用于测试土体内部三维应力状态的装置及测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于应力测试领域，特别是一种用于测试±体内部Ξ维应力状态的装置及 测试方法。可用于±体内部的常规应力状态的监测。 技术背景
[0002] ±为多相多孔介质，受应力水平、应力历史、应力路径等因素的影响，应力状态的 确定较为困难。应力状态是研究±的变形和强度的前提，获取±体中的应力状态，对于保证 工程安全性W及对工程进行加固维修，均具有重要价值。特别是在±木工程、水利工程、交 通工程、采矿工程等设施建设中，精确直观的获取±体的应力状态，是工程进行安全分析、 科学设计与施工的需要。
[0003] ±体中的应力测试可W通过±压力盒或±压力计完成，欲获取某一确定方向上的 应力值，可W通过在该方向布置±压力盒或±压力计的方式来获取。使用Ξ维应变花测试 装置可获取±体中某点的Ξ维应变状态，由于±体在力的作用下泊松比等参数难W确定， 不能根据应变状态计算常规应力状态。使用基于普通±压力盒和菱形十二面体的立维±压 力测试装置可测试±体内部的常规应力状态，由于W菱形为面的十二面体在使用中形屯、位 置确定困难，且十二面体的制作成本较高，需进一步改良。常规单向应力测试元件只能测定 某一确定方向上的应力，在工程实际中往往需要获得某介质内部的Ξ维应力状态。比如在 岩±工程中，确定岩±体内部的应力状态对工程诊断和防灾减灾是非常重要的；在水利工 程中，确定±质巧体内部的应力状态对确保巧体整体稳定性有很重要的作用。
[0004] 目前，岩±工程应力测试领域存在问题：±的压缩变形易导致常规±压力盒埋设 位置发生变化，加之在人为假定的最大主应力方向上埋置±压力盒，测得的最大主应力不 具实用性。通过在±体中埋置多个方向独立的常规±压力盒方式获取的Ξ维应力状态，由 于未考虑各测试数据的交互作用、缺乏系统性，不具推广可能。上述问题带来得弊病是测试 结果与实际值存在极大误差，不能用于确定±体中一点的应力状态。因而，迫切需要一种简 洁、实用且直观的测试±体内部Ξ维应力状态的装置，该种装置对解决岩±工程中的变形 与强度问题具备现实意义。
【发明内容】
[0005] 本发明目是提供一种用于测试±体内部Ξ维应力状态的装置及测试方法，W利于 实现±体内部一点Ξ维应力状态的直接测试，且该发明须具备操作简便、原理鲜明、计算便 捷等，W便于工程中碎散±体内部的Ξ维应力状态测试。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种用于测试±体内部的Ξ维应 力状态的装置，该装置与±压力盒元件测读设备相连接，包括有六个常规±压力盒，其中： 该装置还包括有八面体基座、膨胀止水胶圈、聚氨醋泡沫填充剂、±压力盒数据导线，所述 六个常规±压力盒分别布置在八面体基座除上下两平行面的六个侧面上，常规±压力盒与 八面体基座之间空隙填充有膨胀止水胶圈，上压力盒数据导线与所述上压力盒元件测读设 备相连接，将±压力盒数据导线与八面体基座之间的空隙填充有聚氨醋泡沫填充剂进行防 水密封，即形成基于八面体基座的立维±压力盒测试装置。
[0007] 同时提供一种利用用于测试±体内部Ξ维应力状态的装置的测试方法。
[0008] 本发明的效果是该装置具备测试直观、计算方法明确、构造合理、操作简便、价格 低廉等特点，改善了W往依靠应变计算应力方式带来的误差，为认识±体内部的应力状 态提供一种便捷手段。假设常规±压力盒的精度为P，计算得Ξ个主应力的测试精度为 1.0P，Ξ个剪应力的测试精度为1.22P，平均测试精度为1.IIP。精度的提高能更准确的 反映±体的受力状态，提高工程的安全储备。
【附图说明】
[0009] 图1为本发明立维±压力盒俯视效果图；
[0010] 图2为本发明立维±压力盒侧视效果图；
[0011] 图3为本发明^维±压力盒计算原理示意图；
[0012] 图4为本发明^维±压力盒受力方向的方向余弦；
[0013] 图5为本发明八面体基座俯视图；
[0014] 图6为本发明八面体基座侧视图；
[0015] 图7至图12为本发明八面体基座制作流程图。
[0016] 图中：
[0017] 1.常规±压力盒 2.八面体基座 3.膨胀止水胶圈
[0018] 4.聚氨醋泡沫填充剂5. ±压力盒数据导线6. ±压力盒凹槽
[0019] 7.数据导线孔 8.导线汇总孔
【具体实施方式】
[0020] 结合附图对本发明的用于测试±体内部Ξ维应力状态的装置及测试方法加W说 明。
[0021] 本发明设计原理：空间一点的常规应力状态包括Ξ个正应力和Ξ个剪应力共六个 应力分量。因此，确定空间上一点的应力状态至少需要在六个不同的方向上布置测试元件。
[0022] 本发明的用于测试±体内部Ξ维应力状态的装置及测试方法【具体实施方式】如 下：
[0023] 第一，制作八面体基座2。选取正方体如图7,依据正方体截取直角四面体如图8所 示，将所截取得直角四面体两个相垂直的邻面倒直角面如图9、10所示，倒角后形成面的最 大内切圆直径应大于±压力盒的直径，形成八面体基座如图11、图12所示。在八面体基座 的六个侧面居中设置圆柱形凹槽，凹槽直径为±压力盒直径加1~2mm，槽深取2/3~1/3 ±压力盒厚，槽底面平整且与表面平行；凹槽中屯、设通向八面体基座底面中屯、的孔道用于 数据线汇总如图5、图6所示。
[0024] 第二，安装立维±压力盒。将±压力盒测量导线从数据导线孔7穿入，经孔道从导 线汇总孔8穿出并与±压力盒元件测读设备相连接；把常规±压力盒1安装在±压力盒凹 槽6,将膨胀止水胶圈3放置于常规±压力盒1与±压力盒凹槽6之间空隙中，用防水胶体 将Ξ者固定；依次对六个常规±压力盒1进行安装并用聚氨醋泡沫填充剂4将导线汇总孔 8与数据导线之间的空隙进行防水密封；将导线汇总孔8导出的±压力盒数据导线（5)与 ±压力盒元件测读设备连接；即形成基于八面体基座的立维±压力盒测试装置。
[00巧]第Ξ，将该立维±压力盒埋置于待测±体中。
[0026] 第四，依据六个±压力盒元件的测试方向与X、y、ZΞ个坐标方向的夹角计算各± 压力盒的方向余弦如图4所示；并基于所得的方向余弦根据任意方向的正应力表达式确定 转换矩阵T;图4中0A为常规±压力盒测试的垂直方向，0A'为0A在xoy平面的投影，δ 为±压力盒受力方向与Ζ轴的夹角，其中δ=π/2-α;巧为±压力盒受力方向直线在xoy 平面上的投影与X轴的夹角。
[0027]第五，通过±压力盒元件测读设备获得六个应力读数，即〇1、σ2、σ3、σ4、σ5、 ο6,表不为οk- {Ο1，Ο2'Ο3'Ο4'Ο5'Οe}ο
[0028] 第六，根据转换矩阵τ的逆阵τ1和±压力盒元件测读设备采集到的六个应力值， 计算出常规Ξ维应力各分量的数值。由{〇，} =tMoJ计算一点的Ξ维应力状态，式中： 〇.j={〇X，Oy，〇z，σ巧，Oyz，〇ζχ}Τ，Οχ、Oy、〇z、σ巧、〇口、分别表示ii试点的常规 应力状态的Ξ个正应力分量和Ξ个剪应力分量。
[0029] ^维±压力盒的计算推导公式如下：
[0030] 本装置主要由六个常规±压力盒和一个八面体基座构成。将六个常规±压力盒通 过八面体基座组装，从而构成一个沿六个特定方向的上压力盒组合体，如图1所示。图3及 图4所示的几何关系可知，±压力盒受力方向在x、y、zΞ个坐标轴方向上的余弦l、m、n分 别为
[0031] ?=岩虹贷说8寧（5〉
[0032] m=sinsin(p( €5
[0033] η=cosδ(7)