一种基于环形加载的旋转式摩擦系数测定方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于环形加载的旋转式摩擦系数测定方法及系统，该方法包括：测量并确定待试验检测位置，旋挖钻机钻孔至设计标高或待测基岩位置，清孔并保证孔底无泥渣；安装环形加载模块至旋挖钻机底部，下放旋挖钻头将环形加载模块沉放至孔底待测基岩表面；通过竖向加压模块对环形加载模块分级施加竖向压力，通过竖向压力测量模块测量施加的竖向压力值，通过旋挖钻杆沉降量测量模块测量旋挖钻杆沉降值；对环形加载模块分级施加扭矩荷载，通过扭矩载荷测量模块监测并获得扭矩值；重复开展不同竖向压力下的多次单点环形加载模块扭转摩擦系数测试试验，带入岩体持力层岩体摩擦系数计算公式获得被测持力层岩体摩擦系数值；试验成本低、安全性高。安全性高。安全性高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于环形加载的旋转式摩擦系数测定方法及系统


[0001]本专利技术属于摩擦系数测定
，更具体地，涉及一种基于环形加载的旋转式摩擦系数测定方法及系统。

技术介绍

[0002]摩擦系数是指两表面间的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值，它和表面的粗糙度有关，而和接触面积的大小无关；当物体间有相对滑动时的滑动摩擦称动摩擦；当物体间有滑动趋势而尚未滑动时的滑动摩擦称为静摩擦；依运动的性质，摩擦系数可分为动摩擦系数和静摩擦系数；目前市场上缺少专门用于测试两个物体之间滑动摩擦系数的装置；对于需要旋转且贴合在一起的两种材料来说，在其贴合并旋转的过程中进行摩擦系数的测量是非常重要的，但现有的大多数的摩擦系数测量装置缺乏以旋转的方式来测试结合面摩擦系数能力，因而在对贴合并旋转的两种材料进行摩擦系数测量时会非常的不便，进而会浪费大量的时间不利于摩擦系数的测量。
[0003]锚碇结构作为悬索桥荷载传递的终端，其承载能力和可靠性至关重要。而重力式锚碇依靠自身承载和地基的摩阻力承担主缆上拉力的水平分力，具有适用性强的特点，重力式锚碇作为大跨度悬索桥锚碇的选型已经成为一种趋势。如果重力式锚碇混凝土与基岩表面的摩擦阻力不足的话，容易影响锚碇基础承载能力，进而威胁桥梁安全，准确的锚碇基底抗滑移摩擦系数取值尤为重要。根据规范要求，在承受主缆拉力作用下，悬索桥锚碇与基岩之间不能出现沉降、相对滑移等情况。因此，在锚碇基坑开挖完成后，往往会对持力层基岩摩阻系数进行原位试验。工程上通常的做法是结合锚碇基础底部基岩的工程地质条件，在锚碇地基持力层标高处进行锚碇混凝土与岩体接触面直剪试验，并结合室内岩块力学试验成果，在参考现行相关的规程、规范、行业标准的基础上，最终确定摩擦系数合理取值。
[0004]当前现有摩擦系数测定技术，均是在基坑开挖完成后开展以验证设计方案及参数取值合理性、安全性，而这个验证过程需要具有足够的场地才能开展试验工作；若实测数值较设计参数小，则设计参数取值偏大，方案安全系数低，需要变更设计扩大锚碇开挖深度，或基底增设锚杆锚索；若实测数值较设计参数大，说明设计非最优方案，势必造成浪费。另外，对于重大工程项目，前期设计阶段就进行合理参数取值，对整个设计和施工方案合理性的选取至关重要，甚至直接关系整个项目投资和建设规模；因此，急需一种在项目勘察阶段即可直接测试并能够准确获得持力层岩体摩擦系数，且试验成本低、安全性高、意义重大的岩体持力层岩体摩擦系数测试方法。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供一种基于环形加载的旋转式摩擦系数测定方法及系统，通过旋挖钻机钻孔至设计标高或待测基岩位置，清孔并保证孔底无泥渣；安装环形加载模块至旋挖钻机底部，下放旋挖钻头将环形加载模块沉放至孔底待测基岩表面；通过竖向加压模块对环形加载模块分级施加竖向压力，通过竖向压力测量模
块测量施加的竖向压力值，通过旋挖钻杆沉降量测量模块测量旋挖钻杆沉降值；对环形加载模块分级施加扭矩荷载，通过扭矩载荷测量模块监测并获得扭矩值；重复开展不同竖向压力下的多次单点环形加载模块扭转摩擦系数测试试验，带入岩体持力层岩体摩擦系数计算公式获得被测持力层岩体摩擦系数值；本专利技术在项目勘察阶段即可直接测试获得持力层岩体摩擦系数，并且试验成本低、安全性高，意义重大。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术的一个方面提供一种基于环形加载的旋转式摩擦系数测定方法，包括如下步骤：S1：测量并确定待试验检测位置，旋挖钻探模块钻孔至设计标高或待测基岩位置；成孔后，清孔模块清孔，保证孔底无泥渣；S2：在清孔作业持续不中断的状态下，安装环形加载模块至旋挖钻探模块底部，环形加载模块安装完成后，拔出清孔导管，下放旋挖钻头将环形加载模块沉放至孔底待测基岩表面；S3：在旋挖钻杆上安装竖向压力测量模块，通过竖向加压模块对环形加载模块分级施加竖向压力，通过竖向压力测量模块测量施加的竖向压力值，通过旋挖钻杆沉降量测量模块测量旋挖钻杆的沉降值，待旋挖钻杆沉降量达到稳定后，保持竖向加压模块输出压力恒定，移除竖向压力测量模块；S4：通过旋挖钻杆上的动力单元对环形加载模块分级施加扭矩荷载，突然产生扭转滑动时，通过设于动力单元内的扭矩载荷测量模块监测并获得扭矩值；S5：按照步骤S3和S4重复开展不同竖向压力下的多次单点环形加载模块扭转摩擦系数测试试验，带入岩体持力层岩体摩擦系数计算公式求取摩擦系数并计算平均值，获得被测持力层岩体摩擦系数值。
[0007]进一步地，步骤S5中的岩体持力层岩体摩擦系数通过下式计算：其中，为体持力层岩体摩擦系数；T为环形加载模块的加载稳定输出扭矩值；为环形加载模块所受的竖向压力值；为环形加载板外径；为环形加载板内径。
[0008]进一步地，步骤S3还包括竖向加压模块对旋挖钻杆竖向压力的施加分1～3级施加，每5分钟施加一级荷载，每一次载荷施加后立即通过旋挖钻杆沉降量测量模块读测加载后旋挖钻杆沉降值，当连续两次测读的旋挖钻杆沉降值差不超过0.01mm时，判定旋挖钻杆沉降量达到稳定。
[0009]进一步地，步骤S4还包括：扭矩载荷的施加按照预估最大扭矩值分8～12级施加，当施加扭矩荷载引起的扭转角度明显增大时，增加扭转荷载分级；扭矩载荷施加方法采用时间控制法，按每稳定5分钟施加一级。
[0010]本专利技术的另一个方面提供一种基于环形加载的旋转式摩擦系数测定系统，包括旋挖钻探模块，设于所述旋挖钻探模块上的环形加载模块、竖向加压模块、竖向压力测量模块、旋挖钻杆沉降量测量模块以及扭矩载荷测量模块；其中，所述扭矩载荷测量模块设于所述旋挖钻探模块的动力单元内；通过所述竖向加压模块对所述旋挖钻探模块分级施加竖向压力，利用所述旋挖钻探模块自身重力提供反力，
将产生的竖向压力传导至所述环形加载模块，所述环形加载模块对下部被测岩体施加竖向压力而发生沉降，通过安装在旋挖钻探模块上的旋挖钻杆沉降量测量模块实时监测每级荷载条件下环形加载模块产生的沉降值，通过旋挖钻探模块上的竖向压力测量模块实时测量竖向加压模块施加的竖向压力值；通过旋挖钻探模块的动力单元对环形加载模块施加扭矩荷载，通过设于动力单元内的扭矩载荷测量模块实时监测扭矩值；通过开展多次不同竖向压力值下的环形加载模块扭转摩擦测试，带入岩体持力层岩体摩擦系数计算公式求取摩擦系数并计算平均值，获得被测持力层岩体摩擦系数值。
[0011]进一步地，所述旋挖钻探模块包括旋挖钻杆、与所述旋挖钻杆相连的钻机桅杆、同时与所述旋挖钻杆与所述钻机桅杆相连的动力单元以及设于所述旋挖钻杆底部的旋挖钻头。
[0012]进一步地，所述环形加载模块包括与所述旋挖钻头的底部相连的连接端头板和与所述连接端头板相连的环形加载板；所述连接端头板为圆形板，厚度不小于10cm；所述连接端头板的圆周侧面均匀间隔设有多个将所述连接端头板安装至旋挖钻头底部的螺栓孔；所述环形加载板为管状混凝土构件；所述环形加载板的底面能够与被测岩体密贴。
[0013]进一步地，所述竖向压力测量模块包括设于所述旋挖钻杆上的多组应变片；所述旋本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于环形加载的旋转式摩擦系数测定方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：测量并确定待试验检测位置，旋挖钻探模块钻孔至设计标高或待测基岩位置；成孔后，清孔模块清孔，保证孔底无泥渣；S2：在清孔作业持续不中断的状态下，安装环形加载模块至旋挖钻探模块底部，环形加载模块安装完成后，拔出清孔导管，下放旋挖钻头将环形加载模块沉放至孔底待测基岩表面；S3：在旋挖钻杆上安装竖向压力测量模块，通过竖向加压模块对环形加载模块分级施加竖向压力，通过竖向压力测量模块测量施加的竖向压力值，通过旋挖钻杆沉降量测量模块测量旋挖钻杆的沉降值，待旋挖钻杆沉降量达到稳定后，保持竖向加压模块输出压力恒定，移除竖向压力测量模块；S4：通过旋挖钻杆上的动力单元对环形加载模块分级施加扭矩荷载，突然产生扭转滑动时，通过设于动力单元内的扭矩载荷测量模块监测并获得扭矩值；S5：按照步骤S3和S4重复开展不同竖向压力下的多次单点环形加载模块扭转摩擦系数测试试验，带入岩体持力层岩体摩擦系数计算公式求取摩擦系数并计算平均值，获得被测持力层岩体摩擦系数值。2.根据权利要求1所述的一种基于环形加载的旋转式摩擦系数测定方法，其特征在于，步骤S5中的岩体持力层岩体摩擦系数通过下式计算：其中，为体持力层岩体摩擦系数；为环形加载模块的加载稳定输出扭矩值；为环形加载模块所受的竖向压力值；为环形加载板外径；为环形加载板内径。3.根据权利要求2所述的一种基于环形加载的旋转式摩擦系数测定方法，其特征在于，步骤S3还包括竖向加压模块对旋挖钻杆竖向压力的施加分1～3级施加，每5分钟施加一级荷载，每一次载荷施加后立即通过旋挖钻杆沉降量测量模块读测加载后旋挖钻杆沉降值，当连续两次测读的旋挖钻杆沉降值差不超过0.01mm时，判定旋挖钻杆沉降量达到稳定。4.根据权利要求3所述的一种基于环形加载的旋转式摩擦系数测定方法，其特征在于，步骤S4还包括：扭矩载荷的施加按照预估最大扭矩值分8～12级施加，当施加扭矩荷载引起的扭转角度明显增大时，增加扭转荷载分级；扭矩载荷施加方法采用时间控制法，按每稳定5分钟施加一级。5.一种基于环形加载的旋转式摩擦系数测定系统，其特征在于，用于实现如权利要求1
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4中任一项所述的一种基于环形加载的旋转式摩擦系数测定方法，包括旋挖钻探模块（1），设于所述旋挖钻探模块（1）上的环形加载模块（2）、竖向加压模块（3）、竖向压力测量模块（4）、旋挖钻杆沉降量测量模块（5）以及扭矩载荷测量模块（6）；其中，所述扭矩载荷测量模块（6）设于所述旋挖钻探模块（1）的动力单元内；通过所述竖向加压模块（3）对所述旋挖钻探模块（1）分级施加竖向压力，利用所述旋挖钻探模块（1）自身重力提供反力，将产生的竖向压力传导至所述环形加...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔冰，冯良平，曹三华，过超，付佰勇，石海洋，曹欣，韩冬冬，管维东，励彦德，李伟，师启龙，杨也，
申请(专利权)人：中交公路规划设计院有限公司浙江易通特种基础工程股份有限公司，
类型：发明
国别省市：