本實(shí)用新型屬于巖土工程領(lǐng)域，涉及一種土體三維有效應(yīng)力測(cè)試裝置，可用于飽和土體內(nèi)三維有效應(yīng)力的測(cè)試。

背景技術(shù)：

土體的變形主要來(lái)源于土顆粒之間孔隙的變化，而土體的抗剪強(qiáng)度取決于土顆粒間的連接情況。從本質(zhì)上來(lái)說，土的強(qiáng)度和變形取決于顆粒之間傳遞應(yīng)力的大小。填海造陸、圍湖造田、軟土加固等河海工程建設(shè)都需要確定飽和土體的有效應(yīng)力水平，以合理確定建筑物規(guī)模及工程建設(shè)速度。

飽和土是由土骨架、孔隙水組成的兩相體系，在荷載作用下土骨架和孔隙水分別受力，由土骨架傳遞的力稱為有效應(yīng)力，由孔隙水傳遞的力稱為孔隙水壓力。飽和土體中的孔隙水壓力在外荷載作用下隨土中水的排出而逐漸消散，土顆粒趨于密實(shí)，依據(jù)孔隙水傳遞的應(yīng)力最終轉(zhuǎn)嫁給土顆粒來(lái)承擔(dān)。因而，土體的變形與強(qiáng)度關(guān)鍵取決于有效應(yīng)力的變化，確定土顆粒傳遞的有效應(yīng)力顯得尤為重要。

目前，研究土體有效應(yīng)力對(duì)土體變形、強(qiáng)度和穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)，主要通過三軸壓縮儀量測(cè)三維應(yīng)力狀態(tài)下的孔隙水壓力，然后求得有效應(yīng)力。常規(guī)的三軸壓縮儀因無(wú)法施加中主應(yīng)力σ₂，嚴(yán)格來(lái)說并不是真正意義上的三軸儀；真三軸儀的出現(xiàn)解決了無(wú)法施加中主應(yīng)力σ₂的不足，但真三軸儀無(wú)法實(shí)現(xiàn)π平面上任意洛德角應(yīng)力路徑試驗(yàn)，無(wú)法精確評(píng)估土體的應(yīng)力應(yīng)變趨勢(shì)；基于空心扭剪儀的成果改變了以上的不足，實(shí)現(xiàn)了任意路徑的土體的加載，但空心扭剪儀制樣困難，無(wú)法滿足大量及精確性試驗(yàn)。三軸儀及空心扭剪儀的不足還體現(xiàn)在加載裝置及膜嵌入等邊界條件對(duì)試驗(yàn)精度的影響。

CN200910062304.X公開了一種可用于原位測(cè)試的有效應(yīng)力鏟，該裝置僅能測(cè)試土體橫向或豎向的有效應(yīng)力，不能測(cè)定土體的三維有效應(yīng)力狀態(tài)。因而，急需一種能夠測(cè)試土體三維有效應(yīng)力的實(shí)用技術(shù)，該技術(shù)將打破國(guó)內(nèi)三維有效應(yīng)力測(cè)試領(lǐng)域的空白，為解決巖土工程的強(qiáng)度與變形問題提供技術(shù)保障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種土體三維有效應(yīng)力測(cè)試裝置及其測(cè)試方法，以實(shí)現(xiàn)土體內(nèi)部三維有效應(yīng)力的直接測(cè)試，進(jìn)而為填海造陸、圍湖造田等工程中的土體三維有效應(yīng)力的確定提供可能。

為解決上述問題，本實(shí)用新型提供了一種土體三維有效應(yīng)力測(cè)試裝置，該土體三維有效應(yīng)力測(cè)試裝置埋置于飽和土體內(nèi)部，并與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接，其中：該裝置包括有六個(gè)土壓力盒、一個(gè)孔隙水壓力盒、基座、數(shù)據(jù)導(dǎo)線、防水密封膠、壓力盒凹槽蓋。所述基座呈六棱臺(tái)與六棱柱組成的上下結(jié)構(gòu)，且基座的頂面及所有側(cè)面均設(shè)置有壓力盒凹槽；孔隙水壓力盒布置于基座頂面的壓力盒凹槽內(nèi)；三個(gè)土壓力盒設(shè)置于基座六棱臺(tái)側(cè)面彼此不相鄰的三個(gè)壓力盒凹槽內(nèi)，三個(gè)土壓力盒設(shè)置于基座六棱柱側(cè)面彼此不相鄰的三個(gè)壓力盒凹槽內(nèi)；壓力盒凹槽蓋設(shè)置于基座側(cè)面空置的壓力盒凹槽內(nèi)。六個(gè)土壓力盒及一個(gè)孔隙水壓力盒的數(shù)據(jù)導(dǎo)線經(jīng)基座內(nèi)部數(shù)據(jù)線孔道從數(shù)據(jù)線匯總孔引出后與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接；用防水密封膠將土壓力盒及孔隙水壓力盒與基座之間的縫隙填滿，即形成土體三維有效應(yīng)力測(cè)試裝置。

本實(shí)用新型效果是改善了依據(jù)三軸儀間接獲取土體有效應(yīng)力的不足，填補(bǔ)了土體三維有效應(yīng)力不能直接測(cè)試的空白。為填海造陸、圍湖造田等工程中的土體三維有效應(yīng)力的確定提供了可能。設(shè)單個(gè)土壓力盒及孔隙水壓力盒的精度均為δ，則最大正應(yīng)力精度為2.67，最大剪應(yīng)力精度為2.08。精度的提高不僅能解決土體三維有效應(yīng)力狀態(tài)實(shí)際問題，還為土體的強(qiáng)度及變形研究提供了保障。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的土體三維有效應(yīng)力測(cè)試裝置效果圖；

圖2為本實(shí)用新型涉及的基座效果圖；

圖3為本實(shí)用新型的土體三維有效應(yīng)力測(cè)試裝置建立的一種坐標(biāo)系；

圖4為本實(shí)用新型的土體三維有效應(yīng)力測(cè)試裝置透視圖；

圖5為本實(shí)用新型涉及的基座剖面圖；

圖6為本實(shí)用新型涉及的壓力盒凹槽蓋效果圖。

圖中：

1、土壓力盒 2、孔隙水壓力盒 3、基座 4、數(shù)據(jù)導(dǎo)線

5、防水密封膠 6、壓力盒凹槽蓋 7、壓力盒凹槽

8、數(shù)據(jù)線孔道 9、數(shù)據(jù)線匯總孔

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的土體三維有效應(yīng)力測(cè)試裝置加以說明。

本發(fā)明的土體三維有效應(yīng)力測(cè)試裝置是基于：土體的有效應(yīng)力原理表明，飽和土體的總應(yīng)力分為有效應(yīng)力及孔隙水壓力，有效應(yīng)力與孔隙水壓力總是維持著此消彼長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)平衡。因此可根據(jù)總應(yīng)力與孔隙水壓力之差來(lái)計(jì)算確定土體的有效應(yīng)力。該測(cè)試方法基于土壓力盒及孔隙水壓力盒的使用原理，通過設(shè)置在六個(gè)不同方向的土壓力盒獲取六個(gè)土壓力值，通過孔隙水壓力盒獲取一個(gè)孔隙水壓力值，依據(jù)六個(gè)土壓力值經(jīng)本文提出的公式計(jì)算可獲取土體的三維應(yīng)力狀態(tài)，所計(jì)算的三維應(yīng)力狀態(tài)與孔隙水壓力值之差，即為土體的三維有效應(yīng)力狀態(tài)。

本實(shí)用新型的土體三維有效應(yīng)力測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)是，該三維有效應(yīng)力測(cè)試裝置埋置于飽和土體內(nèi)部，并與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接，該裝置包括有六個(gè)土壓力盒1、一個(gè)孔隙水壓力盒2、基座3、數(shù)據(jù)導(dǎo)線4、防水密封膠5、壓力盒凹槽蓋6。所述基座3呈六棱臺(tái)與六棱柱組成的上下結(jié)構(gòu)，且基座3的頂面及所有側(cè)面均設(shè)置有壓力盒凹槽7；孔隙水壓力盒2布置于基座3頂面的壓力盒凹槽7內(nèi)；三個(gè)土壓力盒1設(shè)置于基座3六棱臺(tái)側(cè)面彼此不相鄰的三個(gè)壓力盒凹槽7內(nèi)，三個(gè)土壓力盒1設(shè)置于基座3六棱柱側(cè)面彼此不相鄰的三個(gè)壓力盒凹槽7內(nèi)；壓力盒凹槽蓋6設(shè)置于基座3側(cè)面空置的壓力盒凹槽7內(nèi)。六個(gè)土壓力盒1及一個(gè)孔隙水壓力盒2的數(shù)據(jù)導(dǎo)線4經(jīng)基座3內(nèi)部數(shù)據(jù)線孔道8從數(shù)據(jù)線匯總孔9引出后與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接；用防水密封膠5將土壓力盒1及孔隙水壓力盒2與基座3之間的縫隙填滿，即形成土體三維有效應(yīng)力測(cè)試裝置。

使用所述土體三維有效應(yīng)力測(cè)試裝置的測(cè)試依據(jù)為：

1)將所述三維有效應(yīng)力測(cè)試裝置埋置于待測(cè)土體中；通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到六個(gè)土壓力盒的讀數(shù)，即σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆；同樣可以得到一個(gè)孔隙水壓力盒的讀數(shù)，即u。

2)依據(jù)式(1)計(jì)算可獲取土體的三維應(yīng)力狀態(tài)，依據(jù)式(2)可得到土體的三維有效應(yīng)力，計(jì)算公式如下

式(1)中，σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆為三維有效應(yīng)力測(cè)試裝置獲取的六個(gè)土壓力盒的讀數(shù)；σ_x、σ_y、σ_z、σ_xy、σ_yz、σ_zx表示待測(cè)點(diǎn)常規(guī)應(yīng)力狀態(tài)的3個(gè)正應(yīng)力分量和3個(gè)剪應(yīng)力分量。

式(2)中，σ'_x、σ'_y、σ'_z、σ'_xy、σ'_yz、σ'_zx為三維有效應(yīng)力狀態(tài)的3個(gè)正應(yīng)力分量和3個(gè)剪應(yīng)力分量；σ_x、σ_y、σ_z、σ_xy、σ_yz、σ_zx表示待測(cè)點(diǎn)常規(guī)應(yīng)力狀態(tài)的3個(gè)正應(yīng)力分量和3個(gè)剪應(yīng)力分量；u為孔隙水壓力盒的讀數(shù)。

本實(shí)用新型的土體三維有效應(yīng)力測(cè)試裝置功能是這樣實(shí)現(xiàn)的：

第一，基座3及壓力盒凹槽蓋6的制作?；?由一個(gè)六棱臺(tái)和一個(gè)六棱柱組成，如圖4所示。圖4中MNPQRS-M₀N₀P₀Q₀R₀S₀為六棱臺(tái)，該六棱臺(tái)側(cè)面與底面夾角為45°，頂面內(nèi)切圓直徑為a，底面內(nèi)切圓直徑為(1+√2)a；M₀N₀P₀Q₀R₀S₀-M₁N₁P₁Q₁R₁S₁為六棱柱，該六棱柱高度為a，內(nèi)切圓直徑為(1+√2)a；基座3整體高度為(1+√2/2)a，如圖5所示。對(duì)基座3的各面進(jìn)行編號(hào)，MNN₀M₀所在面為A₁面，M₀N₀N₁M₁所在面為A₂面，其他面按照逆時(shí)針方向及先上后下的原則，依此編號(hào)為B₁、B₂、C₁、C₂、D₁、D₂、E₁、E₂、F₁、F₂，將基座頂面編號(hào)為O面，如圖3所示。在基座3除底面外的其他表面開圓柱形壓力盒凹槽7，槽直徑及槽深同土壓力盒尺寸；在基座3底面中心開數(shù)據(jù)線匯總孔9，在壓力盒凹槽7底面中心開數(shù)據(jù)線孔道8通向據(jù)線匯總孔9；即形成本發(fā)明的基座，如圖2所示。壓力盒凹槽蓋6呈圓柱形，其尺寸同土壓力盒，在壓力盒凹槽蓋6上有一正方體用于壓力盒凹槽蓋6的安裝與拆卸，如圖6所示。

第二，三維有效應(yīng)力測(cè)試裝置組裝。將六個(gè)土壓力盒1安裝于A₁、A₂、C₁、C₂、E₁、E₂面所在的壓力盒凹槽7內(nèi)，將孔隙水壓力盒2安裝于O面所在的壓力盒凹槽7內(nèi)，如圖3所示，將數(shù)據(jù)導(dǎo)線4通過數(shù)據(jù)線孔道8匯總并經(jīng)據(jù)線匯總孔9穿出后與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接；將壓力盒凹槽蓋6安裝于其他未安裝土壓力盒和孔隙水壓力盒的壓力盒凹槽7內(nèi)；依此用防水密封膠5將土壓力盒1、孔隙水壓力盒2、壓力盒凹槽蓋6與基座3之間的空隙填滿；即形成土體三維有效應(yīng)力測(cè)試裝置，如圖1所示。

第三，將土體三維有效應(yīng)力測(cè)試裝置埋置于飽和土體中。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到六個(gè)土壓力盒的讀數(shù)，即σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆；同樣可以得到一個(gè)孔隙水壓力盒的讀數(shù)，即u。

第四，依據(jù)式(1)計(jì)算可獲取土體的三維應(yīng)力狀態(tài)，依據(jù)式(2)計(jì)算可得到土體的三維有效應(yīng)力，計(jì)算公式如下

式(1)中，σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆為三維有效應(yīng)力狀態(tài)測(cè)試裝置獲取的六個(gè)土壓力盒的讀數(shù)；σ_x、σ_y、σ_z、σ_xy、σ_yz、σ_zx表示待測(cè)點(diǎn)常規(guī)應(yīng)力狀態(tài)的3個(gè)正應(yīng)力分量和3個(gè)剪應(yīng)力分量。

式(2)中，σ'_x、σ'_y、σ'_z、σ'_xy、σ'_yz、σ'_zx為三維有效應(yīng)力狀態(tài)的3個(gè)正應(yīng)力分量和3個(gè)剪應(yīng)力分量；σ_x、σ_y、σ_z、σ_xy、σ_yz、σ_zx表示待測(cè)點(diǎn)常規(guī)應(yīng)力狀態(tài)的3個(gè)正應(yīng)力分量和3個(gè)剪應(yīng)力分量；u為孔隙水壓力盒的讀數(shù)。

土體三維有效應(yīng)力測(cè)試裝置的計(jì)算推導(dǎo)過程如下：

土體的有效應(yīng)力原理表明，飽和土體的總應(yīng)力分為有效應(yīng)力及孔隙水壓力，有效應(yīng)力與孔隙水壓力總是維持著此消彼長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)平衡。飽和土體中的有效應(yīng)力及孔隙水壓力與總應(yīng)力關(guān)系可按照式(3)表示

σ＝σ'+u (3)

式(3)中，σ、σ’、u分別表示土體的總應(yīng)力、有效應(yīng)力及孔隙水壓力。因此，可將有效應(yīng)力用總應(yīng)力σ與孔隙水壓力u的之差來(lái)表示。

總應(yīng)力狀態(tài)σ可依據(jù)式(4)給出的三維應(yīng)力狀態(tài)在不同方向上正應(yīng)力的計(jì)算方法來(lái)確定

σ＝σ_xl²+σ_ym²+σ_zn²+2σ_xylm+2σ_yzmn+2σ_zxnl (4)

式(9)中σ_x、σ_y、σ_z、σ_xy、σ_yz、σ_zx分別表示常規(guī)應(yīng)力狀態(tài)包含的3個(gè)正應(yīng)力分量和3個(gè)剪應(yīng)力分量；l、m、n分別表示主應(yīng)力方向與空間直角坐標(biāo)系中x、y、z軸的方向余弦。若已知六個(gè)獨(dú)立方向的正應(yīng)力，則可將式(4)表示為

式(5)中，σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆為土中一點(diǎn)的6個(gè)方向的正應(yīng)力。在已知6個(gè)獨(dú)立方向正應(yīng)力的前提下，按照矩陣求逆運(yùn)算可得出一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。依據(jù)式(5)構(gòu)造的矩陣并求逆，一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)σ_x、σ_y、σ_z、σ_xy、σ_yz、σ_zx可按式(6)計(jì)算：

若在面B₁、B₂、D₁、D₂、F₁、F₂布置土壓力盒，則點(diǎn)O處的應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算公式為

式(6)及式(7)中，σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆為三維有效應(yīng)力測(cè)試裝置獲取的六個(gè)土壓力盒的讀數(shù)；σ_x、σ_y、σ_z、σ_xy、σ_yz、σ_zx表示待測(cè)點(diǎn)常規(guī)應(yīng)力狀態(tài)的3個(gè)正應(yīng)力分量和3個(gè)剪應(yīng)力分量。

孔隙水壓力u是一個(gè)標(biāo)量，即一點(diǎn)各個(gè)方向的孔隙水壓力大小相等。因此在基座表面O上設(shè)置一個(gè)孔隙水壓力盒即可獲取一點(diǎn)的孔隙水壓力u。有效應(yīng)力可依據(jù)式(7)計(jì)算：

式(7)中，σ'_x、σ'_y、σ'_z、σ'_xy、σ'_yz、σ'_zx為三維有效應(yīng)力狀態(tài)的3個(gè)正應(yīng)力分量和3個(gè)剪應(yīng)力分量；σ_x、σ_y、σ_z、σ_xy、σ_yz、σ_zx表示測(cè)試點(diǎn)常規(guī)應(yīng)力狀態(tài)的3個(gè)正應(yīng)力分量和3個(gè)剪應(yīng)力分量；u為孔隙水壓力盒的讀數(shù)。

根據(jù)圖3及圖4可知，原點(diǎn)O位于六棱柱的中心，x軸垂直于棱M₀M₁，y軸垂直于面N₀N₁P₁P₀，Z軸垂直于棱臺(tái)頂面，依據(jù)圖5給出的基座尺寸可知各表面中心的法線方向交匯于O點(diǎn)。因此，該土體三維有效應(yīng)力測(cè)試裝置獲取的為O點(diǎn)的有效應(yīng)力狀態(tài)。