一种侧摩阻力及端承力测试系统与测量方法与流程

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种侧摩阻力及端承力测试系统与测量方法。

背景技术：

沉井式混凝土结构或压入式混凝土结构，侧摩阻力及端承力的测量是一个技术难点。

现有技术中常用测量方法有如下几种：一是用侧摩阻及端承力测试仪测量，该方法的优点是简单快捷，但受自身体积限制，无法进行深层侧摩阻力及端承力的测量；二是在被压入的混凝土构件沿深度方向布置土压力传感器，测试不同深度的土压力，通过计算的方法估算侧摩阻力，但由于静摩擦系数随周边介质变化而变化的，很难给出一个准确值，因而估算出的侧摩阻力也是不准确的，同时这种方法混凝土构件的端承力也无法确定；三是在被压入混凝土构件内的钢筋上沿深度方向事先贴上应变片，根据混凝土构件沿深度方向应力分布计算出侧摩阻力，该方法同样存在的局限性而带来较大的测量误差，如贴片工艺的影响、被贴片钢筋的居中性、受力方向性等，均造成测量结果的不确定性，同时混凝土构件的端承力也无法测定。

为此，开发一种新的侧摩阻力及端承力测试设备与测量方法用以解决实际问题迫在眉睫。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于提供一种侧摩阻力及端承力的测试系统，将混凝土构件分段压入土体中，再通过拟合就可测得混凝土构件侧摩阻力自上而下的分布情况，因而可近似计算出该结构在某一深度下的承载力，建立混凝土构件的侧摩阻力随下沉深度的变化关系。本发明的另一目的是提供一种侧摩阻力及端承力的测量方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种侧摩阻力及端承力测试系统，包括数据采集仪，该数据采集仪的输入端与拉线位移计、第一压力传感器和第二压力传感器分别相连；所述的拉线位移计的拉线与混凝土构件上端连接，测量混凝土构件的下沉深度；所述的第一压力传感器与混凝土构件及垫块分别相连，所述的第二压力传感器与刃脚及混凝土构件分别相连，用于测试由刃脚产生的端承力。

进一步的，所述的计算机与数据采集仪的输出端相连，计算机对数据采集仪采集的数据进行处理与分析。

进一步的，在外力f及所述的混凝土构件自重的共同作用下，所述的混凝土构件、刃脚被一同压入泥土中。

进一步的，所述的第一压力传感器通过螺栓与混凝土构件与垫块分相连，测量的力为刃脚的端承力、混凝土构件的重力及其侧摩阻力的合力；所述的第二压力传感器通过螺栓与刃脚及混凝土构件分别相连。第一压力传感器和第二压力传感器布置多少及布置方式根据施工技术要求来决定。

进一步的，所述的拉线位移计在混凝土构件的两端均有设置，用于测试混凝土构件下沉的平均位移。

进一步的，在所述的垫块上设有起吊环，用于起吊混凝土构件到指定位置及下沉初期对结构的支撑作用。

进一步的，任意一项所述的侧摩阻力及端承力测试系统的测量方法，包括如下步骤：

1)首先，将混凝土构件沉入泥土中一定深度，等到混凝土构件周边泥土恢复到接近初始状态，此时将混凝土构件沉入到另一个深度，分别测得混凝土构件开始下沉时第一压力传感器的力最大值为f6，第二压力传感器的力最大值为f8；由此算出混凝土构件在该深度时的侧摩阻力及端承力；

2)其次，继续压入混凝土构件至另一个深度，同样测得混凝土构件在该深度的侧摩阻力及端承力，如此分段压入混凝土构件直到达到想要的深度。每下沉一段达到一个新的深度时就得到混凝土构件在该深度的侧摩阻力及端承力，以此类推得到整个下沉深度中侧摩阻力及端承力随深度变化的关系，通过拟合得到混凝土构件在任意位置时的端承力、侧摩阻力及它们随深度分布情况。

进一步的，当所述的混凝土构件处于深度h时，对应第一压力传感器测得的力最大值为f6，第二压力传感器测得的力最大值为f8；混凝土构件的重力为g，则该深度h下混凝土构件的侧摩阻力fh为表达式(i)：

fh＝(f8-f6-g)λ(i)；

表达式(i)中λ为侧摩阻力修正系数。

进一步的，当所述的混凝土构件还没有完全没入泥土中时，混凝土构件处于h1位置，根据表达式(i)计算得到此时侧摩阻力为f1，当混凝土构件下沉△h至h2时，根据表达式(i)计算得到h2位置侧摩阻力为f2，则混凝土构件下沉的△h时的侧摩阻力增量△f0为表达式(ii)：

△f0＝f2-f1(ii)。

进一步的，当所述的混凝土构件上端处于地面下深度为h时，则每压入△h，其侧摩阻力的增量△f2为表达式(iii)：

△f2＝fh+△h-fh+△f1(iii)；

表达式(iii)中：△f1为混凝土构件深度为h与h+△h之间的侧摩阻力；△f2为为混凝土构件深度为h+h与h+△h+h之间的侧摩阻力，h为混凝土构件的高度；fh+△h为混凝土构件在深度为h+△h时整体所受的侧摩阻力；fh为混凝土构件在深度为h时的侧摩阻力；通过侧摩阻力随深度变化的关系曲线推算混凝土构件侧摩阻力：将不同深度的端承力及△f2值与深度h的对应关系连成曲线，通过这条曲线能够算出混凝土构件在任意深度下的侧摩阻力，因而能确定该混凝土构件在该深度下的极限承载力。

有益效果：与现有技术相比，本发明的侧摩阻力及端承力的测试系统，采用直接测量方法测混凝土构件的侧摩阻力，避开了布置应变片、侧壁安装压力传感器等测量侧摩阻力所带来的稳定性差、计算困难、精度差等问题，也避免了用侧摩阻力测试仪测量不能反映实际混凝土构件工作状态的问题，即无法进入深达数米的地下区域测量。本装置利用压力传感器不仅能准确测量地下混凝土构件的侧摩阻力与端承力，而且能测定混凝土构件在某深度土体中各段的侧摩阻力，由此可推断任意土体中任意形状混凝土构件在某一深度所承受的侧摩阻力。本发明的一种侧摩阻力及端承力的测量方法，相比理论计算而言，该方法具有更高的科学性及可应用性，也可用作地下混凝土构件受力状态长期在线监测，可广泛应用于沉井施工单位作为施工难度评判、结构承载力预估等。

附图说明

图1是侧摩阻力及端承力测试系统结构简图；

图2是混凝土构件压入示意图；

图3侧摩阻力随深度变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1-3所示，附图标记为：计算机1、数据采集仪2、拉线位移计3、垫块4、起吊环5、第一压力传感器6、混凝土构件7、第二压力传感器8、刃脚9及泥土10。

一种侧摩阻力及端承力的测试系统，包括数据采集仪2，数据采集仪2的输出端与计算机1相连，数据采集仪2的输入端与拉线位移计3、第一压力传感器6和第二压力传感器8分别相连。

拉线位移计3的拉线与混凝土构件7上端连接，测量混凝土构件7的下沉深度。

第一压力传感器6分别连接混凝土构件7与垫块4，第二压力传感器8分别与刃脚9及混凝土构件7用螺栓相连，可拆卸；在外力f及混凝土构件7自重的共同作用下，混凝土构件7、刃脚9被一同压入泥土10中。

如图2所示，混凝土构件压入示意图，当混凝土构件7在某一位置被施加一个力时，从静止状态转入运动状态，这时第一压力传感器6和第二压力传感器8可测得一个最大压力值，当混凝土构件7向下运动距离△h后静止，待周边泥土10进入相对稳定状态时，再施加一个力在混凝土构件7上，直至运动，这时第一压力传感器6和第二压力传感器8可测得另一个最大压力值，通过计算可得到构件下沉△h段的侧摩阻力，下沉深度越小，静置时间越长，周边泥土扰动越小，测量结果越准确。按顺序从上到下逐级压入混凝土构件7就得到不同深度下的侧摩阻力分布。

如图3所示，侧摩阻力及端承力随深度变化示意图，其中曲线a为侧摩阻力随深度变化曲线，曲线b为端承力随深度变化曲线。将混凝土构件7在泥土10中不同深度的侧摩阻力连成一条曲线，就得到侧摩阻力随深度变化的关系曲线，对于混凝土构件7来说，当知道任意一个深度hx时，对应的侧摩阻力fx随即确定。另一方面，当知道混凝土构件7任意深度区间h1、h2时，对应区间的侧摩阻力值△f也是已知的。由于混凝土构件7的端承力可通过直接测量得到，取侧摩阻力的最大值及一个合适的修正系数，就得到整个混凝土构件7在任意深度下的承载力。

一种侧摩阻力及端承力的测量方法，包括如下步骤：

开始时，在混凝土构件的自重作用下，通过吊车吊起混凝土构件7，控制下沉速度与深度。当侧摩阻力及端承力与混凝土构件自重达到平衡时，需施加外力压入。无论哪种情况数据采系统均能记录压力传感器6测得力的大小与方向。

将混凝土构件7压入或自然沉入泥土10中(因自重的作用，开始时无须加力就能沉入泥土中)一定的深度。由于要测量的是混凝土构件7的侧摩阻力，因周边泥土10在刃脚的切割作用下被扰动，需静置一段时间，该静置时间视泥土的性质与环境状况而定，直到混凝土构件7周边泥土10近似恢复到初始状态，这时开始将混凝土构件7沉入到另一个深度，分别测得第一压力传感器6和第二压力传感器8的最大压力值为f6、f8，通过计算得到该压入深度下侧摩阻力的增量△f，以此类推，可测得混凝土构件7整个沉入泥土10中的侧摩阻力与端承力；混凝土构件7每次下沉的距离越短，静置的时间越长，测试的侧摩阻力值越准确；如此分段压入混凝土构件于泥土中，直到全部沉入。

当混凝土构件7整体处于地面以下，如有必要将继续下沉，知道达到设计深度，每下沉一段就得到该下沉段的侧摩阻力及端承力，以此类推得到整个下沉深度中侧摩阻力及端承力随深度变化的关系，因而得到混凝土构件件7在任意位置时的侧摩阻力；

3)侧摩阻力计算

当混凝土构件7处于某一深度h时，对应第一压力传感器6测得力的最大值为f6，第二压力传感器8测得力的最大值为f8，混凝土构件7的重力为g，则该深度下混凝土构件7的侧摩阻力为：

fh＝(f8-f6-g)λ

上式中λ为侧摩阻力修正系数，与混凝土构件7在压入过程中对周边泥土扰动程度及泥土介质特性有关，当混凝土构件7在某一位置静置时间足够长时，当其周边泥土7养护的时间足够长，则λ近似为1；

混凝土构件还没有完全没入泥土中的侧摩阻力增量的计算：

当混凝土构件7还没有完全没入泥土中时，处于h1位置时，这时的侧摩阻力为f1，当混凝土构件7下沉△h至h2时，这时的侧摩阻力为f2，则混凝土构件下沉的△h时的侧摩阻力增量△f0为：

△f0＝f2-f1

混凝土构件整体处于地面以下时侧摩阻力增量计算：

混凝土构件上端处于地面下h深时，则每压入△h，其侧摩阻力的增量△f2为：

△f2＝fh+△h-fh+△f1

上式中：△f1为混凝土构件上深度为h与h+△h之间的侧摩阻力；△f2为为混凝土构件上深度为h+h与h+△h+h之间的侧摩阻力，h为混凝土构件的高度；fh+△h为混凝土构件在深度为h+△h时整体所受的侧摩阻力；fh为混凝土构件在深度为h时的侧摩阻力。

通过侧摩阻力随深度变化的关系曲线推算混凝土构件7侧摩阻力：

将不同深度的△f2值与深度的对应关系连成一条图3所示的曲线，通过这条曲线能够算出混凝土构件7在任意深度下的侧摩阻力与端承力，因而能确定该混凝土构件在该深度下的极限承载力。