CN110687044B - 一种测量地下支护壁与岩土地层间摩擦系数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量地下支护壁与岩土地层间摩擦系数的方法，具体步骤包括再地下支护壁上设置应力应变传感器和温度传感器，通过外部通风系统改变支护壁结构的温度变化，形成可控的温度梯度，温度变化造成支护壁结构径向和轴向膨胀和收缩，利用支护壁结构在岩土体不同接触摩擦系数约束下应力应变特征有一定的差异性原理，根据支护结构上应力应变传感器的实测数据，获取支护壁结构与岩土体地层之间的摩擦系数量值，本发明能实测测量出外支护壁结构与不同特征岩土地层间的摩擦系数，其操作简单，适用范围广，具有实际的操作运用价值。

Description

一种测量地下支护壁与岩土地层间摩擦系数的方法
技术领域
本发明涉及建筑工程领域，具体涉及一种测量地下支护壁与岩土地层间摩擦系数的方法。
背景技术
地下工程永久支护结构是城市地下、采矿、公路及铁路隧道工程中的常见工程支护形式，无论是对于工业的发展亦或是城市经济的推动都至关重要。地下工程的特点是工程结构的荷载难以确定，支护结构与岩土体的挤压相互作用力和摩擦相互作用力难以准确实际测量获取，测量支护结构与土体的摩擦系数有利于施工过程中对工程标准的把握，对工程的安全性测定也有很大的作用。相比于传统的测定土体摩擦系数方式，例如河海大学的PCC桩内摩擦力测试法、长安大学的土-筋界面摩擦系数直剪仪测定法，这两种方法分别是利用桩与土体的滑动摩擦和剪切试验测得摩擦系数，限制条件大，不能即时迅速测出结果，不适用于工程上的实际应用。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种测量地下支护壁与岩土地层间摩擦系数的方法，其能有效测量地下工程支护结构与周围岩土地层摩擦系数的方法，实际可操作性较强，操作方法相对简单。该方法可以解决地下工程支护结构与岩土地层之间摩擦系数的测量问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种测量地下支护壁与岩土地层间摩擦系数的方法，包括以下步骤：
1)、在地下支护壁内壁表面布置应力应变传感器和温度传感器并与外部计算机相连，利用通风系统对支护壁内施加交变温度改变支护壁支护结构涨缩变形；
2)、由贴附在支护壁上应力应变传感器的应变片分别测得沿支护壁径向、轴向和环向接触面的三个方向的应变为εx、εy、εz；
3)、对支护壁与岩土地层的接触面进行分析：在设定的温度条件下支护壁与岩土地层产生的水平应力为σx，竖直应力为σy，已知支护壁材料的弹性模量为E，泊松比为ν，热胀系数为α，岩土地层与支护壁的接触面积为A；
a、由摩擦力公式得：f＝μN，μ是支护壁与岩土地层间的摩擦系数；
b、由竖直方向受力平衡得，摩擦力等于竖向的温度应力：f＝σy·Α＝Εεy·A；
c、由水平方向受力平衡得，支护壁对岩土地层的作用压力N与水平的温度应力相等：N＝σx·Α；
d、在温度场内计算温度应力的理论公式：
Figure GDA0002489543930000021
其中e＝εx+εy+εz，ΔT是控制的温度差，温度是变化的，在变化的过程中取一个时间点，测量这个时间点与初始状态的温度差；
e、将b步骤、c步骤中公式代入a步骤公式得出
Figure GDA0002489543930000022
结合步骤d得出
Figure GDA0002489543930000023
优选地，步骤1中，通风系统的风流温度变化控制在-20℃～50℃之间，通风风流变化周期设为短期和长期周期性变化，具体数值设置在1天～360天之间变化。
优选地，步骤1中所述支护壁包括混凝土井壁、钢筋混凝土井壁、单层井壁、双层井壁、立井井筒井壁结构、斜井井筒井壁结构、巷道及硐室的永久支护结构、公路及铁路隧道的永久支护结构以及城市地铁的盾构管片。
本发明的有益效果在于：本方法通过在支护结构上设置应力应变传感器和温度传感器，以及通过改变支护结构的温度变化，温度变化造成支护结构径向和轴向膨胀和收缩，支护结构和岩土体不同接触摩擦系数约束下，支护结构的应力应变特征有一定的差异性，由支护结构上应力应变传感器的实测数据，由此计算出井壁与岩土体地层间的摩擦系数数值；在实测支护结构与岩土地层之间摩擦系数的基础上，以及针对不同类型支护结构大量的精确摩擦系数数值测量的积累基础上，可以在设计阶段较好的设计和控制作用在支护结构上的摩擦力的大小，从而相对精确的设计地下工程支护结构，使得目前地下工程支护结构的经验设计方法有进一步的发展和提高，推动地下工程荷载精确设计的发展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的井壁与土层的结构示意图。
附图标记说明：
1、井壁；2、土层，3、温度气流，4、接触面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，参照图1，一种测量地下支护竖向井壁与土层间摩擦系数的方法，包括以下步骤：
1)、在地下井壁1内壁表面布置应力应变传感器和温度传感器并与外部计算机相连，利用通风系统对井壁内施加一个温度气流3用以改变井壁1支护结构涨缩变形；
2)、由贴附在井壁1的应力应变传感器的应变片分别测得其径向、轴向和环向接触面4的三个方向的应变并测得数值εx、εy、εz；
3)、对井壁1与土层2的接触面4进行分析：在设定的温度条件下井壁1与土层2产生的水平应力为σx，竖直应力为σy，能够得知井壁1材料的弹性模量E＝100Mpa，泊松比为ν＝0.4，热胀系数为α＝10-5/℃，土层2与井壁的接触面积为A，A在公式计算中可以约掉；
a、由摩擦力公式得：f＝μN，μ是井壁1与土层2间的摩擦系数；
b、由竖直方向受力平衡知，摩擦力等于竖向的温度应力：f＝σy·Α＝Εεy·A；
c、由水平方向受力平衡知，井壁1对土层2的作用压力N与水平的温度应力相等：N＝σx·Α；
d、在温度场内计算温度应力的理论公式：
Figure GDA0002489543930000041
其中e＝εx+εy+εz，ΔT是控制的温度差，温度是变化的，在变化的过程中取一个时间点，测量这个时间点与初始状态的温度差；
e、将b步骤、c步骤中公式代入a步骤公式得出
Figure GDA0002489543930000042
结合步骤d得出
Figure GDA0002489543930000043
步骤1中，通风系统的风流温度变化控制在-20℃～50℃之间，通风风流变化在1天～360天之间变化。
本方案通过通风气流来控制井壁内环境温度的变化，以周期性的交变温度输入为例，在井壁上引起交变温度应力的变化，由于将外界气温以及热交换形成一个交变温度场，所以会在井壁中产生有规律的温度梯度，这会导致井壁在温度梯度变化下发生交变的膨胀和收缩形变，井筒与外部土层之间会发生交变的挤压力和摩擦力大小的改变，此挤压力和摩擦力大小的变化也会影响井壁中应力应变的响应量值大小差异，通过设置在井壁中的应力应变传感器和温度传感器的测试结构，从而可以计算摩擦系数的量值。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种测量地下支护壁与岩土地层间摩擦系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、在地下支护壁内壁表面布置应力应变传感器和温度传感器并与外部计算机相连，利用通风系统对支护壁内施加交变温度改变支护壁支护结构涨缩变形；
2)、由贴附在支护壁上应力应变传感器的应变片分别测得沿支护壁径向、轴向和环向接触面的三个方向的应变为εx、εy、εz；
3)、对支护壁与岩土地层的接触面进行分析：在设定的温度条件下支护壁与岩土地层产生的水平应力为σx，竖直应力为σy，已知支护壁材料的弹性模量为E，泊松比为ν，热胀系数为α，岩土地层与支护壁的接触面积为A；
a、由摩擦力公式得：f＝μN，μ是支护壁与岩土地层间的摩擦系数；
b、由竖直方向受力平衡得，摩擦力等于竖向的温度应力：f＝σy·Α＝Εεy·A；
c、由水平方向受力平衡得，支护壁对岩土地层的作用压力N与水平的温度应力相等：N＝σx·Α；
d、在温度场内计算温度应力的理论公式：
Figure FDA0002489543920000011
其中e＝εx+εy+εz，ΔT是控制的温度差，温度是变化的，在变化的过程中取一个时间点，测量这个时间点与初始状态的温度差；
e、将b步骤、c步骤中公式代入a步骤公式得出
Figure FDA0002489543920000012
结合步骤d得出
Figure FDA0002489543920000013
2.如权利要求1所述的一种测量地下支护壁与岩土地层间摩擦系数的方法，其特征在于，步骤1中，通风系统的风流温度变化控制在-20℃～50℃之间，通风风流变化周期设为短期和长期周期性变化，具体数值设置在1天～360天之间变化。
3.如权利要求1所述的一种测量地下支护壁与岩土地层间摩擦系数的方法，其特征在于，步骤1中所述支护壁包括混凝土井壁、钢筋混凝土井壁、单层井壁、双层井壁、立井井筒井壁结构、斜井井筒井壁结构、巷道及硐室的永久支护结构、公路及铁路隧道的永久支护结构以及城市地铁的盾构管片。
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