一种高灵敏度基坑侧壁压力测试装置

摘要

本发明公开了一种高灵敏度基坑侧壁压力测试装置，包括土盒接触系统、核心压力测试系统和测试盒，所述测试盒由侧壁、顶板和底座围成封闭的空腔，土盒接触系统包括聚酯长丝土工布和高纯石英砂；核心压力测试系统包括劲性压簧、立柱和连接拉杆、微型测距传感器。土盒接触系统与待测土体开挖面紧密砌合，确保土压力测量的真实性。核心压力测试系统利用劲性压簧与待测土体在顶板处的压力平衡来实现土压力值的测量，可有效避免因混凝土收缩造成的土盒脱开问题。总体而言，该装置构造简单，可实现对各类工程结构侧壁土压力的可靠与准确测量。

权利要求

1.一种高灵敏度基坑侧壁压力测试装置，其特征在于：包括测试盒，所述测试盒由侧壁、顶板和底座围成封闭的空腔，并且顶板与底座平行对正，其中顶板与侧壁构成导轨滑块机构，底座与侧壁固定连接；顶板之上堆砌有细沙形成的沙堆，并且沙堆外部包裹有土工布；在测试盒的空腔内设置有核心压力测试系统，包括均匀分布的4个微型测距传感器和

4个劲性压簧；所述微型测距传感器包括发射装置和接收装置，并且发射装置和接收装置一个位于顶板上、另一个位于底座上；所述劲性压簧一端固定在顶板上、另一端固定在底座上。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度基坑侧壁压力测试装置，其特征在于：所述核心测试系统中还包括位于测试盒的非中心位置的导向装置，所述导向装置包括连接拉杆和立柱，连接拉杆和立柱一个固定在顶板上、另一个固定在底座上，并且连接拉杆与立柱构成导轨滑块机构。

3.根据权利要求1所述的高灵敏度基坑侧壁压力测试装置，其特征在于：所述土工布为聚酯长丝土工布。

4.根据权利要求1所述的高灵敏度基坑侧壁压力测试装置，其特征在于：底座的底面设置有凹槽。

5.根据权利要求2所述的高灵敏度基坑侧壁压力测试装置，其特征在于：所述劲性压簧为不锈钢压簧；所述连接拉杆为不锈钢长杆。

6.根据权利要求2所述的高灵敏度基坑侧壁压力测试装置，其特征在于：所述立柱、顶板、侧壁和底座均为碳纤维制品。

7.根据权利要求1所述的高灵敏度基坑侧壁压力测试装置，其特征在于：侧壁的内侧设置有润滑油。

8.根据权利要求2所述的高灵敏度基坑侧壁压力测试装置，其特征在于：所述立柱中心设置有孔槽，所述孔槽与连接拉杆适配。

9.根据权利要求8所述的高灵敏度基坑侧壁压力测试装置，其特征在于：所述孔槽与连接拉杆的接触处设置有润滑油。

说明书

一种高灵敏度基坑侧壁压力测试装置

技术领域

[0001] 本发明涉及土木工程领域，特别是一种高灵敏度基坑侧壁压力测试装置。

背景技术

[0002] 在岩土工程领域，为研究工程结构在土体中的力学机理，在室内试验、现场原位试验以及土体长期监测中安置土压力盒来获得结构物与土体间的土压力是常用的方法。现有的土压力盒主要包括应变式和钢弦式两类，其中在应变式土压力盒内的环形凹槽上安装环形弹性膜片，通过黏贴在弹性膜片上的电阻应变片测量进行土压力的测量。由于电阻式应变片易受温度、湿度、导线长度等因素干扰，应变式土压力盒测量精度较低，结果可靠性较差。对于钢弦式土压力盒而言，金属薄膜内表面的两个支架张拉着一根钢弦，利用钢弦变形而造成的自振频率的变化来测量土压力。其测试精度与稳定性较好，但输出灵敏度较低，无法实现土压力值的连续测量。

[0003] 此外，虽然在实验室内土压力盒可以达到较高的精度，但是由于影响土压力测试效果的因素较多，现场土压力测试效果却往往不如人意。尤其是在进行基坑侧壁的压力测量时，即使是专业技术人员，也容易因操作不当而造成测试精度下降甚至土压力盒的失效。

[0004] 基坑侧壁土压力盒的埋置方法主要分为两类：钻孔埋设法和预埋法。钻孔埋设法是先浇筑基坑围护桩，后在桩侧钻孔，并利用土压力盒埋置装置将压力盒埋设到位，回填土并夯实。预埋法是先将土压力盒固定于桩孔侧壁，施以相应的保护措施，然后浇筑混凝土。不同于钻孔法，预埋法以原状土体作为待测土体，测试结果可靠性高，在实际工程中的应用更为广泛。

[0005] 但是，预埋法的测试效果与其埋置方式有较大的关系，影响其土压力测试效果的因素大概分为以下几类：

[0006] 1)匹配误差：土压力盒的埋入将改变天然地基或土工结构物中的初始应力场，尤其是压力盒周围土体中的应力分布。进一步讲，盒内金属膜片与周围土体的刚度匹配问题是造成土压力测试误差的主要因素。

[0007] 2)土盒接触问题：土压力盒通过盒中金属膜片在压力作用下产生的挠曲变形来实现土压力的测量，但在侧壁土压力的测量中，往往很难保证压力盒受压膜片与待测土体的密实接触。

[0008] 3)混凝土的影响：在混凝土浇筑过程中，水泥砂浆极易渗入并包裹压力盒膜片，造成土压力盒的失效。此外，混凝土收缩将造成压力盒的受压膜片与其后土体的脱开也是困扰岩土测试人员的一大难题。

[0009] 4)盒体倾斜：在安装以及使用过程中，盒体摆放不正、基础不均匀沉降等诸多因素均会造成盒体的倾斜，从而影响土压力大小的测量。

[0010] 5)其他环境因素

发明内容

[0011] 要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提出一种高灵敏度基坑侧壁压力测试装置，解决现有的土压力盒埋设难度大、成活率低、基坑侧壁土压力测试不准确可靠的技术问题。

[0012] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

[0013] 一种高灵敏度基坑侧壁压力测试装置，包括测试盒，所述测试盒由侧壁、顶板和底座围成封闭的空腔，并且顶板与底座平行对正，其中顶板与侧壁构成导轨滑块机构，底座与侧壁固定连接；顶板之上堆砌有细沙形成的沙堆，并且沙堆外部包裹有土工布；在测试盒的空腔内设置有核心压力测试系统，包括均匀分布的4个微型测距传感器和4个劲性压簧；所述微型测距传感器包括发射装置和接收装置，并且发射装置和接收装置一个位于顶板上、另一个位于底座上；所述劲性压簧一端固定在顶板上、另一端固定在底座上。

[0014] 本装置的测试盒优选圆柱形，这样可以尽可能避免应力集中现象；将本装置埋入初始应力场中，底座处通过浇筑水泥与周围的土体固定，由于顶板与待测土体之间的刚度差异较大，所以顶板通过设置在其上的沙堆和无纺布构成的土盒接触系统用于提高了本装置的可塑性，实现与各类待测土体之间的紧密接触，保证了土压力测试的真实性；当顶板上在土压力的作用下沿着侧壁下降，压缩劲性弹簧，直至劲性弹簧的反作用力与土压力相平衡；此时，利用微型测距传感器可以方便地测出劲性弹簧的压缩量，结合劲性弹簧的刚度从而方便地计算出弹簧的作用力，并可有效避免因混凝土收缩造成的土盒脱开问题；本装置围绕底座中心点均匀设有4个劲性压簧，通过4个不同位置处劲性压簧的压缩量，可综合得到本装置劲性压簧的平均压缩量，使测量更为准确；4个微型测距传感器一般设置在劲性压簧的外围，并且围绕底座中心点均匀分布，此时可利用微型测距传感器间接地测出劲性压簧的平均压缩量，利用测距传感器距离测量的高灵敏度来实现土压力测量的高灵敏度；此外，绕中心点对称分布的两测微型距传感器构成一对，通过其测量的距离的差值以及预先设定的两点间距离可记录该方向顶板与底座间的倾角，本装置的4个微型测距传感器可构成绕底座中心点可构成两对，这样即可记录土体扰动造成的顶板与底座夹角的水平和竖直分量，从而实现倾斜角度的自动补偿。

[0015] 进一步的，在本发明中，所述核心测试系统中还包括位于测试盒的非中心位置的导向装置，所述导向装置包括连接拉杆和立柱，连接拉杆和立柱一个固定在顶板上、另一个固定在底座上，并且连接拉杆与立柱构成导轨滑块机构。随着顶板和底座之间距离的改变，连接拉杆在立柱上滑动，引导顶板滑动，并且立柱位于非中心位置，可防止顶板在滑动过程中发生扭转运动。

[0016] 进一步的，在本发明中，所述土工布为聚酯长丝土工布。这种布料不仅具有良好的力学性能，还具有良好的纵横向排水性能和良好的延伸性能及较高的耐生物、耐酸碱、耐老化等化学稳定性能，同时，还具有较宽的孔径范围、曲折的孔隙分布、优良的渗透性能和过滤性能。这对本装置与待测土体间良好的接触提供保障。

[0017] 进一步的，在本发明中，底座的底面设置有凹槽。如可以均匀地设置3个圆柱形的凹槽，这样在底座处浇筑水泥时可以增大接触面积并将水泥嵌入底座中，使得固定可靠。

[0018] 进一步的，在本发明中，所述劲性压簧为不锈钢压簧；所述连接拉杆为不锈钢长杆。

[0019] 进一步的，在本发明中，所述立柱、顶板、侧壁和底座为均为碳纤维制品。碳纤维制品一般都具有较大的刚度，确保本装置的使用寿命和测试精度。

[0020] 进一步的，在本发明中，侧壁的内侧设置有润滑油。这样可以尽可能减小顶板与侧壁之间的摩擦力，保证土压力的测试精度。

[0021] 进一步的，在本发明中，所述立柱中心设置有孔槽，所述孔槽与连接拉杆适配。连接拉杆在孔槽中运动，孔槽具有导向作用。

[0022] 进一步的，在本发明中，所述孔槽与连接拉杆的接触处设置有润滑油。不锈钢的连接拉杆配以润滑油能进一步降低连接拉杆与立柱间的摩擦力，确保测试精度。

[0023] 有益效果：

[0024] 本发明装置开发了一套全新的土压力测试方法，可实现对基坑、基础及各类散体储物仓侧壁压力的有效测量。

[0025] 其土盒接触系统优异的可塑性和透水性可保证该压力测试装置与各类土体开挖面的紧密砌合，从而确保土压力测量的真实性；该装置的核心压力测试系统利用劲性压簧与待测土体在顶板处的压力平衡来实现土压力值的测量，可有效避免因混凝土收缩造成的土盒脱开问题；此外，置于顶板和底座上的四对微型测距传感器可记录土体扰动造成的顶板与底座夹角的水平和竖向分量，从而实现倾斜角的自动补偿。

[0026] 总体而言，该压力测试装置构造简单，使用方便，结果准确可靠，灵敏度高，可为结构物侧壁土压力的长期实时监测控制提供技术支持，对推动地下结构安全性评估体系的建立有着重要的现实意义。在土压力测量日趋重要的今天，该高灵敏度基坑侧壁压力测试装置必定会给广大岩土工作人员提供便利，具有广泛的工程应用前景。

附图说明

[0027] 图1是本发明基坑侧壁压力测试装置的整体构造正视图；

[0028] 图2是本发明基坑侧壁压力测试装置的整体构造左视图；

[0029] 图3是本发明基坑侧壁压力测试装置的整体构造正视图的I-I剖面图；

[0030] 图4是本发明基坑侧壁压力测试装置的俯视图；

[0031] 图5是本发明基坑侧壁压力测试装置的底座下底面示意图；

[0032] 图6是本发明基坑侧壁压力测试装置的劲性压簧示意图；

[0033] 图7是本发明基坑侧壁压力测试装置的立柱截面示意图。

[0034] 图中有：高纯石英砂1；聚酯长丝土工布2；发射装置3；接收装置4；劲性压簧5；立柱6；连接拉杆7；顶板8；侧壁9；底座10。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

[0036] 如图1和2所示，本发明的高灵敏度基坑侧壁压力测试装置包括土盒接触系统、核心压力测试系统和测试盒；其中，测试盒由侧壁9、顶板8和底座10围成封闭的空腔，并且顶板8与底座10平行对正；如图4所示，土盒接触系统设置在顶板8上，包括：高纯石英砂1和缠绕在其外部的聚酯长丝土工布2；核心压力测试系统设置在测试盒内部，包括：4组微型测距传感器、4个劲性压簧5、4个立柱6，其中每组微型测距传感器均设有配套的发射装置3和接收装置4，每个立柱6配套2根连接拉杆7；具体布置方式如图2和3所示，图中劲性压簧5和连接拉杆7采用不锈钢材质，立柱6、顶板8、侧壁9和底座10均采用碳纤维材质。

[0037] 其中，底座10为整个装置的组装平台，将发射装置3、劲性压簧5和立柱6固定在底座10上顶面的预留孔槽中，利用环氧树脂粘结并固定。与此同时，将连接拉杆7和接收装置4固定在顶板8底面的预留孔槽中，利用环氧树脂粘结并固定。然后将顶板8与底座10对正，将连接拉杆7插入立柱6顶端对应的孔槽中，顺势将劲性压簧5的顶端捋好嵌入顶板8底面的预留孔槽中，利用环氧树脂粘结并固定，将劲性压簧5放松至零压力状态，并套上侧壁9，用环氧树脂将侧壁9与底座10牢固粘结。最后在顶板8顶面铺高纯石英砂1，并用聚酯长丝土工布2包裹并封好，要求封装密实牢固。为降低该装置的测量误差，提高其测量精度，在本装置各连接部位涂油凡士林等润滑油，用以减少装置内摩擦。最后将本装置放置到测试位置，在底座10的底部浇筑混凝土固定。

[0038] 下面对本发明的工作原理作进一步详细的说明：

[0039] 初始时刻，图3中a、b、c、d四个位置的4个劲性压簧5均处于零压力状态，并且长度分别为L10、L20、L30、L40，e、f、g、h四个位置的4个微型测距传感器发射装置3和接收装置4之间的距离分别为l10、l20、l30、l40。并且知道e位置和g位置之间的距离为m，f位置和h位置之间的距离为n，每根劲性压簧5的压缩刚度为K0，顶板8的承压面积为A。

[0040] 在进行基坑侧壁压力测量时，当土压力大小为p时，a、b、c、d四个位置的4个劲性压簧5的长度分别为L1、L2、L3、L4，e、f、g、h四个位置的4个微型测距传感器的发射装置3和接收装置4之间的距离分别为l1、l2、l3、l4。

[0041] 由于顶板8和底座10刚度较大，故劲性压簧5的长度以及发射装置3和接收装置4之间的距离满足以下关系式：

[0042] L1+L3＝l1+l3 (1)

[0043] L2+L4＝l2+l4 (2)

[0044] 与初始时刻相比，a、b、c、d四个位置的4个劲性压簧5的收缩长度分别为L10-L1、L20-L2、L30-L3、L40-L4，e、f、g、h四个位置的4个微型测距传感器的发射装置3和接收装置4之间的距离的收缩距离分别为l10-l1、l20-l2、l30-l3、l40-l4。

[0045] 由式(1)、(2)可推知：

[0046] (L10-L1)+(L30-L3)＝(l10-l1)+(l30-l3) (3)

[0047] (L20-L2)+(L40-L4)＝(l20-l2)+(l40-l4) (4)

[0048] 由测试盒顶土压力值等于劲性压簧的反弹力这一组平衡条件可进一步推得平衡方程：

[0049] pAcosαcosβ＝K0[L10-L1)＋(L20-L2)＋(L30-L3)＋(L40-L4)] (5)[0050] 同样由于不同位置的土压力不同，导致不同位置的连接拉杆伸入立柱中的长度不同，因此会造成顶板倾斜，式中a为顶板8与底座10所在平面夹角的水平分量；b为顶板8与底座10所在平面夹角的竖向分量；将e和g位置的两个微型测距传感器设为一组，将f和h位置的两个微型测距传感器设为一组，因此有：

[0051]

[0052] 结合式(3)和(4)，测土压力为：

[0053]

[0054] (8)式中：l0＝l10+l20+l30+l40 (9)

[0055] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。