CN201581419U - 弹梁式侧壁摩阻力仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种弹梁式侧壁摩阻力仪，属于测量设备技术领域。本实用新型提供的弹梁式侧壁摩阻力仪，解决了现有技术中摩阻力测试精度和分辨率低、受土压力干扰以及摩阻力方向无法确定等问题。弹梁式侧壁摩阻力仪包括嵌固板、面板、弹性梁、应变计和保护盒；嵌固板和面板之间相互平行布置，嵌固板固定连接在保护盒的一端部；面板连接在保护盒的另一端部，且面板可相对于嵌固板平移错动；弹性梁和应变计布置在保护盒中，弹性梁的两端分别与面板和嵌固板固定连接；应变计的两端分别与面板和嵌固板固定连接。本实用新型中的弹梁式侧壁摩阻力仪可用于测量沉井和打入桩等刚性结构物的侧壁与周围土体的摩阻力，也可用于室内土工模型试验等特殊场合。

Description

弹梁式侧壁摩阻力仪

技术领域

本实用新型涉及一种测量设备，尤其涉及一种弹梁式侧壁摩阻力仪，可用于测量沉井和打入桩等刚性结构物的侧壁与周围土体摩阻力，同时也可用于土工模型试验中土体与结构侧壁之间的摩擦力测试。

背景技术

大型地下工程中常涉及刚性结构与土体侧壁摩阻力问题，如桩侧摩阻力、沉井施工阶段侧壁与土体摩阻力等。了解摩阻力的真实分布对于结构设计、力学模型研究(如桩基与桩周土体的接触力学关系)以及指导工程施工具有重要意义。然而，由于侧壁摩阻力属于剪应力，直接监测是困难的，目前也缺乏有效的监测仪器，因此实际工程中通常采用间接监测手段来获得摩阻力，如使用混凝土应变计或钢筋计来监测桩的轴力或沉井结构竖向应力，据此间接计算侧摩阻力。该法的缺点是只能获取两个计算截面之间的平均摩阻力，而不能获得需要考察点的侧壁摩阻力；同时，由于实测应变或应力很小，有时与观测误差处于同一个数量级，因此该法的精度很低。

对于沉井施工阶段的摩阻力，有时也采用在侧面埋设压力盒的方法，通过测量正应力并乘以摩擦系数后来换算摩阻力。但该法也存在明显的缺陷：首先是摩擦系数难以准确测定；其次，即便获得准确的摩擦系数，若不在临界滑动摩擦状态，摩阻力并不等于正应力与摩擦系数的乘积；此外，有些情况下摩擦力的方向无法确定，如锚碇沉井基础在承受大缆拉力后发生偏转，此时摩阻力的方向有可能发生逆转。这些都是侧面埋设压力盒方法无法解决的问题。

在土工模型试验中，常常也需要模拟和测量土体与模型结构侧壁的摩擦力，所面临的对象与实际相似，但尺寸更小。也就是说，由于模型试验一般为缩尺模型，所受荷载及其响应均很小，因此要求测量仪器具有很高的分辨率，这也是目前的一个难点。

实用新型内容

本实用新型提供的弹梁式侧壁摩阻力仪，解决了上述现有技术中摩阻力测试精度和分辨率低、受土压力干扰以及摩阻力方向无法确定等问题。

本实用新型包括嵌固板、面板、弹性梁、应变计和保护盒；所述嵌固板和所述面板相互平行布置，所述嵌固板固定连接在所述保护盒的一端部；所述面板连接在所述保护盒的另一端部，且所述面板可相对于所述嵌固板平移错动；所述弹性梁和所述应变计布置在所述保护盒中，所述弹性梁的两端分别与所述面板和所述嵌固板固定连接；所述应变计的两端分别与所述面板和所述嵌固板固定连接。

本实用新型的工作原理是：土体对面板的摩擦力使面板与嵌固板之间在弹性梁的弹性约束下平移错动，该错动引起应变计长度的变化；由应变计测到的应变值，计算出该平移错动的数值；由于该平移错动值同时也等于弹性梁的挠曲变形量，因此根据弹性梁挠曲变形量与所受荷载之间的关系，可进一步求出面板所受的摩阻力。

运用本实用新型提出的弹梁式侧壁摩阻力仪监测结构物与土体的摩阻力时，需将其安装埋设在待测结构物外侧表面，测量及计算过程如下：1)将弹梁式侧壁摩阻力仪安装在刚性结构侧壁预留的孔洞中，使面板外侧和刚性结构表面平齐，并保证应变计方向与沉井等结构物的运动方向平行，当结构物发生运动或运动趋势的时候，土体对面板的摩擦力使面板与嵌固板之间发生平移错动δ，面板和嵌固板分别固定连接于弹性梁的两端，受弹性梁的弹性约束作用，δ与弹性梁的刚度成反比；2)采用应变计测量应变ε，由此求得面板与嵌固板的相对滑移量，也就是弹性梁的挠度，δ＝εl，其中l为应变计长度；3)根据材料力学可得出面板所受的切向力T＝δ·n(12EI)/h³，其中h为弹性梁的高度，EI为截面刚度，n为弹性梁的数目；若采用变截面梁以及考虑仪器制作误差，实际应用时，面板所受的切向力可根据T＝α·δ确定，其中α为率定参数；4)侧壁摩阻力τ＝T/A，其中A为面板有效面积，即面板外侧面与土体接触的面积。

本实用新型中所述弹性梁为关键传感元件，是本实用新型的核心。其特征是利用了梁式构件的挠曲变形对垂直于梁轴向的力非常敏感、对平行于梁轴向的力不敏感这一特点设计而成。在本实用新型的实际工作状态中，面板同时承受土压力和摩阻力，且土压力通常要大于摩阻力，不过从力的方向上来看，摩阻力方向垂直于弹性梁，土压力方向平行于弹性梁。因此，尽管面板所受的土压力要大于摩阻力，本实用新型仍然保证了自动筛选我们所关心的摩阻力进行测量，而忽略土压力的影响，仪器的抗干扰能力强；其次，由于弹性梁的挠曲变形对摩阻力非常敏感，可以捕捉到微小的摩阻力变化，因此仪器的分辨率很高，可以用于土工模型试验等对分辨率具有特殊要求的场合；另外，弹性梁和面板、嵌固板整体焊接为一个弹性变形体，弹性梁的挠曲变形与摩阻力之间具有线性关系，因此可以充分反映摩阻力方向改变等特殊情况，具有良好的稳定性和精度。

作为本实用新型的改进，在所述保护盒的内侧面上设置卡槽，所述面板的侧边配合置于所述卡槽中。

作为本实用新型的改进，所述弹性梁与所述嵌固板的连接端向外侧延长形成一锚固端。

上述锚固端可令整个仪器与周围混凝土的连接更加稳定可靠。

作为本实用新型的改进，所述应变计的两端分别借助于一刚性传递块与所述面板和所述嵌固板相互固定连接。

上述刚性传递块方便了应变计与面板和嵌固板之间的连接。

作为本实用新型的再改进，所述嵌固板、所述面板、所述保护盒、所述弹性梁以及所述刚性传递块均由钢材料制成。

作为本实用新型的改进，在所述弹性梁上设置一穿置孔，所述应变计穿过所述穿置孔。

弹性梁上设置便于应变计穿置的穿置孔，由此可令仪器内部结构布置更加合理。

作为本实用新型的改进，在所述面板的外侧面上布置混凝土。

面板上布置混凝土与待测构件同型，以保证仪器和土之间的摩擦系数与实际情况相同。

作为本实用新型的再改进，在上述面板的外侧面上开设若干个槽，所述混凝土充填在每个槽中。

附图说明

图1是弹梁式侧壁摩阻力仪的结构示意图；

图2是沿图1中A-A线的剖视图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施方式中的弹梁式侧壁摩阻力仪包括嵌固板1、面板2和保护盒3。所述嵌固板1和所述面板2相互平行布置，嵌固板1固定连接在保护盒3的一端部；面板2连接在保护盒3的另一端部，且面板2可相对于嵌固板1平移错动。优选地，在上述保护盒3的内侧面上设置卡槽3-1，面板2的侧边配合置于卡槽3-1中。

在所述保护盒3中布置第一弹性梁4和第二弹性梁5，上述两根弹性梁4和5相互平行布置，每根弹性梁的两端分别与所述面板2和所述嵌固板1固定连接。上述第一弹性梁4与嵌固板1的连接端向外侧延长形成第一锚固端4-1；相同地，上述第二弹性梁5与嵌固板1的连接端向外侧延长形成第二锚固端5-1。上述第一锚固端4-1和第二锚固端4-2都处于保护盒3外。

在所述保护盒3中还布置一应变计6，所述应变计6与所述面板2和所述嵌固板1相互平行，应变计6的两端分别与所述面板2和所述嵌固板1固定连接。优选地，所述应变计6的一端借助于第一刚性传递块7与所述面板2相互固定连接，另一端借助于第二刚性传递块8与所述嵌固板1相互固定连接。优选地，在每根弹性梁上设置一穿置孔9，应变计6穿过穿置孔9。

另外，在所述面板2的外侧面上布置混凝土10。优选地，在上述面板2的外侧面上开设若干个槽1-1，混凝土10充填在每个槽1-1中。

所述嵌固板1、所述面板2、所述保护盒3、所述第一弹性梁4、所述第二弹性梁5、所述第一刚性传递块7和所述第二刚性传递块8均由钢材料制成。

Claims (8)

1.弹梁式侧壁摩阻力仪，其特征在于：包括嵌固板、面板、弹性梁、应变计和保护盒；所述嵌固板和所述面板之间相互平行布置，所述嵌固板固定连接在所述保护盒的一端部；所述面板连接在所述保护盒的另一端部，且所述面板可相对于所述嵌固板平移错动；所述弹性梁和所述应变计布置在所述保护盒中，所述弹性梁的两端分别与所述面板和所述嵌固板固定连接；所述应变计的两端分别与所述面板和所述嵌固板固定连接。

2.根据权利要求1所述的弹梁式侧壁摩阻力仪，其特征在于：在所述保护盒的内侧面上设置卡槽，所述面板的侧边配合置于所述卡槽中。

3.根据权利要求1所述的弹梁式侧壁摩阻力仪，其特征在于：所述弹性梁与所述嵌固板的连接端向外侧延长形成一锚固端。

4.根据权利要求1所述的弹梁式侧壁摩阻力仪，其特征在于：所述应变计的两端分别借助于一刚性传递块与所述面板和所述嵌固板相互固定连接。

5.根据权利要求4所述的弹梁式侧壁摩阻力仪，其特征在于：所述嵌固板、所述面板、所述弹性梁、所述保护盒以及所述刚性传递块均由钢材料制成。

6.根据权利要求1所述的弹梁式侧壁摩阻力仪，其特征在于：在所述弹性梁上设置一穿置孔，所述应变计穿过所述穿置孔。

7.根据权利要求1所述的弹梁式侧壁摩阻力仪，其特征在于：在所述面板的外侧面上布置混凝土。

8.根据权利要求7所述的弹梁式侧壁摩阻力仪，其特征在于：在上述面板的外侧面上开设若干个槽，所述混凝土充填在每个槽中。

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