用于土体三维应变测试的成套装置及其实施方法与流程

本发明属于岩土工程中土体中应变测试领域的一种用于土体三维应变测试的成套装置及其实施方法，可用于检测基坑工程中基坑侧壁及基坑坑底变形，以及测试土体中某一点由附加应力引起的变形。

背景技术：

土体在外部荷载改变的情况下，土体内部的相对位置关系也会发生改变，通常我们把这种相对位置的改变称之为应变。土体的应变测量是工程中的一项基础性工作，对于计算分析土体的变形特点，评估土体工程的安全等级，有着十分重要的作用。土体变形对于工程结构稳定性具有极大的影响，例如：土体渗透变形对于堤坝工程安全性的影响，岸坡土体变形对于港口码头的影响，上部的荷载情况对于地下隧道开挖的影响等。因此，测出土体的一般应变状态和主应变、剪应变等，对于工程灾害的防御具有十分重要的现实意义。

专利201410740140.2、专利201610917550.9和专利201610964552.3均公开一种用于测试土体内部三维应变状态的装置及测试方法。在具体实施过程中发现，该装置提供的测试装置和方法无法确定三维应变装置的埋设深度和角度，从而得不到土体实际的应变。同时，三维应变装置的埋设角度和位置与其计算精度紧密相关，故急需要一种用于土体三维应变测试的成套装置及其实施方法，有利于对于实现三维应变花在原状土体的应用发挥重要的作用。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种用于土体三维应变测试的成套装置及其实施方法，能够用于土体三维应变测试的成套使用，该装置操作简单、能有效的测试土体的应变的优势。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于土体三维应变测试的成套装置，其中：该装置包括：三维应变花、数据导线、应变花制作盒、导杆。

同时提供一种用于土体三维应变测试的成套装置的实施方法。

本发明解决了三维土体应变测试装置难以在原状土中应用的不足，通过土体应变测试的成套装置及其实施方法测试出土体的应变，对于分析土体受力后的稳定性及评价工程安全等级有着不可代替的作用。通过实际测定和比较，本类装置能够提高三维应变装置测试精度的79％～85％。因此，本发明的一种用于土体三维应变测试的成套装置的实施方法有着十分重要的现实意义和工程应用价值。

附图说明

图1本发明涉及的应变花制作盒示意图；

图2本发明涉及的三维应变土块示意图；

图3本发明的放置装置夹头结构示意图；

图4本发明的放置装置外筒及外筒帽结构示意图；

图5本发明的放置装置内杆及螺帽结构示意图；

图6本发明的放置装置结构示意图；

图7本发明的利用放置装置放置三维应变土块正视图；

图8本发明的利用放置装置放置三维应变土块俯视图。

图中：

1.三维应变花2.数据导线3.应变花制作盒4.导杆

5.三维应变土块41.夹头42.内杆43.外筒

44.外筒帽45.螺帽46.螺纹47.螺纹槽

411.弹簧441.圆孔

具体实施方式

结合附图对本发明的用于土体三维应变测试的成套装置及其实施方法进行说明。

本发明的设计思想是如何将三维应变花以规定的测试角度放入测试点，且保持三维应变花的形状不变。基于小型试样制作精度容易控制的思路，将三维应变花1置入应变花制作盒3中，用土体将应变花制作盒3与三维应变花1之间的空隙填充密实，即形成三维应变土块5，如图2所示。再用放置装置将三维应变土块5放入测试点。

为此，本发明的用于土体三维应变测试的成套装置结构是，该成套装置与应变采集箱相连接，该成套装置包括有测试装置、放置装置，所述测试装置包括三维应变花1、数据导线2、应变花制作盒3，所述的应变花制作盒3是长宽高均为15cm的无盖正方体形状，三维应变花1置入应变花制作盒3内，在应变花制作盒3与三维应变花1之间的空隙填充土体，即形成一个三维应变土块5，三维应变花1的多根应变杆导线汇总为一根数据导线2，数据导线2与所述应变采集箱的接头连接，组成了测试装置；导杆4即为放置装置；导杆4的夹头41夹住三维应变土块5形成成套装置。如图1所示。

将三维应变花1置入应变花制作盒3中，用土体将应变花制作盒3与三维应变花1之间的空隙填充密实，即形成三维应变土块5，数据导线2与三维应变土块5连接，如图2所示。所述导杆4包括有：夹头41、内杆42、外筒43、外筒帽44、螺帽45组成，如图6所示。内杆42的上端设置有螺纹46，内杆42的下端设置有螺纹槽47，如图5所示。外筒43的上端设置有螺纹46，外筒43的下端设置有螺纹槽47，所述外筒帽44为帽状且内壁设置有螺纹槽47，外筒帽44的冒顶设置有圆孔441，如图4所示。所述夹头41上端设置有螺纹46，且夹头41的连接处装有弹簧411，如图3所示。将外筒43上端的螺纹46与外筒帽44的螺纹槽47相连接，将夹头41尾端的螺纹46与内杆42下端的螺纹槽47相连接，将内杆42上端穿过外筒43和外筒帽44的圆孔441，并将螺帽45与内杆42上端连接，即形成导杆4，如图6所示。

将三维应变花1置入应变花制作盒3内，在应变花制作盒3与三维应变花1之间的空隙填充土体，即形成一个三维应变土块5；三维应变花1的多根应变杆导线汇总为一根数据导线2，数据导线2与所述应变采集箱的接头连接，组成了测试装置；再组装导杆4，组成了放置装置；再用导杆4将三维应变土块5放入待测点，组成了用于土体三维应变测试的成套装置。

本发明的用于土体三维应变测试的成套装置的实施方法，该实施方法包括以下步骤：

1)制备三维应变土块5，将三维应变花1的多根应变杆导线汇总为一根数据导线2，如图2所示。

2)在待测场地钻孔，为下述步骤中放入三维应变土块5做准备。

3)组装所述导杆4，如图6所示。

4)通过导杆4的夹头41夹住步骤1)制备形成的三维应变土块5，再通过旋转螺帽45夹紧三维应变土块5，防止三维应变土块5在放置过程中脱落，如图7、8所示。

5)将步骤4)所述的导杆4夹紧的三维应变土块5送入步骤2)的钻孔，通过旋转螺帽45松开夹头41，使三维应变土块5与夹头41断开连接，达到将三维应变土块5放入待测点的目的，将数据导线2从钻孔导出并与应变采集箱相连接，随后用土体将周围孔隙填充密实。

6)待测点土体产生的变形带动三维应变花1变形，并由应变采集箱采集到的读数，分别记为ε1、ε2、ε3、ε4、ε5、ε6，通过公式(1)计算土体的三维应变状态，公式(1)如下：

式中：ε1、ε2、ε3、ε4、ε5、ε6为应变采集箱得到三维应变花1的6根应变杆方向上的读数；εx、εy、εz、εxy、εyz、εzx分别为土体中x轴方向应变；y轴方向应变；z轴方向应变；xoy面上剪应力方向应变；yoz面上剪应力方向应变；xoz面上剪应力方向应变。

将三维应变花1固定在三维应变土块5中，三维应变花1各应变杆与空间中x轴、y轴、z轴的的方向余弦li、mi、ni(i＝1，2，3，4，5，6)分别为：

ni＝cosδi(4)

式中，δi为三维应变花1各应变杆在xoy投影与x轴的夹角，为三维应变花1各应变杆与z轴的夹角(i＝1，2，3，4，5，6)。由方向余弦l、m、n构成的矩阵算子t^-1，如下：

将三维应变土块5平行的放入待测点后，三维应变花1在待测点的空间位置依然等同于在三维应变土块5中的空间位置，故将三维应变花1置于三维应变土块5能够有效的确定三维应变花1在三维空间中的埋设角度和埋设位置。当三维应变花1的空间位置发生变化，即δi，发生变化，矩阵算子t^-1也会改变，由公式(1)可知，计算出的{εx、εy、εz、εxy、εyz、εzx}发生变化，导致测试结果不准确。