基于液位放大法的沉降儀研制

孫立國(guó) 江守燕 杜成斌

（河海大學(xué) 工程力學(xué)系，南京 210098）

目前，工程中普遍采用的沉降測(cè)量方法是水準(zhǔn)儀觀測(cè)法[1-2]。該方法存在一些問題，如測(cè)量效率較低、易干擾工程施工、測(cè)量自動(dòng)化程度不高以及測(cè)量時(shí)需要較多人力物力等。為解決傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段存在的問題，相關(guān)學(xué)者及工程專家等對(duì)沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了一系列改進(jìn)與研發(fā)，并將研究成果廣泛應(yīng)用于路基沉降、房建工程沉降以及地鐵基坑開挖等工程監(jiān)測(cè)[3-4]。李莉提出了采用連通器原理的水管式沉降儀進(jìn)行土體路基沉降監(jiān)測(cè)，通過埋設(shè)于待測(cè)點(diǎn)處的連通管一端因沉降發(fā)生水位上升而對(duì)應(yīng)位置液體壓力增大測(cè)出沉降量[5]。這種基于連通器原理的靜力水準(zhǔn)測(cè)量法克服了傳統(tǒng)人工測(cè)量頻率低、出報(bào)表周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。與自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合時(shí)，它可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)[6]。目前，靜力沉降儀可實(shí)現(xiàn)±0.05 mm的高精度測(cè)量，滿足大多數(shù)工程測(cè)量需求。但是，對(duì)于有更高精度要求的監(jiān)測(cè)，如樁基沉降監(jiān)測(cè)[7]，現(xiàn)有的靜力沉降儀測(cè)試精度依然不夠。

為了提高靜力沉降儀的測(cè)量精度，本文提出了一種液位放大方式的沉降測(cè)量方法。根據(jù)圓柱體銅棒體和排開水體截面積比值確定放大倍數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小位移更精確的測(cè)量。該方法將現(xiàn)有靜力沉降儀的測(cè)試精度提升了一個(gè)量級(jí)，最優(yōu)精度可達(dá)±0.05 mm，為工程上小位移的監(jiān)測(cè)提供了可能。

1 靜力沉降儀工作原理

靜力沉降儀是通過連通器原理測(cè)量?jī)牲c(diǎn)或多點(diǎn)間高程的相對(duì)變化的儀器，常用于大壩檢測(cè)、隧道開挖、房屋建筑以及山體滑坡等領(lǐng)域的垂直位移監(jiān)測(cè)，通常布置在同一水平高程的測(cè)墩或墻體上。通過分布式模塊測(cè)量單元自動(dòng)采集測(cè)試數(shù)據(jù)，通過無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)。

1.1 組成原件

靜力沉降儀由高精度液位測(cè)量?jī)x、貯液容器、內(nèi)部溶液、液體連通管、通氣管、固定部件及安裝支架等組成。根據(jù)測(cè)試對(duì)象的需求，可選擇測(cè)墩式或墻壁式安裝。圖1為兩種典型的安裝形式。

圖1 靜力沉降儀兩種典型的安裝形式

1.2 工作原理

采用靜力沉降儀觀測(cè)沉降時(shí)，至少需要兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)[8-9]。靜力沉降儀的儲(chǔ)液容器通過連通管相連，當(dāng)液面靜止后，各容器的液面處在同一水平面，液位傳感器測(cè)出沒給測(cè)點(diǎn)的初始液位分別為H10,H20,…,Hi0，如圖2所示。假設(shè)測(cè)點(diǎn)1為基準(zhǔn)點(diǎn)，其他測(cè)點(diǎn)發(fā)生變位后，在系統(tǒng)內(nèi)液面重新達(dá)到平衡后，各容器內(nèi)的新液位分別為H1,H2,…,Hi，如圖3所示。

圖2 靜力沉降儀工作原理（初始狀態(tài)）

圖3 靜力沉降儀工作原理（發(fā)生變位后）

各測(cè)點(diǎn)液位變化量可分別表示為

式中：?hi為第i測(cè)點(diǎn)儲(chǔ)液容器內(nèi)的液位改變。

當(dāng)以測(cè)點(diǎn)1為基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，其他測(cè)點(diǎn)的相對(duì)沉降量?Hi為

2 靜力沉降儀的改進(jìn)

因?yàn)楝F(xiàn)有液位傳感器的測(cè)試精度限制，當(dāng)儲(chǔ)液容器內(nèi)液位變化小于0.5 mm時(shí)，測(cè)量結(jié)果誤差較大。為解決上述問題，本文提供了一種液位放大系統(tǒng)的沉降測(cè)量裝置。該裝置采用位移放大系統(tǒng)將儲(chǔ)液容器內(nèi)的液位變化進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，由傳感器測(cè)得壓力信號(hào)，從而得到精度更高的沉降值。與現(xiàn)有靜力沉降測(cè)量裝置相比，該裝置可實(shí)現(xiàn)工程試驗(yàn)中小位移的測(cè)量，提高沉降測(cè)量的精確度。

改進(jìn)的沉降測(cè)量裝置由若干個(gè)液位放大系統(tǒng)組成。液位放大系統(tǒng)的布置，如圖4所示。其中：滑輪組件為定滑輪組件，由滑輪、支架及剛性的連接件組成；連接件的兩端分別與空心浮塊2、柱狀體6相連，且連接件置于支架上；支架底部固定于1#容器或2#容器頂部；底部傳感器8為擴(kuò)散硅壓力傳感器。

圖4 液位放大系統(tǒng)的布置示意圖

使用過程中，需保證所有1#容器與基點(diǎn)水箱連通，2#容器內(nèi)裝入不易揮發(fā)液體且液位表面位于圓柱體銅棒中點(diǎn)，同時(shí)不易揮發(fā)液體的密度應(yīng)小于圓柱體銅棒。當(dāng)兩個(gè)容器組成的液位放大系統(tǒng)相對(duì)于基點(diǎn)水箱有豎向位移發(fā)生時(shí)，1#容器的液面發(fā)生改變，此時(shí)不銹鋼空心球所在位置隨之改變。在滑輪組件的作用下，圓柱體銅棒相應(yīng)發(fā)生變化，使2#容器中液位發(fā)生明顯改變（當(dāng)2#容器內(nèi)壁的橫截面積比圓柱體銅棒的橫截面積大時(shí)，圓柱體銅棒的微小變位會(huì)使2#容器液位發(fā)生明顯改變）。不銹鋼空心球所受重力遠(yuǎn)大于圓柱體銅棒所受浮力，因此2#容器內(nèi)圓柱體銅棒浮力的變化對(duì)1#容器內(nèi)不銹鋼空心球的影響可以忽略。

裝置將1#容器內(nèi)液位變化轉(zhuǎn)化為2#容器中的液位變化，放大倍數(shù)取決于圓柱體銅棒橫截面積和2#容器內(nèi)壁橫截面積與圓柱體銅棒體橫截面積之差的比值。理論上，該比值越大，放大倍數(shù)越大。液壓與液面高度成正比關(guān)系。根據(jù)布置在2#容器底部的傳感器測(cè)得液體壓力的變化，可推算出圓柱體銅棒的位移，得出1#容器內(nèi)相應(yīng)的液面位置變化量，從而獲得最終的位移測(cè)量結(jié)果。

3 典型樣機(jī)

基于上述原理，制造的改進(jìn)靜力沉降儀如圖5所示。關(guān)鍵部件尺寸如下：1#容器內(nèi)徑為150 mm，高為300 mm；2#容器內(nèi)徑為20 mm，高為300 mm；選用的空心浮體即不銹鋼空心球，直徑為120 mm，壁厚為2 mm，密度為7.8 g·cm-3；柱狀體即圓柱體銅棒，直徑為19 mm，長(zhǎng)為200 mm，密度為8.9 g·cm-3。所有液體均為水時(shí)（即傳遞介質(zhì)也為水），不銹鋼空心球的浮力約為圓柱體銅棒浮力的12倍。圓柱體銅棒水位變化引起的浮力改變，對(duì)不銹鋼空心球可以忽略不計(jì)，以下g取10 N·kg-1。

（1）2#容器中液體對(duì)圓柱體銅棒所產(chǎn)生的最大浮力為

不銹鋼空心球所產(chǎn)生的重力為

則不銹鋼空心球的重力與圓柱體銅棒浮力比為6.82/0.57，約等于12。

（2）若2#容器內(nèi)壁橫截面積為S1、圓柱體銅棒橫截面積為S2，則液位放大系統(tǒng)的放大倍數(shù)為S2∶(S1-S2)。假設(shè)液位放大系統(tǒng)相對(duì)于基點(diǎn)水箱發(fā)生0.1 mm豎向變位，則2#容器內(nèi)水位變化為

即當(dāng)該液位放大系統(tǒng)相對(duì)于基點(diǎn)水箱發(fā)生0.1 mm豎向變位時(shí)，2#容器內(nèi)水位變化為0.926 mm，相當(dāng)于被測(cè)位移被放大9.26倍。

也就是說，當(dāng)使用改進(jìn)后的沉降測(cè)量裝置時(shí)，通過2#容器底部的傳感器測(cè)得容器內(nèi)液體壓力的變化，據(jù)此可推算柱狀體的位移，得到第一容器內(nèi)相應(yīng)的液面位置變化量，也就得到了最終的位移測(cè)量結(jié)果。圖6為對(duì)改進(jìn)后儀器性能的驗(yàn)證，結(jié)果表明改進(jìn)后的靜力沉降儀性能穩(wěn)定且測(cè)量精度高。

圖6 性能測(cè)試

4 結(jié)語

土建工程發(fā)展迅速，出現(xiàn)了各種各樣的結(jié)構(gòu)形式。不同測(cè)量對(duì)象對(duì)工程測(cè)量的精度要求不盡相同，為滿足高精度沉降測(cè)量，設(shè)計(jì)了一種液位放大方式的沉降測(cè)量?jī)x。該沉降儀通過兩個(gè)浮塊和滑輪組件，將連通管容器內(nèi)的液位小變化轉(zhuǎn)換為獨(dú)立容器內(nèi)的液面大變化，最后由其底部的壓力傳感器測(cè)得相應(yīng)的液位改變量。通過給定尺寸及材料數(shù)據(jù)，進(jìn)行液位放大系統(tǒng)中放大系數(shù)的計(jì)算，得出該尺寸下位移數(shù)據(jù)相應(yīng)放大了24.25倍。本文提出的基于液位放大方式的沉降儀根據(jù)柱狀體和排開水體截面積比值確定放大倍數(shù)，將現(xiàn)有靜力沉降儀的測(cè)試精度提升了一個(gè)量級(jí)，最優(yōu)精度可達(dá)±0.05 mm，可有效應(yīng)用于樁基檢測(cè)等高精度沉降測(cè)量。