沉井側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置設(shè)計及應(yīng)用研究

肖 靖, 曾旭濤, 李嘉成, 陳培帥, 李德杰, 3

(1. 中交第二航務(wù)工程局有限公司, 湖北 武漢 430040; 2. 長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430040; 3. 河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所, 江蘇 南京 210098)

0 引言

沉井作為基礎(chǔ)形式,具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、承載力高等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于橋梁、港口、地鐵等工程建設(shè)中。沉井下沉過程中側(cè)摩阻力的大小和分布規(guī)律是下沉阻力研究中的主要內(nèi)容之一,同時能夠明確側(cè)摩阻力以及端阻力的占比,為沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計、下沉過程中助沉措施的制定、突沉和翻砂等預(yù)警提供可靠依據(jù)[1-2]。

目前,沉井側(cè)摩阻力一般參考地質(zhì)勘查給出的側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值,或通過獲取側(cè)壁土壓力,然后由側(cè)壁土壓力乘以摩擦因數(shù)得到側(cè)摩阻力[3-5]。朱勁松等[6]通過現(xiàn)場監(jiān)測沉井側(cè)壁土壓力求得側(cè)摩阻力,并得出隨著入土深度的增加,側(cè)摩阻力與入土深度的關(guān)系曲線逐漸由線性變?yōu)槎螔佄锞€形式。施洲等[7]開展了沉井側(cè)摩阻力現(xiàn)場試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)入土深度較大時,實(shí)測側(cè)摩阻力值大于理論計算值。穆保崗等[8]、朱建民等[9]依托南京長江四橋北錨沉井,通過監(jiān)測沉井下沉?xí)r側(cè)壁土壓力、井壁與土層的摩擦因數(shù),得到了沉井側(cè)摩阻力分布規(guī)律。在土與混凝土界面摩擦特性方面,Tehrani等[10]通過室內(nèi)模型試驗(yàn),得到混凝土表面粗糙度和土體的密實(shí)度制約著側(cè)摩阻力的發(fā)揮; Llori等[11]研究發(fā)現(xiàn),對于土-混凝土界面,法向壓力影響著界面摩擦因數(shù)的取值,結(jié)構(gòu)表面形態(tài)是影響土-結(jié)構(gòu)界面摩擦因數(shù)的重要因素; 李夢瑤等[12]研究了不同含水率條件下粉土與混凝土界面的剪切力學(xué)特性,得到其界面剪切強(qiáng)度隨著含水率的增大而逐漸減小,隨著法向應(yīng)力的增大呈線性增大的規(guī)律。目前關(guān)于沉井下沉?xí)r側(cè)摩阻力的研究已取得顯著成果,然而,地質(zhì)勘查給出的側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值是針對某一類土層的,實(shí)際工程地質(zhì)條件復(fù)雜,采用此方法無法真實(shí)獲取沉井下沉側(cè)摩阻力; 另外,由于巖土特性及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,側(cè)摩阻力發(fā)揮機(jī)制復(fù)雜,界面摩擦因數(shù)實(shí)測難度大[13],導(dǎo)致通過側(cè)壁土壓力和摩擦因數(shù)獲得的側(cè)摩阻力與實(shí)際存在一定差異[14-15]。

為此,針對沉井側(cè)摩阻力無法直接獲取的問題,本文設(shè)計一套新型的側(cè)摩阻力直接監(jiān)測裝置,并在哈爾濱某沉井工程中進(jìn)行應(yīng)用,以驗(yàn)證裝置的可靠性。

1 側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置構(gòu)造及測試原理

1.1 側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置基本構(gòu)造

在巖土工程試驗(yàn)中,三軸試驗(yàn)、環(huán)剪試驗(yàn)及直剪試驗(yàn)等均以特征剪切面的平均剪應(yīng)力值代表某一點(diǎn)的剪應(yīng)力。本文基于這個思路研制了側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置,其由箱體、基座、傳力體、反力柱、拉壓傳感器、密封體等部分組成,如圖1所示。該裝置外輪廓尺寸為10 cm(長)×10 cm(寬)×8 cm(高)。箱體、基座、傳力體均為硬質(zhì)金屬材料,密封體采用柔性防水密封材料; 傳力體與箱體頂部預(yù)留一定間隙,防止剪切力作用時傳力體與箱體發(fā)生接觸,對應(yīng)力值測定產(chǎn)生影響。

(a) 三維結(jié)構(gòu)示意圖(單位: cm)

1.2 拉壓傳感器工作原理及尺寸選擇

1.2.1 拉壓傳感器工作原理

側(cè)摩阻力裝置中的拉壓傳感器為S形測力單元,應(yīng)變片的貼片位置與懸臂梁結(jié)構(gòu)相同。為了監(jiān)測S形測力單元受力后產(chǎn)生的應(yīng)變,將彈性元件的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。同時,為了提升傳感器的靈敏度,剔除溫度影響,粘貼4個應(yīng)變片構(gòu)成電阻應(yīng)變?nèi)珮?。拉壓傳感器示意如圖2所示。

(a) S形測力單元

將S形測力單元等效為一端固定、一端懸臂的閉合框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析,即在平行梁端部作用1個集中力F和1個逆時針的彎矩1/2Fl。其結(jié)構(gòu)力學(xué)模型可簡化為單跨超靜定剛架,將剛架沿水平方向?qū)ΨQ切開,有3對多余未知力,1對剪力X1,1對軸力X2,1對彎矩X3,該超靜定結(jié)構(gòu)基本受力體系如圖3所示。

圖3 超靜定結(jié)構(gòu)基本受力體系

為求解3個未知力,建立方程如式(1)所示。

(1)

式中:δij(i,j=1,2,3)為Xj是單位值時引起的對應(yīng)于Xi的廣義位移;Δip為荷載p引起的對應(yīng)于Xi的廣義位移。

該方程可表示為矩陣方程,如式(2)所示。

(2)

(3)

式中:JS為水平梁截面抗彎系數(shù);JH為垂直梁截面抗彎系數(shù)。

(4)

(5)

平行梁端彎矩為:

(6)

式中K=lJH/(HJS)。

當(dāng)JH比JS大得多時,即K很大,彎矩零點(diǎn)趨于平行梁中心,則有

(7)

式中:εi(i=1,2,3,4)為應(yīng)變片微應(yīng)變值;E為彈性模量。

全橋輸出電壓

(8)

式中:R1=R2=R3=R4=R; ΔRi=R·G·εi(G為應(yīng)變片的靈敏系數(shù))。

(9)

建立側(cè)摩阻力與輸出電壓的關(guān)系:

(10)

式中:fs為側(cè)摩阻力;α為密封后傳感器的修正系數(shù);A為監(jiān)測裝置側(cè)摩阻力感測面面積。

1.2.2 拉壓傳感器尺寸選擇

為了滿足大型沉井側(cè)摩阻力監(jiān)測所需量程,側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置最大量程設(shè)置為200 kPa,根據(jù)側(cè)摩阻力感測面尺寸,拉壓傳感器所受最大拉壓力為980 N。拉壓傳感器平行梁厚度和長度與梁端應(yīng)變、最大應(yīng)力的關(guān)系曲線分別如圖4和圖5所示。由圖可知,平行梁的厚度越小、長度越大,彈性元件在荷載作用下微應(yīng)變越大,即傳感器越靈敏,但是最大應(yīng)力σmax會增大,傳感器可能達(dá)到屈服狀態(tài)。為了滿足傳感器大量程、高精度需求,確定l=14 mm,h=3 mm,b=10 mm,H=19 mm。側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置如圖6所示。

圖4 拉壓傳感器平行梁厚度和長度與梁端應(yīng)變的關(guān)系曲線

圖5 拉壓傳感器平行梁厚度和長度與最大應(yīng)力的關(guān)系曲線

(a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 (b) 側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置

1.3 測試原理

1)在現(xiàn)場監(jiān)測時,將側(cè)摩阻力傳感器埋設(shè)于沉井側(cè)壁處,可以根據(jù)工程實(shí)際情況將其固定于外模或者井壁內(nèi)鋼筋上,待澆筑井壁混凝土后側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置與沉井井壁界面平齊,感受側(cè)摩阻力。

2)通過傳力體將側(cè)摩阻力傳至拉壓傳感器,由于反力柱約束拉壓傳感器,導(dǎo)致拉壓傳感器發(fā)生微小彈性變形,引起應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變,最終引起應(yīng)變片電阻發(fā)生變化。

3)通過解調(diào)設(shè)備檢測的電信號變化解調(diào)出對應(yīng)的側(cè)摩阻力值信號,實(shí)現(xiàn)側(cè)摩阻力的測量。

2 密封材料選取

側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置經(jīng)常處于高水土壓力環(huán)境,為保證側(cè)摩阻力測試結(jié)果不受影響,需對傳感器進(jìn)行密封。本文采用有限元軟件建立監(jiān)測裝置及密封材料計算模型,研究裝置與密封材料組合剛度對傳感器應(yīng)變傳遞系數(shù)的影響。

2.1 模型建立

有限元計算模型如圖7所示。傳感器中S形測力單元通過反力柱固定在殼體內(nèi)部,因此彈性體與反力柱均采用固定約束。另外,允許傳力體發(fā)生切向位移,在傳力體底部采用法向約束等效考慮。由于側(cè)摩阻力傳遞受彈性體和密封材料2種傳力介質(zhì)影響,因此傳感器受力特性與密封材料和彈性體的彈性模量比有關(guān)(Es/Eg)。其中,傳感器彈性體屬于彈性結(jié)構(gòu),采用結(jié)構(gòu)力學(xué)來計算彈性體等效模量Eg。為分析不同彈性模量比對傳感器應(yīng)變傳遞系數(shù)的影響,分別對密封材料彈性模量為0.5、1.0、2.0、5.0、10.0 MPa以及傳感器未密封時的6種工況進(jìn)行計算,計算工況如表1所示。

表1 數(shù)值計算工況

圖7 有限元計算模型

2.2 數(shù)值計算結(jié)果

密封材料與彈性體彈性模量比與應(yīng)變的關(guān)系曲線如圖8所示。由圖可知,在沒有密封材料時,拉壓傳感器平行梁端應(yīng)變?yōu)? 336 με,隨著密封材料彈性模量的增加,即隨著Es/Eg的增加,平行梁端最大應(yīng)變逐漸減小。當(dāng)Es/Eg=0.012 5(Es=0.5 MPa)時,平行梁端應(yīng)變?yōu)槲疵芊鈺r應(yīng)變的90%,即封裝后應(yīng)變損失10%; 當(dāng)Es/Eg=0.025(Es=1.0 MPa)時,封裝后應(yīng)變損失19%; 當(dāng)Es/Eg=0.25(Es=10 MPa)時,封裝后應(yīng)變損失達(dá)到65%。因此,提升傳感器的靈敏度,選擇合適的密封材料是關(guān)鍵。

εx為不同密封材料封裝后的平行梁端應(yīng)變; ε0為沒有密封材料時的平行梁端應(yīng)變。

常用的密封材料及參數(shù)如表2所示。根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果可知: 采用硅酮結(jié)構(gòu)膠密封后應(yīng)變損失為10%; 采用橡膠密封后應(yīng)變損失為50%～65%。故選擇彈性模量最小的硅酮結(jié)構(gòu)膠作為密封材料,其對傳感器靈敏度影響最小。

表2 常用的密封材料及參數(shù)

2.3 密封材料效果檢驗(yàn)

側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置采用硅酮結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行密封,如圖9所示。

圖9 側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置密封實(shí)物圖

為了檢驗(yàn)側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置的密封效果,采用壓力桶對側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置密封性能進(jìn)行試驗(yàn)。將側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置浸于壓力桶中,采用空壓機(jī)對壓力桶進(jìn)行增壓,使得桶內(nèi)氣壓增大至0.7 MPa(等效于70 m水壓),在該壓力條件下靜置1個月。試驗(yàn)結(jié)果顯示,該裝置在高水壓條件下可正常監(jiān)測,具有良好的密封防水性能。

3 側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)

3.1 標(biāo)定裝置設(shè)計

為驗(yàn)證側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置的有效性,在大型直剪儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計及改裝,實(shí)現(xiàn)側(cè)摩阻力精準(zhǔn)標(biāo)定,標(biāo)定系統(tǒng)如圖10所示。標(biāo)定系統(tǒng)由大型直剪儀、大型直剪儀控制系統(tǒng)、變送器、傳感器與采集端連接線及側(cè)摩阻力傳感器采集軟件組成。

圖10 側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置標(biāo)定系統(tǒng)

考慮到標(biāo)定需要驗(yàn)證傳感器正壓力和側(cè)摩阻力的解耦有效性,采用法向和水平向加載控制系統(tǒng),利用法向力和水平向力傳力機(jī)構(gòu)及側(cè)摩阻力傳感器實(shí)現(xiàn)法向壓力和水平力定量加載,標(biāo)定系統(tǒng)傳力機(jī)構(gòu)如圖11所示。加載過程中需要保持剪切力恒定,故采用剪切蠕變模式進(jìn)行加載。通過大型直剪儀控制系統(tǒng)讀取法向加載力和水平向加載力,利用信號采集系統(tǒng)獲得傳感器電信號,然后以電信號為橫坐標(biāo),以水平剪切力為縱坐標(biāo),進(jìn)行曲線擬合,得到輸出電信號與側(cè)摩阻力的關(guān)系,即為側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置的標(biāo)定函數(shù)。本次試驗(yàn)分別在法向壓力為30、50、100、200、300 kPa的條件下進(jìn)行3次加載。

圖11 標(biāo)定系統(tǒng)傳力機(jī)構(gòu)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

不同法向壓力加載條件下側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置標(biāo)定曲線如圖12所示。

(a) 法向壓力30 kPa

由圖12可知,側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置加載過程表現(xiàn)為明顯的線性特性,重復(fù)性較好,且不同法向壓力加載下曲線的一致性較好,線性擬合系數(shù)R2均大于0.99,表現(xiàn)出穩(wěn)定的傳感器特性。法向壓力分別為30、50、100、200、300 kPa時監(jiān)測裝置的靈敏系數(shù)分別為3.435 8、3.502 4、3.379 5、3.054 2、3.421 5 mV/kPa,說明在不同正壓力條件下側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置仍具有較好的穩(wěn)定性,法向壓力對側(cè)摩阻力的耦合誤差較小。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 工程概況

哈爾濱某污水處理廠工程1#沉井為頂管接收井,沉井為圓形,直徑17 m,井高32.35 m,井壁厚1.5～1.8 m。沉井區(qū)域地層分布如表3所示。地下水類型為孔隙潛水,地下水初見水位埋深0.00～0.96 m,靜止水位埋深0.00～0.69 m。

表3 地層分布情況

4.2 傳感器安裝

沿著沉井壁分別布置3個土壓力盒和3個側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置,距離沉井刃腳端部分別為1、6、11 m,土壓力盒和側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置安裝在井壁同一高程位置,橫向間距為40 cm。監(jiān)測裝置布置示意如圖13所示。由于側(cè)摩阻力傳感器預(yù)埋在沉井外壁,其感測面需與井壁齊平,在下沉前采用水泥砂漿將感測面凹槽填滿; 通過布置在井壁內(nèi)的PVC管將導(dǎo)線引至沉井頂面?，F(xiàn)場安裝情況如圖14所示。

圖13 監(jiān)測裝置布置示意圖(單位: m)

圖14 現(xiàn)場安裝情況

4.3 監(jiān)測結(jié)果

4.3.1 側(cè)壁土壓力

由現(xiàn)場埋設(shè)的土壓力盒可以獲得沉井側(cè)壁土壓力,結(jié)果如圖15所示。由側(cè)壁土壓力實(shí)測數(shù)據(jù)可知,刃腳附近的土壓力在下沉前中期整體上隨著下沉深度的增加而變大,在下沉后期會出現(xiàn)逐漸減小的趨勢; 而離刃腳較遠(yuǎn)的土壓力呈現(xiàn)出一直增大的趨勢。側(cè)壁土壓力為0～131 kPa。

圖15 側(cè)壁土壓力與下沉深度的關(guān)系曲線

4.3.2 側(cè)摩阻力

由現(xiàn)場埋設(shè)的側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置可以獲得沉井側(cè)摩阻力,結(jié)果如圖16所示。由監(jiān)測結(jié)果可知,沉井側(cè)摩阻力為0～56 kPa,不同下沉深度處側(cè)摩阻力和側(cè)壁土壓力的分布規(guī)律基本一致,刃腳附近的側(cè)摩阻力隨著下沉深度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這是由于隨著沉井下沉深度的增加,刃腳附近土體向井內(nèi)流動,刃腳附近土壓力出現(xiàn)了應(yīng)力松弛的現(xiàn)象。這與Wang等[16]的研究成果一致。離刃腳較遠(yuǎn)的井壁側(cè)摩阻力隨著沉井下沉深度的增加逐漸增大。由以上分析可知,側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置監(jiān)測結(jié)果是合理的。

圖16 側(cè)摩阻力與下沉深度的關(guān)系曲線

5 結(jié)論與展望

針對沉井下沉施工過程中側(cè)摩阻力獲取難度大、精度低的問題,設(shè)計了一種側(cè)摩阻力直接監(jiān)測裝置,并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用,得到如下結(jié)論。

1)通過將拉壓傳感器簡化為閉合框架結(jié)構(gòu),推導(dǎo)了輸出電壓與側(cè)摩阻力的理論轉(zhuǎn)化公式,并通過計算分析確定了拉壓傳感器尺寸。

2)隨著密封材料彈性模量的增加,平行梁端最大應(yīng)變逐漸減小,應(yīng)變損失逐漸增大。當(dāng)采用硅酮結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行密封時,應(yīng)變損失為10%,對傳感器靈敏度影響最小。試驗(yàn)表明,監(jiān)測裝置在高水壓環(huán)境下可正常工作,能夠滿足工程需求。

3)采用改裝的大型直剪儀對側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置進(jìn)行標(biāo)定,不同法向壓力下加載曲線的一致性較好,線性擬合系數(shù)均大于0.99,裝置穩(wěn)定性好。

4)隨著下沉深度的增加,刃腳附近的側(cè)摩阻力先增大后減小,而離刃腳較遠(yuǎn)處的井壁側(cè)摩阻力呈現(xiàn)一直增大的趨勢,與側(cè)壁土壓力的分布規(guī)律基本一致,驗(yàn)證了側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置監(jiān)測結(jié)果的合理性。

后續(xù)可以對側(cè)摩阻力監(jiān)測裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,進(jìn)一步縮小其尺寸,擴(kuò)大應(yīng)用場景。