一種新型沉降儀的研究

莊培芝，宋修廣，高信杰，郭 瑞

(1．山東大學 土建與水利學院，山東 濟南 250061;2．山東省公路建設集團，山東 濟南 250061)

隨著社會經濟的飛速發展，對高速鐵路以及高速公路的需求日益增加。由于高速鐵路、公路運行速度快、技術標準高、質量要求嚴，沉降變形控制已成為保證高速鐵路、公路等基礎設施建設質量的關鍵。同時由于高速鐵路、公路工程建設規模和范圍的不斷擴大，在工程中出現了大量諸如軟弱地基、高填方、膨脹土、濕陷性黃土等特殊的地質情況;又由于相關學科諸如土力學、路堤設計理論及方法的近似性、不完備性，僅靠理論計算分析和工程經驗無法完全掌握路堤的沉降變化趨勢。因此，為保證工程施工質量和運營安全，必須采用有效的儀器設備對沉降變形進行觀測分析。

1 沉降觀測設備的發展現狀

路基的沉降監測可分為:地表沉降量監測和路基內部的沉降監測。目前工程中常用的地表沉降量監測設備有:監測樁、沉降板、鋼尺沉降儀、沉降管等，多采用在路基層面上埋設的方法，直接測量沉降值。該種觀測方法由于設備外露影響正常施工、觀測精度低等原因難以滿足工程的沉降觀測要求。路基內部沉降監測多采用水壓式剖面沉降儀、鋼弦式剖面沉降儀、水平測斜儀等。該種觀測設備由于安裝、使用程序復雜，造價高，不符合工程實際特點，不利于大面積推廣和使用［1-4］。

同時，以上設備還普遍存在著手工操作、自動化程度不高、測量精度低、人為因素干擾大、監測數據的可靠性難保證、無法實現實時連續監測和預報等問題，監測數據嚴重滯后，沉降預報不及時。

因此，研發性能可靠、價格低廉、自動化程度高、觀測精度滿足工程發展要求的新型沉降監測儀器，符合我國工程建設飛速發展的基本國情，并對提高我國高速鐵路、公路的建設質量、保證交通安全、節約建設資金具有重要的社會價值和經濟意義。本文為克服上述現有設備的不足，研發了一種利用液面壓力差和沉降值之間對應關系實現沉降觀測的新型數字式沉降儀。

2 數字式沉降儀原理簡介

該數字式沉降儀，主要由沉降盒、測線和液體部分組成(如圖1所示)。沉降盒由振弦式傳感器和鑄鐵外殼組成;測管為滿足工程實際需求的硬質塑料管;測線為普通信號輸出電纜。沉降儀使用時應將液管內注滿液體，并將端口封堵，防止液體蒸發，使其另一端與沉降盒連接。

沉降觀測的基本原理:在保證液管內液體體積不變的前提下，利用振弦式傳感器［5］將液體在測點產生沉降前后的液面壓力差以自振頻率信號的方式輸出，然后使用二次儀表讀取，依此確定測點的沉降值。如圖2中所示，兩次觀測測點的沉降值 Δh=h2－h1，h1=P1/(ρg)，h2=P2/(ρg)。其中 P1，P2為液管兩端液面壓力差，ρ為液體密度，g為重力加速度。

3 儀器制作及室內性能測試

3.1 儀器制作及質量控制要求

圖1 數字式沉降儀示意

圖2 裝置原理示意

沉降儀外殼材料為鑄鐵，零件由專業廠家加工，對加工好的配件進行高溫和低溫老化，老化完成后放入實驗室，由實驗室專業人員進行組裝。

1)組裝好的沉降儀，用報紙包好，放到振動臺上振動老化30 min，記錄振動后的頻率，與初頻相差2 Hz以內為合格。

2)振動完后將沉降儀放在壓力機上加載老化，要保證最大負荷及滿量程負荷時頻率的穩定性。

3)沉降儀在打壓機上反復老化，每天老化60次，連續老化一周，放置一至二周后再老化1次，記錄每個沉降儀的初頻，將沉降儀按頻差分檔放置，以免混亂。

4)打壓完后將沉降儀放入烘箱進行70℃高溫老化48 h，老化完后再放入冰箱進行－35℃低溫老化24 h，待沉降儀恢復到常溫后，將其頻率與初始頻率比較。頻率相差不大于2 Hz為合格，若大于2 Hz需重新老化，仍不合格者淘汰。

將經以上工藝檢查后的合格產品，送交計量部門進行標定和檢驗。最后，對已標定的沉降儀密封后進行浸水試驗。將沉降儀放入2 m深的水池中，放置48 h，測其頻率，看其頻率是否穩定，若頻率無跳躍，說明儀器合格。

3.2 室內檢驗及性能分析

由于沉降觀測周期長、精度要求高，工程中對沉降儀的觀測精度和耐久性要求較高。本文通過室內試驗的方法，分別確定了沉降儀的觀測精度和長、短期觀測穩定性。根據試驗數據，對沉降儀進行了多次優化設計。現將按最終設計方案制作的沉降儀的相關試驗結果介紹如下，其中儀器的長、短期跟蹤觀測是建立在沉降儀高程不發生變化的基礎上，對其進行穩定性觀測。

1)觀測精度檢測試驗

通過模擬現場沉降，檢測沉降儀的觀測精度。由于檢測時間較短，裝置內液體可用水代替;將裝置內注滿水，保證其中沒有氣泡。試驗步驟及數據如下:

①將液管固定，保證液管內液面高程不變;②將沉降盒放在升降臺上，將二次儀表與測線連接;③控制沉降盒的上下移動，并分別記錄實際移動值和沉降儀觀測值。

由表1數據可知，沉降儀的觀測精度可控制在1 mm/10 cm以內。

表1 沉降儀觀測精度試驗記錄 cm

2)短期穩定性檢測試驗

為觀察沉降儀在1 d內的波動情況，選取2010年7月23日，從上午6∶00到晚上22∶00，每間隔1 h讀取沉降儀數據，試驗數據如圖3所示。

圖3 沉降儀短期觀測值(2010.07.23)

由觀測數據發現，沉降儀在1 d內的觀測穩定性較好，波動范圍在1 mm以內，能夠滿足沉降觀測誤差控制的要求。

3)長期穩定性檢測試驗

為觀察沉降儀較長時間的波動情況，從2010年6月3日—2010年8月3日進行了為期2個月的跟蹤觀測，每天上午10:00讀數。任意選取連續10 d的觀測數據，如圖4所示。

圖4 沉降儀長期觀測值

根據觀測數據，發現該沉降儀的長期穩定性較好，平均波動范圍在1 mm左右，但有時會出現較大波動。初步分析其主要原因為:由于外露液管內液體的熱脹冷縮效應，發生了輕微體積變形，致使傳感器處水壓力產生了變化。

4 數字式沉降儀的應用展望［6-7］

隨著計算機技術及無線傳輸技術的迅猛發展，數據的自動化采集以及遠程監控已經勢在必行。本文在深入分析現有觀測技術的情況下，對數字式沉降儀今后的應用情況給予展望(圖5)。

圖5 數字式沉降儀應用展望

在以后的沉降觀測中，將對數字式沉降儀進行指令測量，采樣時間間隔根據實際需要設置采樣。使用二次儀表采集數據，利用GPRS無線網絡進行數據傳輸，將測量數據發送到監控中心，軟件自動對測量數據進行換算，直接輸出監測物理量，完成對沉降測量數據的自動化采集和實時監控，并通過設定預警閥值實現報警功能。采集終端可采用太陽能電池板供電。

5 結語

該種新型數字式沉降儀在保證設備內液體體積不變的前提下，利用振弦式傳感器讀取由沉降引起的測點處液面壓力變化，從而確定該點的沉降值。該沉降儀對路基、壩體等工程的施工影響小，并可通過引進數據自動采集裝置和遠程傳輸設備順利地實現實時、連續自動化的沉降監測。通過長期的室內試驗研究及改進，該儀器已經具備觀測精度高、簡便實用等特點。因此，該沉降儀可被廣泛應用于高速鐵路、高速公路、礦山開采、水庫堤壩等重要工程的沉降觀測中，一方面可以科學指導工程建設，另一方面可避免重大工程災害的發生，對于我國安全生產及科技水平的提高都有重大意義。

［1］ 李澤崇．水管式沉降儀主要故障及故障排除嘗試［J］．巖土力學，2006(27):697-700．

［2］ 吳建，劉擎．振弦式剖面沉降儀在軟基堤壩施工監測中的應用［J］．巖土工程技術，2002(4):195-197．

［3］ 李莉．水管式沉降儀應用技術研究［J］．公路與汽運，2007(1):97-98．

［4］ 沈啟煒．客運專線路基沉降變形控制技術探討［J］．鐵道建筑，2010(11):81-84．

［5］ 劉楊．振弦式傳感器溫度補償研究［D］．長沙:長沙理工大學，2009．

［6］ 經緋，劉松玉，邵光輝．軟土地基上路堤沉降變形特征分析［J］．巖土工程學報，2001，23(6):659-661．

［7］ 薛曉輝，周喬勇，梁偉．滑動式沉降儀觀測路堤沉降試驗研究［J］．鐵道建筑，2007(11):52-53．