,σ₆,σ₈}^T；

σ_b25＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₇}^T；σ_b26＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₆,σ₈}^T；σ_b27＝{σ₅,σ₆,σ₇,σ₈,σ₁,σ₃}^T；

σ_b28＝{σ₅,σ₆,σ₇,σ₈,σ₂,σ₄}^T；

第五，任意选取六个土压力盒的读数与对应的转换矩阵，

式(1)中{σ_ki}(i＝1、2、3、……、28)为测试点的三维应力状态，即

σ_ki＝{σ_xi,σ_yi,σ_zi,σ_xyi,σ_yzi,σ_zxi}^T (2)

式(1)中

为对应的转换矩阵的逆矩阵，根据公式

计算出测试点的应力状态，具体见如下表格：

由上述表格可知，逆矩阵B₂₅ ^-1、B₂₆ ^-1、B₂₇ ^-1、B₂₈ ^-1与其他矩阵不在同计算量级，为无效逆矩阵，应舍去。

第六，计算平均值，针对上述的实施步骤，现对本发明提供的测试方法进行具体分析，假定测得的八个面的土压力数值分别为σ₁＝98、σ₂＝104、σ₃＝113、σ₄＝101、σ₅＝97、σ₆＝112、σ₇＝106、σ₈＝107(kpa)

根据式(1)—(3)计算24组应力状态，结果如下表

按公式

最终计算获得土体内部的三维土压力为：σ_x＝105.26，σ_y＝101.72，σ_z＝106.91，σ_xy＝-9.76，σ_yz＝1.77，σ_zx＝-2.73。

本发明避免了因一个或两个土压力盒损坏而导致测试装置无法正常使用情况的产生，同时相较于之前的三维测试装置，本装置可大大提高测试精度，能更好的检测土体内部三维应力状态的变化情况。同时，本发明装置的测试精度较以往提高了20％-30％，在工程中可以广泛应用。

Claims (5)

1.一种高稳定性三维土压力传感器包括：传感器基座、土压力和数据导线，其特征是：所述传感器基座为一个外表面有八个五边形、一个小正方形和一个大正方形的多楞体，所述八个五边形为法向量不相关的平面，所述平面中心设有放置土压力盒的凹槽，所述凹槽底部中心设有与土压力盒连接导线输出的数据导线孔，所述数据导线孔在多楞体内部贯通汇总后经大正方形中心的线孔导出后与外部应力采集系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种高稳定性三维土压力传感器测量装置，其特征是：所述八个土压力盒与高稳定性传感器基座之间通过热熔胶固定。

3.根据权利要求1所述的一种高稳定性三维土压力传感器测量装置，其特征是：所述凹槽为直径30mm、深5.5-6mm的圆柱体，所述出线孔直径为20mm。

4.根据权利要求1所述的一种高稳定性三维土压力传感器测量装置，其特征是：所述土压力盒采用LY-350型应变式土压力盒。

5.一种根据权利要求1所述的一种高稳定性三维土压力传感器测量装置的测量方法，步骤如下：

步骤一、将八个土压力盒分别组装高稳定性三维传感器基座上；

步骤二、将步骤一组装的高稳定性三维土压力传感器基座埋入土体内部，且汇总所有数据导线从出线孔导出与外部应力采集系统相连接；

步骤三、确定埋置平面，设定埋置平面为xoy面，并建立坐标系，记传感器基座带有凹槽的八个不同五边形平面为σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆,σ₇,σ₈，确定面内土压力盒的法向量方向与坐标夹角确定转换矩阵B_i；

步骤四、经应力采集系统测得八个应力读数，即σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆,σ₇,σ₈，其中每六个读数可得到该点的一个三维应力状态测试值，表示为：

σ_b1＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆}^T；σ_b2＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₆,σ₇}^T；σ_b3＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₇,σ₈}^T；σ_b4＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₈}^T；σ_b5＝{σ₅,σ₆,σ₇,σ₈,σ₁,σ₂}^T；σ_b6＝{σ₅,σ₆,σ₇,σ₈,σ₂,σ₃}^T；σ_b7＝{σ₅,σ₆,σ₇,σ₈,σ₃,σ₄}^T；σ_b8＝{σ₅,σ₆,σ₇,σ₈,σ₁,σ₄}^T；σ_b9＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₅,σ₆,σ₇}^T；σ_b10＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₆,σ₇,σ₈}^T；σ_b11＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₅,σ₇,σ₈}^T；σ_b12＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₅,σ₆,σ₈}^T；σ_b13＝{σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆,σ₇}^T；σ_b14＝{σ₂,σ₃,σ₄,σ₆,σ₇,σ₈}^T；σ_b15＝{σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₇,σ₈}^T；σ_b16＝{σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆,σ₈}^T；σ_b17＝{σ₁,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆,σ₇}^T；σ_b18＝{σ₁,σ₃,σ₄,σ₆,σ₇,σ₈}^T；σ_b19＝{σ₁,σ₃,σ₄,σ₅,σ₇,σ₈}^T；σ_b20＝{σ₁,σ₃,σ₄,σ₅,σ₆,σ₈}^T；σ_b21＝{σ₁,σ₂,σ₄,σ₅,σ₆,σ₇}^T；σ_b22＝{σ₁,σ₂,σ₄,σ₆,σ₇,σ₈}^T；σ_b23＝{σ₁,σ₂,σ₄,σ₅,σ₇,σ₈}^T；σ_b24＝{σ₁,σ₂,σ₄,σ₅,σ₆,σ₈}^T；σ_b25＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₅,σ₇}^T；σ_b26＝{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄,σ₆,σ₈}^T；σ_b27＝{σ₅,σ₆,σ₇,σ₈,σ₁,σ₃}^T；σ_b28＝{σ₅,σ₆,σ₇,σ₈,σ₂,σ₄}^T；

步骤五、计算测试点的三维应力状态计算公式如下：

式(1)中

为对应的转换矩阵的逆矩阵，{σ_ki}(i＝1、2、3、……、28)为测试点的三维应力状态，即

σ_ki＝{σ_xi,σ_yi,σ_zi,σ_xyi,σ_yzi,σ_zxi}^T (2)

步骤六、将测出的八个应力读数带入式(1)分别算出该测试点内部三维应力状态测试值，然后按如下所述的公式(3)取平均，作为最终的正应力分量值和剪应力分量值：

将式(3)的最终结果记为土压力测试传感器的三维应力最终测试值，其中，σ_x，σ_y，σ_z，σ_xy，σ_yz，σ_zx为土体内部三维应力状态值。

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