微型三维土压力盒及其测试方法技术

本发明专利技术为一种微型三维土压力盒，该土压力盒的菱形十二面体骨架的各面中心均设有圆形孔，将菱形弹性膜片设置于菱形十二面体骨架的各菱形面上，从而在菱形弹性膜片内壁形成圆形面，选取菱形十二面体骨架顶部四个及侧面两相邻的圆形面粘贴电阻应变片；数据导线孔设置在菱形十二面体骨架底部任一菱形面上，通过数据导线将电阻应变片的导线经数据导线孔引出并与数据采集仪相连接，将菱形弹性膜片与菱形十二面体骨架之间的空隙用防水密封胶填充牢固，即形成微型三维土压力盒。同时提供一种微型三维土压力盒的测试方法。有益效果是本装置具有尺寸多样、原理鲜明、适用性广、结构简单、造价低廉、精度高等特点，为直接测试土体中某点的应力状态提供了保障。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于常规应力测试领域，具体为一种微型三维土压力盒及其测试方法，适用于岩土工程领域。技术背景土压力测量装置是进行土工试验和土的力学参数确定的重要设备，其测量的精确度直接影响到能否正确认识土体。目前，常规的用于测试土体应力的设备为土压力盒，按照受力传递形式不同分为单膜、双膜土压力盒。土体在荷载作用在，将应力传递给土压力盒，在土压力盒受压侧布置电阻应变片或是钢弦测定土压力盒的受压面变形，以间接获知土体的应力。常规的应力装置只能量测土体中某确定方向的应力情况；CN201410740140.2公开的基于三维应变花的研究成果可获取土体内部的应变状态，由于土体的复杂特性，使得其泊松比等弹塑性参数难以确定，因而利用应变状态计算土体内部三维应力状态存在很大缺陷。CN201410345195.3及CN201510956800.5等公开了一类基于菱形十二面体等基座的三维土压力状态测试装置，因将土压力盒依附于基座中，受土压力盒尺寸影响，决定了该土压力测试装置的体积过大，因而影响了应力状态的测试精度。上述问题使得测试结果与真实值之间往往存在一定差值，造成土体中一点的三维应力状态认识不够准确。为掌握土体作为建筑材料在施工和使用过程中所处的应力状态，迫切需要一种具备尺寸更小、适用性广、结构简单、造价低廉、精度高等特点，且能够用于土体内部某点三维应力状态测试的装置，以对土体内部的常规应力状态进行计算和量测，进而有效评估工程的安全性能，
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种微型三维土压力盒及其测试方法，以提升对土体内部常规应力状态的量测精度。本专利技术采用的技术方案是提供一种微型三维土压力盒的装置，其中：该土压力盒包括有：菱形十二面体骨架、菱形弹性膜片、电阻应变片、数据导线、防水密封胶；所述菱形十二面体骨架的各面中心均设有圆形孔，将菱形弹性膜片设置于菱形十二面体骨架的各菱形面上，从而在菱形弹性膜片内壁形成圆形面，选取菱形十二面体骨架顶部四个及侧面两相邻的圆形面粘贴电阻应变片；数据导线孔设置在菱形十二面体骨架底部任一菱形面上，通过数据导线将电阻应变片的导线经数据导线孔引出并与数据采集仪相连接，将菱形弹性膜片与菱形十二面体骨架之间的空隙用防水密封胶填充牢固，即形成微型三维土压力盒。所述菱形弹性膜片的刚度小于菱形十二面体骨架各面的刚度；且菱形弹性膜片的大小与菱形十二面体骨架各面大小相一致。同时提供一种微型三维土压力盒的测试方法。本专利技术的效果是该微型三维土压力盒尺寸较小，传力方式直接，且摆脱了基座制作等引起的误差，提高了基于多面体基座与常规土压力盒组合装置来量测土压力状态的精度。本专利技术的微型三维土压力盒为多面体实体形式，施加应力后，解决了因局部土体压力过大引起的测量装置自身扭曲变形。若单组电阻应变片的测试精度为δ，则三个主应力的测试精度为1.5δ，三个剪应力的测试精度为0.5δ，平均测试精度为δ。整体测试精度满足了土体应力测试的基本要求，能更精确的呈现真实的受力状态。附图说明图1为本专利技术的微型三维土压力盒效果图；图2为本专利技术涉及的菱形十二面体骨架效果图；图3为本专利技术涉及的与菱形十二面体骨架组合示意图；图4为本专利技术涉及的电阻应变片布置于菱形弹性膜片的方式图；图5为本专利技术的微型三维土压力盒建立的一种空间直角坐标系；图6至图8为本专利技术的菱形十二面体骨架制作流程图。图中：1.菱形十二面体骨架 2.菱形弹性膜片 3.电阻应变片4.数据导线 5.防水密封胶 6.圆形孔 7.数据导线孔8.圆形面具体实施方式结合附图对本专利技术的微型三维土压力盒及其测试方法加以说明。本专利技术的微型三维土压力盒及其测试方法设计原理：根据空间内一点的应力状态与主应力之间的矩阵关系，基于主应力方向与空间坐标系之间的角度关系确定计算矩阵及其逆矩阵，进而可依据获取的主应力与逆矩阵的乘积计算一点的应力状态。本专利技术的微型三维土压力盒及其测试方法具体实施方式如下：本专利技术的土压力盒结构包括有：菱形十二面体骨架1、菱形弹性膜片2、电阻应变片3、数据导线4、防水密封胶5；所述菱形十二面体骨架1的各面中心均设有圆形孔6，将菱形弹性膜片2设置于菱形十二面体骨架1的各菱形面上，从而在菱形弹性膜片2内壁形成圆形面8，选取菱形十二面体骨架1顶部四个及侧面两相邻的圆形面8粘贴电阻应变片3；数据导线孔7设置在菱形十二面体骨架1底部任一菱形面上，通过数据导线4将电阻应变片3的导线经数据导线孔7引出并与数据采集仪相连接，将菱形弹性膜片2与菱形十二面体骨架1之间的空隙用防水密封胶5填充牢固，即形成微型三维土压力盒。所述菱形弹性膜片2的刚度小于菱形十二面体骨架1各面的刚度；且菱形弹性膜片2的大小与菱形十二面体骨架1各面大小相一致。本专利技术的微型三维土压力盒测试方法如下：第一，选取如图6所示的正方体，在正方体OABC-DEFG中，M、N分别为所在正方体表面的中心，P、Q、H、I分别为所在直线的中点，连接点M、H、N、I，可制作菱形MHNI。将本模型分别旋转90°、180°、270°可得到另外3个与顶面相接的菱形，如图7所示。在底面进行对称操作可得到底面的4个菱形，上下各4个菱形面相接围合成4个侧面，如图8所示。在上面4个顶面和任意两侧面中心开半径为r的圆形孔6，在任一底面上开数据导线孔7，即形成本发面的菱形十二面体骨架1，如图2所示。第二，制作菱形弹性膜片2。菱形弹性膜片2与菱形十二面体骨架1的各面大小一致；设图7所示正方体边长为2a，则该菱形弹性膜片2的边长为√3a/2，菱形弹性膜片2的对角线长度分别为a、√2a。第三，粘贴电阻应变片3。取上述制作好的菱形弹性膜片2，以菱形对角线的交点为圆心画半径为r的圆，即形成圆形面8，如图4所示；在圆形面8依四壁全桥接线法粘贴电阻应变片3，其中电阻应变片3，即R1、R2、R3、R4的形心位置距离菱形弹性膜片2的中心0.577r，并分别自A、B、C、D点引出4根数据导线4。第四，组装本专利技术的微型三维土压力盒。将粘贴好电阻应变片3的菱形弹性膜片2的数据导线4经菱形十二面体骨架1的圆形孔6并从数据导线孔7穿出，电阻应变片3所在面朝向菱形十二面体骨架1侧，如图3所示。重复以上操作依次将A1、A2、A3、A4、A5、A6面安装好；随后将菱形弹性膜片2与菱形十二面体骨架1之间的空隙用防水密封胶5填充牢固，并用防水密封胶5将数据导线孔7与数据导线4之间孔隙填充牢固；即形成本专利技术的微型三维土压力盒，如图1所示。第五，对本专利技术的微型三维土压力盒进行标定。获取标定压力与应变之间关系。第六，将该三维土压力盒埋置于待测土体中，对土体的坐标方向进行定义，如图5所示，并将本专利技术的微型三维土压力盒对应土体的坐标方向进行埋设。第七，通过应力应变测读设备获得六个应力读数，即σ1、σ2、σ3、σ4、σ5、σ6，利用式(1)可得一点的应力状态： ...

【技术保护点】
一种微型三维土压力盒，其特征是：该土压力盒包括有：菱形十二面体骨架(1)、菱形弹性膜片(2)、电阻应变片(3)、数据导线(4)、防水密封胶(5)；所述菱形十二面体骨架(1)的各面中心均设有圆形孔(6)，将菱形弹性膜片(2)设置于菱形十二面体骨架(1)的各菱形面上，从而在菱形弹性膜片(2)内壁形成圆形面(8)，选取菱形十二面体骨架(1)顶部四个及侧面两相邻的圆形面(8)粘贴电阻应变片(3)；数据导线孔(7)设置在菱形十二面体骨架(1)底部任一菱形面上，通过数据导线(4)将电阻应变片(3)的导线经数据导线孔(7)引出并与数据采集仪相连接，将菱形弹性膜片(2)与菱形十二面体骨架(1)之间的空隙用防水密封胶(5)填充牢固，即形成微型三维土压力盒；所述菱形弹性膜片(2)的刚度小于菱形十二面体骨架(1)各面的刚度；且菱形弹性膜片(2)的大小与菱形十二面体骨架(1)各面大小相一致。

【技术特征摘要】
1.一种微型三维土压力盒，其特征是：该土压力盒包括有：菱形十二面体骨架(1)、菱形弹性膜片(2)、电阻应变片(3)、数据导线(4)、防水密封胶(5)；所述菱形十二面体骨架(1)的各面中心均设有圆形孔(6)，将菱形弹性膜片(2)设置于菱形十二面体骨架(1)的各菱形面上，从而在菱形弹性膜片(2)内壁形成圆形面(8)，选取菱形十二面体骨架(1)顶部四个及侧面两相邻的圆形面(8)粘贴电阻应变片(3)；数据导线孔(7)设置在菱形十二面体骨架(1)底部任一菱形面上，通过数据导线(4)将电阻应变片(3)的导线经数据导线孔(7)引出并与数据采集仪相连接，将菱形弹性膜片(2)与菱形十...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈之祥，李顺群，杨文喜，王杏杏，张勋程，周亚东，李岩，郭林坪，
申请(专利权)人：天津城建大学，
类型：发明
国别省市：天津;12