CN113029417B - 一种适用于土体变形现场测试和模型试验的小型三维土压力盒 - Google Patents

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Abstract

一种适用于土体变形现场测试和模型试验的小型三维土压力盒，包括三维土压力测量模块、偏转角度测量模块。所述三维土压力测量模块包括多个土压力测量单元，多个土压力测量单元分别安装在安装骨架的安装孔内，任意一土压力测量单元包括压阻元件、传力活塞、橡胶承压膜片、膜片固定环。橡胶承压膜片与传力活塞间的构成的油腔内注满了液压油。偏转角度测量模块安装在安装骨架的卡槽内并固定，偏转角度测量模块用于测量该土压力盒绕X,Y,Z三轴的偏转角度。本发明小型三维土压力盒可以测量土体内某部位三个正交方向上的土压力值，同时还能测量土压力盒在土中随周围土体移动而发生的水平和竖向偏转角度；从而可以更准确、合理地得知土体内某部位的应力状态。

Description

一种适用于土体变形现场测试和模型试验的小型三维土压 力盒
技术领域
本发明涉及岩土工程试验研究技术领域，具体涉及一种适用于土体变形现场测试和模型试验的小型三维土压力盒。
背景技术
目前常见的小型土压力盒只能测量土体内某部位一个方向上的土压力值，不能测量三个正交方向的土压力大小。其次，在一些涉及土体变形的现场测试和模型试验中，埋设在土体中的土压力盒可能随土体变形而发生平移和转动，这样测得的实际土压力可能并不是原来设定方向的土压力，如果用测得的土压力作为原来设定方向的土压力进行试验和理论分析，可能产生较大偏差。另外，有研究人员也注意到了土压力盒转动对土体内部应力测量的影响，尝试用多个土压力盒按一定规则排列并固定组合在一起进行测量，但组合在一起的土压力盒组体积较大，并且由于土体中土压力测试点通常较多，埋设于土中的土压力盒组必然对土体的变形产生影响，特别是对于尺寸较小的模型试验的试验可靠性产生重要影响。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种适用于土体变形现场测试和模型试验的小型三维土压力盒，可以测量土体内某部位三个正交方向上的土压力值，同时还能测量土压力盒在土中随周围土体移动而发生的水平和竖向偏转角度；从而可以更准确、合理地得知土体内某部位的应力状态，并且对土体变形过程影响很小。
本发明采取的技术方案为：
一种适用于土体变形现场测试和模型试验的小型三维土压力盒，包括三维土压力测量模块、偏转角度测量模块。所述三维土压力测量模块包括多个土压力测量单元，多个土压力测量单元分别安装在安装骨架的安装孔内，任意一土压力测量单元包括压阻元件、传力活塞、橡胶承压膜片、膜片固定环；压阻元件设置在安装孔底面，压阻元件、传力活塞、橡胶承压膜片、膜片固定环依次由里向外安装在安装孔内；
橡胶承压膜片与传力活塞间的构成的油腔内注满了液压油，当橡胶承压膜片受压将使得油腔压缩从而液压油推动传力活塞向内运动，传力活塞将推力作用在压阻元件从而测得土压力。
偏转角度测量模块安装在安装骨架的卡槽内并固定，偏转角度测量模块用于测量该土压力盒绕X,Y,Z 三轴的偏转角度。
所述小型三维土压力盒呈立方体形，在立方体形压力盒的五个侧面各安装了一个土压力测量单元，这五个土压力测量单元组成了三维土压力测量模块，立方体形压力盒底面安装了盖板，拆开盖板能够看到安装骨架的空腔。
所述偏转角度测量模块为包含有高精度六轴角加速度计与数据处理器的集成电路板，数据处理器读取高精度六轴角加速度并经过处理后通过USB串口传输至电脑。
本发明一种适用于土体变形现场测试和模型试验的小型三维土压力盒，技术效果如下：
1）可以测量土体内某部位三个正交方向上的土压力值和土压力盒绕X、Y、Z三轴的偏转角度。土压力测量模块的承压膜片采用与土体具有良好贴合性的橡胶材质制成，承压膜片与传力活塞间的空腔内注满液压油，土压力以液压的形式均匀的作用在传力活塞上，传力活塞再将压力均匀的作用在压阻元件上，弥补了一般小型土压力盒灵敏度低和土压力传递不均匀的情况。
2）首次将三维土压力测量模块与土压力盒偏转角度测量模块相结合，实现了土体内部三维方向上的土压力大小以及土压力盒偏转角度的测量，为研究土体内部应力状态和应力偏转提供了技术途径。
附图说明
图1为本发明小型三维土压力盒的立体结构示意图。
图2为本发明小型三维土压力盒的仰视结构示意图。
图3为本发明小型三维土压力盒的剖面结构示意图。
图4为本发明小型三维土压力盒的装配示意图。
具体实施方式
如图1~图4所示，一种适用于土体变形现场测试和模型试验的小型三维土压力盒，包括三维土压力测量模块7、偏转角度测量模块12。
所述三维土压力测量模块7包括多个土压力测量单元，多个土压力测量单元分别安装在安装骨架1预留的安装孔内，任意一土压力测量单元包括压阻元件5、传力活塞4、橡胶承压膜片3、膜片固定环2；压阻元件5设置在安装孔底面，压阻元件5、传力活塞4、橡胶承压膜片3、膜片固定环2依次由里向外安装在安装孔内；最后向传力活塞4与橡胶承压膜片3之间的油腔13注满液压油。
橡胶承压膜片3与传力活塞4间的构成的油腔13内注满了液压油，当橡胶承压膜片3受压将使得油腔13压缩从而液压油推动传力活塞4向内运动，传力活塞4将推力作用在压阻元件5从而测得土压力。
压阻元件5采用薄膜压力传感器FSR402RP-C18.3-ST。
偏转角度测量模块12安装在安装骨架1空腔的卡槽内并用强力胶固定，偏转角度测量模块12用于测量该土压力盒绕X,Y,Z 三轴的偏转角度。通过土压力盒绕X、Y、Z轴的偏转角度值可以清楚的知道土压力盒在土中的体态以及各个土压力测量单元所测土压力的方向。
所述小型三维土压力盒呈立方体形，在立方体形压力盒的五个侧面各安装了一个土压力测量单元，这五个土压力测量单元组成了三维土压力测量模块7，立方体形压力盒底面安装了盖板6，拆开盖板6能够看到安装骨架1的空腔。
所述偏转角度测量模块12为包含有高精度六轴角加速度计与数据处理器的集成电路板，数据处理器读取高精度六轴角加速度并经过处理后通过USB串口传输至电脑。
高精度六轴角加速度计采用维特智能串口加速度计陀螺仪姿态倾斜角度传感器MPU6050模块JY61。
数据处理器采用与高精度六轴角加速度计配套的USB-TTL模块，JY61模块与USB-TTL模块相连并将测得数据传给电脑端。
本发明小型三维土压力盒组装步骤如下：
第一步：在压阻元件5的接线端10焊接一定长度导线（图中未画出），然后在压阻元件5背面涂胶粘贴在安装孔底面，并将信号线由引线孔9引入安装骨架1的空腔内。
第二步：将活塞密封圈11套在传力活塞4上然后一起送入安装孔内。
第三步：将橡胶承压膜片3安装在安装孔内，注意将注油孔8与安装骨架1的注油孔对齐，然后将橡胶承压膜片3固定环涂胶安装到位。
第四步：拧下注油孔8密封螺丝，使用注射器（图中未画出）向油腔13注满液压油。
第五步：重复上述步骤，依次将五个土压力测量单元安装完毕。
第六步：将偏转角度测量模块12安装在安装骨架1的空腔的卡槽内并用强力胶固定。
第七步：将三维土压力测量模块7和偏转角度测量模块12的信号线由引线孔7引出并在引线口做密封，然后将盖板6装配好。
通过上述步骤，完成小型三维土压力盒的组装。
本发明采用压阻元件5作为压力传感器,并利用橡胶材质承载膜片与土体良好的贴合性以及液体传力介质腔内压强的一致性设计了灵敏度高、信号稳定的三维土压力测量模块7，同时将三维土压力测量模块7与偏转角度测量模块12相结合，获取准确的土体内部三维应力，为研究土体内部的真实应力状态和应力偏转情况提供技术支持。

Claims (4)

1.一种适用于土体变形现场测试和模型试验的小型三维土压力盒，包括三维土压力测量模块（7）、偏转角度测量模块（12）；其特征在于：
所述三维土压力测量模块（7）包括多个土压力测量单元，多个土压力测量单元分别安装在安装骨架（1）的安装孔内，任意一土压力测量单元包括压阻元件（5）、传力活塞（4）、橡胶承压膜片（3）、膜片固定环（2）；压阻元件（5）设置在安装孔底面，压阻元件（5）、传力活塞（4）、橡胶承压膜片（3）、膜片固定环（2）依次由里向外安装在安装孔内；
橡胶承压膜片（3）与传力活塞（4）间的构成的油腔（13）内注满了液压油，当橡胶承压膜片（3）受压将使得油腔（13）压缩从而液压油推动传力活塞（4）向内运动，传力活塞（4）将推力作用在压阻元件（5）从而测得土压力；
偏转角度测量模块（12）安装在安装骨架（1）的卡槽内并固定，偏转角度测量模块（12）用于测量该土压力盒绕X,Y,Z 三轴的偏转角度；
所述小型三维土压力盒呈立方体形，在立方体形压力盒的五个侧面各安装了一个土压力测量单元，这五个土压力测量单元组成了三维土压力测量模块（7）。
2.根据权利要求1所述一种适用于土体变形现场测试和模型试验的小型三维土压力盒，其特征在于：立方体形压力盒底面安装了盖板（6），拆开盖板（6）能够看到安装骨架（1）的空腔。
3.根据权利要求1所述一种适用于土体变形现场测试和模型试验的小型三维土压力盒，其特征在于：所述偏转角度测量模块（12）为包含有高精度六轴角加速度计与数据处理器的集成电路板，数据处理器读取高精度六轴角加速度并经过处理后通过USB串口传输至电脑。
4.一种如权利要求1~3所述任意一种小型三维土压力盒的组装工艺：其特征在于包括以下步骤：
第一步：在压阻元件（5）的接线端（10）焊接导线，然后在压阻元件（5）背面涂胶粘贴在安装孔底面，并将信号线由引线孔（9）引入安装骨架（1）的空腔内；
第二步：将活塞密封圈（11）套在传力活塞（4）上然后一起送入安装孔内；
第三步：将橡胶承压膜片（3）安装在安装孔内，将注油孔（8）与安装骨架（1）的注油孔对齐，然后将橡胶承压膜片（3）固定环涂胶安装到位；
第四步：拧下注油孔（8）密封螺丝，向油腔（13）注满液压油；
第五步：重复上述步骤，依次将五个土压力测量单元安装完毕；
第六步：将偏转角度测量模块（12）安装在安装骨架（1）的空腔的卡槽内并用强力胶固定；
第七步：将三维土压力测量模块（7）和偏转角度测量模块（12）的信号线由引线孔（7）引出并在引线口做密封，然后将盖板（6）装配好；
通过上述步骤，完成小型三维土压力盒的组装。
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