環(huán)境溫度對(duì)壓差式靜力水準(zhǔn)儀測(cè)試精度影響試驗(yàn)研究

陳 果,李 波,吳 琪

(1.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 江蘇省先進(jìn)道橋養(yǎng)護(hù)工程技術(shù)研究中心,江蘇 南京 210001; 2.南京工業(yè)大學(xué) 巖土工程研究所,江蘇 南京 211800)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,高速鐵路、大跨橋梁、超長(zhǎng)隧道、高層建筑、綜合管廊和大壩等國(guó)家重大基礎(chǔ)工程日益增多,而重大基礎(chǔ)工程本身及其基礎(chǔ)的不均勻沉降或變形是失穩(wěn)和事故的前兆[1-2]。因此,精準(zhǔn)測(cè)量各重大基礎(chǔ)工程的沉降或變形可以為各建(構(gòu))筑物的工程設(shè)計(jì)、施工及后期的全壽命周期健康監(jiān)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)[3-5]。

常見(jiàn)的沉降監(jiān)測(cè)方法包括幾何水準(zhǔn)測(cè)量、三角高程測(cè)量、GPS測(cè)量、電荷耦合光學(xué)(CCD)成像測(cè)量、激光收斂測(cè)量、靜力水準(zhǔn)測(cè)量以及光纖光柵測(cè)量[6-7],幾何水準(zhǔn)測(cè)量和三角高程測(cè)量是最傳統(tǒng)的沉降監(jiān)測(cè)方式,前期成本投入較小且較為簡(jiǎn)單,但需要指出的是:這兩種方法測(cè)量精度較低,受地形起伏的限制且難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能[7-8]。GPS測(cè)量對(duì)于平面定位精度已達(dá)到(0.1～1)×10-6,但是其高程測(cè)量精度僅有10-2量級(jí),對(duì)于部分工程不能滿足其沉降監(jiān)測(cè)精度需求,且GPS的造價(jià)昂貴[9]。CCD 光學(xué)成像傳感器、激光收斂傳感器及光纖光柵傳感器具有精度高、適應(yīng)地形能力強(qiáng)、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)[10],但搭建成本及后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用都相對(duì)較高,且抗干擾性能較差[6]。靜力水準(zhǔn)測(cè)量具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、受外界環(huán)境影響小和使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[11],被廣泛地應(yīng)用于地鐵[12-13]、橋梁[14]、隧道[15-16]、大壩及核電站[17]等重大工程的沉陷監(jiān)測(cè)。

靜力水準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)(HLS)的基本原理為液體連通器原理:通過(guò)傳感器測(cè)量不同位置處水準(zhǔn)儀缽體內(nèi)液面的相對(duì)變化,來(lái)確定各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基點(diǎn)的沉降或隆起量[17]。受其測(cè)試原理約束,影響HLS測(cè)試精度的因素主要包括:溫度變化、壓力差異、地球潮汐、重力異常等[19]。其中地球潮汐和重力異常因素僅僅能在恒溫情況下進(jìn)行過(guò)濾,其影響效應(yīng)在微米級(jí),對(duì)于非精密工程,可以忽略不計(jì)。壓力差因素可通過(guò)增設(shè)等壓管方式消除其影響。溫度變化被認(rèn)為是在實(shí)際沉降檢測(cè)過(guò)程中最重要的影響因素,陳繼華[20]分析表明，溫度不均勻會(huì)導(dǎo)致HLS系統(tǒng)中液體密度不均,從而導(dǎo)致測(cè)試誤差的產(chǎn)生,并提出消除溫度影響的初步方法。許少峰[19]分析了溫度和壓強(qiáng)變化對(duì)HLS測(cè)試精度的影響,并提出考慮管材膨脹系數(shù)的溫度修正模型。李德橋[9]通過(guò)在磁致式靜力水準(zhǔn)儀缽體內(nèi)安裝溫度傳感器,分析溫度對(duì)HLS測(cè)試精度的影響,并驗(yàn)證了許少峰提出的溫度修正模型的正確性。陳龍浩等[2]基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)給出了適用于HLS測(cè)試系統(tǒng)的溫度梯度模型,并對(duì)該模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

綜上可知,對(duì)于溫度引起的HLS測(cè)試誤差研究已有初步成果,但需要指出的是,現(xiàn)在的研究主要針對(duì)單個(gè)HLS測(cè)點(diǎn),且溫度變化都集中在常規(guī)室溫的個(gè)位數(shù)量級(jí)變化。而實(shí)際沉降監(jiān)測(cè)中由于全年環(huán)境溫度變化范圍基本保持在-10～30 ℃,尤其在零下?tīng)顟B(tài)下,現(xiàn)有的溫度修正模型都是基于水介質(zhì)建立的,不再具有實(shí)際工程意義,且實(shí)際工程中HLS測(cè)點(diǎn)間距布置及管材具有一定差異。筆者在環(huán)境溫度實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建壓差式靜力水準(zhǔn)儀試驗(yàn)平臺(tái),系統(tǒng)研究環(huán)境溫度對(duì)HLS測(cè)試精度的影響,利用高精度溫度傳感器采集HLS各測(cè)點(diǎn)的溫度,定量分析環(huán)境溫度變化量、環(huán)境溫度升/降速率、連通管膨脹系數(shù)、測(cè)點(diǎn)距離等因素對(duì)HLS測(cè)試精度的影響規(guī)律，并建立環(huán)境溫度對(duì)HLS測(cè)試精度影響的評(píng)價(jià)方法。

1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

選取羅斯蒙特3051S壓差式靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行本次試驗(yàn),該靜力水準(zhǔn)儀具有靈敏度高、頻率寬、質(zhì)量輕、體積小、工作可靠等優(yōu)點(diǎn),與本試驗(yàn)相關(guān)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。選用鉑電阻溫度傳感器對(duì)各靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行環(huán)境溫度測(cè)量。為保證壓差式靜力水準(zhǔn)儀和溫度傳感器能夠同時(shí)采集,避免時(shí)程滯后,選用南京葛南實(shí)業(yè)有限公司的VW-102E型全功能讀數(shù)儀同時(shí)進(jìn)行壓力和溫度數(shù)據(jù)采集。選用南京工業(yè)大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的可閉環(huán)控制的溫度環(huán)境試驗(yàn)箱提供環(huán)境溫度,實(shí)現(xiàn)各升/降溫速率和溫度差異。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)-40～150 ℃范圍內(nèi)環(huán)境溫度精準(zhǔn)控制,溫度波動(dòng)小于0.1 ℃,且有較強(qiáng)升/降溫線性控制度,可滿足試驗(yàn)要求,溫度環(huán)境試驗(yàn)箱詳細(xì)性能參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 羅斯蒙特3051S靜力水準(zhǔn)儀技術(shù)參數(shù)

表2 溫度環(huán)境試驗(yàn)箱參數(shù)指標(biāo)

鑒于常規(guī)的“去離子水+防凍液”的液體介質(zhì)在低溫容易引起絮凝現(xiàn)象,從而破壞整個(gè)測(cè)試系統(tǒng);此外,考慮到水的熱膨脹系數(shù)非定值,隨溫度升高而增長(zhǎng)。因此,本次試驗(yàn)選取二甲基硅油作為冷媒介質(zhì),該冷媒介質(zhì)的密度為1.03 g/cm3(20 ℃),與水接近,有效工作溫度范圍為-60～160 ℃,膨脹系數(shù)為6.3×10-4℃-1,且在各工作溫度范圍內(nèi)的膨脹系數(shù)基本為定值。為研究不同連通管材質(zhì)的膨脹系數(shù)對(duì)環(huán)境溫度下HLS測(cè)試精度的影響,選取4種不同材質(zhì)連通管:PU塑料軟管、三丙聚丙烯管、聚四氟乙烯管和204不銹鋼管,與之對(duì)應(yīng)的膨脹系數(shù)分別為3.35×10-4、1.32×10-4、1.45×10-4和6.43×10-5℃-1。

1.2 測(cè)試平臺(tái)搭建

圖1為典型壓差式靜力水準(zhǔn)儀工作布設(shè)示意圖。由圖1可知：在溫度環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)將所有HLS液管相連,一端與儲(chǔ)液罐相連;將所有氣管相連,一端通過(guò)干燥管連接到液罐上部的空氣段。需要指出,單HLS測(cè)點(diǎn)的壓差為該點(diǎn)液體壓力與空氣壓力之差,為絕對(duì)值;而HLS基準(zhǔn)點(diǎn)與測(cè)試點(diǎn)之間的液/氣體壓差之差用于測(cè)算測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)沉降位移,為相對(duì)值。在每個(gè)HLS測(cè)點(diǎn)旁布設(shè)PT100鉑電阻溫度傳感器,隨后通過(guò)VW-102E型全功能讀數(shù)儀采集HLS和溫度傳感器的輸出信號(hào)。

1.3 試驗(yàn)方案

環(huán)境溫度對(duì)HLS測(cè)試精度的影響通常是指HLS所處環(huán)境下溫度變化/差異引起的測(cè)量誤差?？紤]到監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)全年環(huán)境溫度變化的復(fù)雜性,尤其是冬夏兩季溫度差異明顯。故通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境溫度實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建單HLS測(cè)點(diǎn)(僅單個(gè)壓差式靜力水準(zhǔn)儀測(cè)試點(diǎn))和雙HLS測(cè)點(diǎn)(測(cè)試基站+測(cè)試點(diǎn))兩種試驗(yàn)平臺(tái),定量研究環(huán)境溫度變化量(-10 ℃→30 ℃→-10 ℃)和變化速率對(duì)HLS測(cè)試精度的影響,同時(shí),結(jié)合實(shí)際工程條件,綜合考慮環(huán)境溫度變化下測(cè)試基站與測(cè)試點(diǎn)之間的連通管長(zhǎng)度(其本質(zhì)為測(cè)點(diǎn)距離)以及連通管的膨脹系數(shù)(通過(guò)材質(zhì)差異實(shí)現(xiàn))對(duì)HLS測(cè)試精度的影響。綜合考慮上述各因素的試驗(yàn)工況見(jiàn)表3。

圖1 典型壓差式靜力水準(zhǔn)儀工作布設(shè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of working layout for typical differential pressure hydrostatic leveling system

表3 環(huán)境溫度對(duì)HLS測(cè)試精度的影響試驗(yàn)工況

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 升/降溫模式對(duì)HLS測(cè)試精度的影響

為研究升溫和降溫兩種不同的環(huán)境溫度變化模式對(duì)HLS測(cè)試精度的影響,對(duì)比分析工況C1的升溫和降溫引起的HLS的高程變化量,為便于分析,本次試驗(yàn)將測(cè)試開(kāi)始之初HLS所獲取的相對(duì)壓差換算的高程記為零，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知,隨著環(huán)境溫度TA從-10 ℃線性地上升為30 ℃,由溫度變化引起的HLS對(duì)應(yīng)的高程變化量HE線性降低到3.04 mm,TA為環(huán)境溫度,而當(dāng)TA從30 ℃線性地降低到-10 ℃時(shí),HE從3.04線性變化到0.03 mm,引入溫度影響系數(shù)Pt定量表征環(huán)境溫度變化對(duì)HSL測(cè)試精度的影響,Pt=ΔHE/ΔTA。對(duì)于工況C1的升溫和降溫條件下,HLS的Pt分別為-0.077 4和-0.073 1 mm/℃,兩者的相對(duì)誤差為5.8%,這表明,升溫或降溫這兩種環(huán)境溫度變化形式對(duì)Pt沒(méi)有顯著影響。

圖2 升/降溫速率對(duì)HSL測(cè)試精度的影響Fig.2 Effects of temperature rise/fall rate on the measure accuracy of HLS

2.2 升溫速率對(duì)HLS測(cè)試精度影響

考慮到升溫或降溫兩種環(huán)境溫度變化形式對(duì)Pt沒(méi)有顯著影響,因此,對(duì)于工況C2、C3和C4,不再進(jìn)行降溫測(cè)試。圖3為各升溫速率對(duì)單HSL測(cè)點(diǎn)測(cè)試精度的影響,當(dāng)升溫速率為分別為0.05和0.02 ℃/min時(shí),HLS的HE與TA呈強(qiáng)線性相關(guān),兩種工況下HLS的Pt分別為-0.077 4和-0.077 7 mm/℃。當(dāng)升溫速率為0.1 ℃/min時(shí),HE隨TA的增大而降低,但需要指出的是,TA與HE的線性相關(guān)性明顯降低,數(shù)據(jù)波動(dòng)變大。而當(dāng)升溫速率為0.2 ℃/min時(shí),隨TA的線性增大,HLS的HE也增大,但其增大速率逐漸降低,當(dāng)TA> 10 ℃時(shí),HLS的HE基本不隨TA的增加而增大,這是因?yàn)?過(guò)快的環(huán)境溫度增長(zhǎng)速率導(dǎo)致材料和液體介質(zhì)膨脹不充分,數(shù)據(jù)失真,從而不能真實(shí)反映TA對(duì)HLS測(cè)試精度的影響。

圖3 升溫速率對(duì)單HSL測(cè)點(diǎn)測(cè)試精度的影響Fig.3 Effects of temperature rise rate on the measure accuracy of single HSL test point

圖4定量給出了溫度影響系數(shù)Pt與升溫速率的關(guān)系,結(jié)合圖3可知,當(dāng)升溫速率為0.02或0.05 ℃/min時(shí),Pt一致,工況有效。當(dāng)升溫速率大于等于0.1 ℃/min時(shí),材料膨脹不充分,數(shù)據(jù)失真?？紤]到在自然條件下環(huán)境溫度變化速率基本小于0.1 ℃/min和數(shù)據(jù)采集的有效性及試驗(yàn)測(cè)試進(jìn)度,因此,對(duì)于其余試驗(yàn)工況而言,決定選取0.05 ℃/min作為溫度變化速率進(jìn)行試驗(yàn)。

圖4 溫度影響系數(shù)與升溫速率的關(guān)系Fig.4 Relationship between temperature influence coefficient and temperature rise rate

2.3 管材膨脹系數(shù)對(duì)HLS測(cè)試精度影響

為探討管材膨脹系數(shù)γpi對(duì)單HSL測(cè)點(diǎn)測(cè)試精度的影響,分別利用PU塑料軟管、聚四氟乙烯管、三丙聚丙烯管和204不銹鋼管搭建單測(cè)點(diǎn)測(cè)試平臺(tái),在0.05 ℃/min升溫速率工況下進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,對(duì)于PU塑料軟管而言,HE隨TA升高而線性降低,而對(duì)于聚四氟乙烯管、三丙聚丙烯管或204不銹鋼管而言,HE隨TA升高而線性升高,這是因?yàn)?PU軟管的管材膨脹系數(shù)γpi大于冷媒膨脹系數(shù)γdi,隨TA的增大,二甲基硅油的液面高度下降,從而導(dǎo)致其高程降低,而聚四氟乙烯管、三丙聚丙烯管和204不銹鋼管的γpi明顯小于其γdi,隨TA的增大,二甲基硅油的液面高度上升,從而導(dǎo)致其HE增大。此外,分析發(fā)現(xiàn)并非γpi越小,TA對(duì)單HSL測(cè)點(diǎn)的影響程度越小,需探討溫度影響系數(shù)與冷媒與管材的膨脹系數(shù)之差的關(guān)系。圖6為溫度影響系數(shù)Pt與冷媒與管材的膨脹系數(shù)之差(γdi-γpi)的關(guān)系圖。Pt隨γdi-γpi的增大而增大,且兩者有線性相關(guān)。

Pt=0.045 53(γdi-γpi)-0.010 3

(1)

由式(1)可知:若γpi與γdi較接近,可忽略TA對(duì)單HSL測(cè)點(diǎn)測(cè)試精度的影響。

圖5 管材膨脹系數(shù)對(duì)單測(cè)點(diǎn)HSL測(cè)試精度的影響Fig.5 Effects of pipe expansion coefficient on the measure accuracy of single HSL test point

圖6 溫度影響系數(shù)與冷媒與管材的膨脹系數(shù)之差(γdi-γpi)的關(guān)系Fig.6 Relationship between the temperature influence coefficient and the expansion coefficient deviation between refrigerant and pipe (γdi-γpi)

為研究γpi對(duì)雙測(cè)點(diǎn)HSL測(cè)試精度的影響,分別利用PU塑料軟管、聚四氟乙烯管和三丙聚丙烯管搭建雙HLS測(cè)點(diǎn)測(cè)試平臺(tái),其中1臺(tái)HSL作為基站,另外1臺(tái)HSL作為測(cè)點(diǎn)。隨后,在0.05 ℃/min溫度變化速率工況下進(jìn)行測(cè)試。圖7分別給出了工況C8的基站和測(cè)點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)。由圖7可知,基站和測(cè)點(diǎn)的HE都隨TA的增加而增大,但基站的高程隨溫度的增大速率明顯小于測(cè)點(diǎn)高程的變化量,基站和測(cè)點(diǎn)的Pt有顯著差異,分別為0.213和0.231 mm/℃。

圖7 C8工況的基站與測(cè)點(diǎn)HSL環(huán)境溫度與高程的關(guān)系Fig.7 Relationship between ambient temperature and elevation of base station and test point HSL for case C8

圖8(a)給出了TA升高與工況C8～C10的基站和測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)高程ΔHE的關(guān)系曲線,將基站與測(cè)點(diǎn)的溫度影響系數(shù)差值定義為相對(duì)溫度影響系數(shù)ΔPt,由計(jì)算可知，C8工況的ΔPt為0.018 mm/℃,與工況C1～C7的Pt相比,C8工況的ΔPt明顯較小,這表明:TA對(duì)雙測(cè)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)的“冷媒箱-連接管-基站”引起的測(cè)試誤差對(duì)基站-測(cè)點(diǎn)相對(duì)高程沒(méi)有影響,該高程差異是由于基站和測(cè)點(diǎn)之間的連接管和該段連接管中冷媒的膨脹差異引起的。圖8(b)和8(c)分別給出了工況C9與C10條件下,TA升高引起的基站和測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)高程ΔHE,與單側(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果一致。當(dāng)連通管為三丙聚丙烯管時(shí),ΔHE隨TA的增大而增大,而當(dāng)連通管為PU塑料軟管時(shí),ΔHE隨TA的增大而減小。但與C8工況一致,C9與C10的ΔPt同樣明顯小于單點(diǎn)測(cè)試的Pt,且當(dāng)聯(lián)通管為PU塑料軟管時(shí),ΔPt為負(fù)值。需要指出的是,連通管的材質(zhì)對(duì)ΔPt有明顯的影響,但結(jié)合C1～C9的工況可知,該ΔPt是由基站和測(cè)點(diǎn)之間的連通管長(zhǎng)度有關(guān)。

圖8 C8～C10工況的基站與測(cè)點(diǎn)的相對(duì)高程與環(huán)境溫度的關(guān)系Fig.8 Relative elevation between base station and test point HLS vs. ambient temperature for cases C8—C10

2.4 測(cè)距對(duì)HLS測(cè)試精度影響

由上述分析可推斷,當(dāng)聯(lián)通管材質(zhì)確定后,TA變化引起的雙測(cè)點(diǎn)或多測(cè)點(diǎn)HSL測(cè)試誤差主要是由各測(cè)點(diǎn)之間距離決定,為系統(tǒng)探討測(cè)點(diǎn)距離Dtest(其本質(zhì)為聯(lián)通管長(zhǎng)度)對(duì)雙測(cè)點(diǎn)HSL測(cè)試精度的影響,利用聚四氟乙烯管雙測(cè)點(diǎn)測(cè)試平臺(tái),基站與測(cè)點(diǎn)的距離分別選為0.5、1、5和10 m,圖9給出不同測(cè)距Dtest情況下基站和測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)高程ΔHE與環(huán)境溫度TA的關(guān)系。由圖9可知,與C8工況保持一致,當(dāng)Dtest增加到1和5 m時(shí),ΔHE也隨TA的增加而增大,但在相同的TA下,Dtest越大,對(duì)應(yīng)的ΔHE越大,此外,各工況下雙HLS測(cè)點(diǎn)的ΔPt明顯小于基站的Pt,這也與C8工況一致。圖10為測(cè)距Dtest與相對(duì)溫度影響系數(shù)ΔPt的關(guān)系,ΔPt隨Dtest的增大而增大,但需要指出的是,ΔPt的增大速率逐漸減小,可初步推測(cè),當(dāng)Dtest超過(guò)某一特定值時(shí),ΔPt可能維持在定值,但受試驗(yàn)條件所限,很難實(shí)現(xiàn)更大Dtest條件下的精準(zhǔn)環(huán)境溫度控制,該結(jié)論還需進(jìn)一步場(chǎng)地條件試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

圖9 不同測(cè)距條件下相對(duì)高程與環(huán)境溫度的關(guān)系Fig.9 Relationship between relative elevation and ambient temperature under different measuring distances

圖10 測(cè)距與相對(duì)溫度影響系數(shù)的關(guān)系Fig.10 Relationship between measuring distance and relative temperature influence coefficient

3 結(jié)論

1)單HSL測(cè)點(diǎn)高程與環(huán)境溫度具有單一相關(guān)性,當(dāng)升溫速率為0.02或0.05 ℃/min時(shí),溫度影響系數(shù)一致,工況有效。當(dāng)升溫速率大于等于0.1 ℃/min時(shí),材料膨脹不充分,數(shù)據(jù)失真。

2)單HSL測(cè)點(diǎn)的溫度影響系數(shù)與冷媒與管材的膨脹系數(shù)之差(γdi-γpi)呈線性相關(guān)性,若選取管材的膨脹系數(shù)γpi與冷媒膨脹系數(shù)γdi較接近,可忽略溫度對(duì)單測(cè)點(diǎn)HSL測(cè)試精度的影響。

3)環(huán)境溫度對(duì)雙HLS測(cè)點(diǎn)引起的測(cè)試誤差是由于基站和測(cè)點(diǎn)之間的連通管和該段連通管中冷媒的膨脹差異引起,且連通管的材質(zhì)及基站和測(cè)點(diǎn)之間的連通管長(zhǎng)度有關(guān)，對(duì)相對(duì)溫度影響系數(shù)有明顯的影響。

4)相對(duì)溫度影響系數(shù)隨測(cè)距的增大而增大,而相對(duì)溫度影響系數(shù)的增大速率逐漸減小,這表明,當(dāng)測(cè)距超過(guò)某一定值時(shí),環(huán)境溫度引起的HLS測(cè)試誤差基本維持定值。