超重力场实验舱土体静动态剪应力及压应力测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量超重力实验舱土体静动态剪应力及压应力的装置及方法，适用于研究堤坝边坡土体在超重力环境下的静态受力特征，也适用于交通移动荷载作用下路基模形内土体动态剪应力及压应力的测量。也可通过改变装置尺寸，将其应用于工程实际中剪应力监测，为堤坝、边坡、路堤等关键基础设施的施工与维护提供技术支撑。

背景技术

土体剪应力的精准测量对准确判断路基、堤坝、边坡等稳定性至关重要。在理论层面，土体单元在不同方向的剪应力与主应力间的转化关系已被公众所熟知，但在实际工程应用当中，由于测量手段的限制，剪应力的幅值及方向无法得到有效测量，土体的主应力状态难以捕捉，因此忽视剪应力往往会过高评价土体的实际强度，进而造成工程安全隐患。

在超重力场环境下，土体的受力特征会发生显著变化，在模形试验中常采用压力盒等传统传感器测量土体的压应力，现阶段仍缺乏有效技术手段测量土体的剪应力。特别是在高频移动荷载作用下，土体剪应力方向及幅值的变化对土体变形造成了不容忽视的影响。同时，土体是由离散土颗粒、水和空气三相介质混合压密而成，其在复杂应力作用下的力学行为仍不明朗。在高含水工况下，孔隙水压会伴随着剪应力的循环出现而逐渐增大，土体的有效应力逐渐降低，部分区域由于剪应力达到了相应位置处的抗剪强度而发生局部破坏，进而逐渐演化成潜在滑动面，路基边坡模形会在滑动面贯通后发生失稳破坏。在实际工况下，路基、边坡失稳破坏严重威胁人民的生命和财产安全。

发明内容

针对试验需求和现有技术手段的不足，本发明提供一种用于测量超重力场实验舱土体静动态剪应力及压应力的装置，该装置消除了除测量盘上表面所受剪应力之外其它横向应力的影响，也充分考虑了间隙处可能产生的横向作用力。通过分析四个传感器支架与测量盘底面的接触力，利用旋转力矩平衡原理获得了测量盘上表面剪应力的方向及幅值。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种用于测量超重力场实验舱土体静动态剪应力及压应力的装置，包括测量盘卡槽、测量盘、传感器、传感器支架、底座；所述测量盘卡槽为“桶”形结构且内壁上有一圈环形凸起和至少三个沿圆周方向均匀分布的第一“球”形凸起；所述测量盘为“凸”形结构，侧壁与测量盘卡槽的第一“球”形凸起接触，接触力指向测量盘质心方向；所述传感器支架至少三个且沿测量盘的轴线均匀分布，传感器支架为“门”式结构，传感器支架的上部具有第二“球”形凸起，测量盘的底面支撑在第二“球”形凸起上，传感器支架的下部固定于底座上，传感器贴附在第二“球”形凸起的正下表面。

进一步的，所述第一“球”形凸起的数量优选四个，传感器支架的数量优选四个。

进一步的，使用锯齿状特氟龙密封圈将测量盘卡槽与测量盘间环形空隙密封。

进一步的，所述测量盘卡槽通过螺丝固定于底座上，使用螺丝孔顶盖将螺丝孔密封。

本发明的另一目的是提供一种测量超重力实验舱土体静动态剪应力及压应力的方法，该方法在上述的装置中实现，具体包括如下步骤：

(1)将所述的装置放置于待测量的土体内，若测量盘上表面所受均匀压应力和剪应力分别为和则测量盘上表面所受压力和剪力分别为和其中A为测量盘上表面面积；

(2)第i个传感器获得压力为的方向垂直于测量盘的上表面，根据牛顿第一定律，在垂直于测量盘上表面的方向上，

(3)沿测量盘上表面方向的剪应力由测量盘卡槽内壁四个第一“球”形凸起与测量盘的接触力平衡，平衡力指向测量盘质心；

(4)因仅有剪应力及传感器支架给予的竖向支撑荷载使得测量盘发生旋转，根据牛顿第一定律，其中，h为测量盘质心至测量盘上表面竖向距离，L为单个传感器支架中轴线与测量盘质心在水平方向上的间距；

(5)剪应力为：

压应力为：

本发明的有益效果如下：

1)基于现有应变式压力测量元件，路堤边坡模型内待测位置土体的静动态剪应力及其变化过程可以得到有效测量，上述装置成本低廉，结构简单，易于调试与安装。

2)该装置利用一组数据同时获得待测位置处土体的剪应力及压应力。

3)该装置尺寸可根据待测土体的颗粒级配进行调整，以满足超重力试验舱内边坡、路堤等模形不同土体材料的要求。

4)改善了当前在室内土工试验与工程现场难以测量土体剪应力的现状，可实时高效监测土体内静动态剪应力及压应力的幅值、方向及变化过程等重要特征。可与其它压力传感器结合，有助于获知土体在复杂外力作用下的三维空间受力状态，为精准判断土体的力学行为，强度参数等提供技术支撑，服务于科学研究与工程实践。

附图说明：

图1为本发明装置俯视图

图2为本发明装置沿A-A方向的剖面示意图；

图3为本发明装置沿B-B方向的剖面示意图；

图4为本发明装置沿C-C方向的剖面示意图；

图5为本发明装置沿D-D方向的剖面示意图；

图6a为本发明装置中传感器及其支架剖面示意图；

图6b为本发明装置中传感器及其支架俯视示意图；

图7为本发明装置在超重力实验舱路堤模形中应用的示意图；

图中，螺丝孔顶盖1、螺丝2、测量盘卡槽3、测量盘4、特氟龙密封圈5、第一“球”形凸起6、传感器支架7、传感器8、信号线预留孔9、接口10、底座11、路基边坡模形12、列车荷载13、轨道系统14、用于测量超重力场试验舱土体静动剪应力及压应力的装置15、超重力场实验舱吊篮16、环形凸起17、第二“球”形凸起18。

具体实施方式

下面结合实例对本发明做进一步说明

实施例：

如图7所示，在超重力环境下对路基边坡模型12施加列车荷载13，荷载通过轨道系统14传递至路基及地基内。对于路基边坡模形14内某一位置的土体单元，其所受剪应力、压应力会出现重复性激增并伴随方向改变。在无移动荷载作用时，路堤边坡模形内土体主应力方向易于确认并不会随时间发现变化，而在移动性荷载作用下，土体剪应力和压应力均发生改变，传统方法难以确定主应力幅值及方向，造成错估土体强度参数。与此同时，随着我国高速铁路、公路等公共交通设施的快速发展，为保障列车安全、舒适运行，施工期及运行期对路基沉降控制要求极为严苛，这就促使相关研究人员研发精密测量仪器，高效精准地获取模形试验和工程实际中土体复杂应力时程，进而对路基边坡可能发生的变形与破坏做出准确判断。

将该发明的用于测量超重力实验舱土体静动态剪应力及压应力的装置15埋设于指定待测量位置，并与外界信号接收设备连接；在施加列车模拟荷载时可同时测得相应位置处土体所受剪应力及压应力。也可将多台装置埋设于不同位置，用于研究列车荷载引起的动力分布情况。

如图1-5、6a、6b所示，本发明提供一种在超重力实验舱内测量土体静动态剪应力及压应力的装置，包括测量盘卡槽3、特氟龙密封圈5、测量盘4、传感器8、传感器支架7、底座11；所述测量盘卡槽3为“桶”形结构且内壁有一圈环形凸起17和四个沿圆周方向均匀分布的第一“球”形凸起6(第一“球”形凸起6的个数至少3个，本实施例中采用四个，四个是一个最优的方案)；所述测量盘4为“凸”形结构，侧壁与测量盘卡槽3的四个第一“球”形凸起6接触，接触力指向测量盘4的质心方向；所述传感器支架7至少三个且沿测量盘4的轴线均匀分布，所述传感器支架7为“门”式结构，上部具有第二“球”形凸起18，测量盘4的底面支撑在第二“球”形凸起18上，传感器支架7的下部固定于底座11上，传感器8贴附在第二“球”形凸起18的正下表面。

为保障测量盘4上表面与土体较好接触，测量盘4上表面做粗糙处理。为使得本发明能够重复使用，所述测量盘卡槽3通过螺丝2固定于底座11上，使用螺丝孔顶盖1将螺丝孔密封，以防止土颗粒及孔隙水流入影响该装置使用寿命。使用锯齿状特氟龙密封圈5将测量盘卡槽3与测量盘4间环形空隙密封，以防止土颗粒落入及孔隙水流入影响测量精度。底座11的接口10将利用接口盖做密封处理。

所述测量盘卡槽3内壁的四个第一“球”形凸起6与测量盘4外壁接触，限制测量盘4横向移动，产生的接触力指向测量盘4的质心，而不会产生旋转力矩；测量盘4底面与传感器支架7通过第二“球”形凸起18呈点面接触，接触力垂直于测量盘4底面，接触力与测量盘4质心在水平方向的距离为已知。

所述传感器支架7为“门”式结构，传感器8安装于第二“球”形凸起正下方；传感器8的信号线通过信号线预留孔9汇集连通到开设在底座11上的接口10，接口10上安装密封盖。传感器8为应变式压力测量元件，可选用薄膜压力传感器(RFP602)、KFGS通用箔式应变片等，但不限于此。

上述装置放入路基边坡模形12内，根据牛顿第三定律，测量装置上侧相邻位置处土体所受到的剪应力和压应力与测量盘4上表面所受剪应力和压应力大小相等但方向相反。垂直于测量盘4上表面的压应力通过测量盘4下部的传感器支架7传递至底座11和下侧土体；平行于测量盘4上表面的剪应力通过测量盘卡槽3内壁四个第一“球”形凸起6的接触力平衡；但此四处接触力指向测量盘4的质心而不产生旋转力矩。相对于路基边坡模形12，该装置尺寸较小，测量盘4上表面所受剪应力和压应力均匀分布，因此该装置上方土体产生的压应力也不产生旋转力矩；测量盘4所受剪应力产生的旋转力矩将通过四个传感器支架7产生的竖向荷载平衡；根据四个传感器8获知的竖向荷载幅值，可以计算确定待测压应力的方向及幅值；通过计算获知剪应力的方向，而后确定有效旋转力臂，根据牛顿第一定律(旋转力矩平衡)，即可获得该装置所处位置土体的剪应力幅值。具体测量方法包括如下步骤：

(1)将上述装置放置于待测量的土体内，因测量盘4上表面面积A相比于路堤边坡模型12的尺寸可忽略不计，剪应力和压应力在测量盘4上表面可认为均匀分布，若测量盘4上表面所受均匀压应力和剪应力分别为和则测量盘4上表面所受压力和剪力分别为和

(2)测量盘4与底座11间有四个传感器8及其传感器支架7，每个支架上贴附有压力传感器，第i个传感器8获得压力为的方向垂直于测量盘4的上表面，根据牛顿第一定律，在垂直于测量盘4上表面的方向上，

(3)沿测量盘4上表面方向的剪应力由测量盘卡槽3内壁四个第一“球”形凸起6与测量盘4的接触力平衡，平衡力指向测量盘4质心；

(4)因仅有剪应力及传感器支架7给予的竖向支撑荷载会导致测量盘4发生旋转，根据牛顿第一定律(旋转力矩平衡)，其中，h为测量盘质心至测量盘上表面竖向距离，L为单个传感器支架7中轴线与测量盘4质心在水平方向上的间距；

(5)通过上述方法测得剪应力为：压应力为：

该装置突破了以往难以测量土体剪应力的现状，不仅能够测得超重力场实验舱土体静动剪应力，还可以同时获得相应的压应力，以准确捕捉土体的三维应力状态；该装置可扩展应用于边坡工程、基础工程等现场，用于测量施工和维护阶段土体剪应力及压应力的变化过程。