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岩土研究院

基坑土压力监测

509 2021-10-28 09:30:24

1.观测目的内容

1)观测目的

土压力是挡土构筑物周围土体介质传递给挡土构筑物的水平力,它包括土体自重应力、附加水平应力和水压力等。土压力大小直接决定着挡土构筑物及被挡土体的稳定和安全。影响土压力的因素很多,如土体介质的物理力学性质及结构组成,附加应力和地震力的作用,水位变化及波浪作用,挡土构筑物的类型及施工工艺,被挡土体的回填工艺等。这些影响因素给理论分析带来—一定的困难。使得土压力的研穷在土力学地基基础学科中成为一个比较薄弱的课题。因此,一般理论分析的土压力大小及沿深度分布规律难以准确表达土压力实际情况。对于重要的挡土构筑物,为了挡土构筑物的安全和经济合理性,虽有比较完善的理论计算,但还是要进行必要的现场原位观测,通过现场土压力原位观测达到以下主要目的∶

(1)验证挡土构筑物各特征部位的土压力理论分析值及沿深度分布规律;

(2)为验证挡土构筑物和建筑基础的稳定和安全提供依据;

(3)积累这种条件下的土压力大小及变化规律,为提高理论分析水平,积累资料。

2)观测内容

土压力是挡土构筑物周围土体介质、附加应力等外力与挡土构筑物位移共同作用的综合指标,而且受挡土构筑物的形式和施工方法的影响。因此,为全面掌握挡土构筑物承受土压力大小及变化规律,应进行如下观测∶

(1)静止、主动和被动土压力;

(2)挡土构筑物的位移,主要为转动和水平位移;

(3)拉锚的拉力和顶撑的压力;

(4)水压力,包括静水压力,孔隙水压力等。

2.土压力观测设计

1)基本资料

土压力观测设计前应收集下列资料;

(1)挡土构筑物类型及结构特点;

(2)周围土层性质及作用条件;

(3)附加荷载的大小及作用条件;

(4)施工荷载的大小及作用条件;

(5)与挡土构筑物有关的回填及开挖工艺;

(6)施工及运用期间水位变化及波浪作用特征;

(7)挡土构筑物设计理论、方法及有关内容。

2)观测点及观测断面设计

土压力现场原位观测设计应符合荷载与挡土构筑物的相互作用关系,应反映各特征部位(拉锚或顶撑点,土层分界面,滑体破裂面底部,反弯点及最大变形点等等)及挡土构筑物沿深度变化规律。

(1)挡土构筑物土压力

主、被动土压力与土体介质特性、特征点位置、滑体底部摩擦力及挡土构筑物的变形紧密相关。因此,观测点布置应按设计原则进行全深多点观测。

(2)拉锚拉力和顶撑压力

拉锚和顶撑支护结构,受力点明确,属单点观测、应根据其各自布置和受力特点选择有代表性位置,确定观测点的总数量。

(3)挡土构筑物位移、转动和变形

刚性及柔性挡土构筑物变形特点各异,应对应选择其观测项目∶

①对于刚性挡土构筑物,主要进行位移和转动观测;

②对于柔性构筑物,应进行全深连续观测。

3.观测仪器和传感器

观测仪器和各种用途的传感器应配套使用,应严格选用标准合格产品。

1)传感器性能

(1)量程与精度

传感器量程除必须满足正常量程要求外,还必须充分估计到由于施工引起的附加增量要求。

拉锚及顶撑传感器分辨率应小于或等于1.0%,土压力传感器精度应小于0.5%。

(2)稳定性

传感器的稳定性是标志传感器好坏的重要性能,具体反映在温漂、时漂及重复性三个特性上,应选择线性及重复性较好的传感器进行时漂和温漂率定,最后选择线性和重复性好,时漂及温漂稳定的传感器。

(3)抗震和抗冲击性能

在对打入型或回填型挡土构筑物进行原位观测时。传感器都在不同程度地受到间接震动和冲击,可能产生节点的松动、位移,电元件及导线脱落,密封失效等现象,此时应选用具有一定的抗震和抗冲击性能的传感器。

(4)水密性

多数挡土构筑物,绝大部分处干地下水位以下,而传感器多采用电转换原理,对绝缘性能要求较高。为保证传感器在水下的正常工作状态,对选用的传感器(包括导线)应进行严格水密性检查,使传感器在 300kPa 水压力下保持良好的电稳定性。

2)压力传感器的选用

挡土构筑物现场原位观测,在我国已进行多年,积累了丰富经验,同时也促进了各类传感器和量测仪器的发展。目前我国生产的不同原理和型号多样的系列土压力、拉力、位移传感器,可满足原位观测需求。其中钢弦式压力传感器长期稳定性高,对绝缘性要求较低,抗干扰能力强,受温度影响小,较适于作土压力的长期观测需求。

当压力盒的量测薄膜上受有压力时,薄膜将发生挠曲,使得其上的两个钢弦支架张开,将钢弦拉得更紧。弦拉得愈紧,它的震动频率也愈高。当电磁线圈内有电流 (电脉冲)通过时将产生磁通,使铁芯带磁性,因而激起钢弦振动。电流中断时(脉冲间歇),电磁线圈的铁芯上留有剩磁,钢弦的振动使得线圈中的磁通发生变化。因而感应出电动势,用频率计测出感应电动势的频率就可以测出钢弦的振动频率。为了确定钢弦的振动频率与作用在薄膜上的压力之间的关系,需要对压力盒进行标定。为此可以在实验室内用油泵装置对压力盒施加压力,并用频率接收器量测出对应与不同压力的钢弦振动频率。这样就可以绘出每个压力盒的标定曲线。

当现场观测时,通过接收量测钢弦的频率,根据标定曲线就可以查出该压力盒此时所受压力的大小。

3)压力传感器的标定

无论是哪一种型号的压力传感器,在埋设之前必须进行稳定性、水密性的检验和压力标定、温度标定等工作。

(1)稳定性检验∶传感器的稳定性是指在一定工作条件下,传感器性能在规定的时间内保持不变的能力。包括时漂、温漂、零漂。装配好的压力传感器经低温时效,疲劳试验处理后静放1~3个月,从中选择无温漂,稳定性好的压力传感器再进行密封性检验。

(2)密封性检验∶压力传感器在工作状态下均承受一定的水压力,因此,防水密封的好坏,关系到其能否正常工作问题。密封的关键是装配时压力传感器本身的密封和传感器与申缆接头的密封。密封检验方法是将传感器放在 300kPa 水压力灌中进行防水密封试验。

(3)压力标定∶将压力传感器放在特制的标定设备上,一般有油压标定,也有用水标定和用砂标定。根据压力传感器量程的大小,按 20kPa 或 50kPa分级加压和退压,反复进行两次,测定电阻和频率值。然后将压力-电阻或压力-频率曲线绘制在坐标纸上,绘出相关曲线,或将压力-频率值输入计算机,用最小二乘法求出压力标定系数。

(4)温度标定∶将压力传感器浸入不同温度的恒温水中,改变水温测定压力传感器电阻和频率值,将测定值绘在电阻-频率坐标纸上,得出电阻修正系数。

(5)确定压力传感器的初始值∶传感器的初始值是很重要的,在埋设前要先进行多次测量,埋设后在传感器受力前日仍需进行测量,根据多次测量确定压力初始值。

4)压力传感器的现场安装

传感器的现场安装,是原位测量的重要环节,其与挡土构筑物施工紧密相连,通过现场精心安装,使传感器处受力条件与其他部位相同,保证各类传感器正常工作,避免或减少由于施工过程发生的碰撞、振动而损坏。

土压力是作用在挡土构筑物表面的作用力。因此,土压力传感器需镶嵌在挡土构筑物内,使其应力膜与构筑物表面齐平,土压力传感器后面,应具有良好的刚性反力,在土压力作用下不产生任何微小的相对位移,以保证测量的可靠性。

土压力传感器现场安装程序及安装工艺,应保证传感器处于正常工作状态,一经出现不正常现象,应及时调整排除更换测试断面。

(1)土压力传感器现场安装①刚性挡土构筑物

刚性挡土构筑物,系指现浇混凝土墙体,墙体基本无变形,土压力传感器安装一般采用预留孔后安装方式。

②柔性挡土构筑物

柔性挡土构筑物特点∶墙身薄而且变形大,墙身为预制结构或为喷锚支护,其施工多为打入或震动方式,土压力传感器及导线受震动或受冲击比较严重,保护措施至关重要,钢筋混凝土柔性板桩参照刚性构筑物安装方法,钢板桩一般以安装结构进行土压力传感器安装。

(2)压力膜施工保护

如前所述,通常采用的土压力传感器,压力膜面积小而且薄,仅能满足细粒土的正常静力作用,而回填型挡土构筑物(刚性挡墙,双排钢板桩围堤等)为减小主动力土压力(或增大被动土压力),需回填粗颗粒土。为避免回填粗颗粒土对压力膜的直接冲击,常用的最好措施为沥青囊间接传力结构,既防冲击, 又能扩大压力膜的受力面积,效果好,所测结果更具有代表性。

沥青囊大小,视挡土构筑物的结构特点,回填土的组成及回填工艺确定。当土压力传感器压力膜直径为100mm 时,采用4~5d为宜,如宽度不足时,取最大承受面相当的宽度。对于刚性挡土构筑物,间接传力膜设置,可采取边回填边做细颗粒间接传力介质膜。无论采用哪种材料的间接传力介质,都必须密实,在测量过程中,不允许挤出或流失。

4.土压力原位观测

观测是取得各项基本数据的最后阶段,通过观测取得土压力及变化规律。根据挡土构筑物结构特点及原位观测设计程序,现场原位观测一般分为四个阶段,每个阶段均有观测侧重点,为保证观测数据的可靠性,需进行一定数量的观测次数,其观测阶段划分各阶段主要任务及观测次数。

观测方法如下∶

将理设的土压力传感器按要求定时观测,观测时分别将电缆与接收器接通,将观测读数记录表中。弦式土压力传感器一般采用数字显示的频率接收器,电阻值的测量采用比例电桥,将测得电阻和观测频率填入表中,观测时需认真检查观测仪器是否正常工作。如发现观测值与前次观测值相差很大时,应中止观测,进行检查。

需要整理资料有∶1)理论计算

挡土构筑物所受土压力的形状与许多因素有关,在分析土压力观测资料前应根据构筑物的不同情况进行理论计算。由观测结果分析理论计算,改进计算方法。理论计算应注意以下几方面的问题∶

(1)许多试验已证明,挡土构筑物所受侧压力的总值随着其位移量而变化,侧压力的分布图形随着结构物的柔性变形和施工程序的不同而变化。因此土压力的计算必须针对各种挡土构筑物的不同特点采用不同的方法;

(2)理论计算是采用构筑物处于极限平衡状态,而实际构筑物的受力状态一般不是极限平衡状态;

(3)土质和回填工艺不同对构筑物的土压力的影响是很大的;

(4)此外还有许多因素影响构筑物所受土压力的状态,如墙后回填黏性土的蠕变作用。

2)土压力

现场观测的土压力值为总压力值,即作用在挡土构筑物上的土压力、孔隙水压力等的总和。将总压力的规律及压力盒电阻值填到总压力测量记录中,并将各压力盒的率定系数及电阻修正系数填入表,计算得出总压力。再用总压力减去由水位管或孔隙压力仪等观测的水压力、孔隙水压力等即为实测土压力值。然后根据观测计算出的压力值,沿观测断面绘制土压力分布图,以土压力值为纵坐标,时间为横坐标绘制土压力变化过程线。

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