CN112484894A - 一种基于轴对称状态下三维土压力测试装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于轴对称状态的三维应力测试装置及其方法，包括土压力盒、五棱台基座、若干数据导线，所述五棱台基座由五个侧面和两个底面围成，所述五棱台基座的三个侧面和一个底面均设有凹槽，每个凹槽底部均设有导线连通孔且分别与其中另外一个侧面形心处设置的导线汇总孔连通，所述数据导线一端穿过导线连通孔连接设置在凹槽内的土压力盒、另一端连接数据采集系统。本发明有益效果是：该装置体积小、使用方便，方法简单，提高了三维应力测试装置的准确性，为准确监测轴对称状态下土体内部的三维应力状态提供了有力的保障，为工程的设计与施工提供了详尽的依据。

Description

一种基于轴对称状态下三维土压力测试装置及其方法

技术领域

本发明属于土体应力测试领域，具体涉及一种基于轴对称状态下三维土压力测试装置及测试方法。改进了三维应力状态的测试设备，促进了应力状态监测技术的进步。

背景技术

应力测试技术是土木工程设计施工过程中重要的基础工作，而且轴对称状态在工程中十分常见，所以轴对称状态下土的三维应力对设计和施工有着至关重要的作用。现有技术通常通过钢筋计和土压力盒完成混凝土和岩土体中的应力测试，获取一维空间内应力的大小可通过布置土压力盒和应力计的方式实现，但一维空间内的应力状态无法满足工程实践的要求，且与实际情况差别较大。

测试轴对称状态下土体内部三维应力是工程实践的难点，通过在空间中均匀布置土压力盒的方式进行设计，以多个方向独立的土压力盒测试数据表征空间一点的三维应力状态不失为一种新的解决方案。以往的基于菱形十二面体骨架和普通土压力盒的三维应力测试装置只适用于工程中的一般情况，而非针对轴对称状态下的三维土压力而设计的，并且以往的土压力测试装置存在五棱台基座体积过大对土的扰动较大、三维土压力盒空间距离较远等缺点，导致在应力状态测试过程中由于五棱台基座的尺寸效应引起较大的误差。因此急需一种体积较小、测试方法简单快捷、适用于测试轴对称状态下的三维土压力测试装置，为工程的设计与施工提供详尽的依据。

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轴对称状态下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轴对称状态下三维土压力测试装置的测试方法。

为实现上述第一个目的，本发明采用的技术方案是：一种基于轴对称状态下三维土压力测试装置，包括：土压力盒、热熔胶、五棱台基座和数据导线，所述五棱台基座由五个互不平行的侧面和两个底面围成，其中一个围面设有集数据导线的汇总线孔，三个围面和一个底面为测量面；所述四个测量面上均设置有土压力盒凹槽，所述凹槽底面与五棱台基座的对应围面平行；每个凹槽的底面布置有数据导线连通孔且分别与其中一个侧面形心处设置的导线汇总孔连通；所述数据导线两端分别连接着土压力盒与外部测试设备。

所述底面为正五边形，所述五个侧面为四边形斜面。

所述凹槽与土压力盒之间通过热熔胶粘合。

所述凹槽为直径15.5mm、槽深3mm的圆柱形。

为实现上述第二个目的，本发明采用的技术方案是：一种基于轴对称状态下的三维土压力测试方法，包括如下步骤：

1)在土体中埋置基于轴对称状态下的三维土压力测试装置，并建立直角坐标系；

2)通过确定所建立的直角坐标系x、y与z轴的正方向，确定四个压力盒不同测试方向的外法线方向，其中四个不同测试方向的外法线方向为l₁、l₂、l₃、l₄，计算出四个不同测试方向的方向余弦，基于得到的方向余弦获取转换矩阵T及其逆矩阵T^-1；

3)通过土压力盒测试元件获取四个应力读数，即σ₁、σ₂、σ₃、σ₄。由于该装置测的是轴对称状态下的应力，故由轴对称的应力关系可得σ_xx＝σ_yy、σ_xy＝σ_zx。

4)计算测试点的三维应力状态，其计算公式如下:

{σ_mi}＝T_i{σ_ki} (1)

{σ_ki}＝T_i ^-1{σ_mi} (2)

式(1)中{σ_ki}为测试点的三维应力状态，即

σ_ki＝{σ_xxi，σ_zzi，σ_xyi，σ_zxi}^T (3)

式(1)中T_i ^-1为对应的土压力盒的转换矩阵的逆矩阵

将测得的σ₁、σ₂、σ₃、σ₄和各面的法向量代入(1)式得

由(2)可得：

根据式(5)算出测试点常规应力状态下的四组正应力分量，即σ_ki＝{σ_xxi，σ_zzi，σ_xyi，σ_zxi}^T(i＝1、2、3、4)，然后取多次测量取平均值为测试点的三维应力值。

本发明的有益效果是：改进了土体内部三维应力测试装置，功能上充分突出轴对称特征，整体测试材料内部三维应力；结构上减少土压力盒数量，优化材料内部三维应力测试装置；提供了一种针对轴对称状态下的三维应力测试装置和测试方法，提高了三维应力测试装置的准确性；且方便快捷，方法简单，测试高效，体积小；装置的改进为准确监测轴对称状态下土体内部的三维应力状态提供了有力的保障，为工程的设计与施工提供了详尽的依据。

附图说明

图1为本发明基于轴对称状态下的三维土压力测试装置的使用状态示意图；

图2为本发明基于轴对称状态下的三维土压力测试装置的另一使用状态示意图；

图3为五棱台基座的左视示意图；

图4为五棱台基座的俯视示意图；

图5为五棱台基座的仰视示意图；

图6为本发明的土压力盒四个测试方向外法线示意图；

图7为本发明基于轴对称状态下的三维土压力测试装置制作过程示意图；

图8为本发明的基于轴对称状态下的三维土压力测试方法流程图。

图中：

1.土压力盒 2.热熔胶 3.五棱台基座

4.数据导线 5.导线汇总孔 6.凹槽

具体实施方式

结合附图对本发明的基于轴对称状态下的三维土压力测试装置及实施方案加以说明。

本发明设计原理：三维空间内表征一点的应力状态包括三个正应力和三个剪应力，但是在轴对称状态下σ_xx＝σ_yy、σ_xy＝σ_zx，故测试空间一点应力状态的设备构件是至少需要具有四个面的几何体，这样的几何体才能满足在四个不同方向的平面上布置测试元件。

如图1—7所示，一种基于轴对称状态下三维土压力测试装置，包括一个五棱台基座、四个土压力盒、测试设备和若干数据导线，四个土压力盒分别布置在五棱台基座的三个侧面和一个底面的凹槽内，土压力盒通过热熔胶固定在五棱台基座的凹槽里，数据导线两端分别连接着土压力盒与测试设备，从不同角度测试土体内部三维应力状态。

五棱台基座3由五个围面和一个底面形成，所述五棱台基座3的五个围面分别设有凹槽6，每个凹槽6底部均设有导线连通孔且分别与微型轴对称五棱台基座3的导线汇总孔5连通，所述数据导线4一端穿过导线连通孔连接设置在凹槽6内的土压力盒1、另一端连接测试设备。

五棱台基座3的五个围面为互不平行四边形斜面，上顶面和下底面均为大小不等的正五边形，本发明的基于轴对称状态下的三维土压力测试装置及实施方案的具体操作步骤如下：

五棱台基座的制作：首先，五棱柱ABCDE-GHJKF的底面,此底面的内切圆半径为18mm的正五边形，高为18mm。在顶面以顶面形心为中心画一个与顶面相似的正五边形A'B'C'D'E'F'，此正五边形的内切圆半径为15mm。其次，在五个围面的位置上分别切掉EFE'-AGA'、AGA'-BHB'、BHB'-CJC'、CJC'-DKD'、DKD'-EFE'。切掉后的五棱台A'B'C'D'E'-ABCDE为五棱台基座的基本形状，并对其抽壳，其抽壳距离为6mm,其中底面ABCDE为面α₁、四边形ABB'A'为面α₂、四边形EAA'E'为面α₃、四边形DCC'D'为面α₄、四边形EDD'E'为面α₅。在面α₁、面α₂、面α₃、面α₄分别以各面的形心为圆心，以15.5mm为直径，向每个面外法线的反方向深入3mm，形成底面直径为15.5mm,高3mm的圆柱体，与五棱台取差集在各面上形成凹槽6。并在每一个凹槽底部的形心处以8mm为直径,向着各面外法线的反方向深入3mm,形成底面为直径8mm的圆，高度为3mm的圆柱，并对其与形成凹槽后的五棱台取差集，形成出线孔。在面α₅上以其形心为圆心，10mm为直径，向外法线的反向深入6mm，形成底面直径为5mm高度为6mm的圆柱，并将其与五棱台取差集。为了防止应力集中对五棱台的每条棱进行倒角，并在每一个顶点处设置圆角。为安装三维土压力盒，将土压力盒数据导线4沿着出线孔穿过，用热熔胶2将土压力盒1固定在凹槽6里，并且土压力盒1的表面与把五棱台基座3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，即形成微型轴对称五棱台的土体内部应力状态的测试装置。

应力测试：如图8所示，将该装置埋于土里，依据四个土压力盒的测试方向与坐标轴的夹角，确定转换矩阵T，通过土压力盒测试设备测得四个应力一组读数，即σ₁、σ₂、σ₃、σ₄，见下表：

根据上表的四个微型土压力盒的读数与对应的转换矩阵，根据公式{σ_ki}＝T_i ^-1{σ_mi}，计算出测试点的应力状态，并将结果平均。

本发明的特点是提高了土体内三维应力状态测试的准确性，本装置充分应用轴对称的特征，减少了土压力盒的数量，优化了土体内部三维应力测试装置；且方便快捷，方法简单，测试高效，体积小，减少了对土体的扰动，使测试结果更精确；装置的改进为准确监测轴对称状态下土体内部的三维应力状态提供了有力的保障，提高了工程技术应用的适用性。

Claims (5)

1.一种基于轴对称状态下三维土压力测试装置，包括：土压力盒(1)、热熔胶(2)、五棱台基座(3)和数据导线(4)，其特征是：所述五棱台基座(3)由五个互不平行的侧面和两个相互平行的底面围成，其中一个围面设有集数据导线的汇总线孔(5)，三个围面和一个底面为测量面；所述四个测量面上均设置有土压力盒凹槽，所述凹槽底面与五棱台基座(3)的对应围面平行；每个凹槽的底面布置有数据导线连通孔且分别与其中一个侧面形心处设置的导线汇总孔连通；所述数据导线(4)两端分别连接着土压力盒(1)与外部测试设备。

2.根据权利要求1所述的一种基于轴对称状态下三维土压力测试装置，其特征是：所述底面为正五边形，所述五个侧面为四边形斜面。

3.根据权利要求1所述的一种基于轴对称状态下三维土压力测试装置，其特征是：所述凹槽与土压力盒之间通过热熔胶粘合。

4.根据权利要求1所述的一种基于轴对称状态下三维土压力测试装置，其特征是：所述凹槽为直径18-12mm、槽深5-3mm的圆柱形。

5.一种根据权利要求书1所述的基于轴对称状态下的三维土压力测试方法，包括以下步骤：

1)在土体中埋置基于轴对称状态下的三维土压力测试装置，并建立直角坐标系；

2)通过确定所建立的直角坐标系x、y与z轴的正方向，确定四个压力盒不同测试方向的外法线方向，其中四个不同测试方向的外法线方向分别为l₁、l₂、l₃、l₄，计算出四个不同测试方向的方向余弦，基于得到的方向余弦获取转换矩阵T及其逆矩阵T^-1；

3)通过土压力盒测试元件获取四个应力读数，即σ₁、σ₂、σ₃、σ₄，由于该装置测的是轴对称状态下的应力，故由轴对称的应力关系可得σ_x＝σ_y、σ_xy＝σ_zx；

4)计算测试点的三维应力状态，其计算公式如下:

{σ_mi}＝T_i{σ_ki} (1)

{σ_ki}＝T_i ^-1{σ_mi} (2)

式(1)中{σ_ki}为测试点的三维应力状态，即

σ_ki＝{σ_xxi，σ_zzi，σ_xyi，σ_zxi}^T (3)

式(1)中T_i ^-1为对应的土压力盒的转换矩阵的逆矩阵，

将测得的σ₁、σ₂、σ₃、σ₄和各面的法向量代入(1)式得

由(2)可得：

根据式(5)算出测试点常规应力状态下的四组正应力分量，即σ_ki＝{σ_xxi，σ_zzi，σ_xyi，σ_zxi}^T(i＝1、2、3、4)，然后取多次测量取平均值为测试点的三维应力值。

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