CN114323373B - 一种测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器，测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器包括壳体和检测组件，壳体具有沿上下方向间隔形成的第一腔体和第二腔体，第一腔体外套设有柔性管，柔性管与第一腔体连通设置，第一腔体和柔性管内填充有液体传压介质，第二腔体具有沿上下方向相对设置的第一感应面和第二感应面，第二感应面设有透水孔用以仅使饱和土中的水进入第二腔体内；检测组件包括两个应变传感器，两个应变传感器设于第二腔体内且分别固定于第一感应面和第二感应面。本发明提供的测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器，解决在饱和土的有效应力测量时，只能测量竖向有效应力无法同时测量侧向有效应力的问题。

Description

一种测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器

技术领域

本发明涉及岩土工程检测技术领域，具体涉及一种测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器。

背景技术

饱和土的总应力等于有效应力与孔隙压力之和，孔隙压力各向同性，不会引起土颗粒的变形，只有有效应力才会导致土体发生变形破坏。海床土体中饱和土的有效应力包括垂直有效应力和侧向有效应力，海床安全与侧向有效应力密切相关，因此在海床土体中饱和土的有效应力测量时，测量饱和土的垂直有效应力和侧向有效应力具有重要的意义。目前，饱和土压力传感器，只能测量承受复杂荷载的饱和土的垂直有效应力，而不能同时测量侧向有效应力。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器，旨在解决现有饱和土压力传感器，只能测量饱和土的垂直有效应力，不能同时测量侧向有效应力的问题。

为实现上述目的，本发明提出一种测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器，包括：

壳体，具有沿上下方向间隔形成的第一腔体和第二腔体，所述第一腔体外套设有柔性管，所述柔性管与所述第一腔体连通设置，所述第一腔体和所述柔性管内填充有液体传压介质，所述第二腔体具有沿上下方向相对设置的第一感应面和第二感应面，所述第二感应面设有透水孔，用以仅使饱和土中的水进入所述第二腔体内；以及，

检测组件，包括两个应变传感器，两个所述应变传感器设于所述第二腔体内，且分别固定于所述第一感应面和所述第二感应面。

可选地，所述第一腔体的上顶面设有充填口，所述充填口处密封安装有第一密封件，和/或，

所述第一腔体的上顶面设有排气孔，所述排气孔处设有第二密封件。

可选地，所述第一腔体的侧壁设有安装孔；

所述柔性管包括柔性管本体，所述柔性管本体上设有传压介质入口，所述传压介质入口处密封安装有传压介质输送管，所述传压介质输送管伸入至所述安装孔内。

可选地，所述柔性管本体和所述传压介质输送管一体设置。

可选地，两个所述应变传感器均为光纤光栅传感器，两个所述光纤光栅传感器通过光纤线与外部光纤光栅解调仪连接。

可选地，所述第二腔体的侧壁设有穿设孔，用于供所述光纤线穿设。

可选地，所述检测组件还包括温度补偿传感器，所述温度补偿传感器设于所述第二腔体内，且与两个所述光纤光栅传感器串联。

可选地，所述透水孔设有多个，多个所述透水孔沿所述第二感应面的周向间隔设置。

可选地，所述透水孔的孔径为D，且1mm＜D≤2mm。

可选地，所述壳体包括上下向分布的第一分壳体、第二分壳体和第三分壳体，所述第二分壳体具有上端开口的第一容腔，所述第三分壳体具有上端开口的第二容腔；

所述透水孔设于所述第二容腔的底面；

其中，所述第一分壳体盖设于所述第一容腔的开口处，以使所述第一分壳体与所述第二分壳体共同围合形成所述第一腔体；

所述第二分壳体的外底面盖设于所述第二容腔的开口，以使所述第二分壳体与所述第三分壳体共同围合形成所述第二腔体。

本发明的技术方案中，所述测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器，使用时埋设在饱和土中，以测量饱和土的有效应力。饱和土的总应力等于有效应力与孔隙压力之和，孔隙压力各向同性，并不会引起土体的变形，只有有效应力才会导致土体发生变形破坏。饱和土中的水通过所述透水孔进入所述第二腔体内，此时，所述第一感应面承受所述孔隙压力，所述第二感应面两侧的孔隙压力相互抵消，所述第二感应面仅承受饱和土的竖向有效应力，并在所述竖向有效应力的作用下发生形变，设于所述第二感应面的应变传感器也发生形变，通过所述应变传感器测出所述竖向有效应力；所述柔性管承受所述总压力，并将所述总应力传递至所述第一腔体内，根据静压传递原理可知，所述第一感应面承受所述总压力，由于所述第一感应面承受的所述孔隙压力和所述总压力的方向相反，所述总压力减去所述孔隙压力后，即为饱和土的侧向有效应力，所述第一感应面在所述侧向有效应力的作用下发生形变，设于所述第一感应面的应变传感器也发生形变，通过所述应变传感器测出所述侧向有效应力。通过所述测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器，可同时测量饱和土的竖向有效应力和侧向有效应力，并根据所述竖向有效应力和所述侧向有效应力，确定饱和土的有效应力，解决在饱和土的有效应力测量时，只能测量竖向有效应力，无法同时测量侧向有效应力的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提供的测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器的一实施例的结构示意图；

图2为图1中测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器另一视角的结构示意图；

图3为图1中柔性管的结构示意图；

图4为图1中第一分壳体结构示意图；

图5为图4中第一分壳体另一视角的结构示意图；

图6为图1中第二分壳体结构示意；

图7为图6中第二分壳体另一视角的结构示意图；

图8为图1中第三分壳体结构示意；

图9为图8中第三分壳体另一视角的结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器	121b	穿设孔
1	壳体	13	第一分壳体
				11	第一腔体	14	第二分壳体
111	充填口	141	第一容腔
				111a	第一密封件	15	第三分壳体
112	排气孔	151	第二容腔
				112a	第二密封件	2	柔性管
12	第二腔体	21	柔性管本体
				121	第二感应面	22	传压介质输送管
121a	透水孔	3	应变传感器

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

饱和土的总应力等于有效应力与孔隙压力之和，孔隙压力各向同性，不会引起土颗粒的变形，只有有效应力才会导致土体发生变形破坏。海床土体中饱和土的有效应力包括垂直有效应力和侧向有效应力，海床安全与侧向有效应力密切相关，因此在海床土体中饱和土的有效应力测量时，测量饱和土的垂直有效应力和侧向有效应力具有重要的意义。目前，饱和土压力传感器，只能测量承受复杂荷载的饱和土的垂直有效应力，而不能同时测量侧向有效应力。

鉴于此，本发明提出一种测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器，可同时测量饱和土的竖向有效应力和侧向有效应力，并根据所述竖向有效应力和所述侧向有效应力，确定饱和土的有效应力，解决在饱和土的有效应力测量时，只能测量竖向有效应力，无法同时测量侧向有效应力的问题。图1至图9为本发明提供的测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器的一实施例。

如图1至图3所示，本发明提供的所述测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器100包括壳体1和检测组件，所述壳体1具有沿上下方向间隔形成的第一腔体11和第二腔体12，所述第一腔体11外套设有柔性管2，所述柔性管2与所述第一腔体11连通设置，所述第一腔体11和所述柔性管2内填充有液体传压介质，所述第二腔体12具有沿上下方向相对设置的第一感应面和第二感应面121，所述第二感应面121设有透水孔121a，用以仅使饱和土中的水进入所述第二腔体12内；所述检测组件包括两个应变传感器3，两个所述应变传感器3设于所述第二腔体12内，且分别固定于所述第一感应面和所述第二感应面121。

本发明的技术方案中，所述测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器100，使用时埋设在饱和土中，以测量饱和土的有效应力。饱和土的总应力等于有效应力与孔隙压力之和，孔隙压力各向同性，并不会引起土体的变形，只有有效应力才会导致土体发生变形破坏。饱和土中的水通过所述透水孔121a进入所述第二腔体12内，此时，所述第一感应面承受所述孔隙压力，所述第二感应面121两侧的孔隙压力相互抵消，所述第二感应面121仅承受饱和土的竖向有效应力，并在所述竖向有效应力的作用下发生形变，设于所述第二感应面121的应变传感器3也发生形变，通过所述应变传感器3测出所述竖向有效应力；所述柔性管2承受所述总压力，并将所述总应力传递至所述第一腔体11内，根据静压传递原理可知，所述第一感应面承受所述总压力，由于所述第一感应面承受的所述孔隙压力和所述总压力的方向相反，所述总压力减去所述孔隙压力后，即为饱和土的侧向有效应力，所述第一感应面在所述侧向有效应力的作用下发生形变，设于所述第一感应面的应变传感器3也发生形变，通过所述应变传感器3测出所述侧向有效应力。通过所述测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器100，可同时测量饱和土的竖向有效应力和侧向有效应力，根据所述竖向有效应力和所述侧向有效应力，确定饱和土的有效应力，解决在饱和土的有效应力测量时，只能测量竖向有效应力，无法同时测量侧向有效应力的问题。

所述第一腔体11和所述柔性管2内填充有所述液体传压介质，以将所述柔性管2受到的压力传递至所述第一腔体11内。在一实施例中，所述第一腔体11的上顶面设有充填口111，所述充填口111处密封安装有第一密封件111a。通过在所述第一腔体11的上顶面设置所述填充口，以便于将所述液体传压介质输送至所述第一腔体11和所述柔性管2内，当所述第一腔体11和所述柔性管2内充满所述液体传压介质后，通过所述第一密封件111a对所述充填口111进行密封，以保证所述第一腔体11为密闭容腔。

所述第一腔体11和所述柔性管2内填充有所述液体传压介质，以将所述柔性管2受到的压力传递至所述第一腔体11内，为排出所述第一腔体11内的空气设有排气结构。在一实施例中，所述第一腔体11的上顶面设有排气孔112，所述排气孔112处设有第二密封件112a。通过在所述第一腔体11的上顶面设置所述排气孔112，以在向所述第一腔体11和所述柔性管2内填充所述液体传压介质时，以便于自所述排气孔112排出空气，使所述第一腔体11和所述柔性管2充满所述液体传压介质，当填充完所述液体传压介质后，通过所述第二密封件112a对所述排气孔112口进行密封，以保证所述第一腔体11为密闭容腔。

需要说明的是，上述两个技术特征可以择一设置，也可以同时设置，具体地，在本实施例中，上述两个技术特征可以同时设置。具体地，如图1所示，所述第一腔体11的上顶面设有充填口111，所述充填口111处密封安装有第一密封件111a，且所述第一腔体11的上顶面设有排气孔112，所述排气孔112处设有第二密封件112a。在所述第一腔体11的上顶面设置所述填充口，以便于将所述液体传压介质输送至所述第一腔体11和所述柔性管2内，在所述第一腔体11的上顶面设置所述排气孔112，以在向所述第一腔体11和所述柔性管2内填充所述液体传压介质时，以便于自所述排气孔112排出空气，使所述第一腔体11和所述柔性管2充满所述液体传压介质，当填充完所述液体传压介质后，通过所述第一密封件111a和所述第二密封件112a分别对所述充填口111和所述排气孔112进行密封，以保证所述第一腔体11为密闭容腔。

所述柔性管2套设在所述第一腔体11外，当所述柔性管2受力时，可通过所述液体传压介质将力传递至所述第一腔体11内。在本实施例中，如图3所示，所述第一腔体11的侧壁设有安装孔；所述柔性管2包括柔性管本体21，所述柔性管本体21上设有传压介质入口，所述传压介质入口处密封安装有传压介质输送管22，所述传压介质输送管22伸入至所述安装孔内。所述柔性管本体21通过所述传压介质输送管22与所述第一腔体11连接，以将其承受的压力传递至所述第一腔体11内。

具体地，在一实施例中，所述柔性管本体21和所述传压介质输送管22一体设置。所述柔性管本体21和所述传压介质输送管22一体设置，使所述柔性管本体21与所述传压介质输送管22连接处具有更好的密封性。

两个所述应变传感器3分别固定于所述第一感应面和所述第二感应面121，以对应测量饱和土的侧向有效压力和饱和土的竖向有效应力。在本实施例中，两个所述应变传感器3均为光纤光栅传感器，两个所述光纤光栅传感器通过光纤线与外部光纤光栅解调仪连接。两个所述光纤光栅传感器通过光纤线与外部光纤光栅解调仪连接，以将检测信号传递至光纤光栅解调仪，以根据各所述光纤光栅传感器的波长变化，计算获得饱和土的有效应力。所述光纤光栅传感器具有不受电磁干扰、灵敏度高、重量轻、适于在高温、腐蚀性的危险环境中使用等优点。

两个所述光纤光栅传感器通过光纤线与外部光纤光栅解调仪连接。在本实施例中，如图1所示，所述第二腔体12的侧壁设有穿设孔122，用于供所述光纤线穿设。通过设置所述穿设孔122，以使所述光纤线能够与光纤光栅解调仪电连接，从而将所述光纤光栅传感器的信号传递至光纤光栅解调仪。

具体地，在本实施例中，所述检测组件还包括温度补偿传感器，所述温度补偿传感器设于所述第二腔体12内，且与两个所述光纤光栅传感器串联。通过设置所述温度补偿传感器，以对所述光纤光栅应变传感器3进行温度补偿，消除温度对检测结果的影响，保证检测数据的准确性。

通过在所述第二感应面121设置所述透水孔121a，以仅使饱和土中的水进入所述第二腔体12内，所述透水孔121a的具体设置数量不做限定，只要能满足使用要求即可。在本实施例中，所述透水孔121a设有多个，多个所述透水孔121a沿所述第二感应面121的周向间隔设置。通过设置多个所述透水孔121a，以使所述第二腔体12能迅速被饱和土中的水填满，从而提高所述测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器100的检测速度，同时使其反应更灵敏。

所述透水孔121a仅用于使饱和土中的水进入所述第二腔体12内。在一实施例中，所述透水孔121a的孔径为D，且1mm＜D≤2mm。通过将所述透水孔121a的孔径D设置为大于1mm，且小于等于2mm，在使所述透水孔121a仅用于使饱和土中的水穿过的同时，保障所述第二腔体12的进水速度，减少所述第二腔体12充满水所需时间。

在一实施例中，所述透水孔121a的孔径为D，且D等于2mm。通过将所述透水孔121a的孔径设置为2mm，以使所述第二腔体12具有较快的进水速度，减少所述第二腔体12充满水所需时间，在保证所述第二腔体12具有较快的进水速度的同时，减少所述第二感应面121上所述透水孔121a的数量，有助于缩短加工时间，提高生产效率。

具体地，在本身实施例中，所述壳体1(如图4和图5所示)包括上下向分布的第一分壳体13、第二分壳体14和第三分壳体15，所述第二分壳体14(如图6和图7所示)具有上端开口的第一容腔141，所述第三分壳体15(如图8和图9所示)具有上端开口的第二容腔151；所述透水孔121a设于所述第二容腔151的底面；其中，所述第一分壳体13盖设于所述第一容腔141的开口处，以使所述第一分壳体13与所述第二分壳体14共同围合形成所述第一腔体11；所述第二分壳体14的外底面盖设于所述第二容腔151的开口，以使所述第二分壳体14与所述第三分壳体15共同围合形成所述第二腔体12。通过将所述第一分壳体13、所述第二分壳体14和第三分壳体15沿上下方向叠设，以使所述第一分壳体13与所述第二分壳体14共同围合形成所述第一腔体11，所述第二分壳体14与所述第三分壳体15共同围合形成所述第二腔体12。所述壳体1采用分体式结构设计，加工制造简单，有助于提高生产效率，降低生产成本。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器，其特征在于，包括：

壳体，具有沿上下方向间隔形成的第一腔体和第二腔体，所述第一腔体外套设有柔性管，所述柔性管与所述第一腔体连通设置，所述第一腔体和所述柔性管内填充有液体传压介质，所述第二腔体具有沿上下方向相对设置的第一感应面和第二感应面，所述第二感应面设有透水孔，用以仅使饱和土中的水进入所述第二腔体内；以及，

检测组件，包括两个应变传感器，两个所述应变传感器设于所述第二腔体内，且分别固定于所述第一感应面和所述第二感应面。

2.如权利要求1所述的测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器，其特征在于，所述第一腔体的上顶面设有充填口，所述充填口处密封安装有第一密封件，和/或，

所述第一腔体的上顶面设有排气孔，所述排气孔处设有第二密封件。

3.如权利要求1所述的测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器，其特征在于，所述第一腔体的侧壁设有安装孔；

所述柔性管包括柔性管本体，所述柔性管本体上设有传压介质入口，所述传压介质入口处密封安装有传压介质输送管，所述传压介质输送管伸入至所述安装孔内。

4.如权利要求3所述的测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器，其特征在于，所述柔性管本体和所述传压介质输送管一体设置。

5.如权利要求1所述的测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器，其特征在于，两个所述应变传感器均为光纤光栅传感器，两个所述光纤光栅传感器通过光纤线与外部光纤光栅解调仪连接。

6.如权利要求5所述的测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器，其特征在于，所述第二腔体的侧壁设有穿设孔，用于供所述光纤线穿设。

7.如权利要求5所述的测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器，其特征在于，所述检测组件还包括温度补偿传感器，所述温度补偿传感器设于所述第二腔体内，且与两个所述光纤光栅传感器串联。

8.如权利要求1所述的测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器，其特征在于，所述透水孔设有多个，多个所述透水孔沿所述第二感应面的周向间隔设置。

9.如权利要求1所述的测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器，其特征在于，所述透水孔的孔径为D，且1mm＜D≤2mm。

10.如权利要求1所述的测量饱和土竖向和侧向有效应力的传感器，其特征在于，所述壳体包括上下向分布的第一分壳体、第二分壳体和第三分壳体，所述第二分壳体具有上端开口的第一容腔，所述第三分壳体具有上端开口的第二容腔；

所述透水孔设于所述第二容腔的底面；

其中，所述第一分壳体盖设于所述第一容腔的开口处，以使所述第一分壳体与所述第二分壳体共同围合形成所述第一腔体；

所述第二分壳体的外底面盖设于所述第二容腔的开口，以使所述第二分壳体与所述第三分壳体共同围合形成所述第二腔体。