壁樁框架結(jié)構(gòu)土壓力盒新型埋設(shè)工藝

黃輝 梁穎君 李驊庚 吳婷婷 李紅益 全鵬

（湖南勞動(dòng)人事職業(yè)學(xué)院質(zhì)量與信息技術(shù)系 湖南長沙 410100）

1 概述

建國以來，經(jīng)歷幾次大型的建設(shè)碼頭的高潮，使得大量優(yōu)良岸線已大部分被使用，自然環(huán)境和建設(shè)條件相對惡劣的岸線不能適應(yīng)傳統(tǒng)典型碼頭的建設(shè)，因此提出碼頭新型結(jié)構(gòu)已成必然。港航公司研發(fā)出壁樁框架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅地基適應(yīng)性強(qiáng)、預(yù)制度高、施工簡便、砂石用量少，還能作為后期防波堤、護(hù)岸工程[1-3]的主體結(jié)構(gòu)。

壁樁框架結(jié)構(gòu)[4-5]作為應(yīng)用于碼頭的新結(jié)構(gòu)，前期做了大量的學(xué)術(shù)研究與仿真有限元分析，但是現(xiàn)場實(shí)際施工受力數(shù)據(jù)極其缺乏，因此須對使用壁樁框架結(jié)構(gòu)的工程進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與分析，以便進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化，收集工程實(shí)施階段與使用階段壁樁框架的受力情況，壁樁框架中鋼筋應(yīng)力、樁體垂直度以及框架受到的側(cè)向土壓力對壁樁框架的受力情況有著至關(guān)重要的作用。因此必須收集實(shí)際工程中壁樁框架結(jié)構(gòu)的受力數(shù)據(jù)。

鋼筋應(yīng)力計(jì)與樁體測斜雖然應(yīng)用于不同工程，但是安裝方法大同小異，而側(cè)向土壓力盒安裝不僅依賴于結(jié)構(gòu)表面，而且與工程地質(zhì)條件關(guān)系密切，結(jié)構(gòu)形式與環(huán)境不同安裝方式也會(huì)有顯著區(qū)別，且埋設(shè)時(shí)可能產(chǎn)生“埋設(shè)效應(yīng)”，以及“剛度匹配”和“土拱效應(yīng)”等問題，會(huì)大大降低所得數(shù)據(jù)精確度。因此以往結(jié)構(gòu)土壓力盒的固定方式不能直接適用于壁樁框架結(jié)構(gòu)，本文將詳細(xì)闡述壁樁框架結(jié)構(gòu)土壓力盒的安裝方法，為壁樁框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與推廣提供準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 土壓力盒簡介

壓力盒分為應(yīng)變片式和鋼弦式兩類。在電阻應(yīng)變壓力盒內(nèi)開設(shè)有環(huán)形凹槽形成環(huán)形彈性膜片，在彈性膜片上敷有電阻應(yīng)變片，在盒體外側(cè)連接設(shè)有承載板，承載板內(nèi)側(cè)與盒體外側(cè)呈間隙配合，具有抗沖擊壓力和抗超載壓力能力。而鋼弦式土壓力盒，金屬薄膜內(nèi)表面的兩個(gè)支架張拉著一根鋼弦，當(dāng)薄膜承受壓力而發(fā)生撓曲時(shí)，鋼弦發(fā)生變形，而使其自振頻率相應(yīng)變化。根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的鋼弦頻率與薄膜盒面所受壓力之間的關(guān)系，便可求得壓力值。

鋼弦式孔隙水壓力計(jì)主要是一根鋼弦，一端固定于承壓膜片中心處，另一端固定于鋼弦架上，電磁線圈激振和感應(yīng)頻率信號。土孔隙中的有壓水通過透水石匯集到承壓腔，作用于承壓膜片上。膜片中心產(chǎn)生撓曲引起鋼弦的應(yīng)力發(fā)生變化，鋼弦的自振頻率隨之變化。

3 現(xiàn)階段土壓力盒安裝注意事項(xiàng)

3.1 土壓力盒埋設(shè)時(shí)應(yīng)符合下列要求

土壓力計(jì)埋設(shè)于土壓力變化的部位即壓力曲線變化處，用于監(jiān)測界面土壓力。土壓力計(jì)水平埋設(shè)間距原則上為盒體間距的3倍以上（≥0.6m），垂直間距與水平間距同，土壓力計(jì)的受壓面須面對欲測量的土體。

埋設(shè)前檢查土壓力計(jì)確保儀器完好，按設(shè)計(jì)要求接長電纜，做好編號。埋設(shè)時(shí)應(yīng)注意土壓力計(jì)的受力感應(yīng)板應(yīng)對著土體，背板應(yīng)緊靠在結(jié)構(gòu)物上。

土壓力計(jì)背板與結(jié)構(gòu)物應(yīng)填充密實(shí)，不能留有縫隙；土壓力計(jì)的受力感應(yīng)板與土體之間也應(yīng)緊密接觸，不能留有縫隙。安裝就位后的土壓力計(jì)初測值應(yīng)大于埋設(shè)前自由狀態(tài)讀數(shù)，即就位后的土壓力計(jì)應(yīng)在受壓狀態(tài)。

3.2 孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)時(shí)應(yīng)符合下列要求

（1）孔隙水壓力計(jì)應(yīng)浸泡飽和，排除透水石中的氣泡。

（2）保持孔隙水壓力計(jì)豎向垂直，透水石與監(jiān)測面處于同一水平面。

（3）透水石周圍用透水材料保護(hù)避免被硬物磕碰損壞。

（4）當(dāng)埋設(shè)多個(gè)孔隙水壓力計(jì)時(shí)，其間隔不應(yīng)小于1m。

4 壁樁框架結(jié)構(gòu)土壓力監(jiān)測

由港航公司研發(fā)的壁樁框架結(jié)構(gòu)作為新型碼頭結(jié)構(gòu)，適用于各種條件碼頭建設(shè)，此類新型結(jié)構(gòu)現(xiàn)階段屬于拓展市場階段，隨著結(jié)構(gòu)的實(shí)踐與結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，將廣泛應(yīng)用于市場，由于壁樁框架結(jié)構(gòu)屬于新型結(jié)構(gòu)，沒有可以借鑒的土壓力盒埋設(shè)方法，因此需要根據(jù)壁樁框架結(jié)構(gòu)形式以及框架安裝地質(zhì)水位條件來設(shè)計(jì)土壓力盒安裝方法，確保土壓力盒收集側(cè)向土壓力數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使用的耐久性。

5 土壓力盒安裝

5.1 結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)框架受力特性，設(shè)計(jì)在框架后側(cè)柱上安裝土壓力盒，每根柱子安裝5個(gè)土壓力盒，土壓力盒豎向間距為1.5m。

頂部與底部土壓力盒位于連系梁預(yù)應(yīng)力封錨處，上部封錨混凝土突出柱平面20cm，下部封錨混凝土突出柱子平面60cm，且土壓力盒在框架預(yù)制且預(yù)應(yīng)力張拉完后安裝，因此需要一些輔材加以固定，由于本工程測得土壓力包括水壓力，因此需在土壓力盒同一平面安裝孔隙水壓力計(jì)，用于側(cè)向土壓力值修正。

5.2 輔材選擇

本工程在壁樁框架安裝完畢后在框架陸側(cè)直接吹填泥沙，泥沙側(cè)向荷載將直接作用與框架后側(cè)，假如直接將土壓力不加以保護(hù)的固定于框架后側(cè)，流動(dòng)泥沙將使得土壓力盒偏移設(shè)計(jì)軸線，甚至擠出框架柱表面，導(dǎo)致土壓力盒受力感應(yīng)板不能正對監(jiān)測介質(zhì)，線纜過度牽扯也會(huì)破壞儀器，最終使得儀器不能收集到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)或者損壞，因此選用植筋膠、AB膠、14a槽鋼、鋼管、φ8短鋼筋、6mm厚鋼板作為土壓力安裝輔材。

5.3 輔材拼裝

（1）以 8m 框架中柱為例，將槽鋼截?cái)酁?1.5m、2m、3m、0.7m、0.6m、0.2m長度，將6mm鋼板切成120mm×120mm方形、7根φ8長120mm短鋼筋，5個(gè)內(nèi)徑約為60mm，長約為300mm的鋼管。

（2）以1.5m槽鋼中軸線0.5m位置為圓心切出直徑為120mm的圓，同樣以2m槽鋼中軸線1m位置為圓心、以3m槽鋼中軸線1m、2.5m位置為圓心、以0.7m槽鋼中軸線0.2m位置為圓心切出直徑為120mm的圓，這些圓孔將作為土壓力盒受力感應(yīng)板外露面。在圓的上方切出20mm×20mm的缺口用于走線，圓的上方300mm處將槽鋼腿部切出20mm×20mm用于孔隙水壓力走線。

（3）在2m槽鋼一端切出長120mm×寬60mm的切口，3m槽鋼起始端切出長120mm×寬60mm的切口，便于轉(zhuǎn)角處引線。在槽鋼內(nèi)壁一定距離均勻焊接短鋼筋用于豎向固定線纜。

（4）將方形鋼板表面打磨干凈，鋼板中心與圓心位于一條直線上，與槽鋼內(nèi)表面間距一個(gè)土壓力盒厚度焊接于槽鋼內(nèi)。將鋼管一端與槽鋼腿部切口對齊，一端于槽鋼圓形切口對齊，并在槽鋼腿部切口對應(yīng)位置鉆孔，便于孔隙水壓力計(jì)與土壓力計(jì)線纜集中固定。焊接冷卻之后，利用AB膠，將土壓力計(jì)與鋼板粘結(jié)，土壓力盒受力感應(yīng)板面朝外，與土體直接接觸，受力感應(yīng)板面與槽鋼外表面處于同一平面。

（5）從框架底部向上均勻布局植筋，在槽鋼對應(yīng)位置焊接固定鋼片，利用螺栓固定。

（6）先安裝框架最下部土壓力盒，0.7m與0.6m長槽鋼相連，0.6m槽鋼用于底部封錨凸出框架柱部分，固定好后，利用螺栓固定槽鋼。

（7）向上固定3m槽鋼，3m槽鋼切口向下，固定前將底部線纜引至上部，并利用扎絲將線纜與短鋼筋固定，利用螺栓固定槽鋼，再向上固定2m槽鋼，2m槽鋼切口向上，最后將1.5m槽鋼與0.2m槽鋼相連，0.2槽鋼用于上部封錨轉(zhuǎn)角處，擰緊固定槽鋼螺栓，最后將線纜引至框架頂部，安裝完畢。

6 結(jié)論

（1）槽鋼與鋼管有效避免了在框架安裝、管樁下沉以及回填泥沙過程中，泥沙對土壓力盒與孔隙水壓力計(jì)擠壓損壞，同時(shí)將儀器線纜沿槽鋼內(nèi)壁集中于框架頂部，減少外界因素對線纜這一薄弱環(huán)節(jié)的損壞。

（2）槽鋼等輔材構(gòu)件均在工作區(qū)焊接完成后再在框架上安裝，不影響框架原有結(jié)構(gòu)構(gòu)造與預(yù)制。

（3）槽鋼與框架通過植筋連接并用螺栓固定，連接方便且操作簡單。

（4）利用預(yù)設(shè)好槽鋼和鋼管位置來準(zhǔn)確固定土壓力盒與孔隙水壓力位置，保證兩者處于需要監(jiān)測的同一水平面，有效提高了收集數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。

（5）在槽鋼內(nèi)焊接方形鋼片作為土壓力盒的背板，不僅為土壓力盒提供了后部支撐，還保證受力感應(yīng)板面與外界介質(zhì)平整接觸，減小數(shù)據(jù)收集誤差。

（6）槽鋼與鋼管的有效保護(hù)極大提高了土壓力使用壽命與收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從經(jīng)濟(jì)性與監(jiān)測使用性都值得廣泛應(yīng)用與推廣。