本發(fā)明屬于巖土工程領(lǐng)域，涉及一種土體彈性參數(shù)測試裝置及其測試方法，可用于測試土體內(nèi)的彈性參數(shù)。

背景技術(shù)：

土體在外力作用下不能產(chǎn)生位移時，它的幾何形狀和尺寸將發(fā)生變化，這種形變稱為應(yīng)變。土體發(fā)生形變時內(nèi)部產(chǎn)生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定義單位面積上的這種反作用力為應(yīng)力。土體的彈性參數(shù)是研究土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的橋梁，是建立土體強度模型的關(guān)鍵。

巖土體具有與金屬不同的材料屬性，由于真實的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)難以獲取，因此依據(jù)各向同性假定獲取其應(yīng)力應(yīng)變值。因土體的壓硬性、碎散性、非線性等特征，一點的實際應(yīng)變不能直接測試獲得。通過在土體內(nèi)部埋設(shè)應(yīng)變裝置獲取的實際是土壓力作用于埋設(shè)裝置而產(chǎn)生的裝置應(yīng)變，且埋設(shè)裝置為面接觸并非線體，獲取的實質(zhì)上為某方向土體的壓力對埋設(shè)裝置產(chǎn)生的平均應(yīng)變。

常規(guī)的土體彈性參數(shù)測定主要依據(jù)一維或者二維計算理論，或基于直剪試驗、固結(jié)試驗等實驗室試驗，測定的參數(shù)是等價意義上的參數(shù)，并非實際的彈性參數(shù)。長久以來，一些巖土工作者提出一系列的強度模型，該類模型有雙參數(shù)變彈性模型和無法考慮剪脹的四參數(shù)模型；七參數(shù)模型基于共軸特性建立了正交各向同性體的一般關(guān)系，九參數(shù)表示的為正交各向異性材料的彈性常數(shù)。由于七參數(shù)模型和九參數(shù)模型在實際情況下難以測試，因而迄今為止尚無基于七參數(shù)和九參數(shù)的強度模型。專利號2014103451953和2015109568005從不同視角公布了用于三維土體應(yīng)力狀態(tài)測試的計算方法，為測試土體的常規(guī)應(yīng)力狀態(tài)提供了可能。專利號2014107401402公布了用于 測試土體內(nèi)部三維應(yīng)變狀態(tài)的測試裝置，然而土體應(yīng)變測試需要足夠的材料相似度，該專利并未實質(zhì)性指出材料類型，仍需改進(jìn)。由于受到測試方法等技術(shù)上的局限，尚無能夠測試正交各向異性材料的九個彈性參數(shù)的裝置。

為有效測試不同土體的彈性性能，合理評估土體的應(yīng)力應(yīng)變、強度及變形特性。有必要提出土體彈性參數(shù)的測試方法。該類測試方法為認(rèn)識土體的力學(xué)和變形特性提供了便利，將為土體九參數(shù)強度模型的建立提供可能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種土體彈性參數(shù)測試裝置及其測試方法，以實現(xiàn)土體的真實彈性參數(shù)測試，進(jìn)而為合理評估土體的應(yīng)力應(yīng)變、強度及變形特性提供可能。在此過程中，提出應(yīng)變盒及其測試方法。

為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種土體彈性參數(shù)測試裝置，該土體彈性參數(shù)測試裝置埋置于土體內(nèi)部，并與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接，其中：該裝置包括有10個土壓力盒、10個應(yīng)變盒、基座、數(shù)據(jù)導(dǎo)線、防水密封膠組成；所述基座呈六棱臺、六棱柱、六棱臺組成的上中下結(jié)構(gòu)，且基座的頂面、底面及所有側(cè)面均設(shè)置有凹槽，1個土壓力盒設(shè)置于基座上部六棱臺的頂面；3個土壓力盒設(shè)置于基座上部六棱臺側(cè)面彼此不相鄰的凹槽內(nèi)，3個土壓力盒設(shè)置于基座六棱柱側(cè)面彼此不相鄰的凹槽內(nèi)，3個土壓力盒設(shè)置于基座下部六棱臺側(cè)面彼此不相鄰的凹槽內(nèi)；10個應(yīng)變盒設(shè)置于基座側(cè)面和底面空置的壓力盒凹槽內(nèi)；10個土壓力盒和10個應(yīng)變盒的數(shù)據(jù)導(dǎo)線經(jīng)基座內(nèi)部數(shù)據(jù)線孔道從數(shù)據(jù)線匯總孔引出后與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接，通過防水密封膠將土壓力盒與基座之間的縫隙填充，形成土體彈性參數(shù)測試裝置。

同時提供一種土體彈性參數(shù)測試裝置的測試方法。

本發(fā)明效果是填補了土體九彈性參數(shù)不能直接測試的空白。該類測試方法為認(rèn)識土體的力學(xué)和變形特性提供了便利，將為土體九參數(shù)強度模型的建立提供可能。設(shè)單個土壓力盒和單個應(yīng)變盒的精度分別為κ、ρ，則最大正應(yīng) 力精度為4.33κ，最大剪應(yīng)力精度為3.5κ；最大正應(yīng)變精度為10.33ρ，最大剪應(yīng)變精度為34.67ρ。操作中精度的提高能最大程度上呈現(xiàn)真實的土體彈性參數(shù)，為土體的強度及變形研究提供了保障。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的土體彈性參數(shù)測試測試裝置效果圖；

圖2為本發(fā)明涉及的應(yīng)力盒效果圖；

圖3為本發(fā)明涉及的剛性管透視圖；

圖4為本發(fā)明涉及的基座效果；

圖5本發(fā)明的土體彈塑性參數(shù)測試裝置建立的一種坐標(biāo)系；

圖6為本發(fā)明涉及的基座透視圖；

圖7為本發(fā)明涉及的基座剖面圖。

圖中：

1.壓力盒 2.應(yīng)變盒 3.基座 4.數(shù)據(jù)導(dǎo)線 5.防水密封膠

21.剛性管 22.彈性囊 23.感壓器 24.填充液 25.孔塞

26.密封圈 27.密封槽 28.感壓器孔 29.充液孔 31.凹槽

32.數(shù)據(jù)線孔道 33.數(shù)據(jù)線匯總孔

具體實施方式

結(jié)合附圖對本發(fā)明的土體彈性參數(shù)測試裝置及其測試方法加以說明。

本發(fā)明的土體彈性參數(shù)測試裝置及其測試方法是基于：建立土體應(yīng)變與介質(zhì)應(yīng)變關(guān)系，從而獲取其應(yīng)變；根據(jù)三維應(yīng)力狀態(tài)與三維應(yīng)變狀態(tài)之間的柔度矩陣的逆運算可獲取正交各向異性材料的彈性參數(shù)。

本發(fā)明的土體彈性參數(shù)測試裝置結(jié)構(gòu)是，該土體彈性參數(shù)測試裝置埋置于土體內(nèi)部，并與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接，其特征是：該裝置包括有10個土壓力盒1、10個應(yīng)變盒2、基座3、數(shù)據(jù)導(dǎo)線4、防水密封膠5組成；所述基座3呈六棱臺、六棱柱、六棱臺組成的上中下結(jié)構(gòu)，且基座3的頂面、底面 及所有側(cè)面均設(shè)置有凹槽31，1個土壓力盒1設(shè)置于基座3上部六棱臺的頂面的凹槽31內(nèi)；3個土壓力盒1設(shè)置于基座3上部六棱臺側(cè)面彼此不相鄰的凹槽31內(nèi)，3個土壓力盒1設(shè)置于基座3六棱柱側(cè)面彼此不相鄰的凹槽31內(nèi)，3個土壓力盒1設(shè)置于基座3下部六棱臺側(cè)面彼此不相鄰的凹槽31內(nèi)；10個應(yīng)變盒2設(shè)置于基座3側(cè)面和底面空置的凹槽31內(nèi)；10個土壓力盒1和10個應(yīng)變盒2的數(shù)據(jù)導(dǎo)線4經(jīng)基座3內(nèi)部數(shù)據(jù)線孔道32從數(shù)據(jù)線匯總孔32引出后與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接；通過防水密封膠5將土壓力盒1與基座3之間的縫隙填充；形成土體彈性參數(shù)測試裝置，如圖1所示。

本發(fā)明的應(yīng)變盒2結(jié)構(gòu)是：該裝置包括剛性管21、彈性囊22、感壓器23、填充液24、孔塞25、密封圈26、數(shù)據(jù)線4、防水密封膠5。所述剛性管21為一段封閉的桶狀體，剛性管開口端外壁設(shè)置有密封槽27，剛性管21底部設(shè)置有感壓器孔28，剛性管21側(cè)壁設(shè)置有充液孔29，如圖2所示。將感壓器23測試端經(jīng)剛性管的感壓器孔28置入剛性管21；用密封圈26將彈性囊22布置在剛性管密封槽27上；將填充液24從充液孔29充入剛性管21內(nèi)部，并用孔塞25將充液孔29密封；用防水密封膠5將剛性管上的縫隙填充密實；將感壓器23連接的數(shù)據(jù)線4與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接，即形成土體應(yīng)變測試裝置。如圖3所示。

本發(fā)明的土體彈性參數(shù)測試裝置及其測試方法包括有以下二種步驟：

一種步驟為：

1)將組裝好的應(yīng)變盒2埋入土體內(nèi)部，并將數(shù)據(jù)線4與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接；

2)開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄穩(wěn)定值P₀；

3)對土體進(jìn)行加載，獲取壓力值P₁；

4)利用式(1)即可計算埋設(shè)方向的土體應(yīng)變值，公式(1)為

ε＝(p₁-p₀)K (1) 式(1)中，ε為土體應(yīng)變量；P₀為步驟1)中的記錄的穩(wěn)定值；P₁為步驟2)中獲取的壓力值。

另一種步驟為：

1)將所述土體彈性參數(shù)測試裝置埋置于待測土體中；通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到10個土壓力盒1的讀數(shù)，即σ_t；同時得到10個應(yīng)變盒2的讀數(shù)，即σ_b；

2)依據(jù)式(2)、式(3)和式(4)計算獲取土體的三維應(yīng)力狀態(tài)，依據(jù)式式(5)、式(6)和式(7)得到土體的三維應(yīng)力狀態(tài)，計算公式如下：

式(2-4)中，σ_t為土體彈性參數(shù)測試裝置獲取的10個土壓力盒1的讀數(shù)；表示待測點常規(guī)應(yīng)力狀態(tài)的3個正應(yīng)力分量和3個剪應(yīng)力分量。

式(5-7)中，σ_b為土體彈性參數(shù)測試裝置獲取的10個應(yīng)變值；表示待測點常規(guī)應(yīng)變狀態(tài)的3個正應(yīng)變分量和3個剪應(yīng)變分量；

3)依據(jù)式(8-13)計算一點的彈性參數(shù)

其中，式(8-13)中，D_ij表示土體的彈性參數(shù)；表示測試點常規(guī)應(yīng)變狀態(tài)的3個正應(yīng)變分量和3個剪應(yīng)變分量；表示測試點常規(guī)應(yīng)力狀態(tài)的3個正應(yīng)力分量和3個剪應(yīng)力分量。

4)土體內(nèi)部的彈性參數(shù)可按照式(14)表示出來

依據(jù)土體內(nèi)部得彈性參數(shù)計算方法，可獲取土體內(nèi)部真實的彈性參數(shù)，從而為土體工程中的強度和變形計算提供便利。

本發(fā)明的土體彈性參數(shù)測試裝置的測試方法是這樣實現(xiàn)的：

第一，基座3的制作。基座3由2個六棱臺和一個六棱柱組成，如圖6所示。圖6中MNPQRS-M₀N₀P₀Q₀R₀S₀為六棱臺，該六棱臺側(cè)面與底面夾角為45°，頂面內(nèi)切圓的直徑為a，底面內(nèi)切圓的直徑為 M₀N₀P₀Q₀R₀S₀-M₁N₁P₁Q₁R₁S₁為六棱柱，該六棱柱高度為a，內(nèi)切圓直徑為 基座3整體高度為M₁N₁P₁Q₁R₁S₁-M₂N₂P₂Q₂R₂S₂為六棱臺，該六棱臺側(cè)面與底面夾角為45°，頂面內(nèi)切圓直徑為a，底面內(nèi)切圓直徑為如圖7所示。對基座3的各面進(jìn)行編號，MNN₀M₀所在面為A₁面，M₀N₀N₁M₁所在面為A₂面，M₁N₁N₂M₂所在面為A₃面，其他面按照逆時針方向及先上后下的原則，依此編號為B₁、B₂、B₃、C₁、C₂、C₃、D₁、D₂、D₃、E₁、E₂、E₃、F₁、F₂、F₃，將基座頂面和基座底面分別編號為t、b，如圖5所示。在基座3的所有表面開圓柱形凹槽31，槽直徑及槽深同土壓力盒尺寸；在基座3的B₃面開數(shù)據(jù)線匯總孔8，在凹槽31底面中心開數(shù)據(jù)線孔道7通向據(jù)線匯總孔9；如圖4所示。

第二，三維土體彈性參數(shù)測試裝置組裝。將10個土壓力盒1分別安裝于基座3的A₁、A₂、A₃、C₁、C₂、C₃、E₁、E₂、E₃、t面所在的凹槽31內(nèi)，將應(yīng)變盒2分別安裝于基座3的B₁、B₂、B₃、D₁、D₂、D₃、F₁、F₂、F₃、b面所在的凹槽31內(nèi)，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)線4通過數(shù)據(jù)線孔道32匯總并經(jīng)據(jù)線匯總孔33穿出后與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接；通過防水密封膠5將土壓力盒1與基座3之間的縫隙填充，即形成土體彈性參數(shù)測試裝置，如圖1和圖5所示。

第三，裝置埋設(shè)。將土體彈性參數(shù)測試裝置按照一定坐標(biāo)系埋置于土體中，如圖5所示。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到10個土壓力盒的讀數(shù)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到10個土壓力盒1的讀數(shù)，即σ_t；同時得到10個應(yīng)變盒2的讀數(shù)，即σ_b。

第四，依據(jù)式(15)、式(16)和式(17)計算獲取土體的三維應(yīng)力狀態(tài)，依據(jù)式(18)、(19)和式(20)得到土體的三維應(yīng)變狀態(tài)，計算公式如下：

式(15-17)中，σ_t為土體彈性參數(shù)測試裝置獲取的10個土壓力盒1的讀數(shù)；表示待測點常規(guī)應(yīng)力狀態(tài)的3個正應(yīng)力分量和3個剪應(yīng)力分量。

式(18-20)中，σ_b為土體彈性參數(shù)測試裝置獲取的10個應(yīng)變值；表示待測點常規(guī)應(yīng)變狀態(tài)的3個正應(yīng)變分量和3個剪應(yīng)變分量；

3)依據(jù)式(8)-(13)計算一點的彈性參數(shù)

其中，式(21-26)中，D_ij表示土體的彈性參數(shù)；表示測試點常規(guī)應(yīng)變狀態(tài)的3個正應(yīng)變分量和3個剪應(yīng)變分量；表示測試點常規(guī)應(yīng)力狀態(tài)的3個正應(yīng)力分量和3個剪應(yīng)力分量。

4)土體內(nèi)部的彈性參數(shù)可按照式(27)表示出來

依據(jù)土體內(nèi)部得彈性參數(shù)計算方法，可獲取土體內(nèi)部真實的彈性參數(shù)，從而為土體工程中的強度和變形計算提供便利。

土體三維彈性參數(shù)測試裝置的計算推導(dǎo)過程如下：

應(yīng)力狀態(tài)σ可依據(jù)式(28)給出的三維應(yīng)力狀態(tài)在不同方向上正應(yīng)力的計算方法來確定；應(yīng)變狀態(tài)ε可依據(jù)式(29)給出的三維應(yīng)變狀態(tài)在不同方向上線應(yīng)變的計算方法來確定

σ＝σ_xl²+σ_ym²+σ_zn²+2σ_xylm+2σ_yzmn+2σ_zxnl (28)

式(28)及(29)中σ_x、σ_y、σ_z、σ_xy、σ_yz、σ_zx分別表示常規(guī)應(yīng)力狀態(tài)包含的3個正應(yīng)力和3個剪應(yīng)力；ε_x、ε_y、ε_z、ε_xy、ε_yz、ε_zx分別表示常規(guī)應(yīng)變狀態(tài)包含的3個正應(yīng)變和3個剪應(yīng)變；l、m、n分別表示測試方向與空間直角坐標(biāo)系中x、y、z軸的方向余弦。若已知六個獨立方向的正應(yīng)力，則可將式(30)表示為

式(30)中，σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆為一點的6個方向的正應(yīng)力。在已知6個獨立方向正應(yīng)力的前提下，按照矩陣求逆運算可得出一點的應(yīng)力狀態(tài)。依據(jù)式(30)構(gòu)造的矩陣并求逆，若在圖5所示的面A₁、A₂、C₁、C₂、E₁、E₂面布置土壓力盒，一點的應(yīng)力狀態(tài)σ_x、σ_y、σ_z、σ_xy、σ_yz、σ_zx可按式(15)計算；若在面A₂、A₃、C₂、C₃、E₂、E₃面布置土壓力盒，則點O處的應(yīng)力狀態(tài)可按式(16)計算；若在面t、A₁、C₁、E₁、A₂、C₂面布置土壓力盒，則點O處的應(yīng)力狀態(tài)可按式(17)計算。

同理，若在面B₁、B₂、D₁、D₂、F₁、F₂面布置土壓力盒，一點的應(yīng)力狀態(tài)ε_x、ε_y、ε_z、ε_xy、ε_yz、ε_zx可按式(18)計算；若在面B₂、B₃、D₂、D₃、F₂、F₃面布置土壓力盒，一點的應(yīng)力狀態(tài)ε_x、ε_y、ε_z、ε_xy、ε_yz、ε _zx可按式(19)計算；若在面b、B₁、D₁、F₁、B₂、F₂面布置土壓力盒，一點的應(yīng)力狀態(tài)ε_x、ε_y、ε_z、ε_xy、ε_yz、ε_zx可按式(20)計算。

基于式(15-20)計算獲取的3個三維應(yīng)力狀態(tài)和3個三維應(yīng)力狀態(tài)根據(jù)彈性理論，即可計算得到土體的彈性參數(shù)。

以上所述僅為結(jié)合本次制作過程進(jìn)行說明，對于本領(lǐng)域的實際應(yīng)用來說，本發(fā)明可以有各種變化和更改。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。