土体弹性参数测试装置的制作方法

本实用新型属于岩土工程领域，涉及一种土体弹性参数测试装置，可用于测试土体内的弹性参数。

背景技术：

土体在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变。土体发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定义单位面积上的这种反作用力为应力。土体的弹性参数是研究土体应力应变关系的桥梁，是建立土体强度模型的关键。

岩土体具有与金属不同的材料属性，由于真实的应力应变状态难以获取，因此依据各向同性假定获取其应力应变值。因土体的压硬性、碎散性、非线性等特征，一点的实际应变不能直接测试获得。通过在土体内部埋设应变装置获取的实际是土压力作用于埋设装置而产生的装置应变，且埋设装置为面接触并非线体，获取的实质上为某方向土体的压力对埋设装置产生的平均应变。

常规的土体弹性参数测定主要依据一维或者二维计算理论，或基于直剪试验、固结试验等实验室试验，测定的参数是等价意义上的参数，并非实际的弹性参数。长久以来，一些岩土工作者提出一系列的强度模型，该类模型有双参数变弹性模型和无法考虑剪胀的四参数模型；七参数模型基于共轴特性建立了正交各向同性体的一般关系，九参数表示的为正交各向异性材料的弹性常数。由于七参数模型和九参数模型在实际情况下难以测试，因而迄今为止尚无基于七参数和九参数的强度模型。专利号2014103451953和2015109568005从不同视角公布了用于三维土体应力状态测试的计算方法，为测试土体的常规应力状态提供了可能。专利号2014107401402公布了用于测试土体内部三维应变状态的测试装置，然而土体应变测试需要足够的材料相似度，该专利并未实质性指出材料类型，仍需改进。由于受到测试方法等技术上的局限，尚无能够测试正交各向异性材料的九个弹性参数的装置。

为有效测试不同土体的弹性性能，合理评估土体的应力应变、强度及变形特性。有必要提出土体弹性参数的测试方法。该类测试方法为认识土体的力学和变形特性提供了便利，将为土体九参数强度模型的建立提供可能。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种土体弹性参数测试装置，以实现土体的真实弹性参数测试，进而为合理评估土体的应力应变、强度及变形特性提供可能。

为解决上述问题，本实用新型提供了一种土体弹性参数测试装置，该土体弹性参数测试装置埋置于土体内部，并与数据采集系统相连接，其中：该装置包括有10个土压力盒、10个应变盒、基座、数据导线、防水密封胶组成；所述基座呈六棱台、六棱柱、六棱台组成的上中下结构，且基座的顶面、底面及所有侧面均设置有凹槽，1个土压力盒设置于基座上部六棱台的顶面；3个土压力盒设置于基座上部六棱台侧面彼此不相邻的凹槽内，3个土压力盒设置于基座六棱柱侧面彼此不相邻的凹槽内，3个土压力盒设置于基座下部六棱台侧面彼此不相邻的凹槽内；10个应变盒设置于基座侧面和底面空置的压力盒凹槽内；10个土压力盒和10个应变盒的数据导线经基座内部数据线孔道从数据线汇总孔引出后与数据采集系统相连接，通过防水密封胶将土压力盒与基座之间的缝隙填充，形成土体弹性参数测试装置。

本实用新型效果是填补了土体九弹性参数不能直接测试的空白。该类测试方法为认识土体的力学和变形特性提供了便利，将为土体九参数强度模型的建立提供可能。设单个土压力盒和单个应变盒的精度分别为κ、ρ，则最大正应力精度为4.33κ，最大剪应力精度为3.5κ；最大正应变精度为10.33ρ，最大剪应变精度为34.67ρ。操作中精度的提高能最大程度上呈现真实的土体弹性参数，为土体的强度及变形研究提供了保障。

附图说明

图1为本实用新型的土体弹性参数测试测试装置效果图；

图2为本实用新型涉及的应力盒效果图；

图3为本实用新型涉及的刚性管透视图；

图4为本实用新型涉及的基座效果；

图5本实用新型的土体弹塑性参数测试装置建立的一种坐标系；

图6为本实用新型涉及的基座透视图；

图7为本实用新型涉及的基座剖面图。

图中：

1.压力盒 2.应变盒 3.基座 4.数据导线 5.防水密封胶

21.刚性管 22.弹性囊 23.感压器 24.填充液 25.孔塞

26.密封圈 27.密封槽 28.感压器孔 29.充液孔 31.凹槽

32.数据线孔道 33.数据线汇总孔

具体实施方式

结合附图对本实用新型的土体弹性参数测试装置加以说明。

本实用新型的土体弹性参数测试装置及其测试方法是基于：建立土体应变与介质应变关系，从而获取其应变；根据三维应力状态与三维应变状态之间的柔度矩阵的逆运算可获取正交各向异性材料的弹性参数。

本实用新型的土体弹性参数测试装置结构是，该土体弹性参数测试装置埋置于土体内部，并与数据采集系统相连接，其特征是：该装置包括有10个土压力盒1、10个应变盒2、基座3、数据导线4、防水密封胶5组成；所述基座3呈六棱台、六棱柱、六棱台组成的上中下结构，且基座3的顶面、底面及所有侧面均设置有凹槽31，1个土压力盒1设置于基座3上部六棱台的顶面的凹槽31内；3个土压力盒1设置于基座3上部六棱台侧面彼此不相邻的凹槽31内，3个土压力盒1设置于基座3六棱柱侧面彼此不相邻的凹槽31内，3个土压力盒1设置于基座3下部六棱台侧面彼此不相邻的凹槽31内；10个应变盒2设置于基座3侧面和底面空置的凹槽31内；10个土压力盒1和10个应变盒2的数据导线4经基座3内部数据线孔道32从数据线汇总孔32引出后与数据采集系统相连接；通过防水密封胶5将土压力盒1与基座3之间的缝隙填充；形成土体弹性参数测试装置，如图1所示。

本实用新型的应变盒2结构是：该装置包括刚性管21、弹性囊22、感压器23、填充液24、孔塞25、密封圈26、数据线4、防水密封胶5。所述刚性管21为一段封闭的桶状体，刚性管开口端外壁设置有密封槽27，刚性管21底部设置有感压器孔28，刚性管21侧壁设置有充液孔29，如图2所示。将感压器23测试端经刚性管的感压器孔28置入刚性管21；用密封圈26将弹性囊22布置在刚性管密封槽27上；将填充液24从充液孔29充入刚性管21内部，并用孔塞25将充液孔29密封；用防水密封胶5将刚性管上的缝隙填充密实；将感压器23连接的数据线4与数据采集系统相连接，即形成土体应变测试装置。如图3所示。

使用本实用新型的土体弹性参数测试装置包括有以下二种步骤：

一种步骤为：

1)将组装好的应变盒2埋入土体内部，并将数据线4与数据采集系统连接；

2)开启数据采集系统，待数据稳定后记录稳定值P₀；

3)对土体进行加载，获取压力值P₁；

4)利用式(1)即可计算埋设方向的土体应变值，公式(1)为

ε＝(p₁-p₀)K (1)

式(1)中，ε为土体应变量；P₀为步骤1)中的记录的稳定值；P₁为步骤2)中获取的压力值。

另一种步骤为：

1)将所述土体弹性参数测试装置埋置于待测土体中；通过数据采集系统得到10个土压力盒1的读数，即σ_t；同时得到10个应变盒2的读数，即σ_b；

2)依据式(2)、式(3)和式(4)计算获取土体的三维应力状态，依据式式(5)、式(6)和式(7)得到土体的三维应力状态，计算公式如下：

式(2-4)中，σ_t为土体弹性参数测试装置获取的10个土压力盒1的读数；表示待测点常规应力状态的3个正应力分量和3个剪应力分量。

式(5-7)中，σ_b为土体弹性参数测试装置获取的10个应变值；表示待测点常规应变状态的3个正应变分量和3个剪应变分量；

3)依据式(8-13)计算一点的弹性参数

其中，式(8-13)中，D_ij表示土体的弹性参数；表示测试点常规应变状态的3个正应变分量和3个剪应变分量；表示测试点常规应力状态的3个正应力分量和3个剪应力分量。

4)土体内部的弹性参数可按照式(14)表示出来

依据土体内部得弹性参数计算方法，可获取土体内部真实的弹性参数，从而为土体工程中的强度和变形计算提供便利。

本实用新型的土体弹性参数测试装置是这样实现的：

第一，基座3的制作。基座3由2个六棱台和一个六棱柱组成，如图6所示。图6中MNPQRS-M₀N₀P₀Q₀R₀S₀为六棱台，该六棱台侧面与底面夹角为45°，顶面内切圆的直径为a，底面内切圆的直径为M₀N₀P₀Q₀R₀S₀-M₁N₁P₁Q₁R₁S₁为六棱柱，该六棱柱高度为a，内切圆直径为基座3整体高度为M₁N₁P₁Q₁R₁S₁-M₂N₂P₂Q₂R₂S₂为六棱台，该六棱台侧面与底面夹角为45°，顶面内切圆直径为a，底面内切圆直径为如图7所示。对基座3的各面进行编号，MNN₀M₀所在面为A₁面，M₀N₀N₁M₁所在面为A₂面，M₁N₁N₂M₂所在面为A₃面，其他面按照逆时针方向及先上后下的原则，依此编号为B₁、B₂、B₃、C₁、C₂、C₃、D₁、D₂、D₃、E₁、E₂、E₃、F₁、F₂、F₃，将基座顶面和基座底面分别编号为t、b，如图5所示。在基座3的所有表面开圆柱形凹槽31，槽直径及槽深同土压力盒尺寸；在基座3的B₃面开数据线汇总孔8，在凹槽31底面中心开数据线孔道7通向据线汇总孔9；如图4所示。

第二，三维土体弹性参数测试装置组装。将10个土压力盒1分别安装于基座3的A₁、A₂、A₃、C₁、C₂、C₃、E₁、E₂、E₃、t面所在的凹槽31内，将应变盒2分别安装于基座3的B₁、B₂、B₃、D₁、D₂、D₃、F₁、F₂、F₃、b面所在的凹槽31内，并将数据导线4通过数据线孔道32汇总并经据线汇总孔33穿出后与数据采集系统相连接；通过防水密封胶5将土压力盒1与基座3之间的缝隙填充，即形成土体弹性参数测试装置，如图1和图5所示。

第三，装置埋设。将土体弹性参数测试装置按照一定坐标系埋置于土体中，如图5所示。通过数据采集系统得到10个土压力盒的读数，通过数据采集系统得到10个土压力盒1的读数，即σ_t；同时得到10个应变盒2的读数，即σ_b。

第四，依据式(15)、式(16)和式(17)计算获取土体的三维应力状态，依据式(18)、(19)和式(20)得到土体的三维应变状态，计算公式如下：

式(15-17)中，σ_t为土体弹性参数测试装置获取的10个土压力盒1的读数；表示待测点常规应力状态的3个正应力分量和3个剪应力分量。

式(18-20)中，σ_b为土体弹性参数测试装置获取的10个应变值；表示待测点常规应变状态的3个正应变分量和3个剪应变分量；

3)依据式(8)-(13)计算一点的弹性参数

其中，式(21-26)中，D_ij表示土体的弹性参数；表示测试点常规应变状态的3个正应变分量和3个剪应变分量；表示测试点常规应力状态的3个正应力分量和3个剪应力分量。

4)土体内部的弹性参数可按照式(27)表示出来

依据土体内部得弹性参数计算方法，可获取土体内部真实的弹性参数，从而为土体工程中的强度和变形计算提供便利。

土体三维弹性参数测试装置的计算推导过程如下：

应力状态σ可依据式(28)给出的三维应力状态在不同方向上正应力的计算方法来确定；应变状态ε可依据式(29)给出的三维应变状态在不同方向上线应变的计算方法来确定

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分别表示常规应力状态包含的3个正应力和3个剪应力；ε_x、ε_y、ε_z、ε_xy、ε_yz、ε_zx分别表示常规应变状态包含的3个正应变和3个剪应变；l、m、n分别表示测试方向与空间直角坐标系中x、y、z轴的方向余弦。若已知六个独立方向的正应力，则可将式(30)表示为

式(30)中，σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆为一点的6个方向的正应力。在已知6个独立方向正应力的前提下，按照矩阵求逆运算可得出一点的应力状态。依据式(30)构造的矩阵并求逆，若在图5所示的面A₁、A₂、C₁、C₂、E₁、E₂面布置土压力盒，一点的应力状态σ_x、σ_y、σ_z、σ_xy、σ_yz、σ_zx可按式(15)计算；若在面A₂、A₃、C₂、C₃、E₂、E₃面布置土压力盒，则点O处的应力状态可按式(16)计算；若在面t、A₁、C₁、E₁、A₂、C₂面布置土压力盒，则点O处的应力状态可按式(17)计算。

同理，若在面B₁、B₂、D₁、D₂、F₁、F₂面布置土压力盒，一点的应力状态ε_x、ε_y、ε_z、ε_xy、ε_yz、ε_zx可按式(18)计算；若在面B₂、B₃、D₂、D₃、F₂、F₃面布置土压力盒，一点的应力状态ε_x、ε_y、ε_z、ε_xy、ε_yz、ε_zx可按式(19)计算；若在面b、B₁、D₁、F₁、B₂、F₂面布置土压力盒，一点的应力状态ε_x、ε_y、ε_z、ε_xy、ε_yz、ε_zx可按式(20)计算。

基于式(15-20)计算获取的3个三维应力状态和3个三维应力状态根据弹性理论，即可计算得到土体的弹性参数。

以上所述仅为结合本次制作过程进行说明，对于本领域的实际应用来说，本实用新型可以有各种变化和更改。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。