[发明专利]基于普通土压力盒和菱形十二面体的三维土压力测试装置及装配计算方法

说明书

技术领域

本发明属于工程中的应力测试技术领域，具体为一种基于普通土压力盒和菱形十二面体的三维土压力测试装置及装配计算方法，通过该装置获得十二面体上六个法向向量不相关的面上的土压力，再计算得到测试土体处的三维应力状态，从而进一步获得土体内最大压应力的方向和数值。 

背景技术

混凝土和岩土体的三维应力测试是工程中的一项基础性工作，是进行定量化力学分析和工程安全性评价的前提，发挥着不可替代的作用。尤其在土木工程、水利工程、交通工程等基础设施项目中，准确获得诸如混凝土、岩土体等材料的应力状态，并进一步得到最大主力、最大剪应力、球应力、偏应力以及其他应力组合。 

混凝土和岩土体的常规应力测试可以通过钢筋计和土压力盒完成。若想获得某一确定方向上的应力的大小，可以通过在该方向上布置钢筋计和土压力盒的方式实现。对于平面应力问题，当无法确定主应力方向时，可以通过在物体表面张贴常规应变花测得，通过应变反映应力大小。然而对于岩土体这种松散状态的材料来讲无法通过在土体表面粘结测力装置确定主应力方向。通常状态下，土体的主应力方向难以准确确定，只能在人为确定的方向上埋置土压力盒，采取与假定主应力作用面平行埋设的埋置方式。将这种方法测得的土压力认定为最大的主应力不具说服力，并且随土的压缩变形土压力盒相对于埋设初始位置发生移动或转动，偏离事先的假定面，此时测得的土压力失去意义。 

力学中对于主应力主平面有如下定义：一点处切应力等于零的截面称为 主平面，主平面上的正应力称为主应力。在基坑工程设计中一般采用经典的朗肯土压力理论进行土压力计算，朗肯土压力理论要求支挡结构为刚性、墙背直立且光滑，当土体处于主动朗肯土压力状态时最大主应力作用在水平面上；当土体处于被动朗肯状态时最大主应力面作用在竖直面上。实际基坑支护中挡土结构物大都受基坑开挖影响产生变形，或者本身就是柔性支护结构，墙背与土接触面存在摩擦力，此时并不满足朗肯土压力理论中剪应力为零的边界条件。现行的土压力监测方法一般都是在挡土结构物与土体的接触面处水平或竖直方向上埋设土压力盒，测量该方向的土压力。显然这种条件下土压力盒所在面上受摩擦力的影响，该面上有剪力存在不是主平面，自然这种方法测得的土压力也不是最大主应力。以往的单向或三向土压力测试方法只能得到某一确定方向上的土压力，而不能得到所测试位置的最大土压力，更不能得到测试位置的应力状态。而且，由于土和挡土结构物的变形和位移，预设的“确定方向”往往是难以控制的。 

发明内容

本发明拟解决的技术问题是：提供一种基于普通土压力盒和菱形十二面体的三维土压力测试装置及装配计算方法，测试前无需判断最大主应力面方向，就可达到测试土体内部任意一点的三维应力状态的目的。 

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种基于普通土压力盒和菱形十二面体的三维土压力测试装置，其中：该装置包括有菱形十二面体、多个普通土压力盒、膨胀止水胶圈、测量导线、聚氨酯泡沫填缝剂；将六个普通土压力盒固定在菱形十二面体六个法向向量不相关的面上，形成三维土压力测试装置；利用相关的仪表测试六个面的土压力值，进而计算得到土体中任意一点的三维应力状态。 

菱形十二面体的六个法向向量不相关的面上均设置有安放土压力盒的凹槽，每个凹槽中心设有通向菱形十二面体形心的导线孔，在菱形十二面体 除凹槽之外的任一个面中心设置通向形心的导线汇总孔，形成的六个导线孔与汇总孔交汇于形心。 

同时提供一种三维土压力测试装置的装配及计算方法。 

本发明的效果是该三维土压力测试装置在很大程度上克服了普通土压力盒测试精度不高、测试方向不明确、无法获得三维应力状态等弊病。假设土压力盒的精度为ρ，计算得到的得到主方向上的土压力的三个主应力测试精度为1.22ρ，三个剪应力的测试精度为0.71ρ，平均测试精度为0.965ρ，精度上得到提高更加准确、直观的反映挡土结构物的受力状态，提高工程施工的安全储备，还可以用于工程的后期健康状况进行有效评估。 

附图说明

图1为本发明的土压力盒的方向向量； 

图2为本发明的菱形十二面体切割前的正六面体； 

图3为本发明的菱形十二面体； 

图4为本发明的安放土压力盒的菱形十二面体骨架； 

图5为本发明的十二面体侧视图骨架； 

图6为本发明的三维土压力盒效果图。 

图中： 

1.菱形十二面体   2.普通土压力盒       3.膨胀止水胶圈