一种矢量化三维应力测量球制造技术

本发明专利技术属于应力测量领域，涉及一种矢量化三维应力测量球，包括：基座，所述基座上设置有2个定位组，分别为第一定位组、第二定位组；每个定位组内包括3个定位点，定位点与基座的几何中心确定的方向为该定位点的法线；第一定位组内的3个定位点的法线方向两两垂直，第二定位组内的三个定位点的法线方向两两夹角为60°；压力传感器，设置在定位点上，用于采集定位点处压应力。所述基座上还设有用于标定地磁方位的指南针及用于确定水平方位的水平仪，构建了水准‑地磁坐标系，用以确定三维应力测量装置的埋设方向，该坐标系同时为工程看勘察、设计、施工、使用等阶段的常用坐标系，且极易获取，进而实现了三维应力状态同实际工程的关联。

A Vectorized Three-Dimensional Stress Measurement Ball

【技术实现步骤摘要】
一种矢量化三维应力测量球
本专利技术属于应力测量领域，涉及一种矢量化三维应力测量球。
技术介绍
岩土工程中，受复杂的外部荷载和实际工程环境的影响，土的应力状态极为复杂。然而，作为一种多孔多相介质，土的力学特性受应力大小、应力方向、应力路径、应力历史等因素影响显著。为了对土的应力状态进行刻画，通常将一点的应力表述为一个矢量。在三维空间中，矢量包含六个自由度，因此需要六个独立的变量对一点的应力状态进行刻画。在主应力空间中，这六个自由度体现为主应力的三个大小量和主应力坐标系的三个方向量。因此，只有同时精确地获取土中一点的应力大小和方向，才能对应力状态进行刻画，进而科学地开展岩土工程安全稳定评价和施工维护分析。实际工程中，某一点处三维应力状态的精确测量一直是工程届的难点。由于现有技术中的测量装置几何形状不规则，导致用于测试的各表面的面积不同，面与面之间的夹角也不同，因而会导致土体的应力集中和应力分布不均匀现象，降低了应力大小测试的精确度，甚至会诱使土体沿装置表明发生剪切破坏。而且，现有技术只能测得三维应力状态的大小，而忽略了对每个应力方向的刻画，致使所量测应力的方向不明确，无法将所测得的一点应力状态同工程实际方位角进行关联，也无法用矢量或张量的方式在工程中对应力状态进行刻画，难以真正用于描述工程实际应力状态。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种矢量化三维应力测量球，测量三维条件下六个特定方向的应力大小，实现对一点处三维应力状态的量测并同水准-地磁坐标进行关联，通过计算得到一点处三个主应力的大小和方向，解决工程中三维应力矢量化测量的难题。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种矢量化三维应力测量球，其特征在于，包括：基座，所述基座上设置有2个定位组，分别为第一定位组、第二定位组；每个定位组内包括3个定位点，定位点与基座的几何中心确定的方向为该定位点的法线；第一定位组内的3个定位点的法线方向两两垂直，第二定位组内的三个定位点的法线方向两两夹角为60°；压力传感器，与定位点数量相匹配，并设置在定位点上，用于采集定位点处压力。可选地，所述基座上还设有数据采集模块、无线传输模块以及电源，设置在基座内部并与压力传感器电性相连，用于采集、存储、及无线传输压力数据。可选地，第一定位组内的法线分别为X轴、Y轴、Z轴；X轴与Y轴确定X-Y平面、Y轴与Z轴确定Y-Z平面、Z轴与X轴确定Z-X平面；第二定位组内的法线分别位于X-Y平面、Y-Z平面、Z-X平面内且与其所在平面内的两条轴线均呈45°夹角。可选地，所述定位点均为设置在基座上的凹槽，所述压力传感器嵌入设置在凹槽中。可选地，所述凹槽内预留有便于连接数据采集模块、无线传输模块以及电源的通孔。可选地，所述基座上还设有用于标定地磁方位的指南针及用于确定水平方位的水平仪。可选地，所述指南针的0°方向平行于X轴。可选地，所述水平仪设置在指南针上。可选地，所述基座呈中空的球形。本专利技术的有益效果在于：本专利技术的形状较为规则，可以很好地削弱由于测试装置形状不规则而导致的应力分布不均匀现象。各测量平面之间距离较远且分布较均匀，在一定程度上提高了测量精度；本专利技术将水准仪和指南针固定在球形测量基座上，共同构建了水准-地磁坐标系，用以确定三维应力测量装置的埋设方向。其中，水准仪将测量装置的法向同竖直方向固定；指南针确定水平面内一个轴向。只要确定了两个相互垂直的方向，便可以确定三维应力测试装置地磁坐标系x-y-z的方位。进而通过数学计算，得到所测应力单元在水准-地磁坐标系中的表示方法，该坐标系同时为工程看勘察、设计、施工、使用等阶段的常用坐标系，且极易获取，进而实现了三维应力状态同实际工程的关联。本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其中：图1为本专利技术的整体结构爆炸透视视图；图2为本专利技术的整体结构示意图；图3为本专利技术中第一定位组确定的三个平面；图4为本专利技术中第二定位组确定的三个平面；图5为本专利技术的整体结构爆炸视图。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利技术的限制；为了更好地说明本专利技术的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。本专利技术实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本专利技术的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利技术的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。请参阅图1-图5，附图中的元件标号分别表示：基座1、指南针2、水平仪3、数据采集与传输设备4。本专利技术包括球形的基座1、压力传感器、数据采集与传输设备和若干导线，数据采集与传输设备4包括数据采集模块、无线传输模块以及电源。所述基座1上预留有两组圆柱形凹槽，每组三个。其中一组共三个凹槽的法线方向两两垂直，为了便于描述，将其法线方向分别定义为x轴负方向、y轴负方向与z轴负方向。三个凹槽外沿所在平面也两两垂直，且相交于X-Y-Z轴等倾线上，构成了笛卡尔测量系。这三个凹槽为第一定位组内的三个定位点，分别记为第一定位点10、第二定位点20、以及第三定位点30。基座所预留的另一组共三个凹槽的法线分别位于X-Y平面35、Y-Z平面25和Z-X平面15上，且分别于与所在平面各轴线成45°夹角。三个凹槽外沿所在的三个平面也相交于X-Y-Z轴等倾线上，构成了等倾测量系，也称第二定位组，这三个凹槽分别记为第四定位点40、第五定位点50、第六定位点60。在六个凹槽内部固定压力传感器，凹槽与压力传感器之间设有防水胶粘结层，压力传感器可根据实际测量需求选取型号。相应地，凹槽需要按根据所选取的压力传感器定制，凹槽不建议太深，以免影响压力传感器的测量。一般建议采取LY-250型土压力盒，对应凹槽的直径为29～30mm、槽深为4～5mm。所述六个凹槽的底部均留有圆孔，所述球形基座内部设置有数据采集与传输设备4，可以参照现有技术中公开的测量电路。所述压力传感器带有数据导线，其一端连接在压力传感器底部，另一端穿过凹槽底部预留圆孔后连接到数据采集与传输设备4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种矢量化三维应力测量球，其特征在于，包括：基座，所述基座上设置有2个定位组，分别为第一定位组、第二定位组；每个定位组内包括3个定位点，定位点与基座的几何中心确定的方向为该定位点的法线；第一定位组内的3个定位点的法线方向两两垂直，第二定位组内的三个定位点的法线方向两两夹角为60°；压力传感器，与定位点数量相匹配，并设置在定位点上，用于采集定位点处压力。

【技术特征摘要】
1.一种矢量化三维应力测量球，其特征在于，包括：基座，所述基座上设置有2个定位组，分别为第一定位组、第二定位组；每个定位组内包括3个定位点，定位点与基座的几何中心确定的方向为该定位点的法线；第一定位组内的3个定位点的法线方向两两垂直，第二定位组内的三个定位点的法线方向两两夹角为60°；压力传感器，与定位点数量相匹配，并设置在定位点上，用于采集定位点处压力。2.如权利要求1中所述的矢量化三维应力测量球，其特征在于，所述基座上还设有数据采集模块、无线传输模块以及电源，设置在基座内部并与压力传感器电性相连，用于采集、存储、及无线传输压力数据。3.如权利要求1中所述的矢量化三维应力测量球，其特征在于，第一定位组内的法线分别为X轴、Y轴、Z轴；X轴与Y轴确定X-Y平面、Y轴与Z轴确定Y-Z平面、Z轴与X轴确定Z-X平面；第二定位组内的法线分别位于X-Y平面、Y-Z平面、Z-X...

【专利技术属性】
技术研发人员：董彤，柘美，
申请(专利权)人：董彤，
类型：发明
国别省市：北京,11