一种侧摩阻力及侧壁土压力测量装置及其施工方法与流程

本发明涉及建筑施工领域。更具体地说，本发明涉及一种侧摩阻力及侧壁土压力测量装置及其施工方法。

背景技术：

随着大跨度桥梁工程建设日新月异。沉井基础和桩基础施工也朝着施工区域更深、尺寸更大、地质条件更复杂方向发展，为保证施工质量，对施工过程中的参数控制也产生了更高的要求。其中，侧壁土摩阻力和端阻力的大小是决定沉井能否顺利下沉的重要控制因素，在下沉施工过程中，通常采用土压力计对侧壁土端面压力进行实时测量，但这种方法的测量精度不高，且施工中土压力计由于没有相应的防护措施容易出现损坏，同时，沉井在接高下沉后难以在相同的位置补充增设测量装置获得侧壁土压力数值，无法实现对端面压力的全过程控制。侧壁土摩阻力通常通过静载试验或自平衡装置确定，存在测试方法复杂，设备体积大，无法便捷准确获取不同深度土层侧摩阻力等技术问题。

因此，亟需一种能够同时测量基础结构在不同深度不同土层中侧摩阻力和侧壁土压力的测量装置及测量方法，在易于操作的同时能够保证测量精度，并防止由于压力过大造成的测量装置损坏问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种侧摩阻力及侧壁土压力测量装置，通过摩擦板和传力杆的联动结构将摩阻力转化为传力杆与拉压力传感器间的作用力，将传感器设置在装置内部，避免了外部恶劣的施工环境对传感器的影响，保证测量装置的稳定性、准确性和安全性。本发明还有一个目的是提供一种侧摩阻力及侧壁土压力测量装置的施工方法，通过将其灵活安装在基础结构的侧壁上的不同位置，可实现在基础结构施工中对侧壁土摩阻力和侧壁土压力的实时测量，并计算得到不同深度土层的摩擦系数。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种侧摩阻力及侧壁土压力测量装置，包括：

箱体，其竖直设置，所述箱体的外侧壁上设有凹槽；

传力杆，其位于所述凹槽的内部并与所述凹槽的内侧壁铰接，所述传力杆在所述凹槽中沿竖直方向转动；

拉压力传感器，其包括两个相对设置的受力端，其分别与所述传力杆的底面和所述凹槽的内底面连接；

摩擦板，其位于所述凹槽的开口处并与所述传力杆的自由端连接，所述摩擦板与所述传力杆垂直且高度小于所述凹槽的高度；

两个不透水膜，其分别设置在所述摩擦板的上下两端，所述两个不透水膜和所述摩擦板配合封闭所述凹槽并形成密封腔；

压力传感器，其设置在所述箱体的与所述凹槽同侧的外侧壁上并位于所述密封腔的外围，所述压力传感器的受力端朝外；

显示设备，其分别通过导线与所述拉压力传感器的输出端、所述压力传感器的输出端电连接。

优选的是，所述侧摩阻力及侧壁土压力测量装置，当所述摩擦板处于竖直状态时，所述摩擦板的外侧壁与所述压力传感器的受力端、所述箱体的与所述压力传感器连接的外侧壁位于同一竖直平面。

优选的是，所述侧摩阻力及侧壁土压力测量装置，还包括垫板，其设置在所述摩擦板与所述传力杆之间并固定在所述传力杆的自由端，所述垫板与所述摩擦板平行且通过齿槽结构与所述摩擦板的内侧壁配合连接，任一不透水膜靠近所述摩擦板的一端通过所述齿槽结构固定在所述摩擦板与所述垫板之间。

优选的是，所述侧摩阻力及侧壁土压力测量装置，还包括两个防护板，其分别位于所述摩擦板的正上方和正下方并与所述两个不透水膜一一对应，任一防护板通过螺栓固定在所述箱体的侧壁，所述防护板与所述摩擦板之间存在间隙，任一不透水膜靠近所述防护板的一端固定在对应的防护板与所述箱体之间。

优选的是，所述侧摩阻力及侧壁土压力测量装置，所述不透水膜为折叠不透水膜，在所述摩擦板沿竖直方向移动的过程中，所述不透水膜对所述摩擦板的竖向应力为0。

优选的是，所述侧摩阻力及侧壁土压力测量装置，所述凹槽中填充有防护液体，其体积等于所述密封腔的密封体积。

优选的是，所述侧摩阻力及侧壁土压力测量装置，还包括接线保护管，其设置在所述箱体的外侧，所述导线穿出所述箱体后通过所述接线保护管与所述显示设备连接。

本发明还提供了一种侧摩阻力及侧壁土压力测量装置的施工方法，包括：

步骤一、按要求组装侧摩阻力及侧壁土压力测量装置，初始状态下所述传力杆水平设置，垫板竖直设置，组装完成后，读取此时拉压力传感器的输出值，记为初始压力n0；

步骤二、将所述侧摩阻力及侧壁土压力测量装置焊接在基础结构的侧壁上，使所述侧摩阻力及侧壁土压力测量装置的外侧壁与所述基础结构的外侧壁位于同一竖直平面上；

步骤三、进行基础结构施工，基础结构与外部土体间产生相对位移，此时摩擦板受到持续的竖向摩擦力，带动传力杆沿受力方向转动并将传递的所述竖向摩擦力作用在拉压力传感器上，读取此时的拉压力传感器的输出值，记为实时压力n1；

步骤四、设定所述传力杆与所述拉压力传感器的连接点到所述传力杆与凹槽的铰接点的距离为l1，所述传力杆总长为l0，所述摩擦板与外部土体接触面的表面积为a，通过计算可得到摩擦板受到的侧摩阻力：

步骤五、读取基础结构施工中压力传感器的输出值，记为ft，通过计算可得到基础结构与所述侧摩阻力及侧壁土压力测量装置所在的土层之间的摩擦系数：

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明将沉井基础、桩基础下沉时分别进行侧壁摩阻力测量和侧壁土压力测量的功能集成到同一测量装置上，不需要分别安装不同的测量装置，测量装置的体积小，安装方便快捷，适用于多种环境下的基础结构施工，利于同时对侧摩阻力和侧壁土压力进行测量和控制，保证了基础结构的施工质量，加快了施工进度并减少了施工成本；

2、拉压力传感器设置在测量装置内部的封闭腔体内，并通过外侧的密封箱体及内部的防护液体进行保护，一方面不会因外部冲击造成物理损坏，另一方面对环境要求较高的传感器部件浸泡在防护液体中，有效防止了电子器件锈蚀失效，造成测量结果不准的问题，测量精度和准确度较高；

3、通过不透水膜与防护板、摩擦板、金属垫板的配合连接，在能够有效传导摩擦板受力至传力钢杆上的同时，保证了箱体内腔的封闭性，同时，不透水膜为柔性结构，箱体内腔的防护液体填充在不透水膜的内壁，可避免下沉过程中外部土颗粒嵌入摩擦板开口位置，提高了装置在施工过程中的稳定性，进一步提高了测量准确度。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明一个实施例的一种侧摩阻力及侧壁土压力测量装置的正立面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供一种侧摩阻力及侧壁土压力测量装置，包括：

箱体1，其竖直设置，所述箱体1的外侧壁上设有凹槽；

传力杆2，其位于所述凹槽的内部并与所述凹槽的内侧壁铰接，所述传力杆2在所述凹槽中沿竖直方向转动；

拉压力传感器8，其包括两个相对设置的受力端，其分别与所述传力杆2的底面和所述凹槽的内底面连接；

摩擦板7，其位于所述凹槽的开口处并与所述传力杆2的自由端连接，所述摩擦板7与所述传力杆2垂直且高度小于所述凹槽的高度；

两个不透水膜4，其分别设置在所述摩擦板7的上下两端，所述两个不透水膜4和所述摩擦板7配合封闭所述凹槽并形成密封腔；

压力传感器9，其设置在所述箱体1的与所述凹槽同侧的外侧壁上并位于所述密封腔的外围，所述压力传感器9的受力端朝外；

显示设备，其分别通过导线10与所述拉压力传感器8的输出端、所述压力传感器9的输出端电连接。

上述技术方案中，箱体1为由金属板围合而成的封闭结构，箱体1的侧壁上开口设有向内的凹槽，凹槽的内壁也由金属板焊接而成，凹槽内壁包括内顶面、内底面和内侧壁。在凹槽的内侧壁中部设有铰接头3，传力杆2通过铰接头3与凹槽的内侧壁铰接。拉压力传感器8为s型测力传感器，其顶面和底面分别设有两个受力端，拉压力传感器8位于传力杆2的中部的正下方，所述两个受力端分别与传力杆的底面和凹槽的内底面固定连接。摩擦板7设置在凹槽的开口处，摩擦板的外侧壁表面与所述侧摩阻力及侧壁土压力测量装置外部的土体直接接触，当测量装置与外部土体发生相对位移时，摩擦板受到的沿移动方向的摩擦力即为测量装置与外部土体间的摩阻力。不透水膜4采用橡胶等高分子材料制备而成，且为不透水的柔性结构，用于封闭摩擦板7与凹槽的间隙，使摩擦板能够在与凹槽的间隙范围内自由移动的同时，封闭凹槽的内腔，防止外部土体、水或其他杂质进入凹槽内部，影响拉压力传感器、传力杆等装置的正常工作。压力传感器9位于凹槽的下方，压力传感器9的受力端正对外部土体设置，用于测量水平方向收到的土压力。

当摩擦板7受到来自外部的向上的摩擦力时，受到铰接头3的作用，摩擦板7带动传力杆2向上沿逆时针方向转动，此时拉压力传感器8的顶部受力端受到来自传力杆2的拉力，底部受力端受到来自凹槽内底面的拉力，这两个拉力的综合作用力即为摩擦板受到的向上的摩阻力；当摩擦板7受到来自外部的向下的摩擦力时，受到铰接头3的作用，摩擦板7带动传力杆2向下沿顺时针方向转动，此时拉压力传感器8的底部受力端受到来自凹槽内底面的压力，顶部受力端受到来自传力杆2的压力，这两个压力的综合作用力即为摩擦板受到的向下的摩阻力。根据拉压力传感器8和压力传感器9分别测量得到的实时侧壁摩阻力和侧壁土压力，根据动摩擦系数计算公式：其中f为侧壁土摩阻力，n为端面正压力(即侧壁土压力)，换算即可得到测量装置所在的土层的摩擦系数。

本发明将测量摩擦阻力和正压力的功能集成到同一装置上，由于直接测量设备(摩擦板和压力传感器)相邻设置且测量装置的整体体积较小，相对于基础结构(沉井基础、桩基础)而言，可以认为拉压力传感器和压力传感器分别测量的是同一点的受力数据，由此计算出实时的测量装置与土层间的摩擦系数并显示在外部的显示设备上，根据测量装置在基础结构上的位置及施工过程中进入土层的深度，还可以得出施工环境的土层分布情况和不同土层的摩擦系数，从而，施工人员能够及时对施工参数进行调整，保证基础结构施工的稳定性和安全性。同时，将较难测量的侧壁摩阻力转化为装置内部传力杆和凹槽对拉压力传感器的作用力，并在凹槽内部形成密闭空间，避免了基础结构施工过程中施工环境和外部位移对传感器测量稳定性和准确性的影响，提高了测量的精确度，有效防止传感器损坏，保证测量装置能够顺利随基础结构下沉并进行测量。另外，所述侧摩阻力及侧壁土压力测量装置结构简单且方便安装，能够在基础结构上快速拆装，在保证测量稳定的基础上，有效控制了施工成本并提高了施工效率。

在另一技术方案中，所述的侧摩阻力及侧壁土压力测量装置，当所述摩擦板7处于竖直状态时，所述摩擦板7的外侧壁与所述压力传感器9的受力端、所述箱体1的与所述压力传感器9连接的外侧壁位于同一竖直平面。具体的，在初始位置下，摩擦板7、压力传感器9和箱体1的外侧壁形成一连续的竖直平面，当基础结构施工时，箱体1嵌入基础结构的侧壁中，测量装置最外侧的结构(箱体外侧壁、摩擦板、压力传感器9)均与基础结构的外侧壁位于同一平面。从而，当基础结构与外部土体之间产生相对位移时，测量装置与基础结构连为一体，不会对外部土体产生额外的作用力，影响基础结构施工。由于摩擦板与凹槽的间隙设置的较小，且传力杆的长度相对较长，传力杆与摩擦板相对于铰接头的转动可近似看作直线移动，因此，当摩擦板的初始状态为竖直设置时，在后续施工状态下，摩擦板始终沿竖直方向向上或向下移动，摩擦板一直受到完整的侧壁土摩阻力的影响，带动传力杆上下移动，并将所述侧壁土摩阻力传递给拉压力传感器，使拉压力传感器测量得到的值更加精确，减小施工中的移动对测量准确度造成的影响，进一步减小测量误差。

在另一技术方案中，所述的侧摩阻力及侧壁土压力测量装置，还包括垫板5，其设置在所述摩擦板7与所述传力杆2之间并固定在所述传力杆2的自由端，所述垫板5与所述摩擦板7平行且通过齿槽结构与所述摩擦板7的内侧壁配合连接，任一不透水膜4靠近所述摩擦板7的一端通过所述齿槽结构固定在所述摩擦板7与所述垫板5之间。其中，垫板5为金属板，其设置在摩擦板7与传力杆2之间，传力杆2和垫板5均选用耐久性好、刚度大的金属材料，使传力杆2和垫板5能够更好的焊接在一起，提高了传动结构的稳定性。通过与传力杆垂直设置的垫板5，增加了摩擦板7与传动结构(传力杆与垫板)连接的有效面积，垫板与摩擦板相邻的侧面设有齿槽结构，齿槽结构可以设计为锯齿状、u型或螺纹的形式，摩擦板与对应的齿槽结构配合连接，使摩擦板能与垫板稳定卡接，进一步提高传动结构的稳定性，防止当摩擦板受到的摩阻力较大时，与垫板间的连接松动或脱开，导致测量装置无法正常工作。

在另一技术方案中，所述的侧摩阻力及侧壁土压力测量装置，还包括两个防护板6，其分别位于所述摩擦板7的正上方和正下方并与所述两个不透水膜4一一对应，任一防护板6通过螺栓12固定在所述箱体1的侧壁，所述防护板6与所述摩擦板7之间存在间隙14，任一不透水膜4靠近所述防护板6的一端固定在对应的防护板6与所述箱体1之间。其中，摩擦板7上方的防护板6呈倒l形安装在箱体1的侧壁上，防护板6的水平部与箱体1的顶面连接，防护板6的竖直部与箱体1的外侧壁连接，所述竖直部沿箱体1的外侧壁向下延伸，并覆盖凹槽的上部开口；摩擦板下方的防护板6紧贴箱体1的外侧壁，防护板6的一端与凹槽下方的压力传感器9的顶部连接，另一端沿箱体的外侧壁向上延伸并覆盖凹槽的下部开口。当摩擦板7位于初始状态时，摩擦板7竖直设置，两个防护板6、摩擦板7和压力传感器9的受力端位于同一竖直平面，防护板6用于保护箱体与外部土体直接接触的外侧壁，防止外部环境直接对箱体造成的损伤；同时，防护板6可覆盖对应的不透水膜的一部分，减少不透水膜直接与土体接触的表面积，防止外部土体中的杂质划伤或破坏不透水膜的密封性。另外，不透水膜4的一端设置在防护板6与箱体1的外侧壁之间，另一端通过齿槽结构固定在摩擦板7与垫板5之间，使不透水膜的两端与测量装置的连接稳定可靠，不易松脱，保证凹槽内部的密封性能，提高了整体测量装置的稳定性。

在另一技术方案中，所述的侧摩阻力及侧壁土压力测量装置，所述不透水膜4为折叠不透水膜，在所述摩擦板7沿竖直方向移动的过程中，所述不透水膜4对所述摩擦板7的竖向应力为0。具体的，摩擦板与对应的防护板的间隙14的高度需根据实际施工中设定的最大摩阻力值和对应的摩擦系数设定，以允许摩擦板能够在设定的范围内移动并传递侧摩阻力。不透水膜4的两端分别固定在箱体和摩擦板上，不透水膜的中部在初始状态下处于折叠状态，其被折叠的长度(即不透水膜被张开时沿竖直方向增加的长度)需大于设定的摩擦板的单向最大位移，从而，在传力杆和摩擦板移动时，不透水膜始终处于不受张拉力的状态，对应的，由于没有弹性变形，不透水膜对摩擦板也不存在竖向的应力，使得摩擦板在运动过程中不会受到除外部土体的侧摩阻力和重力以外的竖向作用力，这样，传递到拉压力传感器上的作用力可等效为侧摩阻力，不会受到不透水膜的干扰而导致测量值不准，保证了测量准确性。

在另一技术方案中，所述的侧摩阻力及侧壁土压力测量装置，所述凹槽中填充有防护液体11，其体积等于所述密封腔的密封体积。其中，防护液体优选为液压油，其完全填充凹槽内的密封腔，且具备防腐蚀的作用，可有效防止凹槽内部的拉压力传感器及其他金属结构锈蚀，同时对传动结构起到润滑的作用，减小由于传力杆2和铰接头3间的装配连接产生的摩擦力对传力杆转动的影响，使测量得到的拉压力传感器的度数等于摩擦板实际受到的侧摩阻力，保证测量的准确性。

在另一技术方案中，所述的侧摩阻力及侧壁土压力测量装置，还包括接线保护管13，其设置在所述箱体1的外侧，所述导线10穿出所述箱体1后通过所述接线保护管13与所述显示设备连接。上述技术方案中，接线保护管13采用金属管、pvc管等建筑管材，接线保护管固定在箱体1的底部，两者连接处采用密封连接，防止水汽或杂质进入，两束导线10分别连接拉压力传感器和压力传感器的输出端，并从接线保护管中穿出，连接至显示设备的输入端，从而，防止在基础结构施工中传感器输出信号受到外部环境干扰，保证信号传输的稳定性。

本发明还提供了一种侧摩阻力及侧壁土压力测量装置的施工方法，包括：

步骤一、按要求组装侧摩阻力及侧壁土压力测量装置，初始状态下所述传力杆2水平设置，垫板5竖直设置，组装完成后，读取此时拉压力传感器8的输出值，记为初始压力n0；

步骤二、将所述侧摩阻力及侧壁土压力测量装置焊接在基础结构的侧壁上，使所述侧摩阻力及侧壁土压力测量装置的外侧壁与所述基础结构的外侧壁位于同一竖直平面上；

步骤三、进行基础结构施工，基础结构与外部土体间产生相对位移，此时摩擦板7受到持续的竖向摩擦力，带动传力杆2沿受力方向转动并将传递的所述竖向摩擦力作用在拉压力传感器8上，读取此时的拉压力传感器8的输出值，记为实时压力n1；

步骤四、设定所述传力杆2与所述拉压力传感器8的连接点到所述传力杆2与凹槽的铰接点的距离为l1，所述传力杆2总长为l0，所述摩擦板7与外部土体接触面的表面积为a，通过计算可得到摩擦板7受到的侧摩阻力：

步骤五、读取基础结构施工中压力传感器9的输出值，记为ft，通过计算可得到基础结构与所述侧摩阻力及侧壁土压力测量装置所在的土层之间的摩擦系数：

通过上述施工方法，能够实时测量并监测基础结构施工中基础结构受到的侧摩阻力和端面压力，根据显示的数据及时对施工参数进行调整，以保证基础施工的顺利进行，提高施工稳定性、安全性和施工质量。同时，根据单次施工得到的压力数据可计算出施工区域内土层的摩擦系数分布情况，对后续施工具有较高的指导意义。

在本实施例中，步骤一中组装侧摩阻力及侧壁土压力测量装置的方法如下：

s1、使用金属板材焊接箱体1及其侧壁上的凹槽，使其连为一内部封闭的整体；

s2、在凹槽中安装铰接头3和传力杆2，并在传力杆下方安装拉压力传感器8，使拉压力传感器的两个受力端分别与传力杆的底面和凹槽的内底面连接固定，安装完成后的传力杆2水平设置；

s3、在传力杆2的自由端安装与其垂直的垫板5，垫板5的外侧设有摩擦板7，摩擦板7与垫板5平行。这里，当基础结构为混凝土结构时，摩擦板7采用现浇工艺混凝土板，垫板5的外侧壁上设有连续的齿槽结构，摩擦板7通过齿槽结构与垫板5卡接；当基础结构的外壁为钢材时，摩擦板7采用金属板，通过拧紧摩擦板7与垫板5间的铆钉将摩擦板固定在垫板外侧；

s4、在摩擦板7的上方和下方分别设置两块防护板6，防护板6与箱体1的外侧壁贴合连接并覆盖一部分凹槽的开口，将箱体侧放，使凹槽的开口向上，并向凹槽中注入液压油作为防护液体，直至液压油完全填充凹槽；

s5、安装不透水膜，不透水膜4的一端先伸入防护板与箱体贴合的部分之间，并采用橡皮筋将不透水膜4的一端初步固定在防护板伸出凹槽开口的部分，另一端伸入摩擦板与垫板的连接结构之间，并采用橡皮筋将不透水膜的另一端初步固定在摩擦板与垫板之间；再分别锁紧防护板6与箱体1间的螺栓，并重新固定摩擦板与垫板之间的连接结构，使不透水膜的两端分别固定在防护板与箱体之间、摩擦板与垫板之间，此时凹槽内部形成一密闭空间(密封腔)；

s5、在凹槽的外围安装压力传感器9，使其固定在箱体1的与凹槽同侧的外侧壁上，从压力传感器9和拉压力传感器8的输出端分别接出导线10，在箱体的底部安装接线保护管13，将导线10从接线保护管中穿出并连接至外部显示设备上。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。