莊培芝，宋修廣，高信杰，郭 瑞

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

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)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(shù)標準高、質(zhì)量要求嚴，沉降變形控制已成為保證高速鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵。同時由于高速鐵路、公路工程建設(shè)規(guī)模和范圍的不斷擴大，在工程中出現(xiàn)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(zhì)情況;又由于相關(guān)學(xué)科諸如土力學(xué)、路堤設(shè)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(jīng)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(zhì)量和運營安全，必須采用有效的儀器設(shè)備對沉降變形進行觀測分析。

1 沉降觀測設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

路基的沉降監(jiān)測可分為:地表沉降量監(jiān)測和路基內(nèi)部的沉降監(jiān)測。目前工程中常用的地表沉降量監(jiān)測設(shè)備有:監(jiān)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(shè)的方法，直接測量沉降值。該種觀測方法由于設(shè)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(nèi)部沉降監(jiān)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(shè)備由于安裝、使用程序復(fù)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(shè)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(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性難保證、無法實現(xiàn)實時連續(xù)監(jiān)測和預(yù)報等問題，監(jiān)測數(shù)據(jù)嚴重滯后，沉降預(yù)報不及時。

因此，研發(fā)性能可靠、價格低廉、自動化程度高、觀測精度滿足工程發(fā)展要求的新型沉降監(jiān)測儀器，符合我國工程建設(shè)飛速發(fā)展的基本國情，并對提高我國高速鐵路、公路的建設(shè)質(zhì)量、保證交通安全、節(jié)約建設(shè)資金具有重要的社會價值和經(jīng)濟意義。本文為克服上述現(xiàn)有設(shè)備的不足，研發(fā)了一種利用液面壓力差和沉降值之間對應(yīng)關(guān)系實現(xiàn)沉降觀測的新型數(shù)字式沉降儀。

2 數(shù)字式沉降儀原理簡介

該數(shù)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(zhì)塑料管;測線為普通信號輸出電纜。沉降儀使用時應(yīng)將液管內(nèi)注滿液體，并將端口封堵，防止液體蒸發(fā)，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(nèi)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(chǎn)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－h(huán)1，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(nèi)性能測試

3.1 儀器制作及質(zhì)量控制要求

圖1 數(shù)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(yè)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(yè)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(nèi)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(wěn)定性。

3)沉降儀在打壓機上反復(fù)老化，每天老化60次，連續(xù)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(fù)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(jīng)以上工藝檢查后的合格產(chǎn)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(wěn)定，若頻率無跳躍，說明儀器合格。

3.2 室內(nèi)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(nèi)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(wěn)定性。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，對沉降儀進行了多次優(yōu)化設(shè)計?，F(xiàn)將按最終設(shè)計方案制作的沉降儀的相關(guān)試驗結(jié)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(fā)生變化的基礎(chǔ)上，對其進行穩(wěn)定性觀測。

1)觀測精度檢測試驗

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

①將液管固定，保證液管內(nèi)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(shù)據(jù)可知，沉降儀的觀測精度可控制在1 mm/10 cm以內(nèi)。

表1 沉降儀觀測精度試驗記錄 cm

2)短期穩(wěn)定性檢測試驗

為觀察沉降儀在1 d內(nèi)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(shù)據(jù)，試驗數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 沉降儀短期觀測值(2010.07.23)

由觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，沉降儀在1 d內(nèi)的觀測穩(wěn)定性較好，波動范圍在1 mm以內(nèi)，能夠滿足沉降觀測誤差控制的要求。

3)長期穩(wěn)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(shù)。任意選取連續(xù)10 d的觀測數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 沉降儀長期觀測值

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該沉降儀的長期穩(wěn)定性較好，平均波動范圍在1 mm左右，但有時會出現(xiàn)較大波動。初步分析其主要原因為:由于外露液管內(nèi)液體的熱脹冷縮效應(yīng)，發(fā)生了輕微體積變形，致使傳感器處水壓力產(chǎn)生了變化。

4 數(shù)字式沉降儀的應(yīng)用展望［6-7］

隨著計算機技術(shù)及無線傳輸技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)的自動化采集以及遠程監(jiān)控已經(jīng)勢在必行。本文在深入分析現(xiàn)有觀測技術(shù)的情況下，對數(shù)字式沉降儀今后的應(yīng)用情況給予展望(圖5)。

圖5 數(shù)字式沉降儀應(yīng)用展望

在以后的沉降觀測中，將對數(shù)字式沉降儀進行指令測量，采樣時間間隔根據(jù)實際需要設(shè)置采樣。使用二次儀表采集數(shù)據(jù)，利用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，將測量數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，軟件自動對測量數(shù)據(jù)進行換算，直接輸出監(jiān)測物理量，完成對沉降測量數(shù)據(jù)的自動化采集和實時監(jiān)控，并通過設(shè)定預(yù)警閥值實現(xiàn)報警功能。采集終端可采用太陽能電池板供電。

5 結(jié)語

該種新型數(shù)字式沉降儀在保證設(shè)備內(nèi)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(shù)據(jù)自動采集裝置和遠程傳輸設(shè)備順利地實現(xiàn)實時、連續(xù)自動化的沉降監(jiān)測。通過長期的室內(nèi)試驗研究及改進，該儀器已經(jīng)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(yīng)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(xué)指導(dǎo)工程建設(shè)，另一方面可避免重大工程災(zāi)害的發(fā)生，對于我國安全生產(chǎn)及科技水平的提高都有重大意義。

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