CN112878296A

CN112878296A - 一种带固定基座的三维矢量测量球

Info

Publication number: CN112878296A
Application number: CN202110257684.3A
Authority: CN
Inventors: 董彤; 柘美; 张雪研; 房雨雨; 刘欣伟
Original assignee: National Academy of Defense Engineering of PLA Academy of Military Science
Current assignee: National Academy of Defense Engineering of PLA Academy of Military Science
Priority date: 2021-03-09
Filing date: 2021-03-09
Publication date: 2021-06-01

Abstract

本发明属于应力测试领域，涉及一种带固定基座的三维矢量测量球，包括球形基座，以及设置在球形基座上的若干个压力模块、以及多芯线缆；所述多芯线缆内设有与所述压力模块的数量相匹配的导线，每个所述压力模块与一根所述导线相连；还包括固定系统，所述固定系统包括穿过所述球形基座设置的定位杆、设置在球形基座底部的基座扩底；所述基座扩底远离所述球形基座的一侧上设有用于固定的锚杆。本发明将传感器与周围土体固定，在爆炸冲击波作用下不容易与周围土体发生分离，提高测量精度。传感器上部的定位杆起到了辅助埋设的作用，可以伸入测孔内部，也可以通过手持，实现测点方向的观测与调节。

Description

一种带固定基座的三维矢量测量球

技术领域

本发明属于应力测试领域，涉及一种带固定基座的三维矢量测量球。

背景技术

在岩土工程中，受复杂的外部荷载和实际工程环境的影响，土的应力状态极为复杂。然而，作为一种多孔多相介质，土的力学特性受应力大小、应力方向、应力路径、应力历史等因素影响显著。为了对土的应力状态进行刻画，通常将一点的应力表述为一个矢量。在三维空间中，矢量包含六个自由度，因此需要六个独立的变量对一点的应力状态进行刻画。在主应力空间中，这六个自由度体现为主应力的三个大小量和主应力坐标系的三个方向量。因此，只有同时精确地获取土中一点的应力大小和方向，才能对应力状态进行刻画，进而科学地开展岩土工程安全稳定评价和施工维护分析。

压应力测试通常采用压阻式传感器测量。一般民用工程中，主要测定长期静荷载、施工荷载、交通荷载等低频荷载。而在特种工程中，主要面向于爆炸与冲击荷载、地震荷载的高频荷载。后者对传感器的整体性、刚度、固有频率等指标有较高的要求。

土压力盒需人工埋设在土体内部。无论是目前普遍应用的单向土压力盒还是已有的三维测量球在具体实施时都是以独立个体的形式存在，通常采用“人工挖孔-手持埋设-回填夯实”的方法实施。

由于单向土压力盒或三维测量球都是直接放置在测量孔内，回填土体较为松散。由于传感器的密度较大，而土体密度较小，那么在地震或爆炸等强冲击作用下，传感器极易产生较大的位移，使得传感器敏感面与土体发生分离，进而导致所测得的数据远小于土体中的实际压力。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种带固定基座的三维矢量测量球，以解决现有传感器在爆炸冲击作用下可能会发生较大位移的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种带固定基座的三维矢量测量球，包括球形基座，以及设置在球形基座上的若干个压力模块、以及多芯线缆；所述多芯线缆内设有与所述压力模块的数量相匹配的导线，每个所述压力模块与一根所述导线相连；还包括固定系统，所述固定系统包括穿过所述球形基座设置的定位杆、设置在球形基座底部的基座扩底；所述基座扩底远离所述球星基座的一侧上设有用于固定的锚杆。

可选的，所述基座扩底包括连接部及支撑部，所述锚杆设置在所述支撑部上；所述支撑部的截面尺寸大于所述连接部的截面尺寸。

可选的，所述压力模块包括相配合的压力敏感面以及硅压阻模块，所述压力敏感面朝向所述球形基座外侧。

可选的，所述球形基座上设有用于装配压力模块的凹槽，所述压力模块设置在凹槽内，所述凹槽的数量大于等于所述压力模块的数量。

可选的，所述凹槽内开设有用于导线穿过的线孔。

可选的，所述多芯线缆包括线缆屏蔽层以及包裹在线缆屏蔽层外侧的线缆绝缘层。

可选的，所述导线包括芯线、包裹在芯线外侧的导线屏蔽层、以及包裹在导线屏蔽层外侧的导线绝缘层。

可选的，所述压力模块的设置点有8个，包括2组，第一组包括4个设置点，均布在所述球形基座的对称面上，该对称面与所述定位杆相垂直；所述定位杆的轴线为Z轴，在该对称面上选定X轴及Y轴，形成笛卡尔坐标系；第三组包括其余4个设置点，其法线位置为笛卡尔坐标系的等倾线。

可选的，所述压力模块至少设有6个。

可选的，所述多芯线缆内的导线数量比所述压力模块的数量至少多一条。

本发明的有益效果在于：

现有技术中的传感器没有固定，在爆炸冲击波的作用下容易与周围土体发生分离，导致所测土压力数值偏小。而本发明通过固定系统对传感器进行固定，确保在爆炸冲击波的作用下，传感器仍保持原始测量位置，保证土压力测量数值的准确。

现有技术中的传感器尺寸较小，当孔深较大时，人工手持埋设时操作较为困难，传感器埋设时依靠人工手持定向，但在回填土时，手松开后，在夯实作用下传感器难免会受到一定的扰动，测点的方向大概率要发生变化，导致最终的结果精度下降。本发明可以直接通过定位杆进行持握埋设，也便于通过对定位杆的竖直度进行测量，以确保埋设过程中土压力传感器的埋设方位及角度不发生偏移。

现有技术中传感器整体呈球形，埋设回填时，球形传感器的底部与底部土体之间极易存在空腔，进一步降低了传感器与周围土体的锚固，使其更容易运动。本发明通过设置固定系统加强了传感器与周围土体的锚固。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明的纵向剖切示意图；

图2为基座的纵向剖切示意图；

图3为传感器赤平面剖切示意图；

图4为传感器赤平面剖切分解图；

图5为压力模块结构图；

图6为压力模块分解图；

图7为多芯线缆结构示意图；

图8为固定系统的纵向剖切示意图；

图9为基座扩底的横向剖切示意图；

图10为本发明埋设后的示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1-图10，本发明涉及一种带固定基座的三维矢量测量球包括球形基座1、压力模块2、固定系统3。所述球形基座1设有定位杆孔11、底座凹槽12、线孔13、基座孔14、内部空腔15。所述压力模块2由压力敏感面21、硅压阻模块22、导线23、多芯线缆24组成。所述固定系统3由定位杆31、连接部32、支撑部33、锚杆34、锚固尖35组成。

所述球形基座1整体呈中空的球形，在其外表面预留有8个底座凹槽12，每个凹槽底部预留有与球形基座1的内部空腔15联通的线孔13，为了导线23走线使用。

所述固定系统3的定位杆31、连接部32、支撑部33可整体制作。支撑部33下方设置有锚杆34，锚杆34前段制作成锚固尖35，支撑部33可有效增大结构整体的抗扭能力，锚杆34和锚固尖35嵌入土体内部，形成底部支撑。

定位杆31穿过球形基座1的定位杆孔11，并胶结固定；连接部32穿过基座孔14，并胶结固定。定位杆31的长度可根据传感器的实际埋设深度确定。

所述多芯线缆24包括绝缘层241、屏蔽层242，内部至少包含7根导线23，每根导线23均为四芯屏蔽线缆，导线23由外至内分别为导线绝缘层231、导线屏蔽层232、镀银芯线233。

所述底座凹槽12共计8个。假定定位杆31的方向为z方向，在与z垂直的赤平面上选择x和y方向，使其共同构成笛卡尔坐标系。底座凹槽12可分为两组，第一组共4个，沿x-y平面均匀分布，且法线方向与x轴或y轴平行；第二组共4个，位于定位杆31与第二组之间，其法线为x-y-z坐标系的等倾线。如前文所述，为了便于确定方位，在定位杆31顶部绘制有坐标图，其x与y方向与前述x-y-z坐标系一致。

所述压力模块2的封装在底座凹槽12上，导线23一段连接硅压阻模块22，一端穿过导线241孔连接到多芯线缆24上。多芯线缆24在定位杆31内部，一端从导线孔241穿入，另一端从定位杆31顶部穿出，接入外部数据采集设备。多芯线缆24用于将压力模块的压电信号传输到采集端。

为了尽量削弱传感器对应力分布的影响，根据现有技术能力，所述压力模块直径约为25mm，底座凹槽深3mm，据此，球形基座1直径约为60-70mm。球形基座1内部的内部空腔15可采用热熔胶或玻璃胶进行填充和密封，以固定内部元件。

为了将矢量化三维主应力测量球埋设到需要测量应力的位置，在实施过程中，可采用掘开的方式或钻孔的方式去除测点上方土体，而后手持定位杆31将传感器整体深入测量孔内。通过转动定位杆31以调节各压力模块2的法线方向，确保测点方向为设计方向。

待方位确定后，将锚固尖35嵌入测量孔底部的土中。为了提高测量装置与土体的协调性，尽量将锚杆34都嵌入到土中，必要时可采用软木锤敲击定位杆31的顶部。待底部固定好以后，逐渐在测量孔内回填土体，并夯实，以完成埋设作业。

量测作业时，需采集位于x-y-z坐标系的等倾线上的4只传感器的数据，可根据实际需要在位于x轴和y轴的各2个传感器中分别采集一个数据，即整体采集6个传感器的数据即可。数据采集后的具体计算方法如下：

将6个传感器分别记为10、20、30、40、50、60，所测量的应力分别为σ₁₀、σ₂₀、σ₃₀、σ₄₀、σ₅₀、σ₆₀，各压力模块的法向方向为{α_i，β_i，γ_i}(i＝10、20、30、40、50、60)。那么测量点处实测三维应力状态在水准-地磁坐标系中以矩阵的形式记为：

{σ_ij}＝{σ_x σ_y σ_z σ_xy σ_yz σ_zx}

＝{σ₁₀ σ₂₀ σ₃₀ -σ₄₀ -σ₅₀ -σ₆₀} (1)

后续关于应力的计算为本领域的基础性计算，详细内容不再展开。

本发明通过底部的锚固系统和上部的定位杆，将传感器与周围土体固定，在爆炸冲击波作用下不容易与周围土体发生分离，提高测量精度。对于较深的测点，可适当增加定位杆长度，传感器上部的定位杆起到了辅助埋设的作用，可以伸入测孔内部，也可以通过手持，实现测点方向的观测与调节。传感器整体呈球形，底部与底座相连成整体，与土体接触的地方均呈钝角，避免了原因球形传感器底部与底部土体之间极易存在空腔的问题，提高传感器与土体的结合力。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种带固定基座的三维矢量测量球，其特征在于，包括球形基座，以及设置在球形基座上的若干个压力模块、以及多芯线缆；所述多芯线缆内设有与所述压力模块的数量相匹配的导线，每个所述压力模块与一根所述导线相连；还包括固定系统，所述固定系统包括穿过所述球形基座设置的定位杆、设置在球形基座底部的基座扩底；所述基座扩底远离所述球形基座的一侧上设有用于固定的锚杆。

2.如权利要求1中所述的带固定基座的三维矢量测量球，其特征在于，所述基座扩底包括连接部及支撑部，所述锚杆设置在所述支撑部上；所述支撑部的截面尺寸大于所述连接部的截面尺寸。

3.如权利要求1中所述的带固定基座的三维矢量测量球，其特征在于，所述压力模块包括相配合的压力敏感面以及硅压阻模块，所述压力敏感面朝向所述球形基座外侧。

4.如权利要求1中所述的带固定基座的三维矢量测量球，其特征在于，所述球形基座上设有用于装配压力模块的凹槽，所述压力模块设置在凹槽内，所述凹槽的数量大于等于所述压力模块的数量。

5.如权利要求4中所述的带固定基座的三维矢量测量球，其特征在于，所述凹槽内开设有用于导线穿过的线孔。

6.如权利要求1中所述的带固定基座的三维矢量测量球，其特征在于，所述多芯线缆包括线缆屏蔽层以及包裹在线缆屏蔽层外侧的线缆绝缘层。

7.如权利要求1中所述的带固定基座的三维矢量测量球，其特征在于，所述导线包括芯线、包裹在芯线外侧的导线屏蔽层、以及包裹在导线屏蔽层外侧的导线绝缘层。

8.如权利要求1中所述的带固定基座的三维矢量测量球，其特征在于，所述压力模块的设置点有8个，包括2组，第一组包括4个设置点，均布在所述球形基座的对称面上，该对称面与所述定位杆相垂直；所述定位杆的轴线为Z轴，在该对称面上选定X轴及Y轴，形成笛卡尔坐标系；第三组包括其余4个设置点，其法线位置为笛卡尔坐标系的等倾线。

9.如权利要求8中所述的带固定基座的三维矢量测量球，其特征在于，所述压力模块至少设有6个。

10.如权利要求1中所述的带固定基座的三维矢量测量球，其特征在于，所述多芯线缆内的导线数量比所述压力模块的数量至少多一条。