土体三维有效应力测试装置及其测试方法与流程

本发明属于岩土工程领域，涉及一种土体三维有效应力测试装置及其测试方法，可用于饱和土体内三维有效应力的测试。

背景技术：

土体的变形主要来源于土颗粒之间孔隙的变化，而土体的抗剪强度取决于土颗粒间的连接情况。从本质上来说，土的强度和变形取决于颗粒之间传递应力的大小。填海造陆、围湖造田、软土加固等河海工程建设都需要确定饱和土体的有效应力水平，以合理确定建筑物规模及工程建设速度。

饱和土是由土骨架、孔隙水组成的两相体系，在荷载作用下土骨架和孔隙水分别受力，由土骨架传递的力称为有效应力，由孔隙水传递的力称为孔隙水压力。饱和土体中的孔隙水压力在外荷载作用下随土中水的排出而逐渐消散，土颗粒趋于密实，依据孔隙水传递的应力最终转嫁给土颗粒来承担。因而，土体的变形与强度关键取决于有效应力的变化，确定土颗粒传递的有效应力显得尤为重要。

目前，研究土体有效应力对土体变形、强度和稳定性的贡献，主要通过三轴压缩仪量测三维应力状态下的孔隙水压力，然后求得有效应力。常规的三轴压缩仪因无法施加中主应力σ₂，严格来说并不是真正意义上的三轴仪；真三轴仪的出现解决了无法施加中主应力σ₂的不足，但真三轴仪无法实现π平面上任意洛德角应力路径试验，无法精确评估土体的应力应变趋势；基于空心扭剪仪的成果改变了以上的不足，实现了任意路径的土体的加载，但空心扭剪仪制样困难，无法满足大量及精确性试验。三轴仪及空心扭剪仪的不足还体现在加载装置及膜嵌入等边界条件对试验精度的影响。

CN200910062304.X公开了一种可用于原位测试的有效应力铲，该装置仅能测试土体横向或竖向的有效应力，不能测定土体的三维有效应力状态。因而，急需一种能够测试土体三维有效应力的实用技术，该技术将打破国内三维有效应力测试领域的空白，为解决岩土工程的强度与变形问题提供技术保障。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种土体三维有效应力测试装置及其测试方法，以实现土体内部三维有效应力的直接测试，进而为填海造陆、围湖造田等工程中的土体三维有效应力的确定提供可能。

为解决上述问题，本发明提供了一种土体三维有效应力测试装置，该土体三维有效应力测试装置埋置于饱和土体内部，并与数据采集系统相连接，其中：该装置包括有六个土压力盒、一个孔隙水压力盒、基座、数据导线、防水密封胶、压力盒凹槽盖。所述基座呈六棱台与六棱柱组成的上下结构，且基座的顶面及所有侧面均设置有压力盒凹槽；孔隙水压力盒布置于基座顶面的压力盒凹槽内；三个土压力盒设置于基座六棱台侧面彼此不相邻的三个压力盒凹槽内，三个土压力盒设置于基座六棱柱侧面彼此不相邻的三个压力盒凹槽内；压力盒凹槽盖设置于基座侧面空置的压力盒凹槽内。六个土压力盒及一个孔隙水压力盒的数据导线经基座内部数据线孔道从数据线汇总孔引出后与数据采集系统相连接；用防水密封胶将土压力盒及孔隙水压力盒与基座之间的缝隙填满，即形成土体三维有效应力测试装置。

同时提供一种土体三维有效应力测试装置的测试方法。

本发明效果是改善了依据三轴仪间接获取土体有效应力的不足，填补了土体三维有效应力不能直接测试的空白。为填海造陆、围湖造田等工程中的土体三维有效应力的确定提供了可能。设单个土压力盒及孔隙水压力盒的精度均为δ，则最大正应力精度为2.67，最大剪应力精度为2.08。精度的提高不仅能解决土体三维有效应力状态实际问题，还为土体的强度及变形研究提供了保障。

附图说明

图1为本发明的土体三维有效应力测试装置效果图；

图2为本发明涉及的基座效果图；

图3为本发明的土体三维有效应力测试装置建立的一种坐标系；

图4为本发明的土体三维有效应力测试装置透视图；

图5为本发明涉及的基座剖面图；

图6为本发明涉及的压力盒凹槽盖效果图。

图中：

1、土压力盒 2、孔隙水压力盒 3、基座 4、数据导线

5、防水密封胶 6、压力盒凹槽盖 7、压力盒凹槽

8、数据线孔道 9、数据线汇总孔

具体实施方式

结合附图对本发明的土体三维有效应力测试装置及其测试方法加以说明。

本发明的土体三维有效应力测试装置及其测试方法是基于：土体的有效应力原理表明，饱和土体的总应力分为有效应力及孔隙水压力，有效应力与孔隙水压力总是维持着此消彼长的动态平衡。因此可根据总应力与孔隙水压力之差来计算确定土体的有效应力。该测试方法基于土压力盒及孔隙水压力盒的使用原理，通过设置在六个不同方向的土压力盒获取六个土压力值，通过孔隙水压力盒获取一个孔隙水压力值，依据六个土压力值经本文提出的公式计算可获取土体的三维应力状态，所计算的三维应力状态与孔隙水压力值之差，即为土体的三维有效应力状态。

本发明的土体三维有效应力测试装置结构是，该三维有效应力测试装置埋置于饱和土体内部，并与数据采集系统相连接，该装置包括有六个土压力盒1、一个孔隙水压力盒2、基座3、数据导线4、防水密封胶5、压力盒凹槽盖6。所述基座3呈六棱台与六棱柱组成的上下结构，且基座3的顶面及所有侧面均设置有压力盒凹槽7；孔隙水压力盒2布置于基座3顶面的压力盒凹槽7内；三个土压力盒1设置于基座3六棱台侧面彼此不相邻的三个压力盒凹槽7内，三个土压力盒1设置于基座3六棱柱侧面彼此不相邻的三个压力盒凹槽7内；压力盒凹槽盖6设置于基座3侧面空置的压力盒凹槽7内。六个土压力盒1及一个孔隙水压力盒2的数据导线4经基座3内部数据线孔道8从数据线汇总孔9引出后与数据采集系统相连接；用防水密封胶5将土压力盒1及孔隙水压力盒2与基座3之间的缝隙填满，即形成土体三维有效应力测试装置。

所述土体三维有效应力测试装置的测试方法包括以下步骤：

1)将权利要求1所述三维有效应力测试装置埋置于待测土体中；通过数据采集系统得到六个土压力盒的读数，即σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆；同样可以得到一个孔隙水压力盒的读数，即u。

2)依据式(1)计算可获取土体的三维应力状态，依据式(2)可得到土体的三维有效应力，计算公式如下

式(1)中，σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆为三维有效应力测试装置获取的六个土压力盒的读数；σ_x、σ_y、σ_z、σ_xy、σ_yz、σ_zx表示待测点常规应力状态的3个正应力分量和3个剪应力分量。

式(2)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表示待测点常规应力状态的3个正应力分量和3个剪应力分量；u为孔隙水压力盒的读数。

本发明的土体三维有效应力测试装置的测试方法是这样实现的：

第一，基座3及压力盒凹槽盖6的制作。基座3由一个六棱台和一个六棱柱组成，如图4所示。图4中MNPQRS-M₀N₀P₀Q₀R₀S₀为六棱台，该六棱台侧面与底面夹角为45°，顶面内切圆直径为a，底面内切圆直径为(1+√2)a；M₀N₀P₀Q₀R₀S₀-M₁N₁P₁Q₁R₁S₁为六棱柱，该六棱柱高度为a，内切圆直径为(1+√2)a；基座3整体高度为(1+√2/2)a，如图5所示。对基座3的各面进行编号，MNN₀M₀所在面为A₁面，M₀N₀N₁M₁所在面为A₂面，其他面按照逆时针方向及先上后下的原则，依此编号为B₁、B₂、C₁、C₂、D₁、D₂、E₁、E₂、F₁、F₂，将基座顶面编号为O面，如图3所示。在基座3除底面外的其他表面开圆柱形压力盒凹槽7，槽直径及槽深同土压力盒尺寸；在基座3底面中心开数据线汇总孔9，在压力盒凹槽7底面中心开数据线孔道8通向据线汇总孔9；即形成本发明的基座，如图2所示。压力盒凹槽盖6呈圆柱形，其尺寸同土压力盒，在压力盒凹槽盖6上有一正方体用于压力盒凹槽盖6的安装与拆卸，如图6所示。

第二，三维有效应力测试装置组装。将六个土压力盒1安装于A₁、A₂、C₁、C₂、E₁、E₂面所在的压力盒凹槽7内，将孔隙水压力盒2安装于O面所在的压力盒凹槽7内，如图3所示，将数据导线4通过数据线孔道8汇总并经据线汇总孔9穿出后与数据采集系统相连接；将压力盒凹槽盖6安装于其他未安装土压力盒和孔隙水压力盒的压力盒凹槽7内；依此用防水密封胶5将土压力盒1、孔隙水压力盒2、压力盒凹槽盖6与基座3之间的空隙填满；即形成土体三维有效应力测试装置，如图1所示。

第三，将土体三维有效应力测试装置埋置于饱和土体中。通过数据采集系统得到六个土压力盒的读数，即σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆；同样可以得到一个孔隙水压力盒的读数，即u。

第四，依据式(1)计算可获取土体的三维应力状态，依据式(2)计算可得到土体的三维有效应力，计算公式如下

式(1)中，σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆为三维有效应力状态测试装置获取的六个土压力盒的读数；σ_x、σ_y、σ_z、σ_xy、σ_yz、σ_zx表示待测点常规应力状态的3个正应力分量和3个剪应力分量。

式(2)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表示待测点常规应力状态的3个正应力分量和3个剪应力分量；u为孔隙水压力盒的读数。

土体三维有效应力测试装置的计算推导过程如下：

土体的有效应力原理表明，饱和土体的总应力分为有效应力及孔隙水压力，有效应力与孔隙水压力总是维持着此消彼长的动态平衡。饱和土体中的有效应力及孔隙水压力与总应力关系可按照式(3)表示

σ＝σ'+u (3)

式(3)中，σ、σ’、u分别表示土体的总应力、有效应力及孔隙水压力。因此，可将有效应力用总应力σ与孔隙水压力u的之差来表示。

总应力状态σ可依据式(4)给出的三维应力状态在不同方向上正应力的计算方法来确定

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分别表示常规应力状态包含的3个正应力分量和3个剪应力分量；l、m、n分别表示主应力方向与空间直角坐标系中x、y、z轴的方向余弦。若已知六个独立方向的正应力，则可将式(4)表示为

式(5)中，σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆为土中一点的6个方向的正应力。在已知6个独立方向正应力的前提下，按照矩阵求逆运算可得出一点的应力状态。依据式(5)构造的矩阵并求逆，一点的应力状态σ_x、σ_y、σ_z、σ_xy、σ_yz、σ_zx可按式(6)计算：

若在面B₁、B₂、D₁、D₂、F₁、F₂布置土压力盒，则点O处的应力状态计算公式为

式(6)及式(7)中，σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅、σ₆为三维有效应力测试装置获取的六个土压力盒的读数；σ_x、σ_y、σ_z、σ_xy、σ_yz、σ_zx表示待测点常规应力状态的3个正应力分量和3个剪应力分量。

孔隙水压力u是一个标量，即一点各个方向的孔隙水压力大小相等。因此在基座表面O上设置一个孔隙水压力盒即可获取一点的孔隙水压力u。有效应力可依据式(7)计算：

式(7)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为孔隙水压力盒的读数。

根据图3及图4可知，原点O位于六棱柱的中心，x轴垂直于棱M₀M₁，y轴垂直于面N₀N₁P₁P₀，Z轴垂直于棱台顶面，依据图5给出的基座尺寸可知各表面中心的法线方向交汇于O点。因此，该土体三维有效应力测试装置获取的为O点的有效应力状态。

以上所述仅为结合本次制作过程进行说明，对于本领域的实际应用来说，本发明可以有各种变化和更改，比如将土压力盒换为单向应力计等元件用于测试混凝土等高强度材料的三维应力状态，或改变本装置的坐标系进行计算；更换土压力盒与基座的连接方式，变换基座所用材料等。凡在本发明的精神和原则之内，所作的修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。