壁桩框架结构土压力盒新型埋设工艺

黄辉 梁颖君 李骅庚 吴婷婷 李红益 全鹏

（湖南劳动人事职业学院质量与信息技术系 湖南长沙 410100）

1 概述

建国以来，经历几次大型的建设码头的高潮，使得大量优良岸线已大部分被使用，自然环境和建设条件相对恶劣的岸线不能适应传统典型码头的建设，因此提出码头新型结构已成必然。港航公司研发出壁桩框架结构，该结构不仅地基适应性强、预制度高、施工简便、砂石用量少，还能作为后期防波堤、护岸工程[1-3]的主体结构。

壁桩框架结构[4-5]作为应用于码头的新结构，前期做了大量的学术研究与仿真有限元分析，但是现场实际施工受力数据极其缺乏，因此须对使用壁桩框架结构的工程进行数据收集与分析，以便进一步结构优化，收集工程实施阶段与使用阶段壁桩框架的受力情况，壁桩框架中钢筋应力、桩体垂直度以及框架受到的侧向土压力对壁桩框架的受力情况有着至关重要的作用。因此必须收集实际工程中壁桩框架结构的受力数据。

钢筋应力计与桩体测斜虽然应用于不同工程，但是安装方法大同小异，而侧向土压力盒安装不仅依赖于结构表面，而且与工程地质条件关系密切，结构形式与环境不同安装方式也会有显著区别，且埋设时可能产生“埋设效应”，以及“刚度匹配”和“土拱效应”等问题，会大大降低所得数据精确度。因此以往结构土压力盒的固定方式不能直接适用于壁桩框架结构，本文将详细阐述壁桩框架结构土压力盒的安装方法，为壁桩框架结构的优化与推广提供准确的监测数据。

2 土压力盒简介

压力盒分为应变片式和钢弦式两类。在电阻应变压力盒内开设有环形凹槽形成环形弹性膜片，在弹性膜片上敷有电阻应变片，在盒体外侧连接设有承载板，承载板内侧与盒体外侧呈间隙配合，具有抗冲击压力和抗超载压力能力。而钢弦式土压力盒，金属薄膜内表面的两个支架张拉着一根钢弦，当薄膜承受压力而发生挠曲时，钢弦发生变形，而使其自振频率相应变化。根据预先标定的钢弦频率与薄膜盒面所受压力之间的关系，便可求得压力值。

钢弦式孔隙水压力计主要是一根钢弦，一端固定于承压膜片中心处，另一端固定于钢弦架上，电磁线圈激振和感应频率信号。土孔隙中的有压水通过透水石汇集到承压腔，作用于承压膜片上。膜片中心产生挠曲引起钢弦的应力发生变化，钢弦的自振频率随之变化。

3 现阶段土压力盒安装注意事项

3.1 土压力盒埋设时应符合下列要求

土压力计埋设于土压力变化的部位即压力曲线变化处，用于监测界面土压力。土压力计水平埋设间距原则上为盒体间距的3倍以上（≥0.6m），垂直间距与水平间距同，土压力计的受压面须面对欲测量的土体。

埋设前检查土压力计确保仪器完好，按设计要求接长电缆，做好编号。埋设时应注意土压力计的受力感应板应对着土体，背板应紧靠在结构物上。

土压力计背板与结构物应填充密实，不能留有缝隙；土压力计的受力感应板与土体之间也应紧密接触，不能留有缝隙。安装就位后的土压力计初测值应大于埋设前自由状态读数，即就位后的土压力计应在受压状态。

3.2 孔隙水压力计埋设时应符合下列要求

（1）孔隙水压力计应浸泡饱和，排除透水石中的气泡。

（2）保持孔隙水压力计竖向垂直，透水石与监测面处于同一水平面。

（3）透水石周围用透水材料保护避免被硬物磕碰损坏。

（4）当埋设多个孔隙水压力计时，其间隔不应小于1m。

4 壁桩框架结构土压力监测

由港航公司研发的壁桩框架结构作为新型码头结构，适用于各种条件码头建设，此类新型结构现阶段属于拓展市场阶段，随着结构的实践与结构不断优化，将广泛应用于市场，由于壁桩框架结构属于新型结构，没有可以借鉴的土压力盒埋设方法，因此需要根据壁桩框架结构形式以及框架安装地质水位条件来设计土压力盒安装方法，确保土压力盒收集侧向土压力数据的准确性，使用的耐久性。

5 土压力盒安装

5.1 结构形式

根据框架受力特性，设计在框架后侧柱上安装土压力盒，每根柱子安装5个土压力盒，土压力盒竖向间距为1.5m。

顶部与底部土压力盒位于连系梁预应力封锚处，上部封锚混凝土突出柱平面20cm，下部封锚混凝土突出柱子平面60cm，且土压力盒在框架预制且预应力张拉完后安装，因此需要一些辅材加以固定，由于本工程测得土压力包括水压力，因此需在土压力盒同一平面安装孔隙水压力计，用于侧向土压力值修正。

5.2 辅材选择

本工程在壁桩框架安装完毕后在框架陆侧直接吹填泥沙，泥沙侧向荷载将直接作用与框架后侧，假如直接将土压力不加以保护的固定于框架后侧，流动泥沙将使得土压力盒偏移设计轴线，甚至挤出框架柱表面，导致土压力盒受力感应板不能正对监测介质，线缆过度牵扯也会破坏仪器，最终使得仪器不能收集到准确的数据或者损坏，因此选用植筋胶、AB胶、14a槽钢、钢管、φ8短钢筋、6mm厚钢板作为土压力安装辅材。

5.3 辅材拼装

（1）以 8m 框架中柱为例，将槽钢截断为 1.5m、2m、3m、0.7m、0.6m、0.2m长度，将6mm钢板切成120mm×120mm方形、7根φ8长120mm短钢筋，5个内径约为60mm，长约为300mm的钢管。

（2）以1.5m槽钢中轴线0.5m位置为圆心切出直径为120mm的圆，同样以2m槽钢中轴线1m位置为圆心、以3m槽钢中轴线1m、2.5m位置为圆心、以0.7m槽钢中轴线0.2m位置为圆心切出直径为120mm的圆，这些圆孔将作为土压力盒受力感应板外露面。在圆的上方切出20mm×20mm的缺口用于走线，圆的上方300mm处将槽钢腿部切出20mm×20mm用于孔隙水压力走线。

（3）在2m槽钢一端切出长120mm×宽60mm的切口，3m槽钢起始端切出长120mm×宽60mm的切口，便于转角处引线。在槽钢内壁一定距离均匀焊接短钢筋用于竖向固定线缆。

（4）将方形钢板表面打磨干净，钢板中心与圆心位于一条直线上，与槽钢内表面间距一个土压力盒厚度焊接于槽钢内。将钢管一端与槽钢腿部切口对齐，一端于槽钢圆形切口对齐，并在槽钢腿部切口对应位置钻孔，便于孔隙水压力计与土压力计线缆集中固定。焊接冷却之后，利用AB胶，将土压力计与钢板粘结，土压力盒受力感应板面朝外，与土体直接接触，受力感应板面与槽钢外表面处于同一平面。

（5）从框架底部向上均匀布局植筋，在槽钢对应位置焊接固定钢片，利用螺栓固定。

（6）先安装框架最下部土压力盒，0.7m与0.6m长槽钢相连，0.6m槽钢用于底部封锚凸出框架柱部分，固定好后，利用螺栓固定槽钢。

（7）向上固定3m槽钢，3m槽钢切口向下，固定前将底部线缆引至上部，并利用扎丝将线缆与短钢筋固定，利用螺栓固定槽钢，再向上固定2m槽钢，2m槽钢切口向上，最后将1.5m槽钢与0.2m槽钢相连，0.2槽钢用于上部封锚转角处，拧紧固定槽钢螺栓，最后将线缆引至框架顶部，安装完毕。

6 结论

（1）槽钢与钢管有效避免了在框架安装、管桩下沉以及回填泥沙过程中，泥沙对土压力盒与孔隙水压力计挤压损坏，同时将仪器线缆沿槽钢内壁集中于框架顶部，减少外界因素对线缆这一薄弱环节的损坏。

（2）槽钢等辅材构件均在工作区焊接完成后再在框架上安装，不影响框架原有结构构造与预制。

（3）槽钢与框架通过植筋连接并用螺栓固定，连接方便且操作简单。

（4）利用预设好槽钢和钢管位置来准确固定土压力盒与孔隙水压力位置，保证两者处于需要监测的同一水平面，有效提高了收集数据的精准度。

（5）在槽钢内焊接方形钢片作为土压力盒的背板，不仅为土压力盒提供了后部支撑，还保证受力感应板面与外界介质平整接触，减小数据收集误差。

（6）槽钢与钢管的有效保护极大提高了土压力使用寿命与收集数据的准确性，从经济性与监测使用性都值得广泛应用与推广。