箱形基礎(chǔ)的自動(dòng)化實(shí)時(shí)測控裝置及系統(tǒng)的研究

韓劭恒， 胡 陽， 王祥銳， 呂 成

（金陵科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 江蘇 南京 211169）

0 引言

傳統(tǒng)人工測量的劣勢主要有以下三方面： ①誤差隨機(jī)性強(qiáng)。人工測量的測量精度，不僅受測量人員的測量技術(shù)和操作規(guī)范程度等人為因素的影響，而且會(huì)受氣溫、氣壓、空氣濕度等自然因素的影響。由于導(dǎo)致誤差的因素眾多，所以誤差的隨機(jī)性也較強(qiáng)；②不能做到連續(xù)測控。 根據(jù)建筑物施工進(jìn)度的不同， 箱形基礎(chǔ)的變形測量間隔也不同， 一般間隔5-30d 測量一次。 若由于測量人員的疏忽，可能導(dǎo)致忘記測量，則無法進(jìn)行后期的補(bǔ)測。 而測量間隔期間可能會(huì)因?yàn)閻毫犹鞖獾榷喾N外界因素， 造成在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大形變， 使測量的滯后性給工程帶來更大的不利影響；③工作量大，效率低。 為了盡可能的減小偶然誤差，保證測量的精確度，傳統(tǒng)測量大多會(huì)選擇多次觀測取平均值的方法， 而這種方法的弊端會(huì)帶來工作量的大幅度增加。 有時(shí)因?yàn)橐粋€(gè)數(shù)據(jù)的刪除失誤，甚至需要整體重新測量。 測量工作往往是對(duì)測量人員細(xì)致程度和身體耐力的雙重考驗(yàn)。

自動(dòng)化測量集數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸、顯示于一體，隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及測量儀器的智能化，自動(dòng)化測量已經(jīng)成為測繪行業(yè)的必然發(fā)展趨勢。 將測量與控制技術(shù)相結(jié)合的測控， 則更依賴于自動(dòng)化測量帶來的實(shí)時(shí)性和簡易性，將采集數(shù)據(jù)直接交給計(jì)算機(jī)程序運(yùn)算，最后反饋給用戶形變值，用戶只需和選用的限值進(jìn)行比對(duì)，就可以了解到箱形基礎(chǔ)的形變情況。 這種速度快、 全天候、效率高的測控方式，有著很大的市場需求。

1 測控指標(biāo)

1.1 總沉降量

箱形基礎(chǔ)的總沉降量主要包括上浮量和沉降量。 埋深較深的箱形基礎(chǔ)在施工階段可能會(huì)因地下水位回升而造成箱形基礎(chǔ)上浮，產(chǎn)生上浮量。 而隨著箱形基礎(chǔ)上部荷載的增加，還會(huì)有沉降的發(fā)生。

根據(jù)我國現(xiàn)行的《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007—2011，基礎(chǔ)的最終沉降量的計(jì)算是按分層總和法計(jì)算，即在地基壓縮層深度范圍內(nèi)， 根據(jù)基礎(chǔ)中心下的土柱所受附加壓力，分層計(jì)算其單項(xiàng)壓縮量，然后加以總和求出地基最終沉降變形量，見下式：

式中：S—最終沉降量；ΨS—沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；P0—對(duì)應(yīng)于荷載標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的基礎(chǔ)底面處的附加壓力； 其余符號(hào)說明見規(guī)范GB50007-2011。

1.2 撓度值

箱形基礎(chǔ)地板面積大， 在不均勻受力下會(huì)受到不平衡的彎矩和剪力，這會(huì)導(dǎo)致箱形基礎(chǔ)的各個(gè)面產(chǎn)生撓度，即整體發(fā)生變形。埋深較大的箱形基礎(chǔ)具有較大的剛度，特別是隨著上層結(jié)構(gòu)的施工，增加了建筑物的整體剛度。因此，一般說來，整體撓曲不是主要的問題。

1.3 橫向傾斜

若忽略如上所述1.2 中的內(nèi)部變形， 將箱形基礎(chǔ)視為一理想剛體。在水浮力和上部荷載的不均勻作用下，整體會(huì)產(chǎn)生橫向傾斜。

基礎(chǔ)埋深對(duì)箱形基礎(chǔ)傾斜有約束作用， 如果不考慮水平荷載， 這種約束作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)中心一般位于2/3基礎(chǔ)埋深處，鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)拔出后，這種約束作用將因基礎(chǔ)側(cè)面土的松動(dòng)而削弱。

較高的建筑物荷載重心將加大箱形基礎(chǔ)的傾斜。

圖1 箱形基礎(chǔ)橫向傾斜示意圖Fig.1 Lateral inclination of box foundation

2 測控裝置原理與組成

2.1 測控裝置原理

自動(dòng)化實(shí)時(shí)測控裝置， 由一根帶有儀器的桿件將相鄰角點(diǎn)連接，測量出兩相鄰角點(diǎn)的位置關(guān)系，將已知點(diǎn)的坐標(biāo)引入求得未知點(diǎn)。當(dāng)采用多個(gè)本裝置聯(lián)合使用時(shí)，采用多點(diǎn)測量的方式，從而構(gòu)建出整體。

2.2 測控裝置構(gòu)造

箱形自動(dòng)化實(shí)時(shí)測控裝置（如圖2 所示），包括左側(cè)固定板（1）、連接在左側(cè)固定板上的改進(jìn)球鉸（2）、右側(cè)固定板 （5）、 連接在改進(jìn)球鉸與右側(cè)固定板之間的伸縮桿（3）組成。

圖2 測控裝置整體構(gòu)造Fig.2 Overall structure of measurement and control device

所述左側(cè)固定板（1）和右側(cè)固定板（5）分別在對(duì)角線位置開設(shè)有螺孔， 通過螺栓將左側(cè)固定板和右側(cè)固定板連接在墻體上。

圖3 為改進(jìn)球鉸外觀示意， 圖4 為改進(jìn)球鉸剖面示意圖， 包括球體（2）和球座（3），左側(cè)固定板（1）有兩個(gè)，相互垂直設(shè)置， 分別連接在球座的背面和側(cè)面，球體容納于球座中并能在球座中自由轉(zhuǎn)動(dòng)， 伸縮桿（5）與球體相連，在球座中設(shè)置有用于感測球體的轉(zhuǎn)動(dòng)的球體傳感器（4）。

圖3 改進(jìn)球鉸外觀示意圖Fig.3 Appearance of improved Ball Joint

圖4 改進(jìn)球鉸的剖面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Profile of improved Ball Joint

伸縮桿 （如圖5 所示）包括分段的桿體（1、3）和伸縮套桿（2），其中伸縮套桿套設(shè)在相鄰的兩段桿體上或者伸縮套桿插設(shè)在相鄰的桿體中， 在伸縮套桿上設(shè)有長度傳感器， 伸縮套桿兩側(cè)的桿體上架設(shè)有角度測量裝置， 角度測量裝置包括設(shè)置在左側(cè)桿體和右側(cè)桿體上的固定座（4），連接在固定座上的架設(shè)桿（5）和設(shè)置在架設(shè)桿上的角度儀（6）。

圖5 伸縮桿中段結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of middle section of Telescopic Rod

3 結(jié)束語

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本測控方案的優(yōu)勢在于：

（1）本實(shí)用新型的裝置具有創(chuàng)新價(jià)值，將點(diǎn)位坐標(biāo)變化量轉(zhuǎn)化為角度和長度變化量，此值易于直接測量；采用端頭球鉸處和桿中處聯(lián)測的方式，修正桿件受彎誤差；技術(shù)難度較低，無需價(jià)格昂貴的定位系統(tǒng)，易于批量生產(chǎn)；

（2）具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，隨著科技的進(jìn)步和對(duì)裝置、系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)，經(jīng)濟(jì)成本將遞減；

（3）具有實(shí)用價(jià)值，自動(dòng)化測控具有實(shí)時(shí)性、精確性、高效性等多重優(yōu)勢，可挖掘的發(fā)展空間巨大。