微型三維土壓力盒及其測試方法與流程
2023-10-08 23:22:29 4
本發明屬於常規應力測試領域，具體為一種微型三維土壓力盒及其測試方法，適用於巖土工程領域。技術背景土壓力測量裝置是進行土工試驗和土的力學參數確定的重要設備，其測量的精確度直接影響到能否正確認識土體。目前，常規的用於測試土體應力的設備為土壓力盒，按照受力傳遞形式不同分為單膜、雙膜土壓力盒。土體在荷載作用在，將應力傳遞給土壓力盒，在土壓力盒受壓側布置電阻應變片或是鋼弦測定土壓力盒的受壓面變形，以間接獲知土體的應力。常規的應力裝置只能量測土體中某確定方向的應力情況；CN201410740140.2公開的基於三維應變花的研究成果可獲取土體內部的應變狀態，由於土體的複雜特性，使得其泊松比等彈塑性參數難以確定，因而利用應變狀態計算土體內部三維應力狀態存在很大缺陷。CN201410345195.3及CN201510956800.5等公開了一類基於菱形十二面體等基座的三維土壓力狀態測試裝置，因將土壓力盒依附於基座中，受土壓力盒尺寸影響，決定了該土壓力測試裝置的體積過大，因而影響了應力狀態的測試精度。上述問題使得測試結果與真實值之間往往存在一定差值，造成土體中一點的三維應力狀態認識不夠準確。為掌握土體作為建築材料在施工和使用過程中所處的應力狀態，迫切需要一種具備尺寸更小、適用性廣、結構簡單、造價低廉、精度高等特點，且能夠用於土體內部某點三維應力狀態測試的裝置，以對土體內部的常規應力狀態進行計算和量測，進而有效評估工程的安全性能，技術實現要素：本發明目的是提供一種微型三維土壓力盒及其測試方法，以提升對土體內部常規應力狀態的量測精度。本發明採用的技術方案是提供一種微型三維土壓力盒的裝置，其中：該土壓力盒包括有：菱形十二面體骨架、菱形彈性膜片、電阻應變片、數據導線、防水密封膠；所述菱形十二面體骨架的各面中心均設有圓形孔，將菱形彈性膜片設置於菱形十二面體骨架的各菱形面上，從而在菱形彈性膜片內壁形成圓形面，選取菱形十二面體骨架頂部四個及側面兩相鄰的圓形面粘貼電阻應變片；數據導線孔設置在菱形十二面體骨架底部任一菱形面上，通過數據導線將電阻應變片的導線經數據導線孔引出並與數據採集儀相連接，將菱形彈性膜片與菱形十二面體骨架之間的空隙用防水密封膠填充牢固，即形成微型三維土壓力盒。所述菱形彈性膜片的剛度小於菱形十二面體骨架各面的剛度；且菱形彈性膜片的大小與菱形十二面體骨架各面大小相一致。同時提供一種微型三維土壓力盒的測試方法。本發明的效果是該微型三維土壓力盒尺寸較小，傳力方式直接，且擺脫了基座製作等引起的誤差，提高了基於多面體基座與常規土壓力盒組合裝置來量測土壓力狀態的精度。本發明的微型三維土壓力盒為多面體實體形式，施加應力後，解決了因局部土體壓力過大引起的測量裝置自身扭曲變形。若單組電阻應變片的測試精度為δ，則三個主應力的測試精度為1.5δ，三個剪應力的測試精度為0.5δ，平均測試精度為δ。整體測試精度滿足了土體應力測試的基本要求，能更精確的呈現真實的受力狀態。附圖說明圖1為本發明的微型三維土壓力盒效果圖；圖2為本發明涉及的菱形十二面體骨架效果圖；圖3為本發明涉及的與菱形十二面體骨架組合示意圖；圖4為本發明涉及的電阻應變片布置於菱形彈性膜片的方式圖；圖5為本發明的微型三維土壓力盒建立的一種空間直角坐標系；圖6至圖8為本發明的菱形十二面體骨架製作流程圖。圖中：1.菱形十二面體骨架2.菱形彈性膜片3.電阻應變片4.數據導線5.防水密封膠6.圓形孔7.數據導線孔8.圓形面具體實施方式結合附圖對本發明的微型三維土壓力盒及其測試方法加以說明。本發明的微型三維土壓力盒及其測試方法設計原理：根據空間內一點的應力狀態與主應力之間的矩陣關係，基於主應力方向與空間坐標系之間的角度關係確定計算矩陣及其逆矩陣，進而可依據獲取的主應力與逆矩陣的乘積計算一點的應力狀態。本發明的微型三維土壓力盒及其測試方法具體實施方式如下：本發明的土壓力盒結構包括有：菱形十二面體骨架1、菱形彈性膜片2、電阻應變片3、數據導線4、防水密封膠5；所述菱形十二面體骨架1的各面中心均設有圓形孔6，將菱形彈性膜片2設置於菱形十二面體骨架1的各菱形面上，從而在菱形彈性膜片2內壁形成圓形面8，選取菱形十二面體骨架1頂部四個及側面兩相鄰的圓形面8粘貼電阻應變片3；數據導線孔7設置在菱形十二面體骨架1底部任一菱形面上，通過數據導線4將電阻應變片3的導線經數據導線孔7引出並與數據採集儀相連接，將菱形彈性膜片2與菱形十二面體骨架1之間的空隙用防水密封膠5填充牢固，即形成微型三維土壓力盒。所述菱形彈性膜片2的剛度小於菱形十二面體骨架1各面的剛度；且菱形彈性膜片2的大小與菱形十二面體骨架1各面大小相一致。本發明的微型三維土壓力盒測試方法如下：第一，選取如圖6所示的正方體，在正方體OABC-DEFG中，M、N分別為所在正方體表面的中心，P、Q、H、I分別為所在直線的中點，連接點M、H、N、I，可製作菱形MHNI。將本模型分別旋轉90°、180°、270°可得到另外3個與頂面相接的菱形，如圖7所示。在底面進行對稱操作可得到底面的4個菱形，上下各4個菱形面相接圍合成4個側面，如圖8所示。在上面4個頂面和任意兩側面中心開半徑為r的圓形孔6，在任一底面上開數據導線孔7，即形成本發麵的菱形十二面體骨架1，如圖2所示。第二，製作菱形彈性膜片2。菱形彈性膜片2與菱形十二面體骨架1的各面大小一致；設圖7所示正方體邊長為2a，則該菱形彈性膜片2的邊長為√3a/2，菱形彈性膜片2的對角線長度分別為a、√2a。第三，粘貼電阻應變片3。取上述製作好的菱形彈性膜片2，以菱形對角線的交點為圓心畫半徑為r的圓，即形成圓形面8，如圖4所示；在圓形面8依四壁全橋接線法粘貼電阻應變片3，其中電阻應變片3，即R1、R2、R3、R4的形心位置距離菱形彈性膜片2的中心0.577r，並分別自A、B、C、D點引出4根數據導線4。第四，組裝本發明的微型三維土壓力盒。將粘貼好電阻應變片3的菱形彈性膜片2的數據導線4經菱形十二面體骨架1的圓形孔6並從數據導線孔7穿出，電阻應變片3所在面朝向菱形十二面體骨架1側，如圖3所示。重複以上操作依次將A1、A2、A3、A4、A5、A6面安裝好；隨後將菱形彈性膜片2與菱形十二面體骨架1之間的空隙用防水密封膠5填充牢固，並用防水密封膠5將數據導線孔7與數據導線4之間孔隙填充牢固；即形成本發明的微型三維土壓力盒，如圖1所示。第五，對本發明的微型三維土壓力盒進行標定。獲取標定壓力與應變之間關係。第六，將該三維土壓力盒埋置於待測土體中，對土體的坐標方向進行定義，如圖5所示，並將本發明的微型三維土壓力盒對應土體的坐標方向進行埋設。第七，通過應力應變測讀設備獲得六個應力讀數，即σ1、σ2、σ3、σ4、σ5、σ6，利用式(1)可得一點的應力狀態：σxσyσzσxyσyzσzx=-0.50.5-0.50.50.50.50.5-0.50.5-0.50.50.50.50.50.50.5-0.5-0.50000-0.50.5-0.5000.50000.50-0.500×σ1σ2σ3σ4σ5σ6---(1)]]>式(1)中，σx、σy、σz為三維應力狀態的三個正應力分量，σxy、σyz、σzx為三維應力狀態的三個剪應力分量；σ1、σ2、σ3、σ4、σ5、σ6分別表示微型三維土壓力盒測得的6個應力實測值。所述微型三維土壓力盒的應變片粘貼位置計算推導如下：根據彈性理論，周圍固定的圓形板在均布荷載作用下，板上各點應力狀態計算公式為式(2)、(3)中，D為菱形彈性膜片的剛度係數；r為菱形十二面體骨架上圓形孔半徑；x為計算點與菱形十二面體骨架上圓形孔中心的距離；t為菱形彈性膜片的厚度。由式(2)和式(3)可知，切向應變為拉應變；徑向應變在0<x<0.577r範圍內為拉應變，在0.577r<x其中，k＝1，2，3，4，5，6；l、m、n分別為正應力方向與x、y、z軸的餘弦。進而可將式(7)用矩陣表示為σ1σ2σ3σ4σ5σ6=l12m12n122l1m12m1n12n1l1l22m22n222l2m22m2n22n2l2l32m32n322l3m32m3n32n3l3l42m42n422l4m42m4n42n4l4l52m52n522l5m52m5n52n5l5l62m62n622l6m62m6n62n6l6×σxσyσzσxyσyzσzx---(8)]]>按照式(8)可得到土體中一點的6個方向的正應力σ1、σ2、σ3、σ4、σ5、σ6；若已知該六個方向的正應力且保證矩陣滿足求逆要求，則按照矩陣求逆運算可得出一點的應力狀態σx、σy、σz、σxy、σyz、σzx。根據圖5建立的坐標系，依據式(8)構造的矩陣並求逆，一點的應力狀態σx、σy、σz、σxy、σyz、σzx可按式(9)計算σxσyσzσxyσyzσzx=-0.50.5-0.50.50.50.50.5-0.50.5-0.50.50.50.50.50.50.5-0.5-0.50000-0.50.5-0.5000.50000.50-0.500×σ1σ2σ3σ4σ5σ6---(9)]]>本壓力盒具有尺寸多樣、原理鮮明、適用性廣、結構簡單、造價低廉、精度高等特點，改善了基於多面體基座與常規土壓力盒組合量測土壓力狀態的誤差。若單組電阻應變片的測試精度為δ，則三個主應力的測試精度為1.5δ，三個剪應力的測試精度為0.5δ，平均測試精度為δ。整體測試精度滿足了土體應力測試的基本要求，能更精確的呈現真實的受力狀態。以上所述僅為結合本次製作過程進行說明，並不限制本結構，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種變化和更改，比如應用振弦替代電阻應變片、將一次膜變更為二次膜、更換應變片安裝面等。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁1 2 3