基于液位放大法的沉降仪研制

孙立国 江守燕 杜成斌

（河海大学 工程力学系，南京 210098）

目前，工程中普遍采用的沉降测量方法是水准仪观测法[1-2]。该方法存在一些问题，如测量效率较低、易干扰工程施工、测量自动化程度不高以及测量时需要较多人力物力等。为解决传统监测手段存在的问题，相关学者及工程专家等对沉降监测技术进行了一系列改进与研发，并将研究成果广泛应用于路基沉降、房建工程沉降以及地铁基坑开挖等工程监测[3-4]。李莉提出了采用连通器原理的水管式沉降仪进行土体路基沉降监测，通过埋设于待测点处的连通管一端因沉降发生水位上升而对应位置液体压力增大测出沉降量[5]。这种基于连通器原理的静力水准测量法克服了传统人工测量频率低、出报表周期长等缺点。与自动化观测系统相结合时，它可实现实时在线监测[6]。目前，静力沉降仪可实现±0.05 mm的高精度测量，满足大多数工程测量需求。但是，对于有更高精度要求的监测，如桩基沉降监测[7]，现有的静力沉降仪测试精度依然不够。

为了提高静力沉降仪的测量精度，本文提出了一种液位放大方式的沉降测量方法。根据圆柱体铜棒体和排开水体截面积比值确定放大倍数，从而实现对小位移更精确的测量。该方法将现有静力沉降仪的测试精度提升了一个量级，最优精度可达±0.05 mm，为工程上小位移的监测提供了可能。

1 静力沉降仪工作原理

静力沉降仪是通过连通器原理测量两点或多点间高程的相对变化的仪器，常用于大坝检测、隧道开挖、房屋建筑以及山体滑坡等领域的垂直位移监测，通常布置在同一水平高程的测墩或墙体上。通过分布式模块测量单元自动采集测试数据，通过无线传输技术实现远程在线监测。

1.1 组成原件

静力沉降仪由高精度液位测量仪、贮液容器、内部溶液、液体连通管、通气管、固定部件及安装支架等组成。根据测试对象的需求，可选择测墩式或墙壁式安装。图1为两种典型的安装形式。

图1 静力沉降仪两种典型的安装形式

1.2 工作原理

采用静力沉降仪观测沉降时，至少需要两个观测点[8-9]。静力沉降仪的储液容器通过连通管相连，当液面静止后，各容器的液面处在同一水平面，液位传感器测出没给测点的初始液位分别为H10,H20,…,Hi0，如图2所示。假设测点1为基准点，其他测点发生变位后，在系统内液面重新达到平衡后，各容器内的新液位分别为H1,H2,…,Hi，如图3所示。

图2 静力沉降仪工作原理（初始状态）

图3 静力沉降仪工作原理（发生变位后）

各测点液位变化量可分别表示为

式中：∆hi为第i测点储液容器内的液位改变。

当以测点1为基准点时，其他测点的相对沉降量∆Hi为

2 静力沉降仪的改进

因为现有液位传感器的测试精度限制，当储液容器内液位变化小于0.5 mm时，测量结果误差较大。为解决上述问题，本文提供了一种液位放大系统的沉降测量装置。该装置采用位移放大系统将储液容器内的液位变化进行一定倍数的放大，由传感器测得压力信号，从而得到精度更高的沉降值。与现有静力沉降测量装置相比，该装置可实现工程试验中小位移的测量，提高沉降测量的精确度。

改进的沉降测量装置由若干个液位放大系统组成。液位放大系统的布置，如图4所示。其中：滑轮组件为定滑轮组件，由滑轮、支架及刚性的连接件组成；连接件的两端分别与空心浮块2、柱状体6相连，且连接件置于支架上；支架底部固定于1#容器或2#容器顶部；底部传感器8为扩散硅压力传感器。

图4 液位放大系统的布置示意图

使用过程中，需保证所有1#容器与基点水箱连通，2#容器内装入不易挥发液体且液位表面位于圆柱体铜棒中点，同时不易挥发液体的密度应小于圆柱体铜棒。当两个容器组成的液位放大系统相对于基点水箱有竖向位移发生时，1#容器的液面发生改变，此时不锈钢空心球所在位置随之改变。在滑轮组件的作用下，圆柱体铜棒相应发生变化，使2#容器中液位发生明显改变（当2#容器内壁的横截面积比圆柱体铜棒的横截面积大时，圆柱体铜棒的微小变位会使2#容器液位发生明显改变）。不锈钢空心球所受重力远大于圆柱体铜棒所受浮力，因此2#容器内圆柱体铜棒浮力的变化对1#容器内不锈钢空心球的影响可以忽略。

装置将1#容器内液位变化转化为2#容器中的液位变化，放大倍数取决于圆柱体铜棒横截面积和2#容器内壁横截面积与圆柱体铜棒体横截面积之差的比值。理论上，该比值越大，放大倍数越大。液压与液面高度成正比关系。根据布置在2#容器底部的传感器测得液体压力的变化，可推算出圆柱体铜棒的位移，得出1#容器内相应的液面位置变化量，从而获得最终的位移测量结果。

3 典型样机

基于上述原理，制造的改进静力沉降仪如图5所示。关键部件尺寸如下：1#容器内径为150 mm，高为300 mm；2#容器内径为20 mm，高为300 mm；选用的空心浮体即不锈钢空心球，直径为120 mm，壁厚为2 mm，密度为7.8 g·cm-3；柱状体即圆柱体铜棒，直径为19 mm，长为200 mm，密度为8.9 g·cm-3。所有液体均为水时（即传递介质也为水），不锈钢空心球的浮力约为圆柱体铜棒浮力的12倍。圆柱体铜棒水位变化引起的浮力改变，对不锈钢空心球可以忽略不计，以下g取10 N·kg-1。

（1）2#容器中液体对圆柱体铜棒所产生的最大浮力为

不锈钢空心球所产生的重力为

则不锈钢空心球的重力与圆柱体铜棒浮力比为6.82/0.57，约等于12。

（2）若2#容器内壁横截面积为S1、圆柱体铜棒横截面积为S2，则液位放大系统的放大倍数为S2∶(S1-S2)。假设液位放大系统相对于基点水箱发生0.1 mm竖向变位，则2#容器内水位变化为

即当该液位放大系统相对于基点水箱发生0.1 mm竖向变位时，2#容器内水位变化为0.926 mm，相当于被测位移被放大9.26倍。

也就是说，当使用改进后的沉降测量装置时，通过2#容器底部的传感器测得容器内液体压力的变化，据此可推算柱状体的位移，得到第一容器内相应的液面位置变化量，也就得到了最终的位移测量结果。图6为对改进后仪器性能的验证，结果表明改进后的静力沉降仪性能稳定且测量精度高。

图6 性能测试

4 结语

土建工程发展迅速，出现了各种各样的结构形式。不同测量对象对工程测量的精度要求不尽相同，为满足高精度沉降测量，设计了一种液位放大方式的沉降测量仪。该沉降仪通过两个浮块和滑轮组件，将连通管容器内的液位小变化转换为独立容器内的液面大变化，最后由其底部的压力传感器测得相应的液位改变量。通过给定尺寸及材料数据，进行液位放大系统中放大系数的计算，得出该尺寸下位移数据相应放大了24.25倍。本文提出的基于液位放大方式的沉降仪根据柱状体和排开水体截面积比值确定放大倍数，将现有静力沉降仪的测试精度提升了一个量级，最优精度可达±0.05 mm，可有效应用于桩基检测等高精度沉降测量。