一种新型沉降仪的研究

庄培芝，宋修广，高信杰，郭 瑞

(1．山东大学 土建与水利学院，山东 济南 250061;2．山东省公路建设集团，山东 济南 250061)

随着社会经济的飞速发展，对高速铁路以及高速公路的需求日益增加。由于高速铁路、公路运行速度快、技术标准高、质量要求严，沉降变形控制已成为保证高速铁路、公路等基础设施建设质量的关键。同时由于高速铁路、公路工程建设规模和范围的不断扩大，在工程中出现了大量诸如软弱地基、高填方、膨胀土、湿陷性黄土等特殊的地质情况;又由于相关学科诸如土力学、路堤设计理论及方法的近似性、不完备性，仅靠理论计算分析和工程经验无法完全掌握路堤的沉降变化趋势。因此，为保证工程施工质量和运营安全，必须采用有效的仪器设备对沉降变形进行观测分析。

1 沉降观测设备的发展现状

路基的沉降监测可分为:地表沉降量监测和路基内部的沉降监测。目前工程中常用的地表沉降量监测设备有:监测桩、沉降板、钢尺沉降仪、沉降管等，多采用在路基层面上埋设的方法，直接测量沉降值。该种观测方法由于设备外露影响正常施工、观测精度低等原因难以满足工程的沉降观测要求。路基内部沉降监测多采用水压式剖面沉降仪、钢弦式剖面沉降仪、水平测斜仪等。该种观测设备由于安装、使用程序复杂，造价高，不符合工程实际特点，不利于大面积推广和使用［1-4］。

同时，以上设备还普遍存在着手工操作、自动化程度不高、测量精度低、人为因素干扰大、监测数据的可靠性难保证、无法实现实时连续监测和预报等问题，监测数据严重滞后，沉降预报不及时。

因此，研发性能可靠、价格低廉、自动化程度高、观测精度满足工程发展要求的新型沉降监测仪器，符合我国工程建设飞速发展的基本国情，并对提高我国高速铁路、公路的建设质量、保证交通安全、节约建设资金具有重要的社会价值和经济意义。本文为克服上述现有设备的不足，研发了一种利用液面压力差和沉降值之间对应关系实现沉降观测的新型数字式沉降仪。

2 数字式沉降仪原理简介

该数字式沉降仪，主要由沉降盒、测线和液体部分组成(如图1所示)。沉降盒由振弦式传感器和铸铁外壳组成;测管为满足工程实际需求的硬质塑料管;测线为普通信号输出电缆。沉降仪使用时应将液管内注满液体，并将端口封堵，防止液体蒸发，使其另一端与沉降盒连接。

沉降观测的基本原理:在保证液管内液体体积不变的前提下，利用振弦式传感器［5］将液体在测点产生沉降前后的液面压力差以自振频率信号的方式输出，然后使用二次仪表读取，依此确定测点的沉降值。如图2中所示，两次观测测点的沉降值 Δh=h2－h1，h1=P1/(ρg)，h2=P2/(ρg)。其中 P1，P2为液管两端液面压力差，ρ为液体密度，g为重力加速度。

3 仪器制作及室内性能测试

3.1 仪器制作及质量控制要求

图1 数字式沉降仪示意

图2 装置原理示意

沉降仪外壳材料为铸铁，零件由专业厂家加工，对加工好的配件进行高温和低温老化，老化完成后放入实验室，由实验室专业人员进行组装。

1)组装好的沉降仪，用报纸包好，放到振动台上振动老化30 min，记录振动后的频率，与初频相差2 Hz以内为合格。

2)振动完后将沉降仪放在压力机上加载老化，要保证最大负荷及满量程负荷时频率的稳定性。

3)沉降仪在打压机上反复老化，每天老化60次，连续老化一周，放置一至二周后再老化1次，记录每个沉降仪的初频，将沉降仪按频差分档放置，以免混乱。

4)打压完后将沉降仪放入烘箱进行70℃高温老化48 h，老化完后再放入冰箱进行－35℃低温老化24 h，待沉降仪恢复到常温后，将其频率与初始频率比较。频率相差不大于2 Hz为合格，若大于2 Hz需重新老化，仍不合格者淘汰。

将经以上工艺检查后的合格产品，送交计量部门进行标定和检验。最后，对已标定的沉降仪密封后进行浸水试验。将沉降仪放入2 m深的水池中，放置48 h，测其频率，看其频率是否稳定，若频率无跳跃，说明仪器合格。

3.2 室内检验及性能分析

由于沉降观测周期长、精度要求高，工程中对沉降仪的观测精度和耐久性要求较高。本文通过室内试验的方法，分别确定了沉降仪的观测精度和长、短期观测稳定性。根据试验数据，对沉降仪进行了多次优化设计。现将按最终设计方案制作的沉降仪的相关试验结果介绍如下，其中仪器的长、短期跟踪观测是建立在沉降仪高程不发生变化的基础上，对其进行稳定性观测。

1)观测精度检测试验

通过模拟现场沉降，检测沉降仪的观测精度。由于检测时间较短，装置内液体可用水代替;将装置内注满水，保证其中没有气泡。试验步骤及数据如下:

①将液管固定，保证液管内液面高程不变;②将沉降盒放在升降台上，将二次仪表与测线连接;③控制沉降盒的上下移动，并分别记录实际移动值和沉降仪观测值。

由表1数据可知，沉降仪的观测精度可控制在1 mm/10 cm以内。

表1 沉降仪观测精度试验记录 cm

2)短期稳定性检测试验

为观察沉降仪在1 d内的波动情况，选取2010年7月23日，从上午6∶00到晚上22∶00，每间隔1 h读取沉降仪数据，试验数据如图3所示。

图3 沉降仪短期观测值(2010.07.23)

由观测数据发现，沉降仪在1 d内的观测稳定性较好，波动范围在1 mm以内，能够满足沉降观测误差控制的要求。

3)长期稳定性检测试验

为观察沉降仪较长时间的波动情况，从2010年6月3日—2010年8月3日进行了为期2个月的跟踪观测，每天上午10:00读数。任意选取连续10 d的观测数据，如图4所示。

图4 沉降仪长期观测值

根据观测数据，发现该沉降仪的长期稳定性较好，平均波动范围在1 mm左右，但有时会出现较大波动。初步分析其主要原因为:由于外露液管内液体的热胀冷缩效应，发生了轻微体积变形，致使传感器处水压力产生了变化。

4 数字式沉降仪的应用展望［6-7］

随着计算机技术及无线传输技术的迅猛发展，数据的自动化采集以及远程监控已经势在必行。本文在深入分析现有观测技术的情况下，对数字式沉降仪今后的应用情况给予展望(图5)。

图5 数字式沉降仪应用展望

在以后的沉降观测中，将对数字式沉降仪进行指令测量，采样时间间隔根据实际需要设置采样。使用二次仪表采集数据，利用GPRS无线网络进行数据传输，将测量数据发送到监控中心，软件自动对测量数据进行换算，直接输出监测物理量，完成对沉降测量数据的自动化采集和实时监控，并通过设定预警阀值实现报警功能。采集终端可采用太阳能电池板供电。

5 结语

该种新型数字式沉降仪在保证设备内液体体积不变的前提下，利用振弦式传感器读取由沉降引起的测点处液面压力变化，从而确定该点的沉降值。该沉降仪对路基、坝体等工程的施工影响小，并可通过引进数据自动采集装置和远程传输设备顺利地实现实时、连续自动化的沉降监测。通过长期的室内试验研究及改进，该仪器已经具备观测精度高、简便实用等特点。因此，该沉降仪可被广泛应用于高速铁路、高速公路、矿山开采、水库堤坝等重要工程的沉降观测中，一方面可以科学指导工程建设，另一方面可避免重大工程灾害的发生，对于我国安全生产及科技水平的提高都有重大意义。

［1］ 李泽崇．水管式沉降仪主要故障及故障排除尝试［J］．岩土力学，2006(27):697-700．

［2］ 吴建，刘擎．振弦式剖面沉降仪在软基堤坝施工监测中的应用［J］．岩土工程技术，2002(4):195-197．

［3］ 李莉．水管式沉降仪应用技术研究［J］．公路与汽运，2007(1):97-98．

［4］ 沈启炜．客运专线路基沉降变形控制技术探讨［J］．铁道建筑，2010(11):81-84．

［5］ 刘杨．振弦式传感器温度补偿研究［D］．长沙:长沙理工大学，2009．

［6］ 经绯，刘松玉，邵光辉．软土地基上路堤沉降变形特征分析［J］．岩土工程学报，2001，23(6):659-661．

［7］ 薛晓辉，周乔勇，梁伟．滑动式沉降仪观测路堤沉降试验研究［J］．铁道建筑，2007(11):52-53．