一种测量土的三维应力状态的装置及其测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种测量土的三维应力状态的装置及其测量方法，该装置包括：由两两垂直且长度相等的支撑杆o‑x﹑支撑杆o‑y和支撑杆o‑z组成的钢支撑o‑x‑y‑z，由两两垂直且长度相等的支撑杆o‑x'﹑支撑杆o‑y'和支撑杆o‑z'组成的钢支撑o‑x'‑y'‑z'，微型土压力传感器，张力计传感器，以及微型气体压力传感器；该装置可以实时测量并记录土内一点的三向主应力的大小和方向随时间的变化关系。对于饱和土，该装置可以实时测量并记录土体内一点孔隙水压力、有效主应力的大小和方向随时间的变化关系。对于非饱和土，该装置可以实时测量并记录土体内一点孔隙气压力、基质吸力、净主应力的大小和方向随时间的变化关系。 1

A device for measuring three-dimensional stress state of soil and its measuring method

The invention provides a device for measuring the three-dimensional stress state of a soil and its measurement method, which consists of a steel supporting o x y y z, consisting of a 22 vertical and equal length supporting rod o x, a supporting rod o y, and a supporting rod o Z. The steel supports o X'Y' z', micro earth pressure sensor, tension meter sensor, and micro gas pressure sensor; the device can measure and record the relationship between the size and direction of the three direction stress in the soil with time in real time. For saturated soil, the device can measure and record the relationship between the pore water pressure, the magnitude and direction of effective principal stress and time in the soil. For unsaturated soil, the device can measure and record the relationship between the size and direction of a point of pore gas pressure, matrix suction, net principal stress and direction of soil in real time. One

【技术实现步骤摘要】
一种测量土的三维应力状态的装置及其测量方法
本专利技术属于工程应力测试
，具体涉及一种测量土的三维应力状态的装置及其测量方法。
技术介绍
近海单桩风机等工程中需要测定桩基础周围土体的应力状态，例如：测定波浪荷载作用下桩周土体的主应力轴旋转情况。另外，根据“JingboZhao,LiangChen,FredericCollinc,YuemiaoLiu,JuWang.Numericalmodelingofcoupledthermal-hydro-mechanicalbehaviorofGMZbentoniteintheChina-Mock-uptest[J]EngineeringGeology,Volume214,30November2016,Pages116-126”，为了进行水力热耦合数值模型的验证，核废料深地质处置模型试验中缓冲层非饱和粘土的主应力也需要实验测定。因此，饱和土体或土的体的三向应力测试是工程中的一项基础性工作，是对工程安全设计及评价的基础。中国专利(CN202110012U；CN102322982A；CN102322982B)是测量混凝土内部应力的装置，对于土体的应力测试装置，现阶段同类技术处于以下阶段。中国专利CN105547532A指出：现有的压力测试装置大多数只能测试一个方向的压力，例如：CN104037495A于2014年9月10日公开了一种用于滑坡监测的L型液态金属天线。只有少数的压力测试装置可以测试三向应力状态，中国专利201210097373.6、201410345195.3公开了几种三向压力测试装置，各有特色。但综合比较后发现，现有的三向压力测试装置存在几个问题：(1)现有的三向压力测试装置主要都是基于传感式或振弦式土压力盒，该类测试装置精度不够高，量程不够大，长期稳定性不够好；(2)现有的三向压力测试装置都只能测试某一时刻的三向压力，而不能实时测试待测体的压力变化；(3)现有的三向压力测试装置无法对饱和土(特别是非饱和土)的应力状态进行测定。针对现有技术存在的问题，本专利技术所要解决的技术问题就是提供一种基于压阻式微型土压力传感器的测量装置，它能够实时监测并存储土体中一点总应力的应力状态(例如：输出一点的三向主应力大小和方向)。因此，该装置可以测试在边界静荷载或动荷载作用下，土内一点的三向主应力随时间的变化关系，即可以得到土体内一点的应力路径随时间的变化关系。对于饱和土，该装置可以测试土体内一点孔隙水压力和有效主应力随时间的变化关系。对于非饱和土，该装置可以测试土体内一点孔隙气压力、基质吸力和净主应力随时间的变化关系。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出一种测量土的三维应力状态的装置及其测量方法。一种测量土的三维应力状态的装置，包括：由两两垂直且长度相等的支撑杆o-x﹑支撑杆o-y和支撑杆o-z组成的钢支撑o-x-y-z，由两两垂直且长度相等的支撑杆o-x'﹑支撑杆o-y'和支撑杆o-z'组成的钢支撑o-x'-y'-z'，微型土压力传感器，张力计传感器，以及微型气体压力传感器；所述微型土压力传感器有六个，分别垂直固定于钢支撑o-x-y-z各支撑杆末端和钢支撑o-x'-y'-z'的各支撑杆末端；所述张力计传感器有六个，分别固定于钢支撑o-x-y-z各支撑杆上靠近末端的位置和钢支撑o-x'-y'-z'各支撑杆上靠近末端的位置；所述微型气体压力传感器有六个，分别固定于钢支撑o-x-y-z各支撑杆上靠近末端的位置和钢支撑o-x'-y'-z'各支撑杆上靠近末端的位置；所述钢支撑o-x-y-z和钢支撑o-x'-y'-z'固定于o点，设置于待测量点位置；所述六个微型土压力传感器，分别用于测量钢支撑o-x-y-z笛卡尔坐标系下o-x方向的正应力σx、o-y方向的正应力σy、o-z方向的正应力σz，钢支撑o-x'-y'-z'笛卡尔坐标系下o-x'方向的正应力σx'、o-y'方向的正应力σy'、o-z'方向的正应力σz'；所述六个张力计传感器，分别用于测量支撑杆o-x末端周围土体的孔隙水压力uwx、支撑杆o-y末端周围土体的孔隙水压力uwy、支撑杆o-z末端周围土体的孔隙水压力uwz、支撑杆o-x'末端周围土体的孔隙水压力uwx'、支撑杆o-y'末端周围土体的孔隙水压力uwy'、支撑杆o-z'末端周围土体的孔隙水压力uwz'；所述六个微型气体压力传感器，分别用于测量支撑杆o-x末端周围土体的孔隙气压力uax、支撑杆o-y末端周围土体的孔隙气压力uay、支撑杆o-z末端周围土体的孔隙气压力uaz、支撑杆o-x'末端周围土体的孔隙气压力uax'、支撑杆o-y'末端周围土体的孔隙气压力uay'、支撑杆o-z'末端周围土体的孔隙气压力uaz'。所述支撑杆o-x和支撑杆o-x'的夹角﹑支撑杆o-x'和支撑杆o-y的夹角﹑支撑杆o-y和支撑杆o-y'的夹角﹑支撑杆o-y'和支撑杆o-z的夹角﹑支撑杆o-z和支撑杆o-z'的夹角，以及支撑杆o-z'和支撑杆o-x的夹角均相等。所述支撑杆o-x﹑支撑杆o-y、支撑杆o-z、支撑杆o-x'﹑支撑杆o-y'和支撑杆o-z'的长度均相等，且均为不锈钢杆。采用测量土的三维应力状态的装置进行测量的方法，包括以下步骤：步骤1：获取钢支撑o-x-y-z和钢支撑o-x'-y'-z'结构中各个夹角方向余弦；所述各个夹角方向余弦，包括：x-x'夹角的方向余弦l1、x-y'夹角的方向余弦l2、x-z'夹角的方向余弦l3、y-x'夹角的方向余弦m1、y-y'夹角的方向余弦m2、y-z'夹角的方向余弦m3、z-x'夹角的方向余弦n1、z-y'夹角的方向余弦n2、z-z'夹角的方向余弦n3；步骤2：将测量土的三维应力状态的装置o点设置于待测量点位置；步骤3：通过微型土压力传感器实时采集并记录每个时刻对应的待测量点各个方向的正应力σx、σy、σz、σx'、σy'、σz'，通过张力计传感器实时采集并记录每个时刻对应的待测量点各个方向的孔隙水压力uwx、uwy、uwz、uwx'、uwy'、uwz'，通过微型气体压力传感器实时采集并记录每个时刻对应的待测量点各个方向的孔隙气压力uax、uay、uaz、uax'、uay'、uaz'；步骤4：根据当前时刻待测量点各个方向的正应力σx、σy、σz、σx'、σy'、σz'和装置支撑杆的各个夹角方向余弦，采用弹性力学转轴时应力分量的变换公式得到当前时刻的x-y方向的剪切应力τxy、x-z方向的剪切应力τxz、y-z方向的剪切应力τyz、x'-y'方向的剪切应力τx'y'、x'-z'方向的剪切应力τx'z'、y'-z'方向的剪切应力τy'z'；步骤5：采用弹性力学-点三维主应力公式计算待测量点主应力大小σ＝{σ1,σ2,σ3}，σ1为待测量点第一主应力大小、σ2为待测量点第二主应力大小、σ3为待测量点第三主应力大小；步骤6：根据待测量点主应力大小σ＝{σ1,σ2,σ3}计算待测量点主应力方向，即待测量点的主应力在笛卡尔坐标系中的方向余弦；步骤7：根据当前时刻的待测量点各个方向的孔隙水压力uwx、uwy、uwz、uwx'、uwy'、uwz'计算待测量点的孔隙水压力uwo；步骤8：根据当前时刻的待测量点各个方向的孔隙气压力uax、uay、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量土的三维应力状态的装置，其特征在于，包括：由两两垂直且长度相等的支

【技术特征摘要】
1.一种测量土的三维应力状态的装置，其特征在于，包括：由两两垂直且长度相等的支撑杆o-x、支撑杆o-y和支撑杆o-z组成的钢支撑o-x-y-z，由两两垂直且长度相等的支撑杆o-x′、支撑杆o-y′和支撑杆o-z′组成的钢支撑o-x′-y′-z′，微型土压力传感器，张力计传感器，以及微型气体压力传感器；所述微型土压力传感器有六个，分别垂直固定于钢支撑o-x-y-z各支撑杆末端和钢支撑o-x′-y′-z′的各支撑杆末端；所述张力计传感器有六个，分别固定于钢支撑o-x-y-z各支撑杆上靠近末端的位置和钢支撑o-x′-y′-z′各支撑杆上靠近末端的位置；所述微型气体压力传感器有六个，分别固定于钢支撑o-x-y-z各支撑杆上靠近末端的位置和钢支撑o-x′-y′-z′各支撑杆上靠近末端的位置；所述钢支撑o-x-y-z和钢支撑o-x′-y′-z′固定于o点，设置于待测量点位置；所述微型土压力传感器有六个，分别用于测量钢支撑o-x-y-z笛卡尔坐标系下o-x方向的正应力σx、o-y方向的正应力σy、o-z方向的正应力σz，钢支撑o-x′-y′-z′笛卡尔坐标系下o-x′方向的正应力σx′、o-y′方向的正应力σy′、o-z′方向的正应力σz′；所述张力计传感器有六个，分别用于测量支撑杆o-x末端周围土体的孔隙水压力uwx、支撑杆o-y末端周围土体的孔隙水压力uwy、支撑杆o-z末端周围土体的孔隙水压力uwz、支撑杆o-x′末端周围土体的孔隙水压力uwx′、支撑杆o-y′末端周围土体的孔隙水压力uwy′、支撑杆o-z′末端周围土体的孔隙水压力uwz′；所述六个微型气体压力传感器，分别用于测量支撑杆o-x末端周围土体的孔隙气压力uax、支撑杆o-y末端周围土体的孔隙气压力uay、支撑杆o-z末端周围土体的孔隙气压力uaz、支撑杆o-x′末端周围土体的孔隙气压力uax′、支撑杆o-y′末端周围土体的孔隙气压力uay′、支撑杆o-z′末端周围土体的孔隙气压力uaz′°2.根据权利要求1所述的测量土的三维应力状态的装置，其特征在于，所述支撑杆o-x和支撑杆o-x′的夹角、支撑杆o-x′和支撑杆o-y的夹角、支撑杆o-y和支撑杆o-y′的夹角、支撑杆o-y′和支撑杆o-z的夹角、支撑杆o-z和支撑杆o-z′的夹角，以及支撑杆o-z′和支撑杆o-x的夹角均相等。3.根据权利要求1所述的测量土的三维应力状态的装置，其特征在于，所述支撑杆o-x、支撑杆o-y、支撑杆o-z、支撑杆o-x′、支撑杆o-y′和支撑杆o-z′的长度均相等，且均为不锈钢杆。4.采用权利要求1所述的测量土的三维应力状态的装置进行测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取钢支撑o-x-y-z和钢支撑o-x′-y′-z′结构中各个夹角方向余弦；所述各个夹角方向余弦，包括：x-x′夹角的方向余弦l1、x-y′夹角的方向余弦l2、x-z′夹角的方向余弦l3、y-x′夹角的方向余弦m1、y-y′夹角的方向余弦m2、y-z′夹角的方向余弦m3、z-x′夹角的方向余弦n1、z-y′夹角的方向余弦n2、z-z′夹角的方向余弦n3；步骤2：将测量土的三维应力状态的装置o点设置于待测量点位置；步骤3：通过微型土压力传感器实时采集并记录每个时刻对应的待测量点各个方向的正应力σx、σy、σz、σx′、σy′、σz′，通过张力计传感器实时采集并记录每个时刻对应的待测量点各个方向的孔隙水压力uwx、uwy、uwz、uwx′、uwy′、uwz′，通过微型气体压力传感器实时采集并...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛文杰，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21