陸上土體分層沉降自動(dòng)電測(cè)系統(tǒng)

郭　科，黃　泰，張陸一*，邢　義，蔣　榮

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津300456；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300222）

陸上土體分層沉降自動(dòng)電測(cè)系統(tǒng)

郭科1，黃泰2，張陸一2*，邢義2，蔣榮2

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津300456；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300222）

隨著近年來(lái)工程建設(shè)的飛速發(fā)展，軟土地基處理的規(guī)模越來(lái)越大，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)多采用人工測(cè)量，人工成本的逐年增加給監(jiān)測(cè)單位造成了巨大的壓力。基于此，采用導(dǎo)管、沉降環(huán)、陸上土體分層沉降量自動(dòng)電測(cè)儀、手持監(jiān)測(cè)儀器組成陸上土體分層沉降自動(dòng)電測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)性能良好，可節(jié)約人工成本，保障現(xiàn)場(chǎng)人員人身安全，克服惡劣天氣影響，保證工程質(zhì)量。

軟土地基；陸上土體分層沉降；研發(fā)

0　引言

在港口建設(shè)中，通常使用磁環(huán)式分層沉降儀進(jìn)行土層的沉降測(cè)量。這種方式需全程人工操作、讀數(shù)及記錄測(cè)值，因此存在效率低，測(cè)量精度低、且容易產(chǎn)生觀測(cè)錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)需人工記錄歸檔[1-3]等不足。

天津港近幾年的吹填造陸工程，一個(gè)工程動(dòng)輒數(shù)百萬(wàn)m2乃至上千萬(wàn)m2，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)需要大量的測(cè)量人員，而隨著工人工資的逐年增加，人工成本占了工程監(jiān)測(cè)費(fèi)用很大的比例，再加上市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，投標(biāo)報(bào)價(jià)越來(lái)越低，給監(jiān)測(cè)單位造成的壓力越來(lái)越大，急需改變目前這種局面。而改變這種局面的最有效的手段就是從技術(shù)上突破，研發(fā)自動(dòng)化儀器設(shè)備，減少用工。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

陸上土體分層沉降自動(dòng)電測(cè)系統(tǒng)由導(dǎo)管、沉降環(huán)、陸上土體分層沉降量自動(dòng)電測(cè)儀組成。

導(dǎo)管為堅(jiān)固非金屬材質(zhì)如PVC材料等加工而成的中空柱體，如圖1所示，導(dǎo)管外側(cè)套有沉降環(huán)。導(dǎo)管分為多節(jié)，縱向連接埋入待測(cè)土層中，最末節(jié)導(dǎo)管底端用密封頭密封并錨固在地下相對(duì)穩(wěn)定的巖土層。相鄰導(dǎo)管間通過(guò)導(dǎo)管連接環(huán)”緊固連接。

圖1　陸上土體分層沉降自動(dòng)電測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structuraldiagram of autom aticm easuring system tomeasure settlementof layered soils

沉降環(huán)為堅(jiān)固非金屬材質(zhì)如PVC材料等加工而成。如圖2所示，沉降環(huán)外周裝有數(shù)個(gè)可折疊錨固鐵片，用于使沉降環(huán)錨固在被測(cè)土層。沉降環(huán)內(nèi)側(cè)嵌有一圈磁鐵用于觸發(fā)沉降儀探頭內(nèi)的磁感應(yīng)元件。多個(gè)沉降環(huán)預(yù)先套裝在導(dǎo)管上，根據(jù)各沉降環(huán)預(yù)監(jiān)測(cè)的土層深度來(lái)確定其在導(dǎo)桿上的套裝位置[4]。各沉降環(huán)套裝好后依次縱向排列在導(dǎo)桿上，并依照其所處位置排好編號(hào)。例如導(dǎo)桿上套有8個(gè)沉降環(huán)，最上端的為1號(hào)沉降環(huán)依次排號(hào)遞增至底端為8號(hào)沉降環(huán)。

圖2　磁環(huán)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structurald iagram ofmagnetic ring

沉降環(huán)四周的錨固鐵片在導(dǎo)桿埋設(shè)前先用力折起并用水溶性紙質(zhì)膠帶拴在導(dǎo)桿側(cè)壁上。待導(dǎo)桿埋設(shè)好，沉降環(huán)已達(dá)到預(yù)定土層深度后，水溶性紙質(zhì)膠帶會(huì)被土層中的水溶化。隨后錨固鐵片由于自身彈性而自動(dòng)撐開(kāi)，錨固在待測(cè)土層中，使得沉降環(huán)隨著待測(cè)土層下沉。

2　系統(tǒng)組成部分

2.1沉降量巡檢裝置

1）步進(jìn)電機(jī)

如圖3所示，步進(jìn)電機(jī)安裝在陸上土體分層沉降自動(dòng)電測(cè)儀內(nèi)，其控制線(xiàn)纜連接至測(cè)控及無(wú)線(xiàn)傳輸裝置內(nèi)的控制電路，根據(jù)控制電路發(fā)出的指令旋轉(zhuǎn)及停止。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與圓柱形繞線(xiàn)輪軸心及角位移傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng)軸同軸固定連接且同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3　步進(jìn)電機(jī)Fig.3 Stepmotor

2）磁感應(yīng)測(cè)頭

磁感應(yīng)測(cè)頭為堅(jiān)固非金屬材質(zhì)如PVC材料等加工而成。磁感應(yīng)測(cè)頭內(nèi)有磁感應(yīng)元件如霍爾元件或干簧管等。

3）位移傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

如圖4所示，位移傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的圓柱形繞線(xiàn)輪上繞有細(xì)電纜，纏繞圈數(shù)可根據(jù)量程需要修改。細(xì)電纜上端與圓柱形繞線(xiàn)輪側(cè)面固定連接，細(xì)電纜內(nèi)部各線(xiàn)芯與圓柱形繞線(xiàn)輪圓面上的對(duì)應(yīng)電滑環(huán)連接導(dǎo)通，電滑環(huán)與對(duì)應(yīng)電刷接觸導(dǎo)通，使得細(xì)電纜內(nèi)部各線(xiàn)芯通過(guò)對(duì)應(yīng)的電滑環(huán)、電刷連接至測(cè)控及無(wú)線(xiàn)傳輸裝置內(nèi)的測(cè)控單元。細(xì)電纜下端由陸上土體分層沉降自動(dòng)電測(cè)儀下部引出，并與磁感應(yīng)測(cè)頭連接，細(xì)電纜下端內(nèi)部各線(xiàn)芯與測(cè)頭中的磁感應(yīng)元件對(duì)應(yīng)引腳連接導(dǎo)通。圓柱形繞線(xiàn)輪側(cè)面有細(xì)螺紋，細(xì)電纜臥于螺紋凹槽內(nèi)，使得細(xì)電纜在從圓柱形繞線(xiàn)輪上放出或回收時(shí)始終并排纏繞。由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與圓柱形繞線(xiàn)輪軸心及角位移傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng)軸同軸固定連接且同步轉(zhuǎn)動(dòng)，所以，圓柱形繞線(xiàn)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的角位移量與角位移傳感器旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移量及步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移量相等且同步增減。

圖4　位移傳動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.4 Displacement transm issionmechanism

每次對(duì)各沉降環(huán)所在土層沉降量進(jìn)行巡測(cè)時(shí)，測(cè)控單元控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)圓柱形繞線(xiàn)輪旋轉(zhuǎn)，使得磁感應(yīng)測(cè)頭在導(dǎo)管內(nèi)緩緩放下。當(dāng)測(cè)頭到達(dá)導(dǎo)管上端第一個(gè)沉降環(huán)位置時(shí)，測(cè)頭內(nèi)磁感應(yīng)元件探測(cè)到沉降環(huán)內(nèi)磁鐵的磁場(chǎng)，則立即通過(guò)細(xì)電纜發(fā)送電信號(hào)給陸上土體分層沉降自動(dòng)電測(cè)儀內(nèi)的測(cè)控單元，測(cè)控單元收到該信號(hào)后立即控制步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)。并由測(cè)控單元記錄下此時(shí)角位移傳感器測(cè)得的角位移量θ，rad，并與沉降量監(jiān)測(cè)起始時(shí)間點(diǎn)該沉降環(huán)測(cè)得的角位移量相減，得出角位移增量Δθ，rad。則此沉降環(huán)自沉降量監(jiān)測(cè)起始時(shí)間點(diǎn)至此次檢測(cè)時(shí)的下沉（或上移）量為L(zhǎng)，即此沉降環(huán)所在土層在這段時(shí)間內(nèi)的沉降量為L(zhǎng)。圓柱形繞線(xiàn)輪的周長(zhǎng)為C。因此，測(cè)控單元可通過(guò)所測(cè)Δθ計(jì)算出該沉降環(huán)所在土層沉降量L。

測(cè)控單元記錄下所測(cè)第1個(gè)沉降環(huán)的沉降量L后，控制步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)使得磁感應(yīng)測(cè)頭繼續(xù)緩緩放下，當(dāng)測(cè)頭到達(dá)下一個(gè)沉降環(huán)位置時(shí)，設(shè)備重復(fù)上述步驟，依次類(lèi)推，由測(cè)控單元記錄下導(dǎo)管上各沉降環(huán)所在土層的沉降量。當(dāng)測(cè)頭檢測(cè)完最下端的磁環(huán)所在土層沉降量后，測(cè)控單元記錄下所測(cè)最下端沉降環(huán)的沉降量后，控制步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)直至測(cè)頭上升至緊貼陸上土體分層沉降自動(dòng)電測(cè)儀底部，從而完成了一次自動(dòng)巡檢過(guò)程，并采集記錄了各被測(cè)土層的沉降量。

4）位移量轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號(hào)機(jī)構(gòu)

角位移傳感器的類(lèi)型可以用電阻式旋轉(zhuǎn)編碼器、絕對(duì)型光電式旋轉(zhuǎn)編碼器、絕對(duì)型電磁式旋轉(zhuǎn)編碼器等。

例如角位移傳感器使用絕對(duì)型光電式旋轉(zhuǎn)編碼器或絕對(duì)型電磁式旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器均可直接輸出量值為R的數(shù)字信號(hào)，量值R與編碼器測(cè)得的角度θ成線(xiàn)性關(guān)系，因此兩者在某時(shí)間段內(nèi)的增量關(guān)系為：Δθ=kΔR，k為固定轉(zhuǎn)換常數(shù)，由編碼器生產(chǎn)廠家提供，為已知常量。則：

數(shù)字信號(hào)通過(guò)各角位移傳感器信號(hào)線(xiàn)纜將量值R傳入測(cè)控單元。經(jīng)測(cè)控單元內(nèi)的單片機(jī)運(yùn)算后得出所測(cè)沉降量L。

2.2測(cè)控及無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸裝置

1）測(cè)控單元

測(cè)控單元可接受磁感應(yīng)探頭發(fā)來(lái)的信號(hào)，并可控制步進(jìn)電機(jī)正反向旋轉(zhuǎn)與停轉(zhuǎn)。測(cè)控單元可接收到角位移傳感器輸出的實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路后輸出量值R至測(cè)控單元內(nèi)的單片機(jī)。各沉降環(huán)在其沉降量監(jiān)測(cè)起始時(shí)間點(diǎn)所測(cè)的數(shù)字信號(hào)的量值R′已記錄在單片機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)器中，R′通常采用沉降環(huán)剛埋設(shè)好時(shí)所測(cè)數(shù)值，也可自行選擇所需的起始時(shí)間點(diǎn)的測(cè)量值。經(jīng)測(cè)控單元內(nèi)單片機(jī)的程序運(yùn)算使得單片機(jī)輸出的各數(shù)字信號(hào)量值即為各沉降環(huán)在其沉降量監(jiān)測(cè)起始時(shí)間點(diǎn)至此次監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)之間這段時(shí)間內(nèi)的被測(cè)土層沉降量L。單片機(jī)所運(yùn)行的換算公式即為：

2）無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸裝置

測(cè)控單元中單片機(jī)輸出的各路數(shù)字信號(hào)量值即各沉降環(huán)所在土層的沉降量L。單片機(jī)輸出的各路數(shù)字信號(hào)可通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程接收機(jī)。無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸裝置的無(wú)線(xiàn)電收發(fā)天線(xiàn)安裝在陸上土體分層沉降自動(dòng)電測(cè)儀頂部。

2.3系統(tǒng)安裝方式

如圖1，沉降儀導(dǎo)管的下端固定在地下相對(duì)穩(wěn)定的巖土層的錨固點(diǎn)，其上端依次連接沉降儀的沉降環(huán)、陸上土體分層沉降自動(dòng)電測(cè)儀，并通過(guò)陸上土體分層沉降自動(dòng)電測(cè)儀上的無(wú)線(xiàn)電收發(fā)天線(xiàn)連接至遠(yuǎn)程接收機(jī)，或通過(guò)陸上土體分層沉降自動(dòng)電測(cè)儀引出的線(xiàn)纜連接到手持監(jiān)測(cè)儀器，從而可以直觀實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地讀取當(dāng)前各沉降環(huán)所在土層自沉降儀埋設(shè)時(shí)至此刻這段時(shí)間內(nèi)所發(fā)生的沉降量。

2.4系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作流程

將沉降儀導(dǎo)桿下部固定于地下不發(fā)生沉降巖層的錨固點(diǎn)，導(dǎo)桿上套有多個(gè)沉降環(huán)，各沉降環(huán)分別嵌入各待測(cè)土層。巡檢開(kāi)始時(shí)，陸上土體分層沉降自動(dòng)電測(cè)儀內(nèi)測(cè)控單元驅(qū)使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)圓柱形繞線(xiàn)輪旋轉(zhuǎn)，使得磁感應(yīng)測(cè)頭緩緩下降。測(cè)頭從上至下依次經(jīng)過(guò)導(dǎo)管上各沉降環(huán)位置，并自動(dòng)測(cè)量記錄下各沉降環(huán)所在土層的沉降量，全部檢測(cè)完成后測(cè)頭自動(dòng)回收至陸上土體分層沉降自動(dòng)電測(cè)儀底部，陸上土體分層沉降自動(dòng)電測(cè)儀內(nèi)的單片機(jī)將測(cè)量結(jié)果處理后將所測(cè)得各土層沉降量經(jīng)無(wú)線(xiàn)電收發(fā)天線(xiàn)發(fā)送給遠(yuǎn)程接收機(jī)，即完成了一次巡檢過(guò)程。從而可以直接實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地讀取當(dāng)前各沉降環(huán)所在土層的沉降量。陸上土體分層沉降自動(dòng)電測(cè)儀也可直接連接手持監(jiān)測(cè)儀器，以便現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)實(shí)時(shí)沉降量。

沉降儀的輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，此數(shù)字信號(hào)經(jīng)無(wú)線(xiàn)電收發(fā)天線(xiàn)傳至遠(yuǎn)程接收機(jī)，因此測(cè)量精度不受傳輸距離的影響。此數(shù)字信號(hào)還可經(jīng)線(xiàn)纜傳至手持監(jiān)測(cè)儀器，因此測(cè)量精度不易受到線(xiàn)纜長(zhǎng)度及外界電磁干擾的影響。該沉降儀具備多土層監(jiān)測(cè)及大量程和高靈敏度，在埋設(shè)點(diǎn)可同時(shí)監(jiān)測(cè)8個(gè)以上不同深度土層的沉降量，各土層沉降量測(cè)量量程可達(dá)5m以上，靈敏度可達(dá)0.1mm。

3　試驗(yàn)結(jié)果

在短期實(shí)驗(yàn)中，陸上土體分層沉降自動(dòng)電測(cè)儀所測(cè)得結(jié)果與人工放尺測(cè)量結(jié)果完全吻合。詳見(jiàn)表1、表2。

表1　第1組陸上土體分層沉降測(cè)量結(jié)果Table1 First setof resultsofmeasured settlementof layered soilson lan

表2　第2組陸上土體分層沉降測(cè)量結(jié)果Table2 Second setof resultsofmeasured settlem ent of layered soilson land

4　結(jié)語(yǔ)

本次陸上土體分層沉降自動(dòng)電測(cè)系統(tǒng)的研究，適應(yīng)科技發(fā)展，使軟土地基及水工構(gòu)筑物監(jiān)測(cè)技術(shù)更上一個(gè)臺(tái)階。使自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)替代原有的人工觀測(cè)方式，保障觀測(cè)人員人身安全，確保不受惡劣天氣影響及時(shí)取得檢測(cè)數(shù)據(jù)，保證工程質(zhì)量。

本系統(tǒng)從站設(shè)備的測(cè)量精度、續(xù)航時(shí)間、對(duì)各品牌傳感器兼容性、無(wú)線(xiàn)傳輸距離、抗干擾能力、主站設(shè)備便攜性等各項(xiàng)性能均達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，并獲得發(fā)明專(zhuān)利：自動(dòng)巡檢式分層沉降儀（授權(quán)號(hào)：ZL201310022322.1）。

[1]任世杰.真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓軟土路基沉降觀測(cè)與預(yù)測(cè)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2006. REN Shi-jie.Vacuum-surcharge preloading soft soil roadbed settlementobservation and prediction research[D].Changsha:CentralSouth University,2006.

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Automaticmeasuring system tomeasure settlement of layered soils on land

GUOKe1,HUANGTai2,ZHANG Lu-yi2*,XINGYi2,JIANGRong2
（1.CCCCFirstHarbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin300456,China;2.CCCCTianjin PortEngineering Institute Co.,Ltd.,Key Laboratory of PortGeotechnicalEngineering of the Ministry of Transport,Key Laboratory of PortGeotechnical Engineering of Tianjin,Tianjin 300222,China）

With the rapid developmentofengineering construction in recent years,the scale ofsoftsoil improvementbecomes larger and larger.However,field monitoring was mostly carried outmanually,which imposes tremendous pressure on to the monitoring contractor due to the yearly increase of labor cost.Based on this,an automatic measuring system to measure settlement of layered soils on land was built composing of conduits,layered soil subsidence ring,automatic electric instrument tomeasure settlementof layered soils,and hand-hold monitoring instrument.The system has a good performance,cuts down labor costs,ensure the safety of field personnel,isable to overcome bad weather,and ensure the quality of the works.

soft soil;settlementof layered soil;research and development

TU433

A

2095-7874（2016）06-0072-04

10.7640/zggw js201606018

2016-03-29

郭科（1973—），男，河北邯鄲人，碩士，高級(jí)工程師，港口航道專(zhuān)業(yè)。

張陸一，E-mail：471354812@qq.com