陳 果,李 波,吳 琪

(1.華設設計集團股份有限公司 江蘇省先進道橋養(yǎng)護工程技術研究中心,江蘇 南京 210001; 2.南京工業(yè)大學 巖土工程研究所,江蘇 南京 211800)

隨著我國社會經濟的發(fā)展和城市化進程的加快,高速鐵路、大跨橋梁、超長隧道、高層建筑、綜合管廊和大壩等國家重大基礎工程日益增多,而重大基礎工程本身及其基礎的不均勻沉降或變形是失穩(wěn)和事故的前兆[1-2]。因此,精準測量各重大基礎工程的沉降或變形可以為各建(構)筑物的工程設計、施工及后期的全壽命周期健康監(jiān)測提供科學依據[3-5]。

常見的沉降監(jiān)測方法包括幾何水準測量、三角高程測量、GPS測量、電荷耦合光學(CCD)成像測量、激光收斂測量、靜力水準測量以及光纖光柵測量[6-7],幾何水準測量和三角高程測量是最傳統(tǒng)的沉降監(jiān)測方式,前期成本投入較小且較為簡單,但需要指出的是:這兩種方法測量精度較低,受地形起伏的限制且難以實現(xiàn)數據化的實時監(jiān)測功能[7-8]。GPS測量對于平面定位精度已達到(0.1～1)×10-6,但是其高程測量精度僅有10-2量級,對于部分工程不能滿足其沉降監(jiān)測精度需求,且GPS的造價昂貴[9]。CCD 光學成像傳感器、激光收斂傳感器及光纖光柵傳感器具有精度高、適應地形能力強、自動化程度高等優(yōu)點[10],但搭建成本及后期運營維護費用都相對較高,且抗干擾性能較差[6]。靜力水準測量具有結構簡單、精度高、穩(wěn)定性強、受外界環(huán)境影響小和使用范圍廣等優(yōu)點[11],被廣泛地應用于地鐵[12-13]、橋梁[14]、隧道[15-16]、大壩及核電站[17]等重大工程的沉陷監(jiān)測。

靜力水準測試系統(tǒng)(HLS)的基本原理為液體連通器原理:通過傳感器測量不同位置處水準儀缽體內液面的相對變化,來確定各監(jiān)測點相對于基點的沉降或隆起量[17]。受其測試原理約束,影響HLS測試精度的因素主要包括:溫度變化、壓力差異、地球潮汐、重力異常等[19]。其中地球潮汐和重力異常因素僅僅能在恒溫情況下進行過濾,其影響效應在微米級,對于非精密工程,可以忽略不計。壓力差因素可通過增設等壓管方式消除其影響。溫度變化被認為是在實際沉降檢測過程中最重要的影響因素,陳繼華[20]分析表明，溫度不均勻會導致HLS系統(tǒng)中液體密度不均,從而導致測試誤差的產生,并提出消除溫度影響的初步方法。許少峰[19]分析了溫度和壓強變化對HLS測試精度的影響,并提出考慮管材膨脹系數的溫度修正模型。李德橋[9]通過在磁致式靜力水準儀缽體內安裝溫度傳感器,分析溫度對HLS測試精度的影響,并驗證了許少峰提出的溫度修正模型的正確性。陳龍浩等[2]基于現(xiàn)場測試數據給出了適用于HLS測試系統(tǒng)的溫度梯度模型,并對該模型的有效性進行驗證。

綜上可知,對于溫度引起的HLS測試誤差研究已有初步成果,但需要指出的是,現(xiàn)在的研究主要針對單個HLS測點,且溫度變化都集中在常規(guī)室溫的個位數量級變化。而實際沉降監(jiān)測中由于全年環(huán)境溫度變化范圍基本保持在-10～30 ℃,尤其在零下狀態(tài)下,現(xiàn)有的溫度修正模型都是基于水介質建立的,不再具有實際工程意義,且實際工程中HLS測點間距布置及管材具有一定差異。筆者在環(huán)境溫度實驗室內搭建壓差式靜力水準儀試驗平臺,系統(tǒng)研究環(huán)境溫度對HLS測試精度的影響,利用高精度溫度傳感器采集HLS各測點的溫度,定量分析環(huán)境溫度變化量、環(huán)境溫度升/降速率、連通管膨脹系數、測點距離等因素對HLS測試精度的影響規(guī)律，并建立環(huán)境溫度對HLS測試精度影響的評價方法。

1 試驗平臺搭建與試驗方案

1.1 試驗設備與材料

選取羅斯蒙特3051S壓差式靜力水準儀進行本次試驗,該靜力水準儀具有靈敏度高、頻率寬、質量輕、體積小、工作可靠等優(yōu)點,與本試驗相關的技術參數如表1所示。選用鉑電阻溫度傳感器對各靜力水準儀進行環(huán)境溫度測量。為保證壓差式靜力水準儀和溫度傳感器能夠同時采集,避免時程滯后,選用南京葛南實業(yè)有限公司的VW-102E型全功能讀數儀同時進行壓力和溫度數據采集。選用南京工業(yè)大學國家重點實驗室的可閉環(huán)控制的溫度環(huán)境試驗箱提供環(huán)境溫度,實現(xiàn)各升/降溫速率和溫度差異。該設備可實現(xiàn)-40～150 ℃范圍內環(huán)境溫度精準控制,溫度波動小于0.1 ℃,且有較強升/降溫線性控制度,可滿足試驗要求,溫度環(huán)境試驗箱詳細性能參數指標見表2。

表1 羅斯蒙特3051S靜力水準儀技術參數

表2 溫度環(huán)境試驗箱參數指標

鑒于常規(guī)的“去離子水+防凍液”的液體介質在低溫容易引起絮凝現(xiàn)象,從而破壞整個測試系統(tǒng);此外,考慮到水的熱膨脹系數非定值,隨溫度升高而增長。因此,本次試驗選取二甲基硅油作為冷媒介質,該冷媒介質的密度為1.03 g/cm3(20 ℃),與水接近,有效工作溫度范圍為-60～160 ℃,膨脹系數為6.3×10-4℃-1,且在各工作溫度范圍內的膨脹系數基本為定值。為研究不同連通管材質的膨脹系數對環(huán)境溫度下HLS測試精度的影響,選取4種不同材質連通管:PU塑料軟管、三丙聚丙烯管、聚四氟乙烯管和204不銹鋼管,與之對應的膨脹系數分別為3.35×10-4、1.32×10-4、1.45×10-4和6.43×10-5℃-1。

1.2 測試平臺搭建

圖1為典型壓差式靜力水準儀工作布設示意圖。由圖1可知：在溫度環(huán)境試驗箱內將所有HLS液管相連,一端與儲液罐相連;將所有氣管相連,一端通過干燥管連接到液罐上部的空氣段。需要指出,單HLS測點的壓差為該點液體壓力與空氣壓力之差,為絕對值;而HLS基準點與測試點之間的液/氣體壓差之差用于測算測點與基準點的相對沉降位移,為相對值。在每個HLS測點旁布設PT100鉑電阻溫度傳感器,隨后通過VW-102E型全功能讀數儀采集HLS和溫度傳感器的輸出信號。

1.3 試驗方案

環(huán)境溫度對HLS測試精度的影響通常是指HLS所處環(huán)境下溫度變化/差異引起的測量誤差。考慮到監(jiān)測結構全年環(huán)境溫度變化的復雜性,尤其是冬夏兩季溫度差異明顯。故通過在標準的環(huán)境溫度實驗室內搭建單HLS測點(僅單個壓差式靜力水準儀測試點)和雙HLS測點(測試基站+測試點)兩種試驗平臺,定量研究環(huán)境溫度變化量(-10 ℃→30 ℃→-10 ℃)和變化速率對HLS測試精度的影響,同時,結合實際工程條件,綜合考慮環(huán)境溫度變化下測試基站與測試點之間的連通管長度(其本質為測點距離)以及連通管的膨脹系數(通過材質差異實現(xiàn))對HLS測試精度的影響。綜合考慮上述各因素的試驗工況見表3。

圖1 典型壓差式靜力水準儀工作布設示意圖Fig.1 Schematic diagram of working layout for typical differential pressure hydrostatic leveling system

表3 環(huán)境溫度對HLS測試精度的影響試驗工況

2 試驗結果與分析

2.1 升/降溫模式對HLS測試精度的影響

為研究升溫和降溫兩種不同的環(huán)境溫度變化模式對HLS測試精度的影響,對比分析工況C1的升溫和降溫引起的HLS的高程變化量,為便于分析,本次試驗將測試開始之初HLS所獲取的相對壓差換算的高程記為零，結果見圖2。由圖2可知,隨著環(huán)境溫度TA從-10 ℃線性地上升為30 ℃,由溫度變化引起的HLS對應的高程變化量HE線性降低到3.04 mm,TA為環(huán)境溫度,而當TA從30 ℃線性地降低到-10 ℃時,HE從3.04線性變化到0.03 mm,引入溫度影響系數Pt定量表征環(huán)境溫度變化對HSL測試精度的影響,Pt=ΔHE/ΔTA。對于工況C1的升溫和降溫條件下,HLS的Pt分別為-0.077 4和-0.073 1 mm/℃,兩者的相對誤差為5.8%,這表明,升溫或降溫這兩種環(huán)境溫度變化形式對Pt沒有顯著影響。

圖2 升/降溫速率對HSL測試精度的影響Fig.2 Effects of temperature rise/fall rate on the measure accuracy of HLS

2.2 升溫速率對HLS測試精度影響

考慮到升溫或降溫兩種環(huán)境溫度變化形式對Pt沒有顯著影響,因此,對于工況C2、C3和C4,不再進行降溫測試。圖3為各升溫速率對單HSL測點測試精度的影響,當升溫速率為分別為0.05和0.02 ℃/min時,HLS的HE與TA呈強線性相關,兩種工況下HLS的Pt分別為-0.077 4和-0.077 7 mm/℃。當升溫速率為0.1 ℃/min時,HE隨TA的增大而降低,但需要指出的是,TA與HE的線性相關性明顯降低,數據波動變大。而當升溫速率為0.2 ℃/min時,隨TA的線性增大,HLS的HE也增大,但其增大速率逐漸降低,當TA> 10 ℃時,HLS的HE基本不隨TA的增加而增大,這是因為,過快的環(huán)境溫度增長速率導致材料和液體介質膨脹不充分,數據失真,從而不能真實反映TA對HLS測試精度的影響。

圖3 升溫速率對單HSL測點測試精度的影響Fig.3 Effects of temperature rise rate on the measure accuracy of single HSL test point

圖4定量給出了溫度影響系數Pt與升溫速率的關系,結合圖3可知,當升溫速率為0.02或0.05 ℃/min時,Pt一致,工況有效。當升溫速率大于等于0.1 ℃/min時,材料膨脹不充分,數據失真?？紤]到在自然條件下環(huán)境溫度變化速率基本小于0.1 ℃/min和數據采集的有效性及試驗測試進度,因此,對于其余試驗工況而言,決定選取0.05 ℃/min作為溫度變化速率進行試驗。

圖4 溫度影響系數與升溫速率的關系Fig.4 Relationship between temperature influence coefficient and temperature rise rate

2.3 管材膨脹系數對HLS測試精度影響

為探討管材膨脹系數γpi對單HSL測點測試精度的影響,分別利用PU塑料軟管、聚四氟乙烯管、三丙聚丙烯管和204不銹鋼管搭建單測點測試平臺,在0.05 ℃/min升溫速率工況下進行試驗測試,試驗結果如圖5所示。由圖5可知,對于PU塑料軟管而言,HE隨TA升高而線性降低,而對于聚四氟乙烯管、三丙聚丙烯管或204不銹鋼管而言,HE隨TA升高而線性升高,這是因為:PU軟管的管材膨脹系數γpi大于冷媒膨脹系數γdi,隨TA的增大,二甲基硅油的液面高度下降,從而導致其高程降低,而聚四氟乙烯管、三丙聚丙烯管和204不銹鋼管的γpi明顯小于其γdi,隨TA的增大,二甲基硅油的液面高度上升,從而導致其HE增大。此外,分析發(fā)現(xiàn)并非γpi越小,TA對單HSL測點的影響程度越小,需探討溫度影響系數與冷媒與管材的膨脹系數之差的關系。圖6為溫度影響系數Pt與冷媒與管材的膨脹系數之差(γdi-γpi)的關系圖。Pt隨γdi-γpi的增大而增大,且兩者有線性相關。

Pt=0.045 53(γdi-γpi)-0.010 3

(1)

由式(1)可知:若γpi與γdi較接近,可忽略TA對單HSL測點測試精度的影響。

圖5 管材膨脹系數對單測點HSL測試精度的影響Fig.5 Effects of pipe expansion coefficient on the measure accuracy of single HSL test point

圖6 溫度影響系數與冷媒與管材的膨脹系數之差(γdi-γpi)的關系Fig.6 Relationship between the temperature influence coefficient and the expansion coefficient deviation between refrigerant and pipe (γdi-γpi)

為研究γpi對雙測點HSL測試精度的影響,分別利用PU塑料軟管、聚四氟乙烯管和三丙聚丙烯管搭建雙HLS測點測試平臺,其中1臺HSL作為基站,另外1臺HSL作為測點。隨后,在0.05 ℃/min溫度變化速率工況下進行測試。圖7分別給出了工況C8的基站和測點的測試數據。由圖7可知,基站和測點的HE都隨TA的增加而增大,但基站的高程隨溫度的增大速率明顯小于測點高程的變化量,基站和測點的Pt有顯著差異,分別為0.213和0.231 mm/℃。

圖7 C8工況的基站與測點HSL環(huán)境溫度與高程的關系Fig.7 Relationship between ambient temperature and elevation of base station and test point HSL for case C8

圖8(a)給出了TA升高與工況C8～C10的基站和測點之間的相對高程ΔHE的關系曲線,將基站與測點的溫度影響系數差值定義為相對溫度影響系數ΔPt,由計算可知，C8工況的ΔPt為0.018 mm/℃,與工況C1～C7的Pt相比,C8工況的ΔPt明顯較小,這表明:TA對雙測點測試系統(tǒng)的“冷媒箱-連接管-基站”引起的測試誤差對基站-測點相對高程沒有影響,該高程差異是由于基站和測點之間的連接管和該段連接管中冷媒的膨脹差異引起的。圖8(b)和8(c)分別給出了工況C9與C10條件下,TA升高引起的基站和測點之間的相對高程ΔHE,與單側點的試驗結果一致。當連通管為三丙聚丙烯管時,ΔHE隨TA的增大而增大,而當連通管為PU塑料軟管時,ΔHE隨TA的增大而減小。但與C8工況一致,C9與C10的ΔPt同樣明顯小于單點測試的Pt,且當聯(lián)通管為PU塑料軟管時,ΔPt為負值。需要指出的是,連通管的材質對ΔPt有明顯的影響,但結合C1～C9的工況可知,該ΔPt是由基站和測點之間的連通管長度有關。

圖8 C8～C10工況的基站與測點的相對高程與環(huán)境溫度的關系Fig.8 Relative elevation between base station and test point HLS vs. ambient temperature for cases C8—C10

2.4 測距對HLS測試精度影響

由上述分析可推斷,當聯(lián)通管材質確定后,TA變化引起的雙測點或多測點HSL測試誤差主要是由各測點之間距離決定,為系統(tǒng)探討測點距離Dtest(其本質為聯(lián)通管長度)對雙測點HSL測試精度的影響,利用聚四氟乙烯管雙測點測試平臺,基站與測點的距離分別選為0.5、1、5和10 m,圖9給出不同測距Dtest情況下基站和測點之間的相對高程ΔHE與環(huán)境溫度TA的關系。由圖9可知,與C8工況保持一致,當Dtest增加到1和5 m時,ΔHE也隨TA的增加而增大,但在相同的TA下,Dtest越大,對應的ΔHE越大,此外,各工況下雙HLS測點的ΔPt明顯小于基站的Pt,這也與C8工況一致。圖10為測距Dtest與相對溫度影響系數ΔPt的關系,ΔPt隨Dtest的增大而增大,但需要指出的是,ΔPt的增大速率逐漸減小,可初步推測,當Dtest超過某一特定值時,ΔPt可能維持在定值,但受試驗條件所限,很難實現(xiàn)更大Dtest條件下的精準環(huán)境溫度控制,該結論還需進一步場地條件試驗來驗證。

圖9 不同測距條件下相對高程與環(huán)境溫度的關系Fig.9 Relationship between relative elevation and ambient temperature under different measuring distances

圖10 測距與相對溫度影響系數的關系Fig.10 Relationship between measuring distance and relative temperature influence coefficient

3 結論

1)單HSL測點高程與環(huán)境溫度具有單一相關性,當升溫速率為0.02或0.05 ℃/min時,溫度影響系數一致,工況有效。當升溫速率大于等于0.1 ℃/min時,材料膨脹不充分,數據失真。

2)單HSL測點的溫度影響系數與冷媒與管材的膨脹系數之差(γdi-γpi)呈線性相關性,若選取管材的膨脹系數γpi與冷媒膨脹系數γdi較接近,可忽略溫度對單測點HSL測試精度的影響。

3)環(huán)境溫度對雙HLS測點引起的測試誤差是由于基站和測點之間的連通管和該段連通管中冷媒的膨脹差異引起,且連通管的材質及基站和測點之間的連通管長度有關，對相對溫度影響系數有明顯的影響。

4)相對溫度影響系數隨測距的增大而增大,而相對溫度影響系數的增大速率逐漸減小,這表明,當測距超過某一定值時,環(huán)境溫度引起的HLS測試誤差基本維持定值。