路基側(cè)向位移觀測中測斜管偏轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)研究

黃向群，張軍輝，李友云，江唯偉

（長沙理工大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，長沙 410076）

路基側(cè)向位移觀測中測斜管偏轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)研究

黃向群，張軍輝，李友云，江唯偉

（長沙理工大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，長沙 410076）

提高路基側(cè)向位移測試精度，對于軟基處理效果的檢驗、控制軟基的側(cè)向變形速率、指導(dǎo)軟基段路基的施工是很有必要的。以意大利SISGEO測斜儀為例，闡述了測斜儀的使用習(xí)慣和測試原理，結(jié)合現(xiàn)場實踐和理論方法，分析測斜管導(dǎo)槽偏轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)問題產(chǎn)生誤差的原因，提出相應(yīng)的解決措施，并通過設(shè)計的室內(nèi)試驗驗證了導(dǎo)槽偏轉(zhuǎn)處理方法的合理性。從而解決了測斜管偏轉(zhuǎn)及扭轉(zhuǎn)帶來的誤差問題，為數(shù)字測斜儀的使用提供新的經(jīng)驗。

測斜儀；側(cè)向位移；導(dǎo)槽方向；扭轉(zhuǎn)

1 概 述

路基側(cè)向位移的大小及其變化速率是控制路堤填筑過程中能否滿足變形與穩(wěn)定性要求的主要參量之一［1］，也是影響路基最終沉降量大小的重要因素［2］。目前，常用的側(cè)向位移觀測方法有邊樁和測斜管2種方式。由于邊樁埋深淺、易受擾動，測試結(jié)果可靠性低，因此，對于重點斷面或重點工程，常采用測斜管進行側(cè)向位移觀測。該方法能及時了解不同深度土體的變形情況和運動狀態(tài)以及準(zhǔn)確測量各時間段的路基側(cè)向位移。但已有工程實踐與研究表明，該法還存在一定缺陷與弊端，導(dǎo)致所測結(jié)果偏離真實值，影響到路堤施工過程中實時監(jiān)測信息的準(zhǔn)確性和決策的合理性與有效性。文獻［3，4］對測斜儀測量路基側(cè)向位移的局限性做過一些分析，但相關(guān)文獻對于測斜管導(dǎo)槽與路線方向不垂直（即導(dǎo)槽偏轉(zhuǎn)）時的處理措施以及導(dǎo)槽扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的誤差分析處理鮮有報道，而這些情況在軟土地區(qū)路基的側(cè)向位移觀測中很難完全避免。

為此，本文依托岳陽至常德高速公路軟基觀測工程，以意大利SISGEO公司生產(chǎn)的高精度伺服加速度計為敏感元件的滑動式數(shù)字測斜儀為例，分析了測斜儀的使用習(xí)慣和測試原理；結(jié)合現(xiàn)場測試成果并通過室內(nèi)模型試驗，系統(tǒng)探討了被普遍忽視的測斜管導(dǎo)槽偏轉(zhuǎn)問題以及普遍存在的導(dǎo)槽扭轉(zhuǎn)問題，并給出了應(yīng)對措施。

2 測斜儀的使用習(xí)慣

2．1 導(dǎo)槽的規(guī)定

在2個相互垂直的平面內(nèi)有4個縱向的導(dǎo)槽，定義4個槽分別為1，2，3，4；且導(dǎo)槽1遠離路基為參考槽，導(dǎo)槽2從導(dǎo)槽1順時針加90°，導(dǎo)槽3從導(dǎo)槽1順時針加180°，導(dǎo)槽4從導(dǎo)槽1順時針加270°，測斜管導(dǎo)槽參考方向見圖1所示。

圖1 導(dǎo)槽與讀數(shù)示意圖Fig．1 Specification of the guide groove and readings

2．2 參照輪的規(guī)定

制造商為每個探頭都指定了參照輪方向并以A為標(biāo)記刻在參照輪一側(cè)，在測量時用以準(zhǔn)確定向，這對于數(shù)據(jù)處理及其解釋起著關(guān)鍵的作用。假定探頭上兩滑輪所在的平面是A則該處探頭的信號稱為“通道A”；同樣的，假定同它垂直的平面是B，則該處探頭的信號稱為“通道B”。由于測斜管在空間具有一定的位置與方向，那么由探頭輸出的電子信號（通道A、B）有正負之分，具有矢量性質(zhì)。

2．3 讀數(shù)的規(guī)定與獲取

在測量的過程中，采集儀顯示的讀數(shù)隨著參照輪在每個導(dǎo)槽的不同而有如下定義（圖1）：參照輪在導(dǎo)槽1的時候，讀數(shù)顯示A1和B1；參照輪在導(dǎo)槽2的時候，讀數(shù)顯示A2和B2；參照輪在導(dǎo)槽3的時候，讀數(shù)顯示A3和B3；參照輪在導(dǎo)槽4的時候，讀數(shù)顯示A4和B4。A1，A2，A3，A4為A平面上的矢量值；B1，B2，B3，B4為B平面上的矢量值。

測斜儀提供2種測量方式：一是在2個導(dǎo)槽中量測、二是在4個導(dǎo)槽中量測。在2個導(dǎo)槽中量測情況下，允許在1－3平面或2－4平面進行量測，在1－3平面量測時，先把探頭的參照輪方向?qū)?zhǔn)槽1得到A1和B1值，完成后將探頭調(diào)轉(zhuǎn)180°，參照輪方向?qū)?zhǔn)槽3得到A3和B3值，此時量測工作完成；同理，也可在2－4平面中的槽2與槽4中量測分別得到A2和B2值和A4及B4值。在4個導(dǎo)槽中量測情況下，先把探頭的參照輪方向?qū)?zhǔn)槽1得到A1和B1值，之后按順時針方向把探頭的參照輪依次對準(zhǔn)槽2、槽3、槽4，分別得到A2和B2值，A3和B3值，A4，B4值；此時量測工作完成。

3 測斜儀工作原理

圖2 計算示意圖Fig．2 Schematic diagram of the calculation

伺服加速度計式測斜儀的工作原理是基于測頭傳感器加速度計測量重力矢量g在測頭軸線垂直面上的分量大小，從而確定測頭軸線相對于水平面的傾斜角。當(dāng)加速度計敏感軸在水平面內(nèi)時，矢量g在敏感軸上的投影為0；加速度計輸出為0，當(dāng)加速度計敏感軸與水平面成一傾角θ時（圖2），加速度計輸出一電壓信號Uout1＝K0＋K1·g·sinθ，式中，K0為加速度計偏值；K1為加速度計電壓刻度因數(shù)；g為重力加速度。

為消除K0影響，可將測頭調(diào)轉(zhuǎn)180°，在該點進行第2次測量，得到Uout2＝K0－K1·g·sinθ，于是得Uout1－Uout2＝2K1·g·sinθ，即sinθ＝（Uout1－Uout2）／（2K1·g），故測段長度L內(nèi)水平偏移量Δiy＝L·sinθ＝L·（Uout1－Uout2）／（2K1·g），從而求出任意深度相對于測斜管頂部或底部的總側(cè)向位移δ側(cè)向＝ Δiy。

4 測斜管導(dǎo)槽偏轉(zhuǎn)及處理

4．1 導(dǎo)槽偏轉(zhuǎn)及數(shù)據(jù)處理措施

相關(guān)文獻［5］規(guī)定，測斜儀量測路基側(cè)向位移時，采用經(jīng)緯儀校正測斜管導(dǎo)槽的方向，使一對導(dǎo)槽與可能發(fā)生側(cè)向位移的方向（路基橫斷面方向）一致；但在實際埋設(shè)測斜管過程中，由于存在一些問題（軟土地基易縮孔、下管時間較短，測斜管剛度問題、只能分段下管，逐節(jié)在孔口接成所需的長度，加上孔中地下水的上浮力、下管困難，經(jīng)緯儀的精度以及操作誤差，現(xiàn)場條件復(fù)雜多變等原因），使導(dǎo)槽方向校正難免存在偏差，此時，若按導(dǎo)槽方向與路基方向垂直情況來處理數(shù)據(jù)，勢必導(dǎo)致量測結(jié)果失真。因此，如何進行數(shù)據(jù)測試及處理就顯得尤為重要。

圖3 計算原理圖Fig．3 Calculation princip le illustrative diagram

根據(jù)測斜儀測試原理，當(dāng)測斜管導(dǎo)槽方向與路線方向不垂直時，即槽1－3方向與路基側(cè)向存在一夾角（本文所用測斜管以導(dǎo)槽1為參考槽）。如圖3所示，取一個測段長度L分析，以該段管的底端為基準(zhǔn)，它的中軸線O1O2隨土的作用沿路基橫斷面方向偏移，此時鉛直線O2O3在A和B兩平面（槽1－3平面、槽2－4平面）的投影分別是AO2和BO2，它們在A和B兩平面內(nèi)與中軸線O1O2的夾角分別是βA和βB。為了消除K0的影響，提高測試精度，將測頭調(diào)轉(zhuǎn)180°進行第2次測量，正反測讀2次分別得到A1和B1和A3和B3。此時讀數(shù)采集儀所顯示的讀數(shù)就是K0＋K1·g·sinβA和K0－K1·g·sinβB。對該測段上A和B平面內(nèi)的值各取其差值的一半，即以（A1－A3）／2和（B1－B3）／2作為計算值，可得該測段在A和B平面上的相對位移O1A和O1B。

式中：K為探頭敏感系數(shù)，因設(shè)備而定，對于本文采用的測斜儀，K＝K1·g＝20 000；βA為∠AO2O1；βB為∠BO2O3。其他符號意義同前。

將O1A，O1B在路基側(cè)向和路基縱向進行矢量分解再疊加，得到該測段沿路基側(cè)向和路基縱向的偏移量Δiy和Δix。由測斜管底部測點開始逐段疊加，即可得到任意深度土體相對于底部沿路基側(cè)向和路基縱向的偏移量。由于地基土體在路堤條形荷載的作用下，土體變形主要發(fā)生在路基側(cè)向方向上，因此，只要算出Δiy，并逐測段疊加即可。

4．2 導(dǎo)槽偏轉(zhuǎn)處理措施的可行性驗證

為驗證本文提出的導(dǎo)槽偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)處理方法的可行性，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，設(shè)計了室內(nèi)模型試驗。試驗時，通過改變導(dǎo)槽方向，得到各旋轉(zhuǎn)角度下的偏移情況，然后進行對比分析。

先規(guī)定x，y方向以及測斜管的導(dǎo)槽1，2，3，4（圖4），定義導(dǎo)槽1－3與x正方向的夾角為α，取一段2 m長的測斜管，將其以固定的傾斜度放置好，并使導(dǎo)槽1－3與y方向一致（α＝90°）（圖5），此時將探頭的參照輪對準(zhǔn)槽1插入測斜管固定的深度，測得A1和B1值，拔出探頭調(diào)轉(zhuǎn)180°插入同樣深度得到A3和B3值，把得到的A1，B1，A3，B3代入編好的Excel公式中算得在此角度下導(dǎo)輪輪距范圍內(nèi)y方向（路基側(cè)向）上的偏移量以及x方向（路基縱向）上的偏移量；同理，以測斜管的中軸線為準(zhǔn)順時針依次旋轉(zhuǎn)22．5°，直到槽1－3與x方向重合，分別得到α在67．5°，45°，22．5°，0°這4種情況下x，y方向上的偏移量。計算結(jié)果如表1所示。

圖4 測斜管俯視圖Fig．4 Plane view of the casing

圖5 測斜管側(cè)視圖Fig．5 Side view of the casing

同時，量測得到測斜管在地面上的投影為1 664 mm，則由相似三角形原理，導(dǎo)輪輪距（0．5 m）范圍內(nèi)y方向上實際偏移量Δiy＝500×1 664／2 000＝416 mm。

由上表可知，測斜管在不同的角度下得到的y方向上的偏移量Δiy基本相同，且都接近真實偏移值416 mm，負值說明測斜管朝y軸的負方向發(fā)生了偏移。而在x方向上的偏移量理論上應(yīng)為0，但實際上出現(xiàn)了1～5 mm的偏移值，這是量測時人為操作導(dǎo)致的誤差。因此，本文提出的測斜管埋設(shè)時導(dǎo)槽偏轉(zhuǎn)情況下的數(shù)據(jù)處理方法合理可行，并可編制EXCEL公式，方便地運用于實際工程。

5 測斜管導(dǎo)槽扭轉(zhuǎn)及處理

測斜管導(dǎo)槽扭轉(zhuǎn)的大小，是衡量測斜管質(zhì)量和埋設(shè)質(zhì)量的重要指標(biāo)。國際巖石力學(xué)學(xué)會巖石力學(xué)建議方法和我國巖石力學(xué)試驗規(guī)程都規(guī)定：在埋設(shè)好的測斜管內(nèi)，每3m長度的扭轉(zhuǎn)角不得超過1°，在全長范圍內(nèi)不超過5°［6］。

利用測扭儀對測斜管扭轉(zhuǎn)情況進行檢測，其工作原理是利用磁通門測量地磁場強的方法來實現(xiàn)定向的目的。探頭內(nèi)2個相互正交的磁通門，可同時測出2個正交的水平地磁分量（Ⅰ和Ⅱ），利用公式tgβ＝Ⅰ／Ⅱ計算出相對方位角β［7］。通過對孔內(nèi)測斜管導(dǎo)槽自下而上的方位測量，并把每一測點測到的方位變化量逐點累加起來，就可獲得全孔測斜管導(dǎo)槽扭轉(zhuǎn)角沿深度分布的全貌。吳銘江等［6］對東風(fēng)水電站、三門峽水庫、韓城發(fā)電廠3個工程中，26個測斜管的扭轉(zhuǎn)情況進行了系統(tǒng)性的檢測與分析，結(jié)果表明：扭轉(zhuǎn)角的大小主要取決于安裝質(zhì)量，PVC管的扭轉(zhuǎn)較為嚴重，如其在3 m長度內(nèi)的扭轉(zhuǎn)角大多在1．2°以上，個別的達到4．2°，遠超過規(guī)程的要求。

實際工程中測斜管的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象普遍存在?？紤]費用因素，PVC管在公路變形監(jiān)測中的使用較為普遍，但其變形穩(wěn)定性差；同時，由于分段下管逐節(jié)在孔口接成所需的長度時，不易使導(dǎo)槽對正；軟土易縮孔、鉆孔內(nèi)浮力大，導(dǎo)致下管困難等因素使得埋入土體中的測斜管易發(fā)生扭轉(zhuǎn)。因此，要想完全消除測斜管的扭轉(zhuǎn)問題是不可能的，只能盡量將扭轉(zhuǎn)角控制在規(guī)范范圍內(nèi)，但這在工程上還存在一定困難，不易實現(xiàn)。

既然測斜管已經(jīng)存在扭轉(zhuǎn)，在對測斜管扭轉(zhuǎn)問題進行處理時，應(yīng)結(jié)合每根管的具體扭轉(zhuǎn)情況進行分析。當(dāng)測斜管埋設(shè)完畢且穩(wěn)定后，對其扭轉(zhuǎn)角進行檢測，繪出各測斜管扭轉(zhuǎn)角在全孔沿深度分布曲線，視各管全長范圍內(nèi)扭轉(zhuǎn)角的大小情況，扭轉(zhuǎn)角超過規(guī)范值的測斜管應(yīng)通過孔口導(dǎo)槽方位角（表1中的α角），算得幾個合適深度的導(dǎo)槽方位角。此時測斜管全長范圍內(nèi)有幾個不同導(dǎo)槽方位角α的計算段，然后采用導(dǎo)槽偏轉(zhuǎn)時數(shù)據(jù)處理方法，算出各個α角下的計算段在路基側(cè)向上的偏移量，再對各計算段的偏移量代數(shù)求和，即可得到測斜管全長范圍內(nèi)的側(cè)向位移。

表1 位移計算表Table 1 Disp lacement computing chart

6 結(jié) 語

測斜儀測試地基變形是重點工程或重點斷面常用的穩(wěn)定監(jiān)測方法。本文基于岳常高速公路軟基觀測工程，以意大利SISGEO公司生產(chǎn)的滑動式數(shù)字測斜儀為例，闡述了測斜儀的使用習(xí)慣和工作原理，分析了測斜管埋設(shè)時導(dǎo)槽偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的原因，提出了數(shù)據(jù)處理方法，通過室內(nèi)試驗驗證了本文提出的方法是合理可行的，并結(jié)合編制的EXCEL公式，可方便地應(yīng)用于實際工程。此外，由于測斜管質(zhì)量和施工埋設(shè)等原因，測斜管扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象是不可避免的，配合測扭儀對測斜管扭轉(zhuǎn)的檢測，利用本文提出的方法能有效地解決測斜管扭轉(zhuǎn)帶來的誤差問題。

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［7］ 陶紀(jì)昆，馬洪亮，佟立夫．導(dǎo)管側(cè)扭儀的研制及應(yīng)用［J］．水利水電技術(shù)，1995，（3）：58－64．（TAO Ji kun，MA Hong liang，TONG Li fu．Development and applica tion of casing［J］．Water Resources and Hydropower En gineering，1995，（3）：58－64．

（編輯：曾小漢）

Research on Deflection and Twist Problems of Inclinometer Casing in Monitoring Lateral Displacement of Soft Soil Foundation Under Embankment

HUANG Xiang qun，ZHANG Jun hui，LIYou yun，JIANGWei wei
（College of Traffic and Transportation Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410014，China）

It is very necessary to improve lateral displacementmeasurement accuracy for checking the treating effect，controlling the rate of lateral deformation and guiding the construction of softground embankment．Taking the Italy SISGEO inclinometer as an example，and according to the field practice and theory method，this paper expounds the use conventions and test principles of the inclinometer，and illustrates the causes of deflection and twist of the inclinometer casing，then puts forward to corresponding solution measures，and meanwhile，designs an indoor test to verify the feasibility of processingmethod of the casing deflection．Thereby，it has resolved the error problem due to deflection and twist of the inclinometer casing，and provides a new reference to the use of the digital inclinome ter．

inclinometer；lateral displacement；groove orientation；twist

TU452

A

1001－5485（2010）05－0049－04

2009 10 06

交通部西部交通科技項目（2009318000062）；交通部應(yīng)用基礎(chǔ)項目（2009319825090）；湖南省教育廳項目

黃向群（1984 ），男，江西吉安人，碩士研究生，主要從事高速公路軟基處理方面的研究，（電話）13873151141（電子信箱）daxiang＿hxq＠163．com。