CN112484895B - 一种以六面体基座为轮廓的三维应力测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种以六面体基座为轮廓的三维应力测试装置及方法，包括土压力盒、六面体基座、若干数据导线，六面体基座由四个侧面和两个底面形成，该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另外一个侧面形心处设置的导线汇总孔连通，数据导线一端连接设置在凹槽内的土压力盒、另一端连接数据采集系统，本发明还提供了一种轴对称六面体基座的三维应力测试方法。本发明的有益效果是：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手段和方法，能为工程设计与施工提供详尽依据。

Description

一种以六面体基座为轮廓的三维应力测试装置及方法

技术领域

本发明属于土体应力测试领域，具体涉及一种轴对称六面体基座的三维应力测试装置及测试方法。优化了三维应力状态的测试设备，为各类工程实践中三维应力状态的监测提供可靠的数据支持。

背景技术

在实际工程中，岩土的强度、变形及稳定性等因素在实际工程中具有重要的影响，而实时的三维土压力是以上因素的重要参数。所以三维应力测试技术的创新和提高对于今后的土木工程的发展和进步具有重要的意义。并且轴对称状态在工程中时有发生，以往的三维应力测试装置只是针对与一般工程，而非基于轴对称状态而设计，所以以往测得的三维应力在轴对称状态下产生了较大的误差，不能完全表征土体的真实应力参数。

目前，在一般工程中，土体内一点三维应力状态的表征由三个正应力和三个剪应力组成，土体内一点的应力状态测试可通过在不同方向上布置土压力盒实现。并且以往的基座至少采用六个土压力盒才能完整表征土体的三维应力，故以往的基座体积大、操作复杂、方法繁琐。因此急需一种体积较小、测试方法简单快捷、适用于轴对称状态下应力的测试装置表征土体的三维应力状态，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，本发明所要解决的技术问题是提供一种以六面体基座为轮廓的三维应力测试装置及其方法。

为实现上述目的，本发明采用的第一个技术方案是：一种以六面体基座为轮廓的三维应力测试装置，包括：土压力盒、热熔胶、基座和数据导线，所述基座由四个互不平行的侧面围成，其中一个侧面设有集数据导线的汇总线孔，三个侧面和一个底面为测量面；所述四个测量面上均设置有固定压力盒的凹槽，每个凹槽的底面布置有数据导线连通孔；所述数据导线两端分别连接着土压力盒与外部测试设备。

所述底面为梯形，所述四个侧面为四个四边形斜面。

所述凹槽底面与基座的对应围面平行，凹槽与土压力盒之间通过热熔胶粘合。

所述凹槽为直径18-12mm、槽深5-3mm的圆柱体。

所述底面的导线汇总孔与四个导线连通孔连通。

本发明采用的第二个技术方案是：一种以六面体基座为轮廓的三维应力测试装置的三维应力测试方法，包括如下步骤：

1)在土体中埋置已布置有四个土压力盒的六面体基座；

2)通过确定所建立的直角坐标系x、y与z轴的正方向，确定四个不同测试方向的外法线方向，其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_y、σ_yz＝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)，然后多次测量取平均值。

本发明的有益效果是：功能方面充分应用轴对称的特点，为材料应力测试提供有效手段。该测试装置能根据布置在四个方向上的四个土压力传感器获得3个正应力+3个剪应力共六个分量组成的全应力状态，从结构上讲减少了土压力盒的数量和基座体积，削弱尺寸效应。本装置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手段和方法，能为工程设计与施工提供详尽依据。

附图说明

图1为本发明的基座的三维应力测试装置的使用状态示意图；

图2为本发明的六面体基座的另一使用状态示意图；

图3为本发明的六面体基座的正视图；

图4为本发明的六面体基座的俯视图；

图5为本发明的六面体基座的仰视图；

图6为本发明土压力盒四个测试方向外法线示意图；

图7为本发明六面体基座制作过程图；

图8为本发明测试流程示意图。

图中：

1.土压力盒 2.热熔胶 3.六面体基座

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六面体基座的三维应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_yz＝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，一种以六面体基座为轮廓的三维应力测试装置，包括一个六面体基座、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。

六面体基座3由四个侧面和两个底面形成，所述六面体基座3的四个侧面分别设有凹槽6，每个凹槽6底部均设有导线连通孔且分别与六面体基座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。

六面体基3的四个侧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四边形。

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。

本发明的以六面体基座为轮廓的三维应力测试装置及实施方案的具体操作步骤如下：

第一，制作六面体基座。首先，建立一个边长为37mm的正方体AMBN-A'M'B'N'，在正方体上连接M'N'、AN'、AB、BN'、M'B'、AM'，并在正方体上将四个三棱锥切掉，四个三棱锥分别为A'-AM'N'、M'-ABM、B'-BM'N'、N-N'AB，切掉后形成正四面体N'-ABN'。取AN'的中点E、BN'的中点F、M'N'的中点K，并将四棱锥N'-EFK截掉；取AM'中点D、BM'的中点C、EK的中点H、FK的中点G，并将三棱台CHK-NDC截掉，即得截面CDHG。其中CDHG为面α₁、EHAD为面α₂、EFBA为面α₃、ABCD为面α₄、EHDA为面α₅。其次，分别在面α₁、面α₂、面α₃、面α₄的截面形心处设置一个直径15.5mm、深度3mm的圆柱形凹槽，并在每个凹槽的形心出设置直径为8mm，深度为10mm的出线孔，在面α₅的形心处设置直径为10mm深度为14mm的导线汇总孔。通过以上操作，六面体基座EFGH-ABCD已初步制作完成。

第二，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的表面与把六面体基座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，即形成基于轴对称状态下的六面体基座的三维应力测试装置。

第三，测量土体三维应力，主要分为以下步骤：首先，依据所设计坐标轴的方向，将该装置埋于土里。其次，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。最后，通过土压力盒测试设备测得四个应力读数，即σ₁、σ₂、σ₃、σ₄。

根据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。

本发明的特点是功能方面充分应用轴对称的特点，为材料应力测试提供有效手段。该测试装置能根据布置在四个方向上的四个土压力传感器获得3个正应力+3个剪应力共六个分量组成的全应力状态，从结构上讲减少了土压力盒的数量和基座体积，削弱尺寸效应。本装置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手段和方法，能为工程设计与施工提供详尽依据。

Claims (6)

1.一种以六面体基座为轮廓的三维应力测试装置，包括：土压力盒(1)、热熔胶(2)、基座(3)和数据导线(4)，其特征是：所述基座(3)由四个互不平行的侧面和两个相互平行的底面围成，其中一个侧面设有集数据导线的汇总线孔(5)，三个侧面和一个底面为测量面；所述四个测量面上均设置有固定压力盒的凹槽，每个凹槽的底面布置有数据导线连通孔(6)；所述数据导线(4)两端分别连接着土压力盒与外部测试设备，该装置为适用于轴对称状态下应力的测试装置。

2.根据权利要求1所述的一种轴对称六面体基座的三维应力测试装置，其特征是：所述底面为梯形，所述四个侧面为四个四边形斜面。

3.根据权利要求1所述的一种轴对称六面体基座的三维应力测试装置，其特征是：所述凹槽底面与基座(3)的对应围面平行，凹槽与土压力盒(1)之间通过热熔胶(2)粘合。

4.根据权利要求1所述的一种轴对称六面体基座的三维应力测试装置，其特征是：所述凹槽为直径18-12mm、槽深5-3mm的圆柱体。

5.根据权利要求1所述的一种轴对称六面体基座的三维应力测试装置，其特征是：所述底面的导线汇总孔(5)与四个导线连通孔连通。

6.一种根据权利要求书1所述的以六面体基座为轮廓的三维应力测试装置的三维应力测试方法，包括以下步骤：

1)在土体中埋置已布置有四个土压力盒基于轴对称状态下微型六面体基座并建立的直角坐标系；

2)通过确定所建立的直角坐标系x、y与z轴的正方向，确定四个不同测试方向的外法线方向，其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_yz＝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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