[发明专利]微型三维有效应力盒及其测试方法

权利要求书

1.一种微型三维有效应力盒，该应力盒与数据采集仪相连接，其特征是：该微型三维有效应力盒包括有：骨架(1)、承压膜片(2)、应变片(3)、高透水石(4)、数据导线(5)、带圆孔板(6)、聚和物胶(8)、倾角传感器(12)；所述骨架(1)为上中下的结构形式，中部结构为八个正方形围合组成的八棱柱形式，上部和下部结构分别为由五个正方形与四个等边三角形组成的形式，上部结构与下部结构与中部结构相应对称；所述骨架(1)上部结构的三个正方形表面及骨架(1)中部结构的五个正方形表面和骨架(1)下部结构的一个正方形表面的中心均设有圆形孔(9)；骨架(1)内壁任意面上设置有倾角传感器(12)，将承压膜片(2)分别布置于骨架(1)的各带圆形孔(9)的表面，并在承压膜片(2)与骨架(1)结合后形成的圆形面(10)内壁粘贴应变片(3)，承压膜片(2)与骨架(1)之间的缝隙填充有防水密封胶(13)；

选取所述骨架(1)中部结构的两个正方形表面和骨架(1)下部结构的一个正方形表面且设置有承压膜片(2)的表面，通过聚合物胶(8)将带圆孔板(6)粘贴在所述三个设置有承压膜片(2)的表面上，并将圆形高透水石(4)设置在带圆孔板(6)的圆孔位置，通过数据导线(5)将应变片(3)导线及倾角传感器(12)导线经数据导线孔(7)引出并与数据采集仪相连接，形成微型三维有效应力盒；

所述承压膜片(2)的刚度小于骨架(1)各面的刚度，且承压膜片(2)的大小与骨架(1)各表面大小相一致；所述带圆孔板(6)的厚度与高透水石(4)的厚度一致。

2.利用权利要求1所述微型三维有效应力盒的测试方法，该方法包括以下步骤：

1)将所述微型三维有效应力盒埋入饱和土体内部，依据微型三维有效应力盒骨架上部结构的三个正方形表面和骨架中部结构的三个正方形表面能够获取6个应力读数，即σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆；依据骨架中部结构的两个正方形表面和骨架下部结构的一个正方形表面能够获取3个孔隙水压力读数，即u₁、u₂、u₃；依据倾角传感器获取微型三维有效应力盒的3个倾角读数，即α、β、γ；

2)根据步骤1)得到的6个应力读数及3个倾角读数，依公式(1)计算土体内部一点的常规应力状态，公式(1)为

{σ_ij}＝A^-1{σ_i} (1)

式(1)中，{σ_ij}＝{σ_x，σ_y，σ_z，σ_xy，σ_yz，σ_zx}^T，其中σ_x、σ_y、σ_z、σ_xy、σ_yz、σ_zx为常规应力状态的3个正应力分量和3个剪应力分量；{σ_i}＝{σ₁，σ₂，σ₃，σ₄，σ₅，σ₆}^T，其中σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆为微型三维有效应力盒骨架上部结构的三个正方形表面和骨架中部结构的三个正方形表面获取的6个应力读数；A^-1为矩阵A的逆矩阵，A^-1可根据矩阵A按线性代数理论进行计算，矩阵A见式(2)

A=1sin2βsin2γ-2sinβ2sinβsinγ-2sinγsin2α1sin2γ-2sinα-2sinγ2sinαsinγsin2αsin2β12sinαsinβ-sinβ-2sinαMN2sin2γ2MN-2N sinγ-2M sinγsin2αN2P2-2Nsinα2NP-2P sinαM2sin2βP2-2M sinβ-2P sinβ2MP---(2)]]>

式(2)中，α、β、γ为倾角传感器获取的微型三维有效应力盒旋转的角度；M、N、P见式(3)

M=22(1+cosα2-6+2cosα2×sinα2)N=22(1+cosβ2-6+2cosβ2×sinβ2)P=22(1+cosγ2-6+2cosγ2×sinγ2)---(3)]]>

式(3)中，α、β、γ为步骤1)中所述倾角传感器获取的微型三维有效应力盒旋转的角度；

3)根据步骤1)得到的3个孔隙水压力读数，依公式(4)计算出土体内部一点的孔隙水压力，公式(4)为

u=13(u1+u2+u3)---(4)]]>

式(4)中，u为一点的孔隙水压力；u₁、u₂、u₃为步骤1)所述微型三维有效应力盒骨架中部结构的两个正方形表面和骨架下部结构的一个正方形表面获取的3个孔隙水压力读数；

4)根据式(5)计算得到测试点的三维有效应力

σx′σy′σz′σxy′σyz′σzx′=σxσyσzσxyσyzσzx-uuuuuu---(5)]]>

式(5)中，σ'_x、σ'_y、σ'_z、σ'_xy、σ'_yz、σ'_zx为三维有效应力状态的3个正应力分量和3个剪应力分量；σ_x、σ_y、σ_z、σ_xy、σ_yz、σ_zx表示式(1)计算获得的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；u为式(4)计算获得的孔隙水压力。