用于测试土体内部三维应变状态的装置及测试方法与流程

本发明属于工程中的变形和应变测试
技术领域：
，具体为一种测试土体内部三维应变状态的装置及测试方法，通过该装置获得菱形十二面体上六个法向向量不相关的面上的线应变，经计算便可得到测试土体处的三维应变状态。
背景技术：
：物体的变形和应变测试是土木工程、水利工程以及交通工程中的一项基础性工作。是进行工程健康诊断和量化力学分析的前提。深入认识材料的力学性能，研究土体的应力、应变，准确了解其受力状态和工作状况，是工程建设中质量评估和加固维修的关键。一般情况下，受力体的单向应变测试和单向应力测试可以通过应变片和应力计完成。当研究某一确定方向上的应变或应力时，可以采用在该方向上布置应变片、应力计或其他传感器的方式获得该方向上的力学参数。对于平面应力和应变问题，可通过在物体表面粘贴常规应变片组成的应变花测得。常规应变花由三个应变片组成，只能测得某一平面内的应变状况，而在实际工程中岩土体内部的应变和应力状态比较复杂，难以简化为一维或二维的简单状态。往往需要获得某一物体内部的三维应变状态。目前岩土体内部的三维应变状态尚无广泛使用的有效办法，其中专利《用于测试三维应变状态的测试装置及其测试方法》(公布号：CN104482913A)是基于正四面体六条棱的三维应变花装置。该装置与土体接触面较小，粘贴应变片的骨架易随着土体的变形而发生变形，不易固定其在受力体中的位置，从而导致其测试方位存在偏差，不能准确测定岩土体中某一确定位置的三维应变状态。该装置基座的材料选用弹性模量小于待测受力体材料的杆状塑料，将该装置置于受力体中受力变形后将不能再重复使用，属于一次性装置。材料浪费严重，与所提倡的环保理念相违背。为了获得真实有效的应变状态，有必要对土体内部的应变状态进行更加直接稳定的测试。比如基坑工程中，不同位置处土体的应力、应变状态各不相同，且依赖于施工方式、施工进程、天气状况等难以量化的诸多因素的影响。因此，加强三维状态条件下受力体内部应变状态的准确监测，不但对保障工程质量和施工安全非常重要，也是对土木工程信息化施工的基本要求。技术实现要素：本发明的目的是提供一种用于测试土体内部三维应变状态的装置及测试方法，以实现测试土体内部任意一点的三维应变状态直接准确地测试。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种测试土体内部三维应变状态的装置。其中该装置包括菱形十二面体、六个普通应变片、测量导线、面心导线孔、导线汇总孔、应变片基座。将六个普通应变片固定在菱形十二面体六个法向量不相关的面的应变片基座上，六个普通应变片的测量导线通过面心导线孔，从菱形十二面体的形心导线汇总孔导出后与应变片数据采集系统相连接，形成三维应变状态测试装置。利用数据采集系统测试六个应变片的读数，根据六个不同方向上应变片的读数与各应变片方向余弦值确定出与转换矩阵之间的数学关系式，进而计算得到土体中任意一点的三维应变状态。同时提供一种用于测试土体内部三维应变状态的装置的测试方法。本发明的效果是：该装置采用菱形十二面体为粘贴应变片的底座，菱形十二面体的制作方法便捷，是由正方体直接截取获得，且菱形十二面体有12个全相等的面组成，每个面粘贴应变片方向的向量与面法线的夹角均相等且唯一。因此将菱形十二面体作为本发明的底座，可使得测试直观且测试位置准确、克服了单个应变片测试精度不高、测试位置存在偏差、测试方向单一、无法获得三维应变状态等技术局限。另外该方法计算原理明确，计算精度较高。假设普通应变片的精度为ρ，计算得到的三个主应变方向上的应变测试精度分别为1.22ρ，三个剪应力的测试精度为0.71ρ，平均测试精度为0.97ρ，精度上得到提高，更加准确、直观的被测物体内部的变形状态，且该装置可以重复使用，复合绿色环保理念，并且提高工程施工的安全储备，为应变测试
技术领域：
相关研究提供了新的思路和途径。附图说明图1为本发明的应变片的方向向量；图2为本发明的菱形十二面体的制作图；图3为本发明的菱形十二面体；图4为本发明的安放应变片的菱形十二面体骨架；图5为本发明的三维应变测试装置的俯视图；图6为本发明的三维应变测试装置效果图。图中：1.菱形十二面体2.应变片3.测量导线4.面心导线孔5.导线汇总孔6.应变片基座具体的实施方式结合附图对本发明的一种用于测试土体内部三维应变状态的装置及测试方法加以详细说明。本发明的用于测试土体内部三维应变状态的装置结构是，该装置包括有菱形十二面体1、六个应变片2、测量导线3、面心导线孔4、导线汇总孔5、应变片基座6；将六个应变片2固定在菱形十二面体1六个法向量不相关的面的应变片基座6上，其中应变片基座采用弹性模量小于待测土体材料。六个普通应变片的测量导线3通过面心导线孔4从菱形十二面体的形心导线汇总孔5导出后与应变片数据采集系统相连接，形成三维应变状态测试装置；利用数据采集系统测试六个应变片的读数，根据六个不同方向上应变片的读数与各应变片方向余弦值确定出与转换矩阵之间的数学关系式，进而计算得到土体中任意一点的三维应变状态。用于测试土体三维应变状态的装置的测试方法包括以下步骤：(1)首先将测量导线3从每个应变片2底面开始，穿过面心导线孔4在菱形十二面体形心处汇合后由导线汇总孔5引出；将每个应变片2固定在六个应变片基座上，接着将聚氨酯泡沫填缝剂压入填充至导线汇总孔5中，用来充填测量导线与导线孔之间的空隙，形成测试土体内部三维应变状态的装置，并将该装置置于被测土体中。(2)以菱形十二面体的形心O为原点，以OO1、OO2、OO3为x轴、y轴、z轴建立三维坐标系。(3)依据步骤(2)所建立的坐标系求得α1、α2、α3、α4的四个面应变片的方向向量(1,0,1)、(0,1,1)、(-1,0,1)、(0,-1,1)与面β1、β2的应变片方向向量(1,1,0)、(-1,1,0)线性无关，即这六个面为方向向量不相关的面。(4)根据六个普通应变片的轴线方向与x轴、y轴、z轴的夹角计算各应变片的方向余弦l、m、n，并由此确定矩阵A。(5)利用数据采集系统测试六个应变片(2)的读数，根据六个不同方向上应变片的读数与各应变片方向余弦值确定出与转换矩阵之间的数学关系式{εj}＝A-1{εi}，进而计算得到土体中任意一点的三维应变状态。{εj}＝A-1{εi}(1)其中A-1为A-1=0.5-0.50.5-0.50.50.5-0.50.5-0.50.50.50.50.50.50.50.5-0.5-0.500001-1010-10010-1000---(2)]]>本发明的测试土体内部三维应变状态的装置及测试方法是这样实现的：1、安放应变片的菱形十二面体骨架制作：在六个粘贴应变片的面中心设置直径为1cm的圆孔，该圆孔垂直通向菱形十二面体的形心，选择菱形十二面体1的未粘贴应变片的面并在其上开直径为2cm通向形心的圆孔，以容纳六个普通应变片测量导线的通道。在菱形十二面体六个法向量不相关的面即面α1、α2、α3、α4和面β1、β2中心应变片基座上粘贴应变片，必要时在应变片底部和侧面涂抹粘结剂以保证应变片受力均匀。2、三维应变测试装置的装配过程：首先将测量导线3从每个应变片2底面开始，穿过面心导线孔4在菱形十二面体形心处汇合后由导线汇总孔5引出；将每个应变片2固定在六个应变片基座上，接着将聚氨酯泡沫填缝剂压入填充至导线汇总孔5中，用来充填测量导线与导线孔之间的空隙，形成基于应变片2的三维应变状态测试装置。3、将该装置埋置于土体的待测位置，通过应变数据采集系统测得六个主应变方向的应变值，根据式(1)得到常规三维应变状态。基于普通应变片和菱形十二面体的三维应变状态测试装置，计算理论式(1)的推导过程如下：假设三维空间中的一条直线OA，如图1所示。则该直线在x、y、z方向的方向余弦l、m、n分别为n＝cosσ(5)式中σ为直线与z轴的夹角，为该直线在平面xOy上的投影与x轴的夹角。若已知一点的应变状态为εj＝{εx,εy,εz,εxy,εyz,εzx}，则OA方向的线应变为：εn＝εxl2+εym2+εzn2+εxylm+εyzmn+εzxnl(6)亦即，如果知道一点的应变状态，则任意方向的线应变均可通过式(6)得到。相应的，若已知六个不同方向上的线应变，则也可以得到其常规应变表示方法。设已知六个不同方向上的线应变分别为：ϵi=ϵxli2+ϵy2mi2+ϵzni2+ϵxylimi+ϵyzmini+ϵzxnili---(7)]]>其中i＝1，2，3，4，5，6，由一般应变状态到不同方向线应变的映射关系为：ϵ1ϵ2ϵ3ϵ4ϵ5ϵ6l12m12n12l1m1m1n1n1l1l22m22n22l2m2m2n2n2l2l32m32n32l3m3m3n3n3l3l42m42n42l4m4m4n4n4l4l52m52n52l5m5m5n5n5l5l62m62n62l6m6m6n6n6l6ϵxϵyϵzϵxyϵyzϵzx---(8)]]>或简写为{εi}＝A{εj}，其中j＝x，y，z，xy，yz，zx。且有A=l12m12n12l1m1m1n1n1l1l22m22n22l2m2m2n2n2l2l32m32n32l3m3m3n3n3l3l42m42n42l4m4m4n4n4l4l52m52n52l5m5m5n5n5l5l62m62n62l6m6m6n6n6l6---(9)]]>由图2得到，各应变片的方向向量如表1所示表1十二面体各面应变片的方向向量因此A=1210100101101010100-10110-10110100110-100---(10)]]>所以{εi}＝A{εj}(11)其中i＝1，2，3，4，5，6。因此ϵ1ϵ2ϵ3ϵ4ϵ5ϵ6=1210100101101010100-10110-10110100110-100ϵxϵyϵzϵxyϵyzϵzx---(12)]]>A的逆阵A-1为A-1=0.5-0.50.5-0.50.50.5-0.50.5-0.50.50.50.50.50.50.50.5-0.5-0.500001-1010-10010-1000---(13)]]>因此，可以得到三维应变状态为：{εj}＝A-1{εi}(14)针对上述叙述计算推导过程，现举例对测试结果进行计算，假设测得六个面的应变分别为：320、260、370、400、500、350(με)。即：ϵξ=ϵ1ϵ2ϵ3ϵ4ϵ5ϵ6=320260370400500350---(15)]]>根据三维应变状态计算公式(1)及(2)、(3)、(4)式得：ϵxϵyϵzϵxyϵyzϵzx=0.5-0.50.5-0.50.50.5-0.50.5-0.50.50.50.50.50.50.50.5-0.5-0.500001-1010-10010-1000×ϵ1ϵ2ϵ3ϵ4ϵ5ϵ6---(16)]]>即：ϵx=0.5ϵ1-0.5ϵ2+0.5ϵ3-0.5ϵ4+0.5ϵ5+0.5ϵ6ϵy=-0.5ϵ1+0.5ϵ2-0.5ϵ3+0.5ϵ4+0.5ϵ5+0.5ϵ6ϵz=0.5ϵ1+0.5ϵ2+0.5ϵ3+0.5ϵ4-0.5ϵ5-0.5ϵ6ϵxy=1ϵ5-1ϵ6ϵyz=1ϵ2-1ϵ4ϵzx=1ϵ1-1ϵ3---(17)]]>土体中测试位置处的三维微应变为：ϵj=ϵxϵyϵzϵxyϵyzϵzx=440410250150-140-50.]]>本发明的用于测试土体内部三维应变状态的装置及测试方法，能够更准确地获取待测土体内部某一点处真实的应变状态，以加强对土体内部的应变状态的稳定监测。本发明的具备的特点是：采用的菱形十二面体底座由弹性模量大于待测土体的材料制成，因此该底座不因土体受力变形而发生变形，使得测试位置更加稳定。菱形十二面体上的应变片基座由弹性模量小于待测土体的材料制成，从而使得应变片随着受力土体一起变形，更加准确地反应受力土体产生的应变量。另外菱形十二面体由正方体直接截取而成，制作简便。且该菱形十二面体12个表面全相等，每个面粘贴应变片方向的向量与面法线的夹角均相等且唯一，因此等菱形十二面体测试精度高于其它十二面体底座。当前第1页1 2 3