■ 魏一方

目前土體分層沉降的常用的測(cè)量方法有以下幾種：LVDT 配套變形板、機(jī)械式彈性位移計(jì)、磁環(huán)式分層沉降儀等。LVDT 是一種直線位移傳感器，測(cè)量過程中由于內(nèi)部鐵芯的移動(dòng)，使得兩次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不等，在設(shè)計(jì)時(shí)將兩線圈反串相接，此時(shí)LVDT 輸出的電壓是兩個(gè)次級(jí)線圈的電壓之差，鐵芯的位移值與輸出的電壓值呈線性關(guān)系，LVDT 的精度與測(cè)量量程相關(guān)，一般為量程的0.24%，所以不適合大范圍位移的測(cè)量。而且由于LVDT 為電感式傳感器，實(shí)際使用中常常受到電磁干擾的影響，也會(huì)極大影響其工作精度。機(jī)械式彈性位移計(jì)主要是用百分表測(cè)試變形板的沉降，彈力桿的變化使固定在位移計(jì)主體上的表盤上的指針轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)據(jù)具有可靠性且精度較高，缺點(diǎn)是需要人工讀數(shù)，不能全自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)。同時(shí)彈性材料會(huì)隨著時(shí)間變化產(chǎn)生不可逆的形變，對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響。磁環(huán)式分層沉降儀，在實(shí)際操作中常常會(huì)受到電磁干擾，且需要人工讀取數(shù)據(jù)，極大程度地影響了測(cè)量的精度。不能夠滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。因此，研究新型的監(jiān)測(cè)裝置勢(shì)在必行。

1 新型土體豎向位移監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

豎向位移探測(cè)桿的大套管部分采用兩個(gè)板塊套管拼裝的方式進(jìn)行組裝，邊緣有配合固定的固定螺釘，拼裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)便于套管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的初期安裝和布局，以及后期的調(diào)整及維護(hù)。該測(cè)量裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括兩個(gè)相對(duì)滑動(dòng)的豎向位移探測(cè)桿，在滑動(dòng)桿兩端有與之固定的沉降板。位移轉(zhuǎn)換裝置為螺桿和齒輪一體的結(jié)構(gòu)部件。兩豎向位移探測(cè)桿為一大圓柱形金屬套管和一小圓柱形金屬桿，大套管內(nèi)側(cè)和小金屬桿外側(cè)有齒輪槽，兩套管通過齒輪螺桿一體部件的齒輪部分連接，可以進(jìn)行相對(duì)滑動(dòng)，與齒輪平面垂直的方向上有一個(gè)帶有螺紋的螺桿，螺桿兩頭的自由端與大套管管壁上的螺桿底座連接，其中螺桿底座上有與螺桿尺寸匹配的螺孔，當(dāng)兩豎向位移探測(cè)桿相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)螺桿在與齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)面垂直方向有微小的移動(dòng)。

圖1 新型深層土體豎向位移傳感裝置整體結(jié)構(gòu)的正面剖視圖

位移傳遞裝置需配合帶孔傳動(dòng)桿一起使用，帶孔傳動(dòng)桿為一中部帶孔的金屬桿，其作用是螺桿齒輪一體結(jié)構(gòu)部件的螺桿穿過其通孔，兩端被凸起部分固定，使傳動(dòng)桿在與帶孔螺桿上不發(fā)生沿螺桿軸向的滑動(dòng)，在螺桿沿軸向方向微小移動(dòng)的過程中，帶孔傳動(dòng)桿隨著螺桿的移動(dòng)產(chǎn)生相同方向相同位移大小的移動(dòng)。傳動(dòng)桿的兩端自由端放置在豎向位移探測(cè)桿大套管內(nèi)部設(shè)計(jì)好的滑動(dòng)槽內(nèi)，滑動(dòng)槽一方面限制傳動(dòng)桿移動(dòng)的方向，另一方面起到承接作用。具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 齒輪螺桿位移轉(zhuǎn)換裝置以及帶孔傳動(dòng)桿部分結(jié)構(gòu)圖

螺桿部分中部有一部分不帶螺紋的光滑表面，設(shè)計(jì)一端有部分突起用于承接帶孔傳動(dòng)螺桿，將帶孔傳動(dòng)桿套入后另一端通過緊固件固定帶孔傳動(dòng)桿的位置。

光纖光柵安裝位置位于豎向位移探測(cè)桿大套管內(nèi)部的螺桿底座和帶孔傳動(dòng)桿之間，方向與螺桿平行，一端與大套管內(nèi)側(cè)的螺桿底座通過膠粘劑固定，另一端與帶孔傳動(dòng)桿一側(cè)的桿部通過膠粘劑連接，這樣保證了在螺桿沿軸向方向移動(dòng)過程中光柵隨之受到拉伸或壓縮。光柵兩端的通信光纖沿滑動(dòng)桿方向布設(shè)，穿過固定板引出自由端，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感裝置的串聯(lián)。

2 新型監(jiān)測(cè)裝置的位移計(jì)算方法

3 土體豎向位移測(cè)量裝置的使用

初始狀態(tài)下，齒輪螺桿一體傳動(dòng)部件的齒輪位于豎向位移探測(cè)桿大套管的中部適當(dāng)位置，使得兩探測(cè)桿在上下兩個(gè)方向均可移動(dòng)，移動(dòng)范圍由實(shí)際測(cè)試需要進(jìn)行具體調(diào)整。螺桿部分位于豎向位移探測(cè)桿大套管內(nèi)部?jī)陕輻U底座的中部位置，使之在沿螺桿軸向的兩個(gè)方向均可移動(dòng)，整個(gè)裝置放入預(yù)先打好的沉降監(jiān)測(cè)孔中，后進(jìn)行回填，使得固定板被土壤掩埋，在發(fā)生沉降的過程中，固定板隨著土體下沉一同下沉，并連帶探測(cè)桿伸縮滑動(dòng)。沉降裝置的量程為S 由螺桿上螺紋的導(dǎo)程s，以及光柵的極限拉伸長(zhǎng)度L 決定，實(shí)際應(yīng)用過程中通過實(shí)際監(jiān)測(cè)的土體沉降范圍可對(duì)s 進(jìn)行調(diào)整，使位移轉(zhuǎn)換裝置達(dá)到合適的位移傳動(dòng)比，以滿足需求。

光纖光柵兩端通過通信光纜連接，沿探測(cè)桿方向布設(shè)在內(nèi)部大套管內(nèi)部及小圓柱桿內(nèi)部，預(yù)先通過膠粘劑進(jìn)行粘貼固定，從固定板中間傳出，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)沉降裝置的依次串聯(lián)連接，拓展整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量范圍。串聯(lián)系統(tǒng)的上端可接入光纖光柵解調(diào)儀進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，同一解調(diào)裝置可同時(shí)解調(diào)多個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)。

4 結(jié)論

新型土體豎向位移監(jiān)測(cè)裝置通過光纖串聯(lián)形成一個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)，可針對(duì)不同的實(shí)際監(jiān)測(cè)需求進(jìn)行監(jiān)測(cè)。裝置本身利用光纖光柵為主要傳感器，不僅具有光纖光柵測(cè)量高精度，體積小，耦合性好，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，易于維護(hù)和成本低等一列優(yōu)越性，同時(shí)傳動(dòng)裝置相對(duì)于傳統(tǒng)的彈性部件易出現(xiàn)的非彈性變形相比，具有轉(zhuǎn)換精度高、不易變形，易于安裝、維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。外部光纖光柵解調(diào)儀可通過與無線模塊的連接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸，配合報(bào)警系統(tǒng)可以及時(shí)對(duì)土體沉降產(chǎn)生的危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)知，以及可以通過遠(yuǎn)程控制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)無人值守，節(jié)省人力物力。