沉井側摩阻力監測裝置設計及應用研究

肖 靖, 曾旭濤, 李嘉成, 陳培帥, 李德杰, 3

(1. 中交第二航務工程局有限公司, 湖北 武漢 430040; 2. 長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室, 湖北 武漢 430040; 3. 河海大學巖土工程科學研究所, 江蘇 南京 210098)

0 引言

沉井作為基礎形式,具有強度高、穩定性好、承載力高等優點,被廣泛應用于橋梁、港口、地鐵等工程建設中。沉井下沉過程中側摩阻力的大小和分布規律是下沉阻力研究中的主要內容之一,同時能夠明確側摩阻力以及端阻力的占比,為沉井結構設計、下沉過程中助沉措施的制定、突沉和翻砂等預警提供可靠依據[1-2]。

目前,沉井側摩阻力一般參考地質勘查給出的側摩阻力標準值,或通過獲取側壁土壓力,然后由側壁土壓力乘以摩擦因數得到側摩阻力[3-5]。朱勁松等[6]通過現場監測沉井側壁土壓力求得側摩阻力,并得出隨著入土深度的增加,側摩阻力與入土深度的關系曲線逐漸由線性變為二次拋物線形式。施洲等[7]開展了沉井側摩阻力現場試驗,發現當入土深度較大時,實測側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,通過監測沉井下沉時側壁土壓力、井壁與土層的摩擦因數,得到了沉井側摩阻力分布規律。在土與混凝土界面摩擦特性方面,Tehrani等[10]通過室內模型試驗,得到混凝土表面粗糙度和土體的密實度制約著側摩阻力的發揮; Llori等[11]研究發現,對于土-混凝土界面,法向壓力影響著界面摩擦因數的取值,結構表面形態是影響土-結構界面摩擦因數的重要因素; 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特性,得到其界面剪切強度隨著含水率的增大而逐漸減小,隨著法向應力的增大呈線性增大的規律。目前關于沉井下沉時側摩阻力的研究已取得顯著成果,然而,地質勘查給出的側摩阻力標準值是針對某一類土層的,實際工程地質條件復雜,采用此方法無法真實獲取沉井下沉側摩阻力; 另外,由于巖土特性及結構的復雜性,側摩阻力發揮機制復雜,界面摩擦因數實測難度大[13],導致通過側壁土壓力和摩擦因數獲得的側摩阻力與實際存在一定差異[14-15]。

為此,針對沉井側摩阻力無法直接獲取的問題,本文設計一套新型的側摩阻力直接監測裝置,并在哈爾濱某沉井工程中進行應用,以驗證裝置的可靠性。

1 側摩阻力監測裝置構造及測試原理

1.1 側摩阻力監測裝置基本構造

在巖土工程試驗中,三軸試驗、環剪試驗及直剪試驗等均以特征剪切面的平均剪應力值代表某一點的剪應力。本文基于這個思路研制了側摩阻力監測裝置,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留一定間隙,防止剪切力作用時傳力體與箱體發生接觸,對應力值測定產生影響。

(a) 三維結構示意圖(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

側摩阻力裝置中的拉壓傳感器為S形測力單元,應變片的貼片位置與懸臂梁結構相同。為了監測S形測力單元受力后產生的應變,將彈性元件的應變轉換為電阻的變化。同時,為了提升傳感器的靈敏度,剔除溫度影響,粘貼4個應變片構成電阻應變全橋。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構進行受力分析,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。其結構力學模型可簡化為單跨超靜定剛架,將剛架沿水平方向對稱切開,有3對多余未知力,1對剪力X1,1對軸力X2,1對彎矩X3,該超靜定結構基本受力體系如圖3所示。

圖3 超靜定結構基本受力體系

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于Xi的廣義位移;Δip為荷載p引起的對應于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;JH為垂直梁截面抗彎系數。

(4)

(5)

平行梁端彎矩為:

(6)

式中K=lJH/(HJS)。

當JH比JS大得多時,即K很大,彎矩零點趨于平行梁中心,則有

(7)

式中:εi(i=1,2,3,4)為應變片微應變值;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為應變片的靈敏系數)。

(9)

建立側摩阻力與輸出電壓的關系:

(10)

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

1.2.2 拉壓傳感器尺寸選擇

為了滿足大型沉井側摩阻力監測所需量程,側摩阻力監測裝置最大量程設置為200 kPa,根據側摩阻力感測面尺寸,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變、最大應力的關系曲線分別如圖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變越大,即傳感器越靈敏,但是最大應力σmax會增大,傳感器可能達到屈服狀態。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。側摩阻力監測裝置如圖6所示。

圖4 拉壓傳感器平行梁厚度和長度與梁端應變的關系曲線

圖5 拉壓傳感器平行梁厚度和長度與最大應力的關系曲線

(a) 內部結構圖 (b) 側摩阻力監測裝置

1.3 測試原理

1)在現場監測時,將側摩阻力傳感器埋設于沉井側壁處,可以根據工程實際情況將其固定于外模或者井壁內鋼筋上,待澆筑井壁混凝土后側摩阻力監測裝置與沉井井壁界面平齊,感受側摩阻力。

2)通過傳力體將側摩阻力傳至拉壓傳感器,由于反力柱約束拉壓傳感器,導致拉壓傳感器發生微小彈性變形,引起應變片產生應變,最終引起應變片電阻發生變化。

3)通過解調設備檢測的電信號變化解調出對應的側摩阻力值信號,實現側摩阻力的測量。

2 密封材料選取

側摩阻力監測裝置經常處于高水土壓力環境,為保證側摩阻力測試結果不受影響,需對傳感器進行密封。本文采用有限元軟件建立監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變傳遞系數的影響。

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,允許傳力體發生切向位移,在傳力體底部采用法向約束等效考慮。由于側摩阻力傳遞受彈性體和密封材料2種傳力介質影響,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(Es/Eg)。其中,傳感器彈性體屬于彈性結構,采用結構力學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變傳遞系數的影響,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種工況進行計算,計算工況如表1所示。

表1 數值計算工況

圖7 有限元計算模型

2.2 數值計算結果

密封材料與彈性體彈性模量比與應變的關系曲線如圖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變為1 336 με,隨著密封材料彈性模量的增加,即隨著Es/Eg的增加,平行梁端最大應變逐漸減小。當Es/Eg=0.012 5(Es=0.5 MPa)時,平行梁端應變為未密封時應變的90%,即封裝后應變損失10%; 當Es/Eg=0.025(Es=1.0 MPa)時,封裝后應變損失19%; 當Es/Eg=0.25(Es=10 MPa)時,封裝后應變損失達到65%。因此,提升傳感器的靈敏度,選擇合適的密封材料是關鍵。

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

常用的密封材料及參數如表2所示。根據數值計算結果可知: 采用硅酮結構膠密封后應變損失為10%; 采用橡膠密封后應變損失為50%～65%。故選擇彈性模量最小的硅酮結構膠作為密封材料,其對傳感器靈敏度影響最小。

表2 常用的密封材料及參數

2.3 密封材料效果檢驗

側摩阻力監測裝置采用硅酮結構膠進行密封,如圖9所示。

圖9 側摩阻力監測裝置密封實物圖

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

3 側摩阻力監測裝置室內標定試驗

3.1 標定裝置設計

為驗證側摩阻力監測裝置的有效性,在大型直剪儀的基礎上進行設計及改裝,實現側摩阻力精準標定,標定系統如圖10所示。標定系統由大型直剪儀、大型直剪儀控制系統、變送器、傳感器與采集端連接線及側摩阻力傳感器采集軟件組成。

圖10 側摩阻力監測裝置標定系統

考慮到標定需要驗證傳感器正壓力和側摩阻力的解耦有效性,采用法向和水平向加載控制系統,利用法向力和水平向力傳力機構及側摩阻力傳感器實現法向壓力和水平力定量加載,標定系統傳力機構如圖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行加載。通過大型直剪儀控制系統讀取法向加載力和水平向加載力,利用信號采集系統獲得傳感器電信號,然后以電信號為橫坐標,以水平剪切力為縱坐標,進行曲線擬合,得到輸出電信號與側摩阻力的關系,即為側摩阻力監測裝置的標定函數。本次試驗分別在法向壓力為30、50、100、200、300 kPa的條件下進行3次加載。

圖11 標定系統傳力機構

3.2 試驗結果

不同法向壓力加載條件下側摩阻力監測裝置標定曲線如圖12所示。

(a) 法向壓力30 kPa

由圖12可知,側摩阻力監測裝置加載過程表現為明顯的線性特性,重復性較好,且不同法向壓力加載下曲線的一致性較好,線性擬合系數R2均大于0.99,表現出穩定的傳感器特性。法向壓力分別為30、50、100、200、300 kPa時監測裝置的靈敏系數分別為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摩阻力監測裝置仍具有較好的穩定性,法向壓力對側摩阻力的耦合誤差較小。

4 現場應用

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個側摩阻力監測裝置,距離沉井刃腳端部分別為1、6、11 m,土壓力盒和側摩阻力監測裝置安裝在井壁同一高程位置,橫向間距為40 cm。監測裝置布置示意如圖13所示。由于側摩阻力傳感器預埋在沉井外壁,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; 通過布置在井壁內的PVC管將導線引至沉井頂面?，F場安裝情況如圖14所示。

圖13 監測裝置布置示意圖(單位: m)

圖14 現場安裝情況

4.3 監測結果

4.3.1 側壁土壓力

由現場埋設的土壓力盒可以獲得沉井側壁土壓力,結果如圖15所示。由側壁土壓力實測數據可知,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,在下沉后期會出現逐漸減小的趨勢; 而離刃腳較遠的土壓力呈現出一直增大的趨勢。側壁土壓力為0～131 kPa。

圖15 側壁土壓力與下沉深度的關系曲線

4.3.2 側摩阻力

由現場埋設的側摩阻力監測裝置可以獲得沉井側摩阻力,結果如圖16所示。由監測結果可知,沉井側摩阻力為0～56 kPa,不同下沉深度處側摩阻力和側壁土壓力的分布規律基本一致,刃腳附近的側摩阻力隨著下沉深度的增加呈現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流動,刃腳附近土壓力出現了應力松弛的現象。這與Wang等[16]的研究成果一致。離刃腳較遠的井壁側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,側摩阻力監測裝置監測結果是合理的。

圖16 側摩阻力與下沉深度的關系曲線

5 結論與展望

針對沉井下沉施工過程中側摩阻力獲取難度大、精度低的問題,設計了一種側摩阻力直接監測裝置,并進行現場應用,得到如下結論。

1)通過將拉壓傳感器簡化為閉合框架結構,推導了輸出電壓與側摩阻力的理論轉化公式,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,平行梁端最大應變逐漸減小,應變損失逐漸增大。當采用硅酮結構膠進行密封時,應變損失為10%,對傳感器靈敏度影響最小。試驗表明,監測裝置在高水壓環境下可正常工作,能夠滿足工程需求。

3)采用改裝的大型直剪儀對側摩阻力監測裝置進行標定,不同法向壓力下加載曲線的一致性較好,線性擬合系數均大于0.99,裝置穩定性好。

4)隨著下沉深度的增加,刃腳附近的側摩阻力先增大后減小,而離刃腳較遠處的井壁側摩阻力呈現一直增大的趨勢,與側壁土壓力的分布規律基本一致,驗證了側摩阻力監測裝置監測結果的合理性。

后續可以對側摩阻力監測裝置進行優化設計,進一步縮小其尺寸,擴大應用場景。