CN104895037B - 深部地层水平抗力系数原位测试仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深部地层水平抗力系数原位测试仪，包括升降机构、加载机构、定位机构、测试机构、控制器；升降机构包括桁架，桁架上设有卷扬机，卷扬机通过钢缆与加载机构连接；加载机构包括与钢缆连接的矩形舱，矩形舱内设有双向液压千斤顶，双向液压千斤顶的两端分别与传力梁连接，传力梁穿过矩形舱的开口后与承压板连接；定位机构包括双向液压千斤顶，双向液压千斤顶的两端分别与横撑连接；测试机构包括应力传感器和位移传感器，控制器控制卷扬机、双向液压千斤顶工作，应力传感器和位移传感器通过数据线与控制器连接。本发明能直接测试深部地层水平抗力系数，为抗滑桩设计与施工安全提供了保证。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程与工程地质领域，具体涉及一种深部地层水平抗力系数原位测试仪。
背景技术
滑坡是指斜坡岩土体在自重及其它外界诱发因素作用下，沿内部软弱带或破坏面发生滑动的不良地质现象，是一种主要的地质灾害类型。严重的滑坡灾害常常毁坏公路，堵塞河道，掩埋房屋，造成人民生命财产的巨大损失。因此，滑坡的防治工程是岩土工程与工程地质领域重要的研究和工作方向之一。滑坡的防治工程措施主要包括支挡工程，排水工程和岩土加固工程三类，其中，支挡工程防治效果好，施工周期短，成本造价低，在实际工程中被广泛使用。抗滑桩是滑坡治理的一种主要支挡工程构筑物。现行规范所规定的抗滑桩设计方法均需要使用地层水平抗力系数这一重要参数。
抗滑桩(anti-slidepile)是穿过滑坡体并嵌入滑床一定深度的桩体，通过提供抗滑力达到提高滑坡稳定性的作用，适用于浅层和中厚层滑坡，是一种滑坡防治的主要支挡工程措施。目前广泛使用的抗滑桩种类多样，按照桩体材料可分为木桩、钢桩和钢筋混凝土桩等，按照施工方法可分为打入桩、钻孔桩和挖孔桩等，按照桩的截面形状可以分为圆桩、管桩和矩形桩等。虽然抗滑桩的种类繁多，但是其作用原理都是一样的，即依靠埋入滑动面以下部分桩体的锚固作用和被动抗力维持整个桩体的稳定，同时为上部滑体提供抗滑力。抗滑桩受到上部滑体推力作用后，会将该推力传递到滑动面以下桩周嵌固段的岩土体中，桩周岩土体同时提供被动压力抵抗抗滑桩的变形。当桩周土处于弹性变形限度内时，作用在抗滑桩上的压力称作弹性抗力，是抗滑桩设计与稳定性验算中的重要参数，弹性抗力值可通过下列公式计算：
σy＝KBxy
式中，σy为作用于桩测深度y处的弹性抗力；K为该处岩土体的水平抗力系数，其物理意义为单位面积岩土体发生单位水平变形量所需要的力；B为桩的计算宽度，xy为y处岩土体的水平位移。
其中，水平抗力系数K随地层深度的变化规律主要有如下三种假设，第一种假设K值为常数，不随深度变化，这种简化的计算方法称作“K法”。第二种方法认为K值随深度呈外凸的抛物线变化，该计算方法称作“C法”，第三种假设K值随深度呈梯形变化的方法称作“m法”。综合已有的实际工程经验，滑坡防治工程设计与施工技术规范(DZ/T0219-2006)提出了以上三种计算假定计算方法的大致适用条件。然而，由于岩土体的水平抗力系数与地层的物理力学性质直接相关，随深度的变化规律比较复杂，不同地区、不同类型岩土体的水平抗力系数更是千差万别。目前，在尚无一套完整且有代表性的岩土水平抗力系数计算方法和数据库的条件下，滑坡防治工程设计与施工技术规范(DZ/T0219-2006)根据已有工程经验，通过附表的形式提供了一些典型的地基岩土水平抗力系数参考值。由于目前还没有专门用于直接测试不同深度岩土体水平抗力系数的试验装置，现行抗滑桩设计工作中主要通过设计人员的经验选取岩土体的水平抗力系数，难免存在一些人为不准确的因素。如果抗力系数取值偏低将提高工程造价，造成浪费，抗力系数选取值偏高则给工程安全留下隐患。
因此，我们迫切需要一种能直接测试深部地层水平抗力系数的装置，以减少因水平抗力系数不准确而引起的工程施工隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能直接测试水平抗力系数的深部地层水平抗力系数原位测试仪，以减少因水平抗力系数不准确而引起的抗滑桩工程隐患。
本发明是这样实现的：
一种深部地层水平抗力系数原位测试仪，包括升降机构、加载机构、定位机构、测试机构、控制器；
所述升降机构包括设置在抗滑桩桩孔四周的地基岩土体上的桁架，所述桁架上设有卷扬机，所述卷扬机通过钢缆与加载机构连接；
所述加载机构包括与所述钢缆连接的矩形舱，所述矩形舱内设有第一双向液压千斤顶，所述第一双向液压千斤顶的两端分别与传力梁连接，所述传力梁穿过矩形舱的开口后与承压板连接；
所述定位机构包括第二双向液压千斤顶，所述第二双向液压千斤顶的两端分别与横撑连接；
所述测试机构包括应力传感器和位移传感器，所述应力传感器置于传力梁与承压板之间，所述位移传感器与传力梁连接；
所述控制器控制卷扬机、第一双向液压千斤顶、第二双向液压千斤顶工作，所述应力传感器和位移传感器通过数据线与控制器连接。
更进一步的方案是：所述第二双向液压千斤顶和横撑外套设有套筒，且所述横撑的两侧通过滚珠与套筒接触；所述套筒与矩形舱刚性连接。
更进一步的方案是：所述深部地层水平抗力系数原位测试仪还包括调平机构，所述调平机构包括设置在矩形舱上设有滚轮，滚轮上设置有钢缆，钢缆的一端与第一双向液压千斤顶一侧的传力梁连接，钢缆的另一端与第一双向液压千斤顶另一侧的传力梁连接，所述钢缆与调平电机连接，调平电机通过收放钢缆调整传力梁水平，使承压板与抗滑桩桩孔孔壁平行接触。
更进一步的方案是：所述第一双向液压千斤顶的上下两侧分别设有滚轮，该滚轮与矩形舱的内部接触。
更进一步的方案是：所述矩形舱的开口处设有滚轮，该滚轮与传力梁的两侧接触。
更进一步的方案是：所述矩形舱上设有与钢缆连接的吊环。
定位机构由桁架、卷扬机和钢缆组成，其中卷扬机共四台，安装在位于抗滑桩桩孔桩孔口的桁架之上，卷扬机通过钢缆分别与加载机构的矩形舱的四个角点连接，通过四台电力驱动的卷扬机协调控制，可将加载机构提升或下降至抗滑桩桩孔桩孔内任意深度位置，并调整水平。定位机构安装在加载机构底部，由两台50kN第二双向液压千斤顶和两组横撑组成，加载机构降低至设计孔深位置并调整水平后，由定位机构的第二双向液压千斤顶将两组横撑以50kN的压力顶在抗滑桩桩孔桩孔两侧，使整个加载机构固定在该深度位置。加载机构是整套装置的主体，由一台最大提供500kN压力的第一双向液压千斤顶、两根传力梁、两个承压板组成；承压板与传力梁通过刚性连接，形成传力轴，传力轴一端与待测桩孔两侧孔壁接触，另一端与第一双向液压千斤顶两侧接触。传力梁通过钢缆与调平机构连接，通过调平电机收放钢缆调整传力梁水平，使承压板与抗滑桩桩孔孔壁平行接触。应力传感器用于实时监测并反馈施加在抗滑桩桩孔孔壁上的压力值，位移传感器实时读取抗滑桩桩孔孔壁岩土体的变形量。应力传感器和位移传感器将采集的数据通过数据线传递给控制器，控制器接收上述数据，并在控制器上显示。所述控制器可以通过控制桁架上的卷扬机从而控制加载机构的升降，通过控制第二双向液压千斤顶从而控制加载机构的定位，通过控制调平电机从而控制传力梁的水平，从而使承压板与抗滑桩桩孔孔壁平行接触，控制第一双向液压千斤顶可根据不同的设计应力路径进行试验。
本发明针对性强，使用范围广，可以满足任意工程地质条件区域、任意深度地基岩土体的水平抗力系数测试要求，可广泛应用于滑坡勘察、抗滑桩设计与施工等实际工程，有效解决目前抗滑桩设计工作中地基水平抗力系数取值依据不足的问题。通过本发明得出的水平抗力系数准确可靠，不仅可以在保证工程安全的前提下，降低工程造价，而且有助于我们更加深入地了解不同类型地基岩土体水平抗力系数的变化规律，对岩土工程基本理论的发展具有重大的推动作用。
本发明能准确测试出水平抗力系数，为施工安全提供了保证。本发明结构简单，安装、拆装、运输方便，试验成本低，周期短，推广应用价值大。
附图说明
图1为加载机构、定位机构、测试机构的结构示意图。
图2为本发明深部地层水平抗力系数原位测试仪的正视结构示意图。
图3为本发明深部地层水平抗力系数原位测试仪的侧视结构示意图。
图中：1、桁架，2、卷扬机，3、钢缆，4、调平电机，5、滚轮，6、吊环，7、位移传感器，8、应力传感器，9、第一双向液压千斤顶，10、传力梁，11、承压板，12、第二双向液压千斤顶，13、横撑，14、套筒，15、滚珠，16、地基岩土体，17、抗滑桩桩孔，18、矩形舱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
参见图1-图3，一种深部地层水平抗力系数原位测试仪，包括升降机构、加载机构、定位机构、测试机构、调平机构和控制器；
所述升降机构包括设置在抗滑桩桩孔17四周的地基岩土体16上的桁架1，所述桁架1上设有4个卷扬机2，所述卷扬机2通过钢缆3与加载机构的吊环6连接；
所述加载机构包括设置有吊环6的矩形舱18，所述矩形舱18内设有第一双向液压千斤顶9，所述第一双向液压千斤顶9的两端分别与传力梁10连接，所述传力梁10穿过矩形舱18的开口后与承压板11连接；
所述定位机构置于加载机构底部，与加载机构刚性连接；所述定位机构包括两台第二双向液压千斤顶12，每台第二双向液压千斤顶12的两端分别与横撑13连接；为了保证第二双向液压千斤顶12与横撑13的平衡，使加载机构更平稳的固定在抗滑桩桩孔17内，可以在第二双向液压千斤顶12和横撑13外套设套筒14，且为减小横撑13与套筒14之间的摩擦力，横撑13的两侧通过滚珠15与套筒14接触；所述套筒14与矩形舱18刚性连接；
所述测试机构包括应力传感器8和位移传感器7，为了测试数据的准确性，所述应力传感器8置于传力梁10与承压板11之间，所述位移传感器7与传力梁10连接；
所述调平机构包括设置在矩形舱18上设有滚轮5，滚轮5上设置有钢缆3，钢缆3的一端与第一双向液压千斤顶9一侧的传力梁10连接，钢缆3的另一端与第一双向液压千斤顶9另一侧的传力梁10连接，所述钢缆3与调平电机4连接，调平电机4通过收放钢缆3调整传力梁10水平，使承压板11与抗滑桩桩孔17孔壁平行接触；
所述控制器控制卷扬机2、第一双向液压千斤顶9、第二双向液压千斤顶12工作，所述应力传感器8和位移传感器9通过数据线与控制器连接，所述控制器通过控制卷扬机2从而控制加载机构的升降，通过控制第二双向液压千斤顶12从而控制加载机构的定位，通过控制调平电机4，从而控制传力梁10的水平，从而使承压板11与抗滑桩桩孔17孔壁平行接触；控制第一双向液压千斤顶9根据不同的设计应力路径进行试验。应力传感器8和位移传感器7将采集的数据通过数据线传递给控制器，控制器接收上述数据，并在控制器上显示；控制器计算出水平抗力系数，并在控制器的显示器上显示该数据。
为了减少摩擦力，所述第一双向液压千斤顶9的上下两侧分别设有滚轮5，该滚轮5与矩形舱18的顶面和底面接触；所述矩形舱18的开口处设有滚轮5，该滚轮5与传力梁10的两侧接触。
定位机构包括两组横撑，分别由两台50kN的第二双向液压千斤顶12驱动，可将加载机构固定在一定深度位置。卷扬机2通过钢缆3与加载机构的矩形舱18的四个角点处的吊环6连接；位于加载机构中间的500kN的第一双向液压千斤顶9安装在矩形舱18内，上下均通过滚轮5与舱内顶面与底面接触，第一双向液压千斤顶9可以在舱内沿左右方向无摩擦滑动。传力梁10一端由矩形舱18的开口处提供支撑，支撑点上下均通过滚轮5接触，可自由左右滑动，另一端通过钢缆3与矩形舱18上部的滚轮5与调平电机4连接，通过控制调平电机4收放钢缆3，可调整传力梁10的水平状态。
使用本装置进行试验主要包括设备安装、升降定位、加载试验和数据处理4个步骤，重复这些步骤即可完成不同位置，任意深度地基岩土体水平抗力系数的测试，具体实施方式如下：
1、设备安装
在桩孔孔口安装桁架1，将卷扬机2固定在桁架1特定位置；组装定位和加载机构各部件，安装应力传感器8与位移传感器7；第一双向液压千斤顶9和第二双向液压千斤顶12通过油管与油源连接，应力传感器8与位移传感器7通过数据线与控制器连接；通过钢缆3连接卷扬机2与加载机构的吊环6；
2、升降定位
启动卷扬机2，将加载机构、定位机构等主体设备吊起并放入桩孔内；通过对四台卷扬机2的协调控制，使加载机构升降至设计待测深度，同时调整加载机构水平；启动定位机构的第二双向液压千斤顶12，使两组横撑13顶住桩孔侧壁，将整个加载机构固定在设计深度；
3、加载试验
开启传力梁10的调平电机6，通过控制调平电机6收放钢缆3将两侧传力梁10调整水平，使承压板11与孔壁平行；按照设计应力路径通过控制器施加承压板11荷载，同时实时记录受力岩土体的变形量，获取受力岩土体受力时的变形量随时间变化曲线，以及应力与变形关系曲线；
4、数据处理
取地基岩土体应力-应变关系曲线弹性变形阶段的压力与位移数据，通过下列公式计算地基岩土水平抗力系数：
K＝P/AL
式中，K为地基岩土水平抗力系数(kN/m3)；P为试验压力(kN)；A为承压板面积(m2)；L为该作用力下岩土体的最终水平变形量(m)；
5、获取其他深度的水平抗力系数
重复步骤2-4，获取不同深度的水平抗力系数。
Claims (5)
1.一种深部地层水平抗力系数原位测试仪，其特征在于：包括升降机构、加载机构、定位机构、测试机构、控制器；
所述升降机构包括设置在抗滑桩桩孔四周的地基岩土体上的桁架，所述桁架上设有卷扬机，所述卷扬机通过钢缆与加载机构连接；
所述加载机构包括与所述钢缆连接的矩形舱，所述矩形舱内设有第一双向液压千斤顶，所述第一双向液压千斤顶的两端分别与传力梁连接，所述传力梁穿过矩形舱的开口后与承压板连接；
所述定位机构置于加载机构底部，与加载机构刚性连接；所述定位机构包括第二双向液压千斤顶，所述第二双向液压千斤顶的两端分别与横撑连接；
所述测试机构包括应力传感器和位移传感器，所述应力传感器置于传力梁与承压板之间，所述位移传感器与传力梁连接；
所述控制器控制卷扬机、第一双向液压千斤顶、第二双向液压千斤顶工作，所述应力传感器和位移传感器通过数据线与控制器连接。
2.如权利要求1所述的深部地层水平抗力系数原位测试仪，其特征在于：所述第二双向液压千斤顶和横撑外套设有套筒，且所述横撑的两侧通过滚珠与套筒接触；所述套筒与矩形舱刚性连接。
3.如权利要求1所述的深部地层水平抗力系数原位测试仪，其特征在于：所述深部地层水平抗力系数原位测试仪还包括调平机构，所述调平机构包括设置在矩形舱上设有滚轮，滚轮上设置有钢缆，钢缆的一端与第一双向液压千斤顶一侧的传力梁连接，钢缆的另一端与第一双向液压千斤顶另一侧的传力梁连接，所述钢缆与调平电机连接，调平电机通过收放钢缆调整传力梁水平，使承压板与抗滑桩桩孔孔壁平行接触。
4.如权利要求1或3所述的深部地层水平抗力系数原位测试仪，其特征在于：所述第一双向液压千斤顶的上下两侧分别设有滚轮，该滚轮与矩形舱的内部接触。
5.如权利要求4所述的深部地层水平抗力系数原位测试仪，其特征在于：所述矩形舱的开口处设有滚轮，该滚轮与传力梁的两侧接触。
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