黏土地层侧摩阻力测量装置及测量方法
阅读说明：本技术 黏土地层侧摩阻力测量装置及测量方法 (Clay stratum side friction resistance measuring device and measuring method ) 是由 李聪 马超 唐天龙 张效次 唐艳梅 贺祖浩 李宝成 陈富翔 王新龙 蒋道东 黄流 于 2021-06-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种黏土地层侧摩阻力测量装置及测量方法,包括黏土刮除机构和测量机构；黏土刮除机构包括上箱体、千斤顶、连接杆、齿轮、两个锯齿板、刮板和防护板,连接杆上端与千斤顶固连,齿轮铰接在连接杆的下端上,齿轮两侧分别与两块锯齿板啮合,刮板设置在一个锯齿板的下侧,刮板下端贴合在测量面板外侧上；测量机构包括下箱体、拉压传感器、传力块、滑轨和摩擦板,传力块固定在拉压传感器底部,滑轨固定在下箱体内侧上,摩擦板设置在下箱体开口侧。测量方法包括以下步骤：一)对测量机构进行标定；二)测量侧摩阻力；三)验证误差。本发明可精确测量不同深度各土层的侧壁摩阻力值,同时还能解决黏土地层土体包裹式下沉时侧摩阻力的测试。(The invention discloses a clay stratum side friction resistance measuring device and a measuring method, wherein the clay stratum side friction resistance measuring device comprises a clay scraping mechanism and a measuring mechanism; the clay scraping mechanism comprises an upper box body, a jack, a connecting rod, a gear, two serrated plates, a scraper and a protection plate, wherein the upper end of the connecting rod is fixedly connected with the jack, the gear is hinged to the lower end of the connecting rod, two sides of the gear are respectively meshed with the two serrated plates, the scraper is arranged on the lower side of one serrated plate, and the lower end of the scraper is attached to the outer side of the measurement panel; the measuring mechanism comprises a lower box body, a tension and compression sensor, a force transmission block, a sliding rail and a friction plate, wherein the force transmission block is fixed at the bottom of the tension and compression sensor, the sliding rail is fixed on the inner side of the lower box body, and the friction plate is arranged on the opening side of the lower box body. The measuring method comprises the following steps: firstly), calibrating a measuring mechanism; secondly), measuring side friction resistance; and thirdly) verifying the error. The invention can accurately measure the side wall frictional resistance values of soil layers at different depths, and can also solve the problem of testing the side frictional resistance when clay stratum soil mass is wrapped and sinks.)
技术领域
本发明涉及一种地层侧摩阻力测量装置，尤其是一种可以精确测量不同深度各地层的侧壁摩阻力值的装置，属于建筑施工设备技术领域。
背景技术
随着桥梁工程建设的发展，大跨度桥梁工程的建设越来越多，沉井基础和桩基础建造的尺寸更大，深度更深，当面临复杂地质条件时，侧壁土摩阻力成为沉井能否下沉的关键因素。目前在沉井下沉施工过程中，采用土压力计测量侧壁摩阻力，但测量精度不高，土压力计极易损坏，各地层的摩阻系数很难准确测定，沉井接高下沉后难以在相同位置重新测量获得侧壁摩阻力数值，并且在黏土地层中沉井下沉时，会出现土体粘附在井壁上包裹式下沉的情况，一般的测量装置很难准确测出沉井在黏土地层下沉时侧壁的摩阻力。桩基侧摩阻力通常通过静载试验或自平衡装置确定，但设备体积大，测试方法复杂，无法便捷准确地获取下沉过程中和不同深度土层的侧摩阻力。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、可精确测量不同深度各地层的侧壁摩阻力值、同时还能解决黏土地层土体包裹式下沉时侧摩阻力测试的测量装置及测量方法。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种黏土地层侧摩阻力测量装置，包括黏土刮除机构和固定在黏土刮除机构下侧的测量机构；所述黏土刮除机构包括一侧敞开的上箱体、千斤顶、连接杆、齿轮、两个锯齿板、刮板和防护板，千斤顶固定在上箱体顶部，连接杆上端与千斤顶的顶杆固连，齿轮铰接在连接杆的下端上，齿轮两侧分别与两个锯齿板啮合，一个锯齿板固定在上箱体内侧中部，另一个锯齿板设置在上箱体开口侧顶部，刮板设置在另一个锯齿板的下侧，刮板顶部与另一个锯齿板的底部固连，刮板下端贴合在测量机构的摩擦板外侧上，刮板外侧与防护板的下端内侧移动连接，防护板固定在上箱体开口侧上；所述测量机构包括一侧敞开的下箱体、拉压传感器、传力块、滑轨和摩擦板，拉压传感器固定在下箱体顶部，通过导线与测试器连接，传力块通过紧固件固定在拉压传感器底部，滑轨固定在下箱体内侧上，摩擦板设置在下箱体开口侧，传力块一侧与滑轨面板固连，传力块另一侧与摩擦板内侧固连，所述摩擦板包括钢板和混凝土层，传力块与钢板内侧固连，钢板外侧设有凹槽，凹槽内浇注混凝土层。
本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现。
前述的黏土地层侧摩阻力测量装置，其中所述的滑轨包括滑槽、多个滚珠和滑轨面板，所述滑槽与下箱体固连，多个滚珠设置在滑槽内，滑轨面板支撑在多个滚珠上，与多个滚珠滚动连接。
前述的黏土地层侧摩阻力测量装置，其中所述的摩擦板四周与下箱体之间设有防水胶条。
前述的黏土地层侧摩阻力测量装置，其中所述的防护板下端内侧设有导向槽，刮板外侧与所述导向槽移动连接。
前述的黏土地层侧摩阻力测量装置，其中所述的凹槽内安装钢板。
一种黏土地层侧摩阻力测量装置的测量方法，其特征在于包括以下步骤：
一)测量前，先对测量机构进行标定：
a)在摩擦板的凹槽中部垂直固定吊耳，然后将整个测量机构卧放在测试平台的钢板上，测量机构两端通过卡扣固定，拉压传感器通过导线与测试仪连接；
b)在测试平台一端的支座上安装定滑轮，定滑轮顶部的凹槽面距离测试平台的高度与吊耳的吊孔中心距离测试平台的高度相同，同时将侧绳上端固定在吊耳的吊孔上，侧绳中部绕过定滑轮的凹槽，侧绳下端上固设挂钩；
c)以5000Pa为单位压强，设摩擦板外侧面的面积为A3，通过计算可得一个压力值,将所述压力值换算成重量单位得到标定重量G0；
d)在挂钩上挂重量为G0的砝码，摩擦板在砝码重力的作用下向定滑轮方向移动，此时拉压传感器受拉，测试仪的读数为F1，在挂钩上挂重量为2G0的砝码，对应测试仪的读数为F2，在挂钩上挂重量为3G0的砝码，对应测试仪的读数为F3，以此类推，直至测试仪的读数达到地勘资料上侧摩阻力特征值的三倍，从而得到多组砝码重量与测试仪读数对应的数据，将多组数据制成标定表；
e)割除吊耳，在摩擦板凹槽内浇筑混凝土层；
二)标定完成后进行侧摩阻力的测量：
1)将黏土刮除机构和测量机构进行组装，组装完成后，读取测试器的初始读数为N0；
2)将组装好的黏土地层侧摩阻力测量装置预埋进混凝土，与沉井基础成为一个整体，启动液压油缸，通过刮板刮除摩擦板上的土体，然后收回刮板，将沉井基础在地层中下沉，此时摩擦板受到持续向上的摩擦力，摩擦板相对下箱体向上产生位移，同时通过传力块将持续向上的摩擦力传递给拉压传感器，此时测试器的读数为N1，N1—N0即为测得的侧摩阻力；
3)将N1—N0与步骤d)中的标定表进行对照，找到对应的砝码重量，即可查找到相应的侧摩阻力值，即为最终测得的侧摩阻力值，若表中无对应砝码重量和侧摩阻力值，则采用插值法确定；
三)通过以下公式验证N1—N0与通过标定表最终测得的侧摩阻力值的误差：
其中，E1为拉压传感器的弹性模量；
A1为拉压传感器的横截面积；
L为拉压传感器的长度；
ΔL为下沉时摩擦板相对下箱体的位移；
fs为土体与摩擦板板之间的摩阻力；
A3为摩擦板外侧面的面积；
E2为防水胶条的弹性模量；
h1为防水胶条的厚度；
l1为摩擦板的高度；
l2为摩擦板的宽度；
d1为摩擦板上下侧与下箱体上下侧之间的预留间隙；
d2为摩擦板横向两侧与下箱体横向两侧之间的预留间隙；
将土压力传感器和本装置联合使用，测得侧壁土压力为σ，则沉井基础与本装置所在土层摩擦系数可以按照下式计算：
本发明结构简单紧凑，体积小，成本低，测量方法简便，可精确测量不同深度各土层的侧壁摩阻力值，同时还能解决黏土地层土体包裹式下沉时侧摩阻力的测试，实用性强，适用于各种地层沉井基础和压入式桩基础下沉过程中侧摩阻力的监测。本发明先标定再测量，可对测量结果进行修正，避免测量过程中产生的误差，测量结果精确。其中，在黏土地层下沉时可通过刮板上下移动切除摩擦板上粘附的土体，不仅使摩擦板与土层之间可以相对滑动，避免包裹式下沉，保证测量工作顺利进行，同时还可保证测量结果的准确性，防护板可抵挡刮板外侧的水土压力。传力块将摩擦板受到的摩擦力传递给拉压传感器，拉压传感器将受力信号传递给外部的测试器，最后通过测试器的读数与初始读数的差值，对照标定表即可得到最终的侧摩阻力值，和压力传感器联合使用还可通过公式换算得到不同土层的摩擦系数。摩擦板外侧设置凹槽，凹槽内安装钢板或浇筑混凝土层，可根据基础表面材质进行灵活替换，保持材料的一致性。拉压传感器设置在密封箱体中，使用寿命长。
本发明的优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释，这些实施例，是参照附图仅作为例子给出的。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的右视图；
图3是本发明测量机构的标定状态结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明包括黏土刮除机构1和焊接固定在黏土刮除机构1下侧的测量机构2。黏土刮除机构1包括一侧敞开的上箱体11、千斤顶12、连接杆13、齿轮14、两个锯齿板15、刮板16和防护板17，千斤顶 12焊接固定在上箱体11顶部，由液压油缸驱动，连接杆13的上端与千斤顶 12的顶杆焊连，齿轮14铰接在连接杆13的下端上，齿轮14的两侧分别与两个锯齿板15啮合，左侧锯齿板15焊接在上箱体11的内侧中部，右侧锯齿板 15设置在上箱体11的开口侧顶部，刮板16设置在右侧锯齿板15的下侧，其顶部与右侧锯齿板15的底部焊连，刮板16下端贴合在测量机构2的摩擦板 25外侧面上，防护板17的下端内侧设有导向槽171，刮板16的外侧可沿导向槽171上下移动，防护板17通过卡槽固定在上箱体11的开口侧上。刮板 16的长度与摩擦板25的长度接近，保证刮板16下移时可完全切除摩擦板上的黏土。
测量机构2包括一侧敞开的下箱体21、拉压传感器22、传力块23、滑轨 24和摩擦板25，拉压传感器22焊接或通过螺栓固定在下箱体21顶部，拉压传感器22上的导线通过接线保护管接出，与测试器连接，接线保护管可采用金属管、PVC管等建筑管材，延伸至基础顶面，传力块23通过螺栓固定在拉压传感器22的底部。滑轨24包括滑槽241、多个滚珠242和滑轨面板243，滑槽241焊接在下箱体21的内侧上，多个滚珠242设置在滑槽241内，滑轨面板243支撑在多个滚珠242上，可沿多个滚珠242上下滚动，滑轨24可使摩擦板25受到的滑动摩擦力无损地传递给拉压传感器22，摩擦板25设置在下箱体21的开口侧，传力块23的左侧与滑轨面板243焊连，传力块23的右侧与摩擦板25的内侧焊连或通过卡槽连接。摩擦板25的上下侧与下箱体21 的上下侧间的预留间隙大于拉压传感器22的额定变形，保证测量过程中摩擦板25不会与下箱体21刚性接触。摩擦板25四周与下箱体21之间设有防水胶条26，防水胶条26可采用橡胶、聚丙烯胶、粘弹体等防水材料制成。传力块23和摩擦板25采用耐久性好、刚度大的钢材等金属材质。摩擦板25包括钢板251和混凝土层252，传力块23与钢板251的内侧焊连，钢板251的外侧设有凹槽，凹槽内浇注混凝土层252，或安装钢板，根据基础表面材质进行灵活替换，与基础表面材料相同。
其中上箱体11和下箱21体均采用金属板围合而成，二者焊接或螺接，周围浇筑混凝土，与沉井基础结构成为一个整体，上箱体11和下箱体21的开口侧朝外，在浇筑混凝土结构时，保证摩擦板25的外侧面与混凝土结构侧面平齐。
一种黏土地层侧摩阻力测量装置的测量方法，其特征在于包括以下步骤：
一)如图3所示，测量前，先对测量机构2进行标定：
a)在摩擦板25的凹槽中部垂直固定吊耳3，然后将整个测量机构2卧放在测试平台的钢板4上，测量机构2两端通过卡扣固定，拉压传感器22通过导线与测试仪连接；
b)在测试平台一端的支座5上安装定滑轮6，定滑轮6顶部的凹槽面距离测试平台的高度与吊耳3的吊孔中心距离测试平台的高度相同，同时将测绳7 的上端固定在吊耳3的吊孔上，测绳7的中部绕过定滑轮6的凹槽，测绳7 的下端上固设挂钩8；
c)以5000Pa为单位压强，设摩擦板25外侧面的面积为A3，通过计算可得一个压力值,将所述压力值换算成重量单位得到标定重量G0；
d)在挂钩8上挂重量为G0的砝码，摩擦板25在砝码重力的作用下向定滑轮6方向移动，此时拉压传感器22受拉，测试仪的读数为F1，在挂钩8上挂重量为2G0的砝码，对应测试仪的读数为F2，在挂钩8上挂重量为3G0的砝码，对应测试仪的读数为F3，以此类推，直至测试仪的读数达到地勘资料上侧摩阻力特征值的三倍，从而得到多组砝码重量与测试仪读数对应的数据，将多组数据制成标定表；
e)割除吊耳3，在摩擦板25的凹槽内浇筑混凝土层252；
二)标定完成后进行侧摩阻力的测量：
1)将黏土刮除机构1和测量机构2进行组装，组装完成后，读取测试器的初始读数为N0；
2)将组装好的黏土地层侧摩阻力测量装置预埋进混凝土，与沉井基础成为一个整体，启动液压油缸，千斤顶12的顶杆向下伸出，顶杆推动连接杆13 向下移动，连接杆13带动齿轮14沿左侧锯齿板15向下滚动，同时齿轮14 带动右侧锯齿板15下移，右侧锯齿板15推动刮板16下移，从而刮除摩擦板 25上的土体，液压油缸卸载，千斤顶12的顶杆向上收缩，刮板16上移收回。此时将沉井基础在地层中下沉，使摩擦板25与土层之间相对滑动，由于摩擦板25的外侧面受到持续向上的滑动摩擦力，摩擦板25相对下箱体21向上产生位移，同时通过传力块23将持续向上的滑动摩擦力传递给拉压传感器22，拉压传感器22受压，此时测试器的读数为N1，N1—N0即为测得的侧摩阻力，沉井基础下沉过程中，若摩擦板25上粘附了黏土，可将刮板16下移刮除后收回；
3)将N1—N0与步骤d)中的标定表进行对照，找到对应的砝码重量，即可查找到相应的侧摩阻力值，即为最终测得的侧摩阻力值，若表中无对应砝码重量和侧摩阻力值，则采用插值法确定；
三)通过以下公式验证N1—N0与通过标定表最终测得的侧摩阻力值的误差：
其中，E1为拉压传感器22的弹性模量；
A1为拉压传感器22的横截面积；
L为拉压传感器22的长度；
ΔL为下沉时摩擦板25相对下箱体21的位移；
fs为土体与摩擦板25之间的摩阻力；
A3为摩擦板25外侧面的面积；
E2为防水胶条26的弹性模量；
h1为防水胶条26的厚度；
l1为摩擦板25的高度；
l2为摩擦板25的宽度；
d1为摩擦板25的上下侧与下箱体21的上下侧之间的预留间隙；
d2为摩擦板25的横向两侧与下箱体21的横向两侧之间的预留间隙；
将土压力传感器和本装置联合使用，测得侧壁土压力为σ，则沉井基础与本装置所在土层摩擦系数可以按照下式计算：
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。
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