一种测量传统夯筑土体内部应力应变的方法与流程

本发明涉及土遗址保护试验研究及保护加固领域，属于土遗址土体内部应力测量的重要方法，主要针对遗址本体由于失水干缩、固结沉降、水汽运移、盐分结晶、降雨降雪渗水膨胀、环境温湿度变化而引起土体形变的测量方法。该方法也可以应用于岩土工程等相关领域。

背景技术：

我国西北地区的新疆、甘肃、宁夏和陕西境内遗存许多古代土遗址，蜿蜒北部的长城，西北苍茫戈壁上的关城、烽燧，新疆的交河、高昌、楼兰、尼雅遗址，可谓上下几千年年，纵横万里，遍布中华。这些土遗址历史悠久，有的已被列为世界文化遗产，有很高的学术研究和考古价值。对于土遗址外部的形变研究已有诸多有效的方法，但对于遗址土体内部的应力变化一直没有可行的测量方法。然而，环境变化会影响土体内部应力变化，这些应力变化也受遗址尺度、形态、土体性质等多因素影响。遗址土体内部应力变化是引起土体宏观病变的初步表现形式，因此，研究测量土体内部的应力变化对遗址的病害机理和预防性保护研究均具有十分重要的意义。目前，还没有可以借鉴的方法和设备能够准确的表征土体形变的微观特征。

电阻应变测量方法是实验应力分析中最为广泛的一种方法。该方法是用应变敏感元件测量构件的表面应变，再根据应变—应力关系得到构件表面的应力状态，从而对构件进行应力分析。应变片应用在钢筋、岩石等硬质材料的表面使用已十分成熟，而在土体内部埋置应变敏感元件（应变片）面临诸多困难。应变片埋置在土体内与土体接触，土体中水对应变片的影响大，并易损坏，以及应变片在土体内进行长期应力应变监测时温度补偿等均是需要解决的难题。因此，研究一种适用性强，测量方便，且能够准确表征土体内部应力应变测量方法和设备对于土遗址保护十分重要。

技术实现要素：

为了测量传统夯筑土体内部应力应变，尤其是在传统工艺夯筑墙体中测试表征不同状态的形变。本发明的目的旨在提出了一种测量传统夯筑土体内部应力应变的方法，通过这种测量方法可以实现土体内部应力应变的测量。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种测量传统夯筑土体内部应力应变的方法，其步骤包括：

a.选取低弹模量为e=0.007～0.008gpa的橡胶棒，其长度直径7mm，长度60mm，将其沿纵方向分割一分为二半；

b.将橡胶棒其中一半表面打磨擦拭，将应变片沿横向粘贴在橡胶棒平整面的中部；

c.然后，将粘贴应变片的一面用热熔胶迅速封护，熔胶包裹应变片，再将另一半橡胶棒对齐压在有封护层的橡胶棒上，待粘贴牢固后，将边缘切削整齐，与应变片相连的引线从粘合的橡胶棒横向穿出；

d.将包裹有应变片橡胶棒单独埋置在土体中，或以x，y，z三个方向组合的形式埋置在土体中；

e.在土体内进行长期应力应变监测时，增设温度补偿片，即将包裹有应变片橡胶棒塞进pvc管，pvc管内填充虚土掩埋橡胶棒；

f.土体较为松散或者橡胶棒与土体接触较差时，可在橡胶棒两端头增设固定塞；

g.应变片相连的引线连接数采集器进行数据采集，对于较为缓慢的土体变形，应变片采样频率为1/300hz，对于振动以及瞬时外力对土体产生的形变，应变片采样频率大于1000hz。

本发明优点和产生的有益效果是：

（1）本发明使用的橡胶棒弹性模量小，无塑性变形，土体发生形变时能够将形变传递给应变片，带动应变片伸缩，从而测得土体的形变。

（2）橡胶棒具有一定的防水、防腐蚀、防外力冲击作用，能够适应多种复杂土体条件下的土体内部应力应变测量。

（3）本发明可以应用于土体失水干缩、固结沉降、水汽运移、毛细水上升、盐分结晶、降雨降雪、温湿度变化等因素长时间产生的微小应变的测量。

（4）本发明可以应用于振动以及外力作用下瞬时应力应变测量，在冲击力作用下依旧能够发挥应力应变测量。

（5）本测量仪操作简单，应用方便，造价低，在测量土体内部应力应变具有广泛的应用场景。

附图说明

图1为本发明剖视结构示意图。

图2为本发明土体内部温度补偿片示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明再作进一步的说明：

一种测量传统夯筑土体内部应力应变的方法，其步骤包括：

（1）选取低弹模量为e=0.007～0.008gpa的橡胶棒1，其长度直径7mm，长度60mm，将其沿纵方向分割一分为二半；

（2）将橡胶棒1其中一半表面打磨擦拭，将应变片3沿纵方向粘贴在橡胶棒1平整面的中部；

（3）然后，将粘贴应变片3的一面用热熔胶迅速封护，熔胶包裹应变片3，再将另一半橡胶棒1对齐压在有封护层的橡胶棒1上，待粘贴牢固后，将边缘切削整齐，与应变片3连接的引线从橡胶棒1粘合处横向穿出；

（4）将包裹有应变片橡胶棒单独埋置在土体2中，或以x，y，z三个方向组合的形式埋置在土体2中；

（5）在土体1内进行长期应力应变监测时，增设温度补偿片，即将包裹有应变片橡胶棒塞进pvc管4，pvc管内填充虚土掩埋橡胶棒1；

（6）土体2较为松散，或者橡胶棒1与土体2接触较差时，可在橡胶棒1两端头增设固定塞；

（7）应变片3连接的引线连接数采集器进行数据采集，对于较为缓慢的土体变形，应变片3采样频率为1/300hz，对于振动以及瞬时外力对土体产生的形变，应变片3采样频率大于1000hz。

本发明在土体2中埋设橡胶棒1，橡胶棒1中间粘贴应变片3，试验发现土体发生变形能够带动橡胶棒变形较真实的传递给应变片3，带动应变片伸缩，从而满足土体微应变的变形数据采集。

土体的实际变形可以通过以下公式表达：

σ=e1ε1

σ=e2ε2

式中：e1—表示橡胶棒弹性模量，e1=0.011-0.012gpa

ε1—表示橡胶棒形变量

e2—表示土体自身弹性模量，e2=0.004～0.018gpa。

ε2—表示土体自身状态的形变量

根据上式计算土体受温度影响、强震作用、夯击振动作用下土体的变形，橡胶棒1以x，y，z三个方向分别得出x，y，z三个方向土体内部应力应变值，具体如下：

受温度变化影响，白天土体温度升高0.1℃，时间约5-15min，测得的橡胶棒1产生微应变约1-3με，e1=0.011-0.012gpa，其σ=e1ε1=11～36pa，在弹性条件下，内部各质点之间均处于平衡状态，各质点所受内力平衡，即e1ε1=e2ε2，其中e2=0.004～0.018gpa，那么ε2=e1ε1/e2=0.5～2.75με，即土体的变形为0.5～2.75με，且橡胶棒1在土体x，y，z三个方向土体内部应变几乎相同。

受震动作用、夯击振动等外力作用影响。对于强震作用引起的土体变形，周期往往比较短，根据实测数据从铺土逐渐夯实过程中，其周期一般在0.004～0.011s之间，因此，对于夯击振动，地震作用以及瞬时外力对土体产生的形变采样频率应大于等于1000hz，才可以完全满足土体微应变的变形数据采集。土体在破坏之前测得橡胶棒微应变0～400με，e1=0.011-0.012gpa，其σ=e1ε1=0～4.8kpa，其中e2=0.004～0.018gpa，在弹性条件下，内部各质点之间均处于平衡状态，各质点所受内力平衡，即e1ε1=e2ε2，ε2=e1ε1/e2=0～267με；瞬时振动冲击力微应变测量范围0-1500με，σ=e1ε1=0～18kpa，ε2=e1ε1/e2=0～1000με。

温度补偿校正，长时间连续测量且温度有较明显变化时，需要设置温度补偿通道，应变片3采用1/4桥或半桥接线方式，补偿通道应变片需置于保护套管内，并填充虚土压实。

当温度变化较为剧烈，运动方向、受力方向明确的情况，其土体内部应力各项异性，往往表现为某一方向较为突出。因此，可根据实际需要布设土体不同放线应变的测试。

本方法不仅适用于古代土建筑遗址的研究和保护的需求，也适用于其他岩土工程等相关领域。