[发明专利]一种测试土体静止土压力系数的光弹性传感器及测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种可测试土体静止土压力系数的光弹性传感器及其测试装置，属于岩土工程领域中一种能够有效精确的获得土体的室内试验测试元件及装置。

背景技术

光弹性法（Photoelasticity）是一种将透明材料制作的模型置于偏振光场中受荷，研究其在弹性变形过程中应力状态变化的光学实验法，可用于解决二维和三维工程结构的应力分析。早在上世纪20年代光弹性法就被应用于试验中并以其独特的优势被工程界和学术界所青睐。起初计算机技术和数码相机尚未大力发展和广泛普，虽然人们用偏振光穿透受荷的透明材料，根据图像色彩的变化来评价材料应力的改变，但是图像色彩的变化量主要依靠试验者的经验来确定，试验结果的精确度达不到满意的要求。上世纪80年代以后，计算机技术迅速发展，大量的数码照片得以快速的存储、处理和分析，一些学者将计算机辅助设计（CAD）和计算机图像处理（CIP）等技术与光弹性法相结合，逐步形成了数字光弹性法，成为实验力学中一个崭新的研究方向。

静止土压力系数是岩土工程中一个非常重要的参数，它是确定水平场地中应力状态和计算静止土压力的基础。能否正确确定静止土压力系数对作用在挡土结构物上的土压力分布和安全可靠程度均有直接影响。目前室内试验测定土体静止土压力系数的方法主要有侧向变形指示器法和侧压力仪器法等，侧向变形指示器法主要是利用三轴剪切仪在试样侧面安装变形指示器，土样的轴向加压的过程中，通过伺服机制来保证土样侧向不发生变形，进而获得土体静止土压力系数。这种方法需要在三轴仪腔室内完成，对试样的制作、安装以及测试仪器均有较高要求，过程繁琐且试验容易失败。侧压力仪器法是目前最常用的方法之一，试样在施加竖向垂直压力后不允许发生侧向变形，测试土体侧边所承受的压力即为静止土压力。这种方法操作简便、迅速，但由于土压力传感器的量测精度、安装等问题，使得侧压力的量测结果精确度较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对国内现有室内土工试验存在的缺陷，提出一种可用于岩土工程领域的测试土体静止土压力系数的光弹性传感器及测试装置，为岩土工程中相关设计参数的确定提供快捷有效的室内试验测定方法。

本发明采用的技术方案为：一种测试土体静止土压力系数的光弹性传感器，包括正方形玻璃面板、圆孔、应力接触面板、尖锐突起和应力观测区，所述正方形玻璃面板中心设有圆孔，正方形玻璃面板的一侧设有刚性的应力接触面板，应力接触面板与正方形玻璃面板之间设有尖锐突起，所述应力观测区为两个，分别位于所述圆孔边缘的上、下端。

一种使用上述光弹性传感器的测试土体静止土压力系数的测试装置，包括测试土样、固结压力室、透明玻璃板、压力加载帽、加载杠杆、砝码、光弹性传感器、圆形偏光镜、单反照相机、数据采集线和计算机；

所述测试装置中的测试土样放置于固结压力室中，固结压力室的观测面为透明玻璃板，测试土样的顶部为压力加载帽，竖向压力通过加载杠杆施加于压力加载帽上，最终传递至测试土样顶面，加载杠杆下挂有可调整压力变化的砝码，测试土样两侧中部均设有光弹性传感器，固结压力室观测面的正前方依次设置有圆形偏光镜和单反照相机，单反照相机通过数据采集线与计算机相连。

作为优选，所述正方形玻璃面板尺寸为25.0×25.0mm，中心圆孔的直径为12.5mm，正方形玻璃面板的杨氏模量不低于6.0×10⁵kPa。

作为优选，所述尖锐突起的位置与应力观测区在同一高度，尖锐突起的高度为20.0mm，中心应力观测区的大小为1.0×1.0mm或15×15像素，表面设置具有折射效应的透明玻璃薄板，薄板面积应大于观测区面积。

作为优选，所述单反照相机记录每级荷载稳定下的应力观测区的照片，对处理后的照片采用红色像素确定应力变化。

本发明光弹性传感器玻璃面板中心开圆孔可以有效的提高圆孔边缘的应力集中。玻璃面板与刚性应力接触面板之间设置的尖锐突起可以使水平向应力有效的传递至玻璃面板和圆孔边缘，使得应力测试的结果更为精确。

光弹性传感器中红色像素强度与应力变化之间的关系采用二次函数关系表达式：