本發(fā)明涉及一種高精度三維土壓力測(cè)試裝置及其量程調(diào)整系統(tǒng)，適用于土木工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著土木工程領(lǐng)域大型基礎(chǔ)設(shè)施的不斷增多，超高超大跨建筑、大跨度橋梁、隧道、高速鐵路及地鐵的規(guī)模不斷擴(kuò)大，為保障施工過(guò)程的安全可靠，高邊坡開(kāi)挖，臨近建筑深基坑開(kāi)挖，臨近高鐵橋墩等施工過(guò)程中，臨近土體的位移場(chǎng)異變參數(shù)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以避免因工程事故的發(fā)生而給人們生命和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。

高邊坡失穩(wěn)、基坑塌陷等工程問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，事實(shí)表明，問(wèn)題的主要原因是在施工過(guò)程中，支護(hù)體系承載力不足，監(jiān)測(cè)的時(shí)效性差，沒(méi)有實(shí)時(shí)掌握待測(cè)土體的三維應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致事故的發(fā)生。施工場(chǎng)地周?chē)馏w壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作為保證施工安全的有效手段，顯得至關(guān)重要。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于土壓力測(cè)試裝置做了諸多研究，提出多種新型的土壓力測(cè)試裝置，既有的土壓力測(cè)試裝置以提高測(cè)試精度為主，將傳統(tǒng)的單向土壓力測(cè)試裝置通過(guò)整合等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)多維土壓力測(cè)試，而且，此種土壓力測(cè)試裝置具有不可控性，其內(nèi)部測(cè)試系統(tǒng)的量程具有不可調(diào)節(jié)性，難以適應(yīng)各種土體作用下的土壓力測(cè)量。實(shí)際工程施工過(guò)程中，實(shí)時(shí)掌握土體位移場(chǎng)異變時(shí)土體的三維應(yīng)力狀態(tài)至關(guān)重要，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土體位移是解決問(wèn)題的根本所在。對(duì)于某一深度土體的三維應(yīng)力狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如高邊坡內(nèi)部土體實(shí)時(shí)狀態(tài)，鄰近建筑深基坑開(kāi)挖土體的位移實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，臨近高鐵橋墩打樁時(shí)，橋墩周?chē)馏w受豎向沖擊荷載作用時(shí)不同深度土體的三維位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，目的在于確保正常施工的條件下，確保周?chē)O(shè)施的正常安全運(yùn)行。

目前，傳統(tǒng)的土壓力測(cè)試裝置及測(cè)試方法仍舊存在不足：

(1)土體土壓力、土體位移測(cè)試的單方向性

(2)土壓力測(cè)試裝置量程的不可控制性

土壓力測(cè)試裝置本身的可控制性差，很難適用于各種土體，特別是埋深較大的土體壓力、位移的測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，提出一種高精度三維土壓力測(cè)試裝置及其量程調(diào)整系統(tǒng)，所述高精度三維土壓力測(cè)試裝置可實(shí)時(shí)掌握土體的三維應(yīng)力狀態(tài)，所述量程調(diào)整系統(tǒng)可依據(jù)實(shí)測(cè)土體參數(shù)調(diào)整裝置的量程。

技術(shù)方案：一種高精度三維土壓力測(cè)試裝置，包括豎向主測(cè)力彈簧、若干水平測(cè)力彈簧、底板、內(nèi)筒、中心頂板、邊頂板以及若干外側(cè)板；其中，所述底板的中心位置固定有底板永磁鐵，所述中心頂板為圓形，其內(nèi)側(cè)面上固定有頂板永磁鐵；所述邊頂板中間設(shè)有通孔，所述通孔的直徑與所述內(nèi)筒的內(nèi)徑以及所述中心頂板的直徑均一致，所述中心頂板設(shè)置在所述邊頂板中間的通孔內(nèi)；

所述豎向主測(cè)力彈簧垂直固定在所述底板永磁鐵上，所述內(nèi)筒套在所述豎向主測(cè)力彈簧外，并垂直固定在所述底板上，所述內(nèi)筒的頂部與所述邊頂板固接；所述中心頂板側(cè)面與所述內(nèi)筒的內(nèi)側(cè)面上設(shè)有匹配的豎直滑軌；所述若干外側(cè)板以圓環(huán)陣列間隔豎直設(shè)置在所述內(nèi)筒外，相鄰?fù)鈧?cè)板之間采用柔性連接連接，所述內(nèi)筒外側(cè)壁上固定有內(nèi)側(cè)永磁鐵，每塊所述外側(cè)板內(nèi)側(cè)壁上固定有外側(cè)永磁鐵，在每塊所述外側(cè)板與內(nèi)筒之間設(shè)置所述水平測(cè)力彈簧，所述水平測(cè)力彈簧的兩端分別固定在所述內(nèi)側(cè)永磁鐵和外側(cè)永磁鐵上；每塊所述外側(cè)板的兩端部與邊頂板以及底板之間設(shè)有匹配的水平滑軌。

進(jìn)一步的，還包括若干豎向次測(cè)力彈簧，所述豎向次測(cè)力彈簧在所述內(nèi)筒內(nèi)，圍繞所述豎向主測(cè)力彈簧以圓環(huán)陣列間隔豎直設(shè)置，其底部固定在所述底板永磁鐵上；在每塊所述外側(cè)板與內(nèi)筒之間設(shè)置有多個(gè)所述水平測(cè)力彈簧，多個(gè)所述水平測(cè)力彈簧位于同一豎直平面內(nèi)，并等間距設(shè)置。

進(jìn)一步的，所述豎向主測(cè)力彈簧、豎向次測(cè)力彈簧與頂板永磁鐵以及底板永磁鐵之間設(shè)置絕緣，所述水平測(cè)力彈簧與內(nèi)側(cè)永磁鐵和外側(cè)永磁鐵之間設(shè)置絕緣。

進(jìn)一步的，所述豎向主測(cè)力彈簧、豎向次測(cè)力彈簧以及水平測(cè)力彈簧內(nèi)分別設(shè)有鐵芯，所述鐵芯外側(cè)面沿圓周方向均勻設(shè)有若干條沿鐵芯軸向設(shè)置的滑軌，所述豎向主測(cè)力彈簧、豎向次測(cè)力彈簧以及水平測(cè)力彈簧內(nèi)側(cè)沿螺旋圓周均勻設(shè)有若干導(dǎo)向彈性支承，所述導(dǎo)向彈性支承能夠與所述滑軌適配。

進(jìn)一步的，所述豎向主測(cè)力彈簧、豎向次測(cè)力彈簧以及水平測(cè)力彈簧外均設(shè)有導(dǎo)管。

進(jìn)一步的，所述底板、內(nèi)筒、中心頂板、邊頂板以及外側(cè)板均為環(huán)氧玻璃纖維板。

一種高精度三維土壓力測(cè)試裝置的量程調(diào)整系統(tǒng)，包括電源、若干光纖應(yīng)變式位移計(jì)、光纖調(diào)制解調(diào)儀、數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)；所述電源分別連接所述豎向主測(cè)力彈簧、豎向次測(cè)力彈簧、水平測(cè)力彈簧的兩端，所述光纖應(yīng)變式位移計(jì)垂直設(shè)置在所述底板永磁鐵以及各外側(cè)永磁鐵上；所述光纖調(diào)制解調(diào)儀通過(guò)光纖連接各個(gè)光纖應(yīng)變式位移計(jì)，各個(gè)光纖應(yīng)變式位移計(jì)的信號(hào)輸出通過(guò)所述數(shù)據(jù)采集儀傳輸?shù)剿鰯?shù)據(jù)分析系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)用于計(jì)算出土體位移變化率并進(jìn)一步計(jì)算出一定時(shí)間內(nèi)土體的位移變化量；所述控制系統(tǒng)根據(jù)所述一定時(shí)間內(nèi)土體的位移變化量，通過(guò)控制電源輸出電流的大小來(lái)控制所述主測(cè)力彈簧和豎向次測(cè)力彈簧形成的磁極與頂板永磁鐵和底板永磁鐵之間的互斥力，以及控制所述水平測(cè)力彈簧形成的磁極與水平內(nèi)側(cè)永磁鐵和水平外側(cè)永磁鐵之間的互斥力，實(shí)現(xiàn)測(cè)試裝置量程調(diào)節(jié)。

有益效果：本發(fā)明的一種高精度三維土壓力測(cè)試裝置為內(nèi)外圓筒體系，內(nèi)筒用于測(cè)量豎向土壓力及土體位移，外筒用于測(cè)量周?chē)馏w的水平向土壓力及土體位移。為克服傳統(tǒng)土壓力傳感器的測(cè)量的單方向性、對(duì)各種土體難以實(shí)現(xiàn)可控性，本裝置可實(shí)現(xiàn)土體的空間位移場(chǎng)異變參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)精確掌握待測(cè)土體的位移、土壓力的變化軌跡，。

其量程調(diào)整系統(tǒng)通過(guò)給測(cè)力彈簧通電，使測(cè)力彈簧內(nèi)部導(dǎo)體產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過(guò)控制電流的大小來(lái)控制磁場(chǎng)力，調(diào)節(jié)測(cè)力系統(tǒng)的剛度，控制測(cè)試裝置的量程，以實(shí)現(xiàn)超深基坑土體、臨近橋墩開(kāi)挖土體、超高邊坡內(nèi)部土體土壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該裝置及其量程調(diào)整系統(tǒng)適用于高邊坡土體開(kāi)挖，鄰近建筑深基坑開(kāi)挖、臨近高鐵橋墩打樁時(shí)周?chē)馏w位移場(chǎng)異變參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并可根據(jù)土體實(shí)測(cè)參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)控制，為后期監(jiān)測(cè)選擇合適的量程，保證精度。

附圖說(shuō)明

圖1為該一種高精度三維土壓力測(cè)試裝置的俯視圖；

圖2為圖1中A-A處的剖面?zhèn)纫晥D；

圖3為圖2中底板12的俯視圖；

圖4為圖2中頂板10、11的俯視圖；

圖5a為圖2中豎向測(cè)力系統(tǒng)的細(xì)部側(cè)視圖；圖5b為圖5a的細(xì)部側(cè)視圖；

圖6a為導(dǎo)向彈性支承側(cè)視圖；圖6b為導(dǎo)向彈性支承俯視圖；

圖7a為圖2中水平測(cè)力系統(tǒng)的細(xì)部俯視圖；圖7b為圖7a中B-B處的剖面正視圖；

圖8為電磁感應(yīng)控制力的原理圖；

圖9為控制系統(tǒng)流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。

一種高精度三維土壓力測(cè)試裝置，包括豎向主測(cè)力彈簧1、若干豎向次測(cè)力彈簧2、若干水平測(cè)力彈簧6、底板12、內(nèi)筒5、中心頂板11、邊頂板10以及若干外側(cè)板8。其中，底板12、內(nèi)筒5、中心頂板11、邊頂板10以及外側(cè)板8均為環(huán)氧玻璃纖維板，保證強(qiáng)度的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)絕緣連接。

如圖3所示，底板12的中心位置固定有底板永磁鐵14。如圖4所示，中心頂板11為圓形，其內(nèi)側(cè)面上設(shè)有頂板永磁鐵13。邊頂板10中間設(shè)有通孔，通孔的直徑與內(nèi)筒5的內(nèi)徑以及中心頂板11的直徑均一致。如圖1、圖2所示，豎向主測(cè)力彈簧1垂直固定在底板永磁鐵14中央，四個(gè)豎向次測(cè)力彈簧2圍繞豎向主測(cè)力彈簧1以圓環(huán)陣列間隔豎直設(shè)置，其底部固定在底板永磁鐵14上。豎向主測(cè)力彈簧1和豎向次測(cè)力彈簧2的頂端固定在頂板永磁鐵13上。豎向主測(cè)力彈簧1、豎向次測(cè)力彈簧2與頂板永磁鐵13以及底板永磁鐵14之間設(shè)置絕緣。豎向主測(cè)力彈簧1外套接有主導(dǎo)向管3，各豎向次測(cè)力彈簧2分別外套接有次導(dǎo)向管4，主導(dǎo)向管3和次導(dǎo)向管4均垂直固定在底板12上，其頂部固定在中心頂板11上。

內(nèi)筒5套在豎向主測(cè)力彈簧1和豎向次測(cè)力彈簧2外，并垂直固定在底板12上。內(nèi)筒5的頂部與邊頂板10固接，中心頂板11位于邊頂板10中間的通孔內(nèi)，如圖2所示。中心頂板11側(cè)面與內(nèi)筒5的內(nèi)側(cè)面上設(shè)有匹配的豎直滑軌。若干外側(cè)板8以圓環(huán)陣列間隔豎直設(shè)置在內(nèi)筒5外，相鄰?fù)鈧?cè)板8之間采用柔性連接9連接，所有外側(cè)板8、柔性連接9、邊頂板10、底板12以及內(nèi)筒5共同形成封閉腔體，為實(shí)現(xiàn)土體位移場(chǎng)異變參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供條件。每塊外側(cè)板8的兩端部與邊頂板10以及底板12之間設(shè)有匹配的水平滑軌。豎直導(dǎo)軌和水平導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)設(shè)置潤(rùn)滑油，盡可能減小側(cè)壁摩擦，保證測(cè)試精度。

如圖7所示，內(nèi)筒5外側(cè)壁上固定有內(nèi)側(cè)永磁鐵17，每塊外側(cè)板8內(nèi)側(cè)壁上固定有外側(cè)永磁鐵19，在每塊外側(cè)板8與內(nèi)筒5之間設(shè)置水平測(cè)力彈簧6。并且，在每塊外側(cè)板8與內(nèi)筒5之間設(shè)置有多個(gè)水平測(cè)力彈簧6，多個(gè)水平測(cè)力彈簧6位于同一豎直平面內(nèi)，并等間距設(shè)置。每個(gè)水平測(cè)力彈簧6外均套接有水平導(dǎo)向管7，水平導(dǎo)向管7兩端分別固定在內(nèi)側(cè)永磁鐵17和外側(cè)永磁鐵19上，水平測(cè)力彈簧6與內(nèi)側(cè)永磁鐵17和外側(cè)永磁鐵19之間設(shè)置絕緣。

如圖5、圖6、圖7所示，豎向主測(cè)力彈簧1、豎向次測(cè)力彈簧2以及水平測(cè)力彈簧6內(nèi)分別設(shè)有鐵芯15，16，18，鐵芯15，16，18外側(cè)面沿圓周方向均勻設(shè)有若干條沿鐵芯軸向設(shè)置的滑軌23，豎向主測(cè)力彈簧1、豎向次測(cè)力彈簧2以及水平測(cè)力彈簧6內(nèi)側(cè)沿螺旋圓周均勻設(shè)有若干導(dǎo)向彈性支承20，導(dǎo)向彈性支承20為垂直彈簧軸向設(shè)置的支撐桿，導(dǎo)向彈性支承20能夠與滑軌23適配，兩者之間滑動(dòng)連接，局部搭接不影響彈簧伸縮剛度。彈簧上套接的可伸縮的導(dǎo)管只提供彈簧側(cè)面的剛度保護(hù)，不影響彈簧的彈性方向形變。

如圖8所示，上述高精度三維土壓力測(cè)試裝置還包括電源21、開(kāi)關(guān)22，電源分別連接豎向主測(cè)力彈簧1、豎向次測(cè)力彈簧2、水平測(cè)力彈簧6的兩端。通過(guò)控制電源輸出電流的大小來(lái)控制主測(cè)力彈簧1和豎向次測(cè)力彈簧2形成的磁極與頂板永磁鐵13和底板永磁鐵14之間的互斥力，以及控制水平測(cè)力彈簧6形成的磁極與水平內(nèi)側(cè)永磁鐵17和水平外側(cè)永磁鐵19之間的互斥力，實(shí)現(xiàn)測(cè)試裝置量程調(diào)節(jié)。

如圖9所示，一種高精度三維土壓力測(cè)試裝置的量程調(diào)整系統(tǒng)還包括若干光纖應(yīng)變式位移計(jì)、光纖調(diào)制解調(diào)儀、數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。電源21分別連接豎向主測(cè)力彈簧1、豎向次測(cè)力彈簧2、水平測(cè)力彈簧6的兩端，光纖應(yīng)變式位移計(jì)垂直設(shè)置在底板永磁鐵14以及各外側(cè)永磁鐵19上。光纖調(diào)制解調(diào)儀通過(guò)光纖連接各個(gè)光纖應(yīng)變式位移計(jì)，各個(gè)光纖應(yīng)變式位移計(jì)的信號(hào)輸出通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析系統(tǒng)。

首先，根據(jù)測(cè)試深度、土體物理參數(shù)，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，設(shè)置測(cè)力彈簧的初始剛度。通過(guò)光纖應(yīng)變式位移計(jì)測(cè)得水平測(cè)力彈簧與豎向測(cè)力彈簧一定時(shí)間內(nèi)的位移，經(jīng)由數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，得到待測(cè)土體的位移變化率，根據(jù)實(shí)測(cè)土體位移變化率，可計(jì)算出一定時(shí)間內(nèi)土體的位移變化量，以此判斷一定時(shí)間內(nèi)，測(cè)試裝置能否滿(mǎn)足測(cè)試要求。若發(fā)現(xiàn)測(cè)試裝置的位移量程不能滿(mǎn)足，即量程超限，可依據(jù)一定時(shí)間內(nèi)實(shí)測(cè)位移量將其分為小位移、中位移、大位移，依據(jù)小位移、中位移、大位移的值，設(shè)置相應(yīng)的電流閾值，以此為依據(jù)來(lái)控制電源輸出電流的大小，分別設(shè)定相應(yīng)位移值對(duì)應(yīng)的電流的輸入值，來(lái)控制通電彈簧和鐵芯所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，根據(jù)同名磁極相斥所產(chǎn)生的力的原理，內(nèi)置鐵芯的通電彈簧將與彈簧兩端的永磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)力，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)土壓力測(cè)試裝置的所需量程的控制與調(diào)節(jié)。適當(dāng)調(diào)節(jié)測(cè)試裝置的量程，避免土壓力測(cè)試裝置因外界環(huán)境條件變化，導(dǎo)致土壓力測(cè)試裝置的量程太小難以滿(mǎn)足測(cè)試精需求，量程太大而實(shí)測(cè)土體位移較小時(shí)難以保證測(cè)試精度的問(wèn)題，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試的可控制性。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。