[發明專利]一種三向土壓力傳感器

在審

• 申請號: 202211075658.X
• 申請日: 2022-09-05
• 公開（公告）號: CN115326269A
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 辛全明;曹洋;梁海;張顯冬;尹志偉;段晶晶;李慧;鄭哲;吳艷彬;楊江祎
• 申請（專利權）人: 中建東設巖土工程有限公司;中國建筑東北設計研究院有限公司
• 主分類號: G01L5/1627
• 分類號: G01L5/1627;E02D1/02
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 俞魯江

本發明公開一種三向土壓力傳感器，包括受力盒體、應變片、連接線束，正方形由六片鋼板組成，鋼板材料的彈性應變為3％～5％；在承擔測試任務的三個相互垂直的鋼板內側設置圓形削薄區域，應變片粘貼在所述圓形削薄區域；應變片通過導線與測試儀器連接；圓形削薄區域受到土壓力時可以產生較為適合量測的變形量，以便提高測量精度；未承擔測試任務的另外三個面不進行削薄處理以增強傳感器整體剛度，減少外荷載作用下傳感器變形造成的測試誤差。本發明的優點：具有體積小、精度高、電子技術成熟可靠、數據采集及計算簡單方便等優點，同時，采用全橋測試技術，能克服環境溫度變化帶來的影響。

技術領域

本發明屬于巖土工程測試領域，是一種可測量土體三向應力狀態的傳感器，主要適用于巖土工程領域，包括寒區凍土及回填區土壓力測試，特別涉及一種三向土壓力傳感器。

背景技術

巖土工程中土壓力是重要的參數。因土體自重引起的三個方向應力σ1、σ2、σ3(對于自然界土體應力，一般的σ1是豎向土體自重引起的應力，所以是沿重力方向；σ2、σ3是與σ1相互垂直的兩個正交方向，可近似認為是兩個相互垂直的水平方向)，一般場地下σ1＞σ2＝σ3，是兩向應力狀態。此時，k0＝σ2/σ1稱為靜止土壓力系數，是一個難以測定的數值；因土體凍結或開挖等原因，往往造成σ2與σ3的不相等，也就是產生了實際上的三向應力狀態σ1＞σ2＞σ3，此時的水平土壓力系數隨之變化，比靜止土壓力系數小時稱為主動土壓力狀態(對應的系數為主動土壓力系數k1＝σ3/σ1)，比靜止土壓力系數大時稱為被動土壓力狀態(對應的系數為被動土壓力系數k2＝σ2/σ1)，三者關系k2＞k0＞k1。寒區基坑工程開挖過程中，臨空面土壓力會從靜止土壓力向主動土壓力變化，又因越冬期凍脹等原因，從主動土壓力向靜止土壓力甚至被動土壓力轉變；在基坑底部支護結構前存在被動區，也是基坑加固的區域，以提升基坑的穩定性。越冬基坑土壓力變化關系到基坑工程的變形及支護結構受力，從而影響著其安全性。同時，對于回填區土壓力的變化也有助于分析土體固結過程，揭示土體力學狀態的提升。因此監測土體的應力狀態成為必要。土壓力盒作為行業內對巖體應力進行實驗研究的基本工具，被廣泛地應用在了巖土工程領域，成為工程測試測量不可或缺的一部分。

目前常見的土壓力盒只能測量土體內一個方向上的土壓力值，不能同時測量三個正交方向的土壓力大小，為土體及支護結構的受力評估帶來困難。后來，有人嘗試用多個土壓力盒按一定規則排列并組合在一起進行測量。如專利CN201822137966.6一種具有傾斜角測量和精確定位功能的三維土壓力盒。專利CN201410345195.3基于普通土壓力盒和菱形十二面體的三維土壓力測試裝置及裝配計算方法。專利CN201821935154.X一種具有平面底座的三維土壓力盒。但組合在一起的土壓力盒組體積較大，不便于安裝測試；土體中土壓力測試點通常較多，對于小體積測試空間會產生較大的邊界效應，從而影響測試土體的應力與變形，尤其是對于室內模型試驗的影響更為巨大。

專利CN202110256077.5一種適用于土體變形現場測試和模型試驗的小型三維土壓力盒，發明了一種小型三維土壓力盒，但其發明采用了布設多個壓阻元件、傳力活塞及橡膠承壓膜片，用液壓油推動傳力活塞作用在壓阻元件的方案。此方案解決了小型化的問題，但壓阻原件的靈敏度及精度較低，且液壓油存在揮發泄露的風險，易導致傳感器長期穩定性較差甚至失靈。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明研制了一種基于電阻應變原理的三向土壓力傳感器，針對其多向采集應力的作用專門設計了傳感器的受力外殼結構，在三個方向的測試面內側設置高精度、高靈敏的全橋電阻應變片。在土壓力傳感器受力時，電阻應變片隨各方向測試面產生變形，通過測量電阻應變片的阻值變化及受力外殼的模量計算土壓力的值。其可以同時測量土體內部的三向應力狀態，且在受力外殼的線彈性變形范圍內，測量結果都十分精確。本發明的具體方案如下：

一種三向土壓力傳感器，包括受力盒體、應變片、連接線束，受力盒體為正方形，由六片鋼板組成，鋼板材料的彈性應變為3％～5％；