本發(fā)明屬于常規(guī)應(yīng)力測(cè)試領(lǐng)域，具體為一種微型三維土壓力盒及其測(cè)試方法，適用于巖土工程領(lǐng)域。技術(shù)背景土壓力測(cè)量裝置是進(jìn)行土工試驗(yàn)和土的力學(xué)參數(shù)確定的重要設(shè)備，其測(cè)量的精確度直接影響到能否正確認(rèn)識(shí)土體。目前，常規(guī)的用于測(cè)試土體應(yīng)力的設(shè)備為土壓力盒，按照受力傳遞形式不同分為單膜、雙膜土壓力盒。土體在荷載作用在，將應(yīng)力傳遞給土壓力盒，在土壓力盒受壓側(cè)布置電阻應(yīng)變片或是鋼弦測(cè)定土壓力盒的受壓面變形，以間接獲知土體的應(yīng)力。常規(guī)的應(yīng)力裝置只能量測(cè)土體中某確定方向的應(yīng)力情況；CN201410740140.2公開的基于三維應(yīng)變花的研究成果可獲取土體內(nèi)部的應(yīng)變狀態(tài)，由于土體的復(fù)雜特性，使得其泊松比等彈塑性參數(shù)難以確定，因而利用應(yīng)變狀態(tài)計(jì)算土體內(nèi)部三維應(yīng)力狀態(tài)存在很大缺陷。CN201410345195.3及CN201510956800.5等公開了一類基于菱形十二面體等基座的三維土壓力狀態(tài)測(cè)試裝置，因?qū)⑼翂毫幸栏接诨校芡翂毫谐叽缬绊?，決定了該土壓力測(cè)試裝置的體積過(guò)大，因而影響了應(yīng)力狀態(tài)的測(cè)試精度。上述問(wèn)題使得測(cè)試結(jié)果與真實(shí)值之間往往存在一定差值，造成土體中一點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)認(rèn)識(shí)不夠準(zhǔn)確。為掌握土體作為建筑材料在施工和使用過(guò)程中所處的應(yīng)力狀態(tài)，迫切需要一種具備尺寸更小、適用性廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、精度高等特點(diǎn)，且能夠用于土體內(nèi)部某點(diǎn)三維應(yīng)力狀態(tài)測(cè)試的裝置，以對(duì)土體內(nèi)部的常規(guī)應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算和量測(cè)，進(jìn)而有效評(píng)估工程的安全性能，技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明目的是提供一種微型三維土壓力盒及其測(cè)試方法，以提升對(duì)土體內(nèi)部常規(guī)應(yīng)力狀態(tài)的量測(cè)精度。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種微型三維土壓力盒的裝置，其中：該土壓力盒包括有：菱形十二面體骨架、菱形彈性膜片、電阻應(yīng)變片、數(shù)據(jù)導(dǎo)線、防水密封膠；所述菱形十二面體骨架的各面中心均設(shè)有圓形孔，將菱形彈性膜片設(shè)置于菱形十二面體骨架的各菱形面上，從而在菱形彈性膜片內(nèi)壁形成圓形面，選取菱形十二面體骨架頂部四個(gè)及側(cè)面兩相鄰的圓形面粘貼電阻應(yīng)變片；數(shù)據(jù)導(dǎo)線孔設(shè)置在菱形十二面體骨架底部任一菱形面上，通過(guò)數(shù)據(jù)導(dǎo)線將電阻應(yīng)變片的導(dǎo)線經(jīng)數(shù)據(jù)導(dǎo)線孔引出并與數(shù)據(jù)采集儀相連接，將菱形彈性膜片與菱形十二面體骨架之間的空隙用防水密封膠填充牢固，即形成微型三維土壓力盒。所述菱形彈性膜片的剛度小于菱形十二面體骨架各面的剛度；且菱形彈性膜片的大小與菱形十二面體骨架各面大小相一致。同時(shí)提供一種微型三維土壓力盒的測(cè)試方法。本發(fā)明的效果是該微型三維土壓力盒尺寸較小，傳力方式直接，且擺脫了基座制作等引起的誤差，提高了基于多面體基座與常規(guī)土壓力盒組合裝置來(lái)量測(cè)土壓力狀態(tài)的精度。本發(fā)明的微型三維土壓力盒為多面體實(shí)體形式，施加應(yīng)力后，解決了因局部土體壓力過(guò)大引起的測(cè)量裝置自身扭曲變形。若單組電阻應(yīng)變片的測(cè)試精度為δ，則三個(gè)主應(yīng)力的測(cè)試精度為1.5δ，三個(gè)剪應(yīng)力的測(cè)試精度為0.5δ，平均測(cè)試精度為δ。整體測(cè)試精度滿足了土體應(yīng)力測(cè)試的基本要求，能更精確的呈現(xiàn)真實(shí)的受力狀態(tài)。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明的微型三維土壓力盒效果圖；圖2為本發(fā)明涉及的菱形十二面體骨架效果圖；圖3為本發(fā)明涉及的與菱形十二面體骨架組合示意圖；圖4為本發(fā)明涉及的電阻應(yīng)變片布置于菱形彈性膜片的方式圖；圖5為本發(fā)明的微型三維土壓力盒建立的一種空間直角坐標(biāo)系；圖6至圖8為本發(fā)明的菱形十二面體骨架制作流程圖。圖中：1.菱形十二面體骨架2.菱形彈性膜片3.電阻應(yīng)變片4.數(shù)據(jù)導(dǎo)線5.防水密封膠6.圓形孔7.數(shù)據(jù)導(dǎo)線孔8.圓形面具體實(shí)施方式結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的微型三維土壓力盒及其測(cè)試方法加以說(shuō)明。本發(fā)明的微型三維土壓力盒及其測(cè)試方法設(shè)計(jì)原理：根據(jù)空間內(nèi)一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)與主應(yīng)力之間的矩陣關(guān)系，基于主應(yīng)力方向與空間坐標(biāo)系之間的角度關(guān)系確定計(jì)算矩陣及其逆矩陣，進(jìn)而可依據(jù)獲取的主應(yīng)力與逆矩陣的乘積計(jì)算一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。本發(fā)明的微型三維土壓力盒及其測(cè)試方法具體實(shí)施方式如下：本發(fā)明的土壓力盒結(jié)構(gòu)包括有：菱形十二面體骨架1、菱形彈性膜片2、電阻應(yīng)變片3、數(shù)據(jù)導(dǎo)線4、防水密封膠5；所述菱形十二面體骨架1的各面中心均設(shè)有圓形孔6，將菱形彈性膜片2設(shè)置于菱形十二面體骨架1的各菱形面上，從而在菱形彈性膜片2內(nèi)壁形成圓形面8，選取菱形十二面體骨架1頂部四個(gè)及側(cè)面兩相鄰的圓形面8粘貼電阻應(yīng)變片3；數(shù)據(jù)導(dǎo)線孔7設(shè)置在菱形十二面體骨架1底部任一菱形面上，通過(guò)數(shù)據(jù)導(dǎo)線4將電阻應(yīng)變片3的導(dǎo)線經(jīng)數(shù)據(jù)導(dǎo)線孔7引出并與數(shù)據(jù)采集儀相連接，將菱形彈性膜片2與菱形十二面體骨架1之間的空隙用防水密封膠5填充牢固，即形成微型三維土壓力盒。所述菱形彈性膜片2的剛度小于菱形十二面體骨架1各面的剛度；且菱形彈性膜片2的大小與菱形十二面體骨架1各面大小相一致。本發(fā)明的微型三維土壓力盒測(cè)試方法如下：第一，選取如圖6所示的正方體，在正方體OABC-DEFG中，M、N分別為所在正方體表面的中心，P、Q、H、I分別為所在直線的中點(diǎn)，連接點(diǎn)M、H、N、I，可制作菱形MHNI。將本模型分別旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°可得到另外3個(gè)與頂面相接的菱形，如圖7所示。在底面進(jìn)行對(duì)稱操作可得到底面的4個(gè)菱形，上下各4個(gè)菱形面相接圍合成4個(gè)側(cè)面，如圖8所示。在上面4個(gè)頂面和任意兩側(cè)面中心開半徑為r的圓形孔6，在任一底面上開數(shù)據(jù)導(dǎo)線孔7，即形成本發(fā)面的菱形十二面體骨架1，如圖2所示。第二，制作菱形彈性膜片2。菱形彈性膜片2與菱形十二面體骨架1的各面大小一致；設(shè)圖7所示正方體邊長(zhǎng)為2a，則該菱形彈性膜片2的邊長(zhǎng)為√3a/2，菱形彈性膜片2的對(duì)角線長(zhǎng)度分別為a、√2a。第三，粘貼電阻應(yīng)變片3。取上述制作好的菱形彈性膜片2，以菱形對(duì)角線的交點(diǎn)為圓心畫半徑為r的圓，即形成圓形面8，如圖4所示；在圓形面8依四壁全橋接線法粘貼電阻應(yīng)變片3，其中電阻應(yīng)變片3，即R1、R2、R3、R4的形心位置距離菱形彈性膜片2的中心0.577r，并分別自A、B、C、D點(diǎn)引出4根數(shù)據(jù)導(dǎo)線4。第四，組裝本發(fā)明的微型三維土壓力盒。將粘貼好電阻應(yīng)變片3的菱形彈性膜片2的數(shù)據(jù)導(dǎo)線4經(jīng)菱形十二面體骨架1的圓形孔6并從數(shù)據(jù)導(dǎo)線孔7穿出，電阻應(yīng)變片3所在面朝向菱形十二面體骨架1側(cè)，如圖3所示。重復(fù)以上操作依次將A1、A2、A3、A4、A5、A6面安裝好；隨后將菱形彈性膜片2與菱形十二面體骨架1之間的空隙用防水密封膠5填充牢固，并用防水密封膠5將數(shù)據(jù)導(dǎo)線孔7與數(shù)據(jù)導(dǎo)線4之間孔隙填充牢固；即形成本發(fā)明的微型三維土壓力盒，如圖1所示。第五，對(duì)本發(fā)明的微型三維土壓力盒進(jìn)行標(biāo)定。獲取標(biāo)定壓力與應(yīng)變之間關(guān)系。第六，將該三維土壓力盒埋置于待測(cè)土體中，對(duì)土體的坐標(biāo)方向進(jìn)行定義，如圖5所示，并將本發(fā)明的微型三維土壓力盒對(duì)應(yīng)土體的坐標(biāo)方向進(jìn)行埋設(shè)。第七，通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)讀設(shè)備獲得六個(gè)應(yīng)力讀數(shù)，即σ1、σ2、σ3、σ4、σ5、σ6，利用式(1)可得一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)：σxσyσzσxyσyzσzx=-0.50.5-0.50.50.50.50.5-0.50.5-0.50.50.50.50.50.50.5-0.5-0.50000-0.50.5-0.5000.50000.50-0.500×σ1σ2σ3σ4σ5σ6---(1)]]>式(1)中，σx、σy、σz為三維應(yīng)力狀態(tài)的三個(gè)正應(yīng)力分量，σxy、σyz、σzx為三維應(yīng)力狀態(tài)的三個(gè)剪應(yīng)力分量；σ1、σ2、σ3、σ4、σ5、σ6分別表示微型三維土壓力盒測(cè)得的6個(gè)應(yīng)力實(shí)測(cè)值。所述微型三維土壓力盒的應(yīng)變片粘貼位置計(jì)算推導(dǎo)如下：根據(jù)彈性理論，周圍固定的圓形板在均布荷載作用下，板上各點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算公式為式(2)、(3)中，D為菱形彈性膜片的剛度系數(shù)；r為菱形十二面體骨架上圓形孔半徑；x為計(jì)算點(diǎn)與菱形十二面體骨架上圓形孔中心的距離；t為菱形彈性膜片的厚度。由式(2)和式(3)可知，切向應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變；徑向應(yīng)變?cè)?<x<0.577r范圍內(nèi)為拉應(yīng)變，在0.577r<x<r范圍內(nèi)為壓應(yīng)變。因此應(yīng)在x＝0.577r范圍內(nèi)粘貼環(huán)向應(yīng)變片，即將圖4中R1、R2、R3、R4應(yīng)變片的形心布置在0.577r上。本次實(shí)施采用圖4所示的四臂電橋接線方式，該方式不僅能消除溫度變化引起的誤差，而且提高了測(cè)試靈敏度。圖4中，R1、R2、R3、R4電阻應(yīng)變片均為工作應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片感受的應(yīng)變分別為ε1＝ε4＝εP+εt(4)ε2＝ε3＝-μεP+εt(5)式(4)和式(5)中，ε1、ε2、ε3、ε4分別為電阻應(yīng)變片R1、R2、R3、R4測(cè)得的應(yīng)變值；εP、εt分別為測(cè)試面的軸向應(yīng)變和溫度引起的應(yīng)變。顯示讀數(shù)應(yīng)變?chǔ)興為εd＝ε1-ε2-ε3+ε4＝2(1+μ)εp(6)式(6)中，μ為菱形彈性膜片的泊松比；εP為測(cè)試面的軸向應(yīng)變。微型三維土壓力盒的計(jì)算公式推導(dǎo)如下：本壓力盒為由電阻應(yīng)變片配合安裝于菱形十二面體骨架上的彈性膜片組合成的微型三維土壓力盒，如圖1所示。土體內(nèi)部一點(diǎn)O(x、y、z)的常規(guī)應(yīng)力狀態(tài)可以用過(guò)該點(diǎn)的微小立方體上的應(yīng)力分量表示。假設(shè)空間內(nèi)一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)由σx、σy、σz、σxy、σyz、σzx六個(gè)應(yīng)力分量表示，則任意方向的正應(yīng)力σkσk=σxlk2+σymk2+σznk2+2σxylkmk+2σyzmknk+2σzxnklk---(7)]]>其中，k＝1，2，3，4，5，6；l、m、n分別為正應(yīng)力方向與x、y、z軸的余弦。進(jìn)而可將式(7)用矩陣表示為σ1σ2σ3σ4σ5σ6=l12m12n122l1m12m1n12n1l1l22m22n222l2m22m2n22n2l2l32m32n322l3m32m3n32n3l3l42m42n422l4m42m4n42n4l4l52m52n522l5m52m5n52n5l5l62m62n622l6m62m6n62n6l6×σxσyσzσxyσyzσzx---(8)]]>按照式(8)可得到土體中一點(diǎn)的6個(gè)方向的正應(yīng)力σ1、σ2、σ3、σ4、σ5、σ6；若已知該六個(gè)方向的正應(yīng)力且保證矩陣滿足求逆要求，則按照矩陣求逆運(yùn)算可得出一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)σx、σy、σz、σxy、σyz、σzx。根據(jù)圖5建立的坐標(biāo)系，依據(jù)式(8)構(gòu)造的矩陣并求逆，一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)σx、σy、σz、σxy、σyz、σzx可按式(9)計(jì)算σxσyσzσxyσyzσzx=-0.50.5-0.50.50.50.50.5-0.50.5-0.50.50.50.50.50.50.5-0.5-0.50000-0.50.5-0.5000.50000.50-0.500×σ1σ2σ3σ4σ5σ6---(9)]]>本壓力盒具有尺寸多樣、原理鮮明、適用性廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、精度高等特點(diǎn)，改善了基于多面體基座與常規(guī)土壓力盒組合量測(cè)土壓力狀態(tài)的誤差。若單組電阻應(yīng)變片的測(cè)試精度為δ，則三個(gè)主應(yīng)力的測(cè)試精度為1.5δ，三個(gè)剪應(yīng)力的測(cè)試精度為0.5δ，平均測(cè)試精度為δ。整體測(cè)試精度滿足了土體應(yīng)力測(cè)試的基本要求，能更精確的呈現(xiàn)真實(shí)的受力狀態(tài)。以上所述僅為結(jié)合本次制作過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明，并不限制本結(jié)構(gòu)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種變化和更改，比如應(yīng)用振弦替代電阻應(yīng)變片、將一次膜變更為二次膜、更換應(yīng)變片安裝面等。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3