一种基坑支护抗剪强度指标的测试方法及装置与流程

1.本发明涉及基坑支护工程抗剪强度测试领域，具体地说涉及一种基坑支护抗剪强度指标的测试方法及装置。


背景技术：

2.当土中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度，发生了土体的一部分相对于另一部分的移动时，便认为发生了剪切破坏。土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限强度，强度指标包括粘聚力c和内摩擦角抗剪强度可通过剪切试验测定。
3.然而，在工程实践中，剪切试验所得c、值在应用于基坑支护设计计算土压力时，理论值往往与实测值差异较大，在部分基坑支护地方规范中给出的基坑支护设计c、建议值，部分土层如老黏土的指标竟低于剪切试验的0.5倍，且区域性很强，各地方标准建议值差异也很大。
4.随着我国岩土类业务的集成化发展，同一岩土勘察设计部门往往要主导参与全国各地的勘察及设计工作，常规的剪切试验仅能得出通用类c、值，用于实际基坑支护设计时，往往因指标参数不够准确，易发生指标取值较低造成设计方案过于保守，或者指标取值过高造成设计方案产生质量安全隐患等现象，方案的安全系数不可控。


技术实现要素：

5.本发明根据现有技术的不足提供一种基坑支护抗剪强度指标的测试方法及装置，该方法通过试验桩板压入土体中，实际测试出基坑支护项目的土体针对测试桩板的应变数据，然后通过应变数据反算土压力，算得抗剪强度指标；该方法能够对用于基坑支护设计的专项土体抗剪强度指标进行测试，对基坑支护设计进行指导，且土层类型适用性广，可以有效提升基坑设计方案的经济安全合理性。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基坑支护抗剪强度指标的测试方法，其特征在于具体步骤如下：
7.s1：查阅勘察资料，选取所需测试土层分布区域，平整场地；
8.s2：制作测试板桩，采用两块一侧粘贴有多个应变片的钢板，将两块钢板设有应变片的一侧相对设置，并将钢板四周通过封口钢板连接形成一个中空板桩结构，两钢板内侧应变片的信号线伸出钢板桩，在封口钢板上预留气孔和注浆孔，通过注浆孔向钢板桩的中空区域填充有水泥浆，待水泥浆凝固后完成测试板桩的制备；
9.s3：将测试板桩架起，然后对其进行加载使其压入预设土体深度，并在压入过程中保证测试板桩的垂直度；
10.s4：将测试板桩内的应变片的信号线与静态应变仪连接，开挖测试板桩一侧的外土体，每开挖0.2m～0.3m深度，使用静态应变仪记录测量一次应变数据，直至开挖至测试板桩倾倒；
11.s5：收集步骤s4中的应变数据，通过应变数据反算土压力，算得抗剪强度指标c、
值。
12.本发明进一步的技术方案：所述步骤s5中的抗剪强度指标c、值计算过程如下：
13.(1)通过测试板桩单侧钢板内侧某一深度z
i
各应变片的平均应变数据按照公式
①
和公式
②
分别计算出测试板桩两侧钢板该深度对应处的应力σ
1i
、σ
2i
：
14.σ
1i
＝e
m
ε
1i
ꢀꢀꢀꢀ①
15.σ
2i
＝e
m
ε
2i
ꢀꢀꢀꢀ②
16.式中：ε
1i
、ε
2i
分别为两侧钢板内侧某一深度各应变片的平均应变数据；
17.e
m
为测试板桩单侧钢板的弹性模量；
18.(2)由于水泥砂浆抗拉强度远低于钢板抗拉强度，故不考虑测试板桩中水泥砂浆的抗拉强度对应力传递的影响，仅考虑水泥砂浆垂直桩身的应力传递作用，根据步骤(1)中计算出来的测试板桩某一深度z
i
处两侧钢板的应力σ
1i
、σ
2i
按照公式
③
计算得同一深度处测试板桩的桩身弯矩m(z
i
)：
[0019][0020]
式中：σ
1i
、σ
2i
为测试板桩z
i
深度处两侧钢板的应力；b测试板桩单侧钢板的厚度，2b测试板桩的厚度；
[0021]
(3)沿测试板桩不同深度粘贴有n组应变片，换算得n个桩身弯矩值m(z
i
)，可构造三次样条函数m(z)，然后通过微分方程
④
计算出测试板桩的桩桩身剪切力q(z)：
[0022]
(4)通过微分方程
⑤
得到三次样条函数m(z)在相同深度z
i
的二阶导数m
″
(z
i
)：
[0023][0024]
m
″
(z
i
)＝p(z
i
) (i＝0,1,
…
,n)
ꢀꢀ⑥
[0025]
式中：m(z)为测试板桩的桩身弯矩函数，p
z
测试板桩的桩侧土压力，q
z
为测试板桩的桩身剪力；
[0026]
m(z)经二次求导后，在深度区间上为线性函数，故有：
[0027][0028]
(5)沿测试板桩的桩身取某一段桩长h
j
＝z
j+1
‑
z
j
，经一次积分得：
[0029][0030]
经二次积分得：
[0031][0032]
(5)取z＝z
j
，则有m(z)＝m
j
；取z＝z
j+1
，则有m(z)＝m
j+1
，代入式
⑨
得：
[0033][0034]
将式
⑩
代入式
⑧
、
⑨
可得：
[0035][0036][0037]
(6)样条函数m(z)以测试板桩的整体入土深度(0,z
n
)为插值区间，根据样条插值函数的定义，其在各深度节点z
j
(j＝1,...,n
‑
1)处的一阶导数连续，即m
′
(z
j
‑0)＝m
′
(z
j+0
)，由式得：
[0038][0039][0040]
将式代入式得到三对角方程：
[0041][0042]
其中
[0043]
式是关于n+1个未知数的n
‑
1个方程；
[0044]
由式
④
和
⑤
可知，p0,p1,...,p
n
即为相应的桩侧土压力值；通过目前基坑设计相关规范中常用假定桩端及桩顶弯矩为0，在插值区间(0,z
n
)的两个端点补充两个方程，即可实现n+1个未知数的n+1个方程，并计算出n+1个相应的桩侧土压力值p0,p1,...,p
n
，p
n+1
；
[0045]
(7)利用已求解的n+1个土压力值，结合朗肯土压力计算公式，通过简易换算即可获取土体抗剪强度指标c、值。
[0046]
本发明较优的技术方案：所述步骤(3)中采用升降式定位平台将测试板桩架起，所述升降式定位平台通过升降架支撑，在平台上设有板桩插口，测试板桩通过板桩插口插入地面，并在测试板桩的两侧设有导引板，并在压入时，在测试板桩顶部安装承力板。
[0047]
本发明较优的技术方案：所述测试板桩的宽度为1.5～2.0m，厚度为0.05～0.10m，长度为2.0～4.0m。
[0048]
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种基坑支护抗剪强度指标的测试装
置，其特征在于：所述测试装置包括测试板桩、可拆卸式承力板、升降式定位平台和静态应变仪，所述测试板桩包括由两块对称设置钢面板及四块封口钢侧板焊接而成中空板体结构，两块钢面板内侧均粘贴有多个应变片，多个应变片置于测试板桩的中空腔体内，且每个应变片均通过信号线与板桩外的静态应变仪相连，在测试板桩上设有注浆孔及气孔，通过注浆孔在测试板桩的中空腔体内注满水泥浆；所述升降式定位平台包括定位板和升降支架，在定位板中部开设有板桩插口，在板桩插口的外缘设有导引板，所述测试板桩通过板桩插口插入土中，并在插入过程中通过导引板对其进行导引限位，所述可拆卸式承力板置于测试板桩的顶部。
[0049]
本发明较优的技术方案：所述测试板桩的宽度为1.5～2.0m，厚度为0.05～0.10m，长度为2.0～4.0m。
[0050]
本发明进一步的技术方案：所述升降式定位平台的定位板为方形板体，升降支架包括设置在定位板四个角部的旋转式支腿，每个旋转式支腿与定位板转动连接，并在测试板桩插入过程中，通过旋转式支腿同时向外转动实现定位板的下降。
[0051]
本发明较优的技术方案：所述导引板包括设置在板桩插口下口边缘的两组对称的折叠板，两组折叠板在测试板桩插入板桩插口时分别置于测试板桩的两钢面板外侧；每组折叠板是由多块板体通过铰链件连接而成，并在测试板桩下压过程中，两组折叠板向外折叠。
[0052]
本发明较优的技术方案：所述可拆卸式承力板中部设置有凹槽卡口，可拆卸式承力板通过凹槽卡口与测试板桩连接。
[0053]
本发明利用各向同性的钢材作为承力装置收集应力应变数据，且为平面应变收集，土压力数据相较于圆形桩更为准确；且板桩的设计宽度1.5～2.0m与《建筑基坑支护技术规程》(jgj 120
‑
2012)关于排桩土反力的常用计算宽度一致，规避了单桩土压力计算的局限性；在两块钢板空隙中充填水泥浆，保护应变片的同时，保证两块钢板同步受力，同步对称监测两块钢板内侧应力，计算得桩身对称正负弯矩，进一步提升数据精度；每开挖0.2m深度，测得一次数据，形成不同上覆土重下的不同抗剪强度指标c、值的拟合曲线，进一步提升数据应用范围；监测数据直至开挖至测试板桩倾倒，可对排桩嵌固深度给予一定设计指导意义。
[0054]
本发明通过试验桩板压入土体中，实际测试出基坑支护项目的土体针对测试桩板的应变数据，然后通过应变数据反算土压力，算得可直接用于基坑支护设计的抗剪强度指标；通过专项土体抗剪强度指标对基坑支护设计进行指导，可以有效提升基坑设计方案的经济安全合理性，该方法土层类型适用性广，本发明测得数据针对性强，有效规避了室内试验测得的土体固有的抗剪强度指标与基坑设计所需专项抗剪强度指标的经验主义差异，试验简便，试验成本低，有效提升基坑支护设计抗剪强度指标选取的精确度，有效节省基坑支护施工成本，提升基坑支护设计方案的经济合理性；本发明中的测试装置制作简单、成本低。
附图说明
[0055]
图1
‑
1至图1
‑
4是本发明中的测试板桩入土过程示意图；
[0056]
图2
‑
1至图2
‑
4是本发明中桩前土开挖及动态采集数据的示意图；
[0057]
图3是本发明中测试板桩及成桩设备的结构示意图；
[0058]
图4是本发明中测试板桩的结构示意图；
[0059]
图5是本发明中升降式定位平台的结构示意图；
[0060]
图6是本发明中可拆卸式承力板的结构示意图；
[0061]
图7是本发明中桩身弯矩计算原理简图。
[0062]
图中：1—测试板桩，100—钢面板，101—封口钢侧板，2—可拆卸式承力板，200—凹槽卡口，3—升降式定位平台，300—定位板，301—旋转式支脚，302—板桩插口，4—静态应变仪，5—导引板，500—折叠板，501—铰链件，6—应变片，7—信号线，8—注浆孔，9—气孔，10—水泥浆。
具体实施方式
[0063]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。附图1至5均为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本发明实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本发明的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0064]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0065]
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0066]
实施例一提供了一种基坑支护抗剪强度指标的测试装置，具体如图3至图6所示，包括测试板桩1、可拆卸式承力板2、升降式定位平台3和静态应变仪4；如图4所示，所述测试板桩1由两块对称钢面板100及四块封口钢侧板101焊接而成中空板体结构，所述测试板桩1的宽度为1.5～2.0m，厚度为0.05～0.10m，长度为2.0～4.0m。两块钢面板100内侧均粘贴有多个应变片6，多个应变片6置于测试板桩1的中空腔体内，且每个应变片6均通过信号线10与板桩外的静态应变仪4相连，在测试板桩1上设有注浆孔8及气孔9，待应变片6粘贴完毕、钢板焊接完毕后，通过注浆孔8在测试板桩1的中空腔体内注满水泥浆，灌浆过程中通过预留气孔9调节内外气压，保证灌浆密实，同时气孔9兼做信号线7的通行孔口。如图5所示，所述升降式定位平台3包括定位板300和升降支架301，所述定位板300为方形板体，升降支架301包括设置在定位板300四个角部的旋转式支腿301，每个旋转式支腿301与定位板300转动连接，并在测试板桩插入过程中，通过旋转式支腿301同时向外转动实现定位板300的下降。在定位板300中部开设有板桩插口302，在板桩插口302的外缘设有导引板5，所述测试板桩1通过板桩插口302插入土中，并在插入过程中通过导引板5对其进行导引限位，所述可拆
卸式承力板2置于测试板桩1的顶部。所述测试板桩1在压入土体过程中，通过测试板桩1周围的升降式定位平台3用以保证桩身垂直度。
[0067]
如图3和图5所示，实施例一中的导引板5包括设置在板桩插口302下口边缘的两组对称的折叠板500，两组折叠板在测试板桩1插入板桩插口302时分别置于测试板桩1的两钢面板100外侧；每组折叠板是由多块板体通过铰链件501连接而成，并在测试板桩1下压过程中，两组折叠板500向外折叠。如图6所示，所述可拆卸式承力板2中部设置有凹槽卡口200，可拆卸式承力板2通过凹槽卡口200与测试板桩1连接。
[0068]
实施例二提供的一种基坑支护抗剪强度指标选取的测试方法，采用实施例一中的测试设备实施而成，其具体测试过程如下：
[0069]
s1：查阅勘察资料，选取所需测试土层分布区域，平整场地；
[0070]
s2：制作测试板桩1，采用两块一侧粘贴有应变片6的钢板，将两块钢板设有应变片6的一侧相对设置，并将钢板四周通过封口钢板焊接形成一个中空板桩结构，两钢板内侧应变片的信号线7伸出钢板桩1，在封口钢板上预留气孔和注浆孔，通过注浆孔向钢板桩的中空区域填充有水泥浆，待水泥浆凝固后完成测试板桩的制备；
[0071]
s3：如图1
‑
1所示，架设升降式定位平台3，将测试板桩1对准测试板桩插口板10的卡口插入至地面，安装可拆卸式承力板2至测试板桩1顶部；
[0072]
s4：如图1
‑
2至图1
‑
4所示，加载于承力板2将测试板桩1压入土体，在压入过程中，将竖向导引板5折叠至对应高度，保证测试板桩1贯入的垂直度，待测试板桩1压入预设土体深度后，移除可拆卸式承力板2及升降式定位平台3；
[0073]
s5：将测试板桩内的应变片的信号线与静态应变仪连接，如图2
‑
1至图2
‑
4所示，开挖测试板桩一侧的外土体，每开挖0.2m深度，使用静态应变仪4记录测量一次应变数据，直至开挖至测试板桩1倾倒；
[0074]
s5：通过应变数据按照以下计算过程反算土压力，并算得抗剪强度指标c、值，用以反馈基坑支护设计，测试钢板桩1的桩身弯矩计算原理简图如图7所示，其数据分析计算步骤具体如下：
[0075]
(1)通过静态应变仪测得应变片粘贴处应变数据，取单侧钢板1内侧某一深度各应变片的平均应变数据为ε
1i
，另一侧钢板2对称处平均应变数据为ε
2i
，e
m
为钢板的弹性模量，取钢板对应处的应力为σ
1i
、σ
2i
，则有：
[0076]
σ
1i
＝e
m
ε
1i
ꢀꢀꢀꢀ①
[0077]
σ
2i
＝e
m
ε
2i
ꢀꢀꢀꢀ②
[0078]
(2)水泥砂浆抗拉强度远低于钢板抗拉强度，故不考虑水泥砂浆的抗拉强度对应力传递的影响，仅考虑水泥砂浆垂直桩身的应力传递作用，取钢板厚为b，异形桩厚2b，则计算得某一深度z
i
处桩身弯矩：
[0079][0080]
(3)设桩身弯矩函数为m(z)，桩身剪力为q
z
，桩侧土压力为p
z
，则有如下微分方程：
[0081]
[0082][0083]
(4)沿异性板桩不同深度粘贴有n组应变片，换算得n个桩身弯矩值m(z
i
)，可构造三次样条函数m(z)计算桩侧土压力。设样条函数m(z)在某一深度z
i
的二阶导数为：
[0084]
m
″
(z
i
)＝p(z
i
) (i＝0,1,...,n)
ꢀꢀ⑥
[0085]
m(z)经二次求导后，在深度区间上为线性函数，故有：
[0086][0087]
s5：沿桩身取某一段桩长h
j
＝z
j+1
‑
z
j
，经一次积分得：
[0088][0089]
经二次积分得：
[0090][0091]
(5)取z＝z
j
，则有m(z)＝m
j
；取z＝z
j+1
，则有m(z)＝m
j+1
，代入式(9)得：
[0092][0093]
将式
⑩
代入式
⑧
、
⑨
可得：
[0094][0095][0096]
(6)样条函数m(z)以测试板桩的整体入土深度(0,z
n
)为插值区间，根据样条插值函数的定义，其在各深度节点z
j
(j＝1,...,n
‑
1)处的一阶导数连续，即m
′
(z
j
‑0)＝m
′
(z
j+0
)，由式得：
[0097][0098][0099]
将式代入式得到三对角方程：
[0100][0101]
式是关于n+1个未知数的n
‑
1个方程；
[0102]
其中
[0103]
式是关于n+1个未知数的n
‑
1个方程。由式(4)～(5)可知，p0,p1,...,p
n
即为相应的桩侧土压力值。在求解土压力时，可通过目前基坑设计相关规范中常用假定桩端及桩顶弯矩为0，在插值区间(0,z
n
)的两个端点补充两个方程，即可实现n+1个未知数的n+1个方程，从而完成求解p0,p1,...,p
n
。
[0104]
(7)利用已求解的n+1个土压力值，结合朗肯土压力计算公式，通过简易换算即可获取土体抗剪强度指标c、值。
[0105]
实施例中提供的测试装置土层类型适用性广，设备制作简单、成本低；实施例中测试方法采用异性板桩收集应力应变数据，土压力数据准确且更具代表性，测量的抗剪强度指标可直接应用于基坑支护设计，规避了常规剪切试验所得指标的适用局限性。
[0106]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。