本发明公开了一种高精度三维土压力测试装置及其量程调整系统，包括竖向主测力弹簧、若干水平测力弹簧、底板、内筒、中心顶板、边顶板以及若干外侧板。本装置为内外圆筒体系，内筒用于测量竖向土压力及土体位移，外筒用于测量周围土体的水平向土压力及土体位移。其量程调整系统通过给测力弹簧通电，使测力弹簧内部导体产生磁场，通过控制电流的大小来控制磁场力，调节测力系统的刚度，控制测试装置的量程，以实现超深基坑土体、临近桥墩开挖土体、超高边坡内部土体土压力实时监测。
1.一种高精度三维土压力测试装置，其特征在于：包括竖向主测力弹簧(1)、若干水平测力弹簧(6)、底板(12)、内筒(5)、中心顶板(11)、边顶板(10)以及若干外侧板(8)；其中，所述底板(12)的中心位置固定有底板永磁铁(14)，所述中心顶板(11)为圆形，其内侧面上固定有顶板永磁铁(13)；所述边顶板(10)中间设有通孔，所述通孔的直径与所述内筒(5)的内径以及所述中心顶板(11)的直径均一致，所述中心顶板(11)设置在所述边顶板(10)中间的通孔内；
所述竖向主测力弹簧(1)垂直固定在所述底板永磁铁(14)上，所述内筒(5)套在所述竖向主测力弹簧(1)外，并垂直固定在所述底板(12)上，所述内筒(5)的顶部与所述边顶板(10)固接；所述中心顶板(11)侧面与所述内筒(5)的内侧面上设有匹配的竖直滑轨；所述若干外侧板(8)以圆环阵列间隔竖直设置在所述内筒(5)外，相邻外侧板(8)之间采用柔性连接(9)连接，所述内筒(5)外侧壁上固定有内侧永磁铁(17)，每块所述外侧板(8)内侧壁上固定有外侧永磁铁(19)，在每块所述外侧板(8)与内筒(5)之间设置所述水平测力弹簧(6)，所述水平测力弹簧(6)的两端分别固定在所述内侧永磁铁(17)和外侧永磁铁(19)上；每块所述外侧板(8)的两端部与边顶板(10)以及底板(12)之间设有匹配的水平滑轨；
还包括若干竖向次测力弹簧(2)，所述竖向次测力弹簧(2)在所述内筒(5)内，围绕所述竖向主测力弹簧(1)以圆环阵列间隔竖直设置，其底部固定在所述底板永磁铁(14)上；在每块所述外侧板(8)与内筒(5)之间设置有多个所述水平测力弹簧(6)，多个所述水平测力弹簧(6)位于同一竖直平面内，并等间距设置。
2.根据权利要求1所述的高精度三维土压力测试装置，其特征在于：所述竖向主测力弹簧(1)、竖向次测力弹簧(2)与顶板永磁铁(13)以及底板永磁铁(14)之间设置绝缘，所述水平测力弹簧(6)与内侧永磁铁(17)和外侧永磁铁(19)之间设置绝缘。
3.根据权利要求1或2所述的高精度三维土压力测试装置，其特征在于：所述竖向主测力弹簧(1)、竖向次测力弹簧(2)以及水平测力弹簧(6)内分别设有铁芯(15，16，18)，所述铁芯(15，16，18)外侧面沿圆周方向均匀设有若干条沿铁芯轴向设置的滑轨(23)，所述竖向主测力弹簧(1)、竖向次测力弹簧(2)以及水平测力弹簧(6)内侧沿螺旋圆周均匀设有若干导向弹性支承(20)，所述导向弹性支承(20)能够与所述滑轨(23)适配。
4.根据权利要求3所述的高精度三维土压力测试装置，其特征在于：所述竖向主测力弹簧(1)、竖向次测力弹簧(2)以及水平测力弹簧(6)外均设有导管。
5.根据权利要求3所述的高精度三维土压力测试装置，其特征在于：所述底板(12)、内筒(5)、中心顶板(11)、边顶板(10)以及外侧板(8)均为环氧玻璃纤维板。
6.根据权利要求1或2所述的一种高精度三维土压力测试装置的量程调整系统，其特征在于：包括电源、若干光纤应变式位移计、光纤调制解调仪、数据采集仪、数据分析系统以及控制系统；所述电源分别连接所述竖向主测力弹簧(1)、竖向次测力弹簧(2)、水平测力弹簧(6)的两端，所述光纤应变式位移计垂直设置在所述底板永磁铁(14)以及各外侧永磁铁(19)上；所述光纤调制解调仪通过光纤连接各个光纤应变式位移计，各个光纤应变式位移计的信号输出通过所述数据采集仪传输到所述数据分析系统，所述数据分析系统用于计算出土体位移变化率并进一步计算出一定时间内土体的位移变化量；所述控制系统根据所述一定时间内土体的位移变化量，通过控制电源输出电流的大小来控制所述主测力弹簧(1)和竖向次测力弹簧(2)形成的磁极与顶板永磁铁(13)和底板永磁铁(14)之间的互斥力，以及控制所述水平测力弹簧(6)形成的磁极与水平内侧永磁铁(17)和水平外侧永磁铁(19)之间的互斥力，实现测试装置量程调节。
一种高精度三维土压力测试装置及其量程调整系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种高精度三维土压力测试装置及其量程调整系统，适用于土木工程领域。
背景技术
[0002] 随着土木工程领域大型基础设施的不断增多，超高超大跨建筑、大跨度桥梁、隧道、高速铁路及地铁的规模不断扩大，为保障施工过程的安全可靠，高边坡开挖，临近建筑深基坑开挖，临近高铁桥墩等施工过程中，临近土体的位移场异变参数需要实时监测，以避免因工程事故的发生而给人们生命和财产的巨大损失。
[0003] 高边坡失稳、基坑塌陷等工程问题时有发生，事实表明，问题的主要原因是在施工过程中，支护体系承载力不足，监测的时效性差，没有实时掌握待测土体的三维应力状态，导致事故的发生。施工场地周围土体压力实时监测作为保证施工安全的有效手段，显得至关重要。目前，国内外学者关于土压力测试装置做了诸多研究，提出多种新型的土压力测试装置，既有的土压力测试装置以提高测试精度为主，将传统的单向土压力测试装置通过整合等方式来实现多维土压力测试，而且，此种土压力测试装置具有不可控性，其内部测试系统的量程具有不可调节性，难以适应各种土体作用下的土压力测量。实际工程施工过程中，实时掌握土体位移场异变时土体的三维应力状态至关重要，实时监测土体位移是解决问题的根本所在。对于某一深度土体的三维应力状态实时监测，如高边坡内部土体实时状态，邻近建筑深基坑开挖土体的位移实时动态，临近高铁桥墩打桩时，桥墩周围土体受竖向冲击荷载作用时不同深度土体的三维位移实时监测，目的在于确保正常施工的条件下，确保周围设施的正常安全运行。
[0004] 目前，传统的土压力测试装置及测试方法仍旧存在不足：
[0005] (1)土体土压力、土体位移测试的单方向性
[0006] (2)土压力测试装置量程的不可控制性
[0007] 土压力测试装置本身的可控制性差，很难适用于各种土体，特别是埋深较大的土体压力、位移的测量。
发明内容
[0008] 发明目的：针对上述现有技术，提出一种高精度三维土压力测试装置及其量程调整系统，所述高精度三维土压力测试装置可实时掌握土体的三维应力状态，所述量程调整系统可依据实测土体参数调整装置的量程。
[0009] 技术方案：一种高精度三维土压力测试装置，包括竖向主测力弹簧、若干水平测力弹簧、底板、内筒、中心顶板、边顶板以及若干外侧板；其中，所述底板的中心位置固定有底板永磁铁，所述中心顶板为圆形，其内侧面上固定有顶板永磁铁；所述边顶板中间设有通孔，所述通孔的直径与所述内筒的内径以及所述中心顶板的直径均一致，所述中心顶板设置在所述边顶板中间的通孔内；
[0010] 所述竖向主测力弹簧垂直固定在所述底板永磁铁上，所述内筒套在所述竖向主测力弹簧外，并垂直固定在所述底板上，所述内筒的顶部与所述边顶板固接；所述中心顶板侧面与所述内筒的内侧面上设有匹配的竖直滑轨；所述若干外侧板以圆环阵列间隔竖直设置在所述内筒外，相邻外侧板之间采用柔性连接连接，所述内筒外侧壁上固定有内侧永磁铁，每块所述外侧板内侧壁上固定有外侧永磁铁，在每块所述外侧板与内筒之间设置所述水平测力弹簧，所述水平测力弹簧的两端分别固定在所述内侧永磁铁和外侧永磁铁上；每块所述外侧板的两端部与边顶板以及底板之间设有匹配的水平滑轨。
[0011] 进一步的，还包括若干竖向次测力弹簧，所述竖向次测力弹簧在所述内筒内，围绕所述竖向主测力弹簧以圆环阵列间隔竖直设置，其底部固定在所述底板永磁铁上；在每块所述外侧板与内筒之间设置有多个所述水平测力弹簧，多个所述水平测力弹簧位于同一竖直平面内，并等间距设置。
[0012] 进一步的，所述竖向主测力弹簧、竖向次测力弹簧与顶板永磁铁以及底板永磁铁之间设置绝缘，所述水平测力弹簧与内侧永磁铁和外侧永磁铁之间设置绝缘。
[0013] 进一步的，所述竖向主测力弹簧、竖向次测力弹簧以及水平测力弹簧内分别设有铁芯，所述铁芯外侧面沿圆周方向均匀设有若干条沿铁芯轴向设置的滑轨，所述竖向主测力弹簧、竖向次测力弹簧以及水平测力弹簧内侧沿螺旋圆周均匀设有若干导向弹性支承，所述导向弹性支承能够与所述滑轨适配。
[0014] 进一步的，所述竖向主测力弹簧、竖向次测力弹簧以及水平测力弹簧外均设有导管。
[0015] 进一步的，所述底板、内筒、中心顶板、边顶板以及外侧板均为环氧玻璃纤维板。
[0016] 一种高精度三维土压力测试装置的量程调整系统，包括电源、若干光纤应变式位移计、光纤调制解调仪、数据采集仪、数据分析系统以及控制系统；所述电源分别连接所述竖向主测力弹簧、竖向次测力弹簧、水平测力弹簧的两端，所述光纤应变式位移计垂直设置在所述底板永磁铁以及各外侧永磁铁上；所述光纤调制解调仪通过光纤连接各个光纤应变式位移计，各个光纤应变式位移计的信号输出通过所述数据采集仪传输到所述数据分析系统，所述数据分析系统用于计算出土体位移变化率并进一步计算出一定时间内土体的位移变化量；所述控制系统根据所述一定时间内土体的位移变化量，通过控制电源输出电流的大小来控制所述主测力弹簧和竖向次测力弹簧形成的磁极与顶板永磁铁和底板永磁铁之间的互斥力，以及控制所述水平测力弹簧形成的磁极与水平内侧永磁铁和水平外侧永磁铁之间的互斥力，实现测试装置量程调节。
[0017] 有益效果：本发明的一种高精度三维土压力测试装置为内外圆筒体系，内筒用于测量竖向土压力及土体位移，外筒用于测量周围土体的水平向土压力及土体位移。为克服传统土压力传感器的测量的单方向性、对各种土体难以实现可控性，本装置可实现土体的空间位移场异变参数实时监测，实时精确掌握待测土体的位移、土压力的变化轨迹，。
[0018] 其量程调整系统通过给测力弹簧通电，使测力弹簧内部导体产生磁场，通过控制电流的大小来控制磁场力，调节测力系统的刚度，控制测试装置的量程，以实现超深基坑土体、临近桥墩开挖土体、超高边坡内部土体土压力实时监测。该装置及其量程调整系统适用于高边坡土体开挖，邻近建筑深基坑开挖、临近高铁桥墩打桩时周围土体位移场异变参数的实时监测，并可根据土体实测参数进行自适应控制，为后期监测选择合适的量程，保证精度。
附图说明
[0019] 图1为该一种高精度三维土压力测试装置的俯视图；
[0020] 图2为图1中A-A处的剖面侧视图；
[0021] 图3为图2中底板12的俯视图；
[0022] 图4为图2中顶板10、11的俯视图；
[0023] 图5a为图2中竖向测力系统的细部侧视图；图5b为图5a的细部侧视图；
[0024] 图6a为导向弹性支承侧视图；图6b为导向弹性支承俯视图；
[0025] 图7a为图2中水平测力系统的细部俯视图；图7b为图7a中B-B处的剖面正视图；
[0026] 图8为电磁感应控制力的原理图；
[0027] 图9为控制系统流程图。
具体实施方式
[0028] 下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0029] 一种高精度三维土压力测试装置，包括竖向主测力弹簧1、若干竖向次测力弹簧2、若干水平测力弹簧6、底板12、内筒5、中心顶板11、边顶板10以及若干外侧板8。其中，底板12、内筒5、中心顶板11、边顶板10以及外侧板8均为环氧玻璃纤维板，保证强度的同时，能够实现绝缘连接。
[0030] 如图3所示，底板12的中心位置固定有底板永磁铁14。如图4所示，中心顶板11为圆形，其内侧面上设有顶板永磁铁13。边顶板10中间设有通孔，通孔的直径与内筒5的内径以及中心顶板11的直径均一致。如图1、图2所示，竖向主测力弹簧1垂直固定在底板永磁铁14中央，四个竖向次测力弹簧2围绕竖向主测力弹簧1以圆环阵列间隔竖直设置，其底部固定在底板永磁铁14上。竖向主测力弹簧1和竖向次测力弹簧2的顶端固定在顶板永磁铁13上。竖向主测力弹簧1、竖向次测力弹簧2与顶板永磁铁13以及底板永磁铁14之间设置绝缘。竖向主测力弹簧1外套接有主导向管3，各竖向次测力弹簧2分别外套接有次导向管4，主导向管3和次导向管4均垂直固定在底板12上，其顶部固定在中心顶板11上。
[0031] 内筒5套在竖向主测力弹簧1和竖向次测力弹簧2外，并垂直固定在底板12上。内筒5的顶部与边顶板10固接，中心顶板11位于边顶板10中间的通孔内，如图2所示。中心顶板11侧面与内筒5的内侧面上设有匹配的竖直滑轨。若干外侧板8以圆环阵列间隔竖直设置在内筒5外，相邻外侧板8之间采用柔性连接9连接，所有外侧板8、柔性连接9、边顶板10、底板12以及内筒5共同形成封闭腔体，为实现土体位移场异变参数实时监测提供条件。每块外侧板
8的两端部与边顶板10以及底板12之间设有匹配的水平滑轨。竖直导轨和水平导轨内侧设置润滑油，尽可能减小侧壁摩擦，保证测试精度。
[0032] 如图7所示，内筒5外侧壁上固定有内侧永磁铁17，每块外侧板8内侧壁上固定有外侧永磁铁19，在每块外侧板8与内筒5之间设置水平测力弹簧6。并且，在每块外侧板8与内筒5之间设置有多个水平测力弹簧6，多个水平测力弹簧6位于同一竖直平面内，并等间距设置。每个水平测力弹簧6外均套接有水平导向管7，水平导向管7两端分别固定在内侧永磁铁
17和外侧永磁铁19上，水平测力弹簧6与内侧永磁铁17和外侧永磁铁19之间设置绝缘。
[0033] 如图5、图6、图7所示，竖向主测力弹簧1、竖向次测力弹簧2以及水平测力弹簧6内分别设有铁芯15，16，18，铁芯15，16，18外侧面沿圆周方向均匀设有若干条沿铁芯轴向设置的滑轨23，竖向主测力弹簧1、竖向次测力弹簧2以及水平测力弹簧6内侧沿螺旋圆周均匀设有若干导向弹性支承20，导向弹性支承20为垂直弹簧轴向设置的支撑杆，导向弹性支承20能够与滑轨23适配，两者之间滑动连接，局部搭接不影响弹簧伸缩刚度。弹簧上套接的可伸缩的导管只提供弹簧侧面的刚度保护，不影响弹簧的弹性方向形变。
[0034] 如图8所示，上述高精度三维土压力测试装置还包括电源21、开关22，电源分别连接竖向主测力弹簧1、竖向次测力弹簧2、水平测力弹簧6的两端。通过控制电源输出电流的大小来控制主测力弹簧1和竖向次测力弹簧2形成的磁极与顶板永磁铁13和底板永磁铁14之间的互斥力，以及控制水平测力弹簧6形成的磁极与水平内侧永磁铁17和水平外侧永磁铁19之间的互斥力，实现测试装置量程调节。
[0035] 如图9所示，一种高精度三维土压力测试装置的量程调整系统还包括若干光纤应变式位移计、光纤调制解调仪、数据采集仪、数据分析系统以及控制系统。电源21分别连接竖向主测力弹簧1、竖向次测力弹簧2、水平测力弹簧6的两端，光纤应变式位移计垂直设置在底板永磁铁14以及各外侧永磁铁19上。光纤调制解调仪通过光纤连接各个光纤应变式位移计，各个光纤应变式位移计的信号输出通过数据采集仪传输到数据分析系统。
[0036] 首先，根据测试深度、土体物理参数，经过理论计算，设置测力弹簧的初始刚度。通过光纤应变式位移计测得水平测力弹簧与竖向测力弹簧一定时间内的位移，经由数据分析系统，得到待测土体的位移变化率，根据实测土体位移变化率，可计算出一定时间内土体的位移变化量，以此判断一定时间内，测试装置能否满足测试要求。若发现测试装置的位移量程不能满足，即量程超限，可依据一定时间内实测位移量将其分为小位移、中位移、大位移，依据小位移、中位移、大位移的值，设置相应的电流阈值，以此为依据来控制电源输出电流的大小，分别设定相应位移值对应的电流的输入值，来控制通电弹簧和铁芯所产生的磁场强度，根据同名磁极相斥所产生的力的原理，内置铁芯的通电弹簧将与弹簧两端的永磁铁产生磁场力，以此来实现土压力测试装置的所需量程的控制与调节。适当调节测试装置的量程，避免土压力测试装置因外界环境条件变化，导致土压力测试装置的量程太小难以满足测试精需求，量程太大而实测土体位移较小时难以保证测试精度的问题，以此来实现测试的可控制性。
[0037] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
