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)重點實驗室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室，天津300222）

陸上土體分層沉降自動電測系統(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)重點實驗室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室，天津300222）

隨著近年來工程建設(shè)的飛速發(fā)展，軟土地基處理的規(guī)模越來越大，現(xiàn)場監(jiān)測多采用人工測量，人工成本的逐年增加給監(jiān)測單位造成了巨大的壓力?；诖耍捎脤?dǎo)管、沉降環(huán)、陸上土體分層沉降量自動電測儀、手持監(jiān)測儀器組成陸上土體分層沉降自動電測系統(tǒng)。系統(tǒng)性能良好，可節(jié)約人工成本，保障現(xiàn)場人員人身安全，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)式分層沉降儀進行土層的沉降測量。這種方式需全程人工操作、讀數(shù)及記錄測值，因此存在效率低，測量精度低、且容易產(chǎn)生觀測錯誤，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，一個工程動輒數(shù)百萬m2乃至上千萬m2，現(xiàn)場監(jiān)測需要大量的測量人員，而隨著工人工資的逐年增加，人工成本占了工程監(jiān)測費用很大的比例，再加上市場競爭越來越激烈，投標報價越來越低，給監(jiān)測單位造成的壓力越來越大，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電測系統(tǒng)由導(dǎo)管、沉降環(huán)、陸上土體分層沉降量自動電測儀組成。

導(dǎo)管為堅固非金屬材質(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穩(wěn)定的巖土層。相鄰導(dǎo)管間通過導(dǎo)管連接環(huán)”緊固連接。

圖1　陸上土體分層沉降自動電測系統(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)個可折疊錨固鐵片，用于使沉降環(huán)錨固在被測土層。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)測的土層深度來確定其在導(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。例如導(dǎo)桿上套有8個沉降環(huán)，最上端的為1號沉降環(huán)依次排號遞增至底端為8號沉降環(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)已達到預(yù)定土層深度后，水溶性紙質(zhì)膠帶會被土層中的水溶化。隨后錨固鐵片由于自身彈性而自動撐開，錨固在待測土層中，使得沉降環(huán)隨著待測土層下沉。

2　系統(tǒng)組成部分

2.1沉降量巡檢裝置

1）步進電機

如圖3所示，步進電機安裝在陸上土體分層沉降自動電測儀內(nèi)，其控制線纜連接至測控及無線傳輸裝置內(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。步進電機的轉(zhuǎn)動軸與圓柱形繞線輪軸心及角位移傳感器的轉(zhuǎn)動軸同軸固定連接且同步轉(zhuǎn)動。

圖3　步進電機Fig.3 Stepmotor

2）磁感應(yīng)測頭

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

3）位移傳動機構(gòu)

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

圖4　位移傳動機構(gòu)Fig.4 Displacement transm issionmechanism

每次對各沉降環(huán)所在土層沉降量進行巡測時，測控單元控制步進電機帶動圓柱形繞線輪旋轉(zhuǎn)，使得磁感應(yīng)測頭在導(dǎo)管內(nèi)緩緩放下。當測頭到達導(dǎo)管上端第一個沉降環(huán)位置時，測頭內(nèi)磁感應(yīng)元件探測到沉降環(huán)內(nèi)磁鐵的磁場，則立即通過細電纜發(fā)送電信號給陸上土體分層沉降自動電測儀內(nèi)的測控單元，測控單元收到該信號后立即控制步進電機停轉(zhuǎn)。并由測控單元記錄下此時角位移傳感器測得的角位移量θ，rad，并與沉降量監(jiān)測起始時間點該沉降環(huán)測得的角位移量相減，得出角位移增量Δθ，rad。則此沉降環(huán)自沉降量監(jiān)測起始時間點至此次檢測時的下沉（或上移）量為L，即此沉降環(huán)所在土層在這段時間內(nèi)的沉降量為L。圓柱形繞線輪的周長為C。因此，測控單元可通過所測Δθ計算出該沉降環(huán)所在土層沉降量L。

測控單元記錄下所測第1個沉降環(huán)的沉降量L后，控制步進電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動使得磁感應(yīng)測頭繼續(xù)緩緩放下，當測頭到達下一個沉降環(huán)位置時，設(shè)備重復(fù)上述步驟，依次類推，由測控單元記錄下導(dǎo)管上各沉降環(huán)所在土層的沉降量。當測頭檢測完最下端的磁環(huán)所在土層沉降量后，測控單元記錄下所測最下端沉降環(huán)的沉降量后，控制步進電機反向轉(zhuǎn)動直至測頭上升至緊貼陸上土體分層沉降自動電測儀底部，從而完成了一次自動巡檢過程，并采集記錄了各被測土層的沉降量。

4）位移量轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號機構(gòu)

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

例如角位移傳感器使用絕對型光電式旋轉(zhuǎn)編碼器或絕對型電磁式旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器均可直接輸出量值為R的數(shù)字信號，量值R與編碼器測得的角度θ成線性關(guān)系，因此兩者在某時間段內(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)字信號通過各角位移傳感器信號線纜將量值R傳入測控單元。經(jīng)測控單元內(nèi)的單片機運算后得出所測沉降量L。

2.2測控及無線數(shù)據(jù)傳輸裝置

1）測控單元

測控單元可接受磁感應(yīng)探頭發(fā)來的信號，并可控制步進電機正反向旋轉(zhuǎn)與停轉(zhuǎn)。測控單元可接收到角位移傳感器輸出的實時數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)信號處理電路后輸出量值R至測控單元內(nèi)的單片機。各沉降環(huán)在其沉降量監(jiān)測起始時間點所測的數(shù)字信號的量值R′已記錄在單片機的內(nèi)部存儲器中，R′通常采用沉降環(huán)剛埋設(shè)好時所測數(shù)值，也可自行選擇所需的起始時間點的測量值。經(jīng)測控單元內(nèi)單片機的程序運算使得單片機輸出的各數(shù)字信號量值即為各沉降環(huán)在其沉降量監(jiān)測起始時間點至此次監(jiān)測時間點之間這段時間內(nèi)的被測土層沉降量L。單片機所運行的換算公式即為：

2）無線數(shù)據(jù)傳輸裝置

測控單元中單片機輸出的各路數(shù)字信號量值即各沉降環(huán)所在土層的沉降量L。單片機輸出的各路數(shù)字信號可通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送至遠程接收機。無線數(shù)據(jù)傳輸裝置的無線電收發(fā)天線安裝在陸上土體分層沉降自動電測儀頂部。

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穩(wěn)定的巖土層的錨固點，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電測儀，并通過陸上土體分層沉降自動電測儀上的無線電收發(fā)天線連接至遠程接收機，或通過陸上土體分層沉降自動電測儀引出的線纜連接到手持監(jiān)測儀器，從而可以直觀實時準確地讀取當前各沉降環(huán)所在土層自沉降儀埋設(shè)時至此刻這段時間內(nèi)所發(fā)生的沉降量。

2.4系統(tǒng)自動監(jiān)測工作流程

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，導(dǎo)桿上套有多個沉降環(huán)，各沉降環(huán)分別嵌入各待測土層。巡檢開始時，陸上土體分層沉降自動電測儀內(nèi)測控單元驅(qū)使步進電機旋轉(zhuǎn)帶動圓柱形繞線輪旋轉(zhuǎn)，使得磁感應(yīng)測頭緩緩下降。測頭從上至下依次經(jīng)過導(dǎo)管上各沉降環(huán)位置，并自動測量記錄下各沉降環(huán)所在土層的沉降量，全部檢測完成后測頭自動回收至陸上土體分層沉降自動電測儀底部，陸上土體分層沉降自動電測儀內(nèi)的單片機將測量結(jié)果處理后將所測得各土層沉降量經(jīng)無線電收發(fā)天線發(fā)送給遠程接收機，即完成了一次巡檢過程。從而可以直接實時準確地讀取當前各沉降環(huán)所在土層的沉降量。陸上土體分層沉降自動電測儀也可直接連接手持監(jiān)測儀器，以便現(xiàn)場觀測實時沉降量。

沉降儀的輸出信號為數(shù)字信號，此數(shù)字信號經(jīng)無線電收發(fā)天線傳至遠程接收機，因此測量精度不受傳輸距離的影響。此數(shù)字信號還可經(jīng)線纜傳至手持監(jiān)測儀器，因此測量精度不易受到線纜長度及外界電磁干擾的影響。該沉降儀具備多土層監(jiān)測及大量程和高靈敏度，在埋設(shè)點可同時監(jiān)測8個以上不同深度土層的沉降量，各土層沉降量測量量程可達5m以上，靈敏度可達0.1mm。

3　試驗結(jié)果

在短期實驗中，陸上土體分層沉降自動電測儀所測得結(jié)果與人工放尺測量結(jié)果完全吻合。詳見表1、表2。

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

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

4　結(jié)語

本次陸上土體分層沉降自動電測系統(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)測技術(shù)更上一個臺階。使自動監(jiān)測系統(tǒng)替代原有的人工觀測方式，保障觀測人員人身安全，確保不受惡劣天氣影響及時取得檢測數(shù)據(jù)，保證工程質(zhì)量。

本系統(tǒng)從站設(shè)備的測量精度、續(xù)航時間、對各品牌傳感器兼容性、無線傳輸距離、抗干擾能力、主站設(shè)備便攜性等各項性能均達到國內(nèi)先進水平，并獲得發(fā)明專利：自動巡檢式分層沉降儀（授權(quán)號：ZL201310022322.1）。

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

[2]劉愛民.水下真空預(yù)壓加固軟土地基機理的研究[D].天津：天津大學(xué)，2005. LIU Ai-min.The consolidationmechanism of soft soil foundation underwater vacuum preloading[D].Tianjin:Tianjin University, 2005.

[3]蔣新明.濱海地區(qū)大面積軟土地基處理及監(jiān)測技術(shù)研究[D].長沙：中南大學(xué)，2007. JIANG Xin-ming.Large area of soft soil foundation treatment and monitoring technology in coastal area[D].Changsha:Central South University,2007.

[4]許浩，趙巖，黃泰，等.一種新型自動電測式分層沉降儀的研究[J].港工技術(shù)，2015（3）：73-76. XU Hao,ZHAO Yan,HUANG Tai,etal.Research on a new-style layered settlement instrument with auto-electricalmeasuring device[J].Port Engineering Technology,2015(3):73-76.

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，高級工程師，港口航道專業(yè)。

張陸一，E-mail：471354812@qq.com