土体测斜仪在软基段路基变形检测中的应用

1土体测斜仪在软基段路基变形检测中的应用摘要：软基段路基施工中，提高路基竖向位移和水平位移的检测精度，获得更加全面、准确的检测资料，对于软基处理效果的检验，控制软基的变形速率，指导软基段路基的施工是非常必要的。本文主要介绍土体测斜仪的工作原理，及其在软基段路基变形观测中的应用。研究表明，土体测斜仪能够检测路基横断面任一点的竖向位移和软基中不同深度处的水平位移；采用双向拉测法有效地消除了现场标定带来的误差，其检测误差在0.01mm以内；用土体测斜仅检到软基上路堤的变形具有不影响施工，不受天气的影响，操作方便、轻捷、灵活、精度高等优点，为及时、准确地测试路基变形提供了保障。关键词：土体测斜仪；软土地基；路基；变形；检测0引言软基段路基施工中必须控制路基的竖向位移和水平位移。传统的方法是用沉降板来测量路基的竖向位移，通过路基坡脚处的边桩来测量路基的水平位移。存在的问题主要有：①沉降板在施工中难以保护，往往会移位和变形，使得检测结果产生较大的误差；②路基坡脚处的边桩只能反映路基边坡处某一点处地表的隆起和水平位移，不能反映地基中不同深度处的水平位移。提高路基竖向位移和水平位移的检测精度，获得更加全面、准确的检测资料，对于软基处理效果的检验，控制软基的变形速率，指导软基段路基的施工是非常必要的。土体测斜仪能够检测路基横断面任一点的竖向位移和软基中不同深度处的水平位移。本文主要介绍土体测斜仪的工作原理，及其在软基段路基变形观测中的应用。1土体测斜仪工作原理土体测斜仪是以高精度伺服加速度计为敏感元件的滑动式测斜仪。土体测斜仪的发展经历了3个阶段：竖向测斜仪、斜坡测斜仪、水平测斜仪。早期的测斜仪主要用于测试水平方向位移的竖向测斜仪，由于其精度高、操作方便被广泛应用于滑坡、边坡、地下结构物的变形监测。后来为了适应测试非水平向位移的需要，出现了斜坡测斜仪，这种仪器在结构设计时将加速度计旋转了一定角度，使测头放置在斜坡上时，以较小的角度输出。水平测斜仪是加速度计在仪器结构中旋转了90°后的结果，它的出现大大拓宽了测斜仪的应用范围，它2运用于对沉降的测量具有其他常规测试方法无法比拟的优点，日益受到了工程界的欢迎和认可，广泛应用于公路、铁路路基、房屋基础及大型蓄水池的沉降监测中。1．1竖向测斜仪的工作原理竖向测斜仪是通过测量测斜管轴线与铅垂线之间的夹角变化量，从而计算出土体沿测斜管轴线方向不同高程的水平位移。通常在土体内埋没一根竖直带有4个导槽的测斜管，当管子受力发生变形时，将测斜仪探头故人测斜管导槽内，逐段(一般50cm一个测点)量测变形后管子的轴线与铅垂线的夹角θi，并按测点的分段长度，分别求出不同高程处的水平位移增量Δdi＝Lsinθi。由测斜管底部测点开始逐段累加，可得任一高程处的实际水平位移大小，即bi＝ΣΔdi。而管口累积水平位移为B＝Σbi。其中Δdi为量测段内的水平位移增量；L为量测点的分段长度，一般常取0．5m；θi为量测段内管轴线与铅垂线的夹角；bi为自固定点的管底端以上i点处水平位移；B为管口在该次观测时的水平位移。竖向测斜仪的工作原理见图1。图1竖向测斜仪的工作原理1．2水平测斜仪的工作原理水平测斜仪是通过测头加速度计测量重力矢量吕在测头轴线垂直面上的分量大小，确定测头轴线相对水平面的倾斜角，据此计算出测头相对水平面的垂直位移，如图2所示[1]。加速度计敏感轴在水平面时，矢量g在感敏轴上的投影为0，加速度计输出为0，当加速度计与水平面存在一倾角时，加速度计输出一个电压信号：Uout＝K1gsinθ十K0，该点位移为U＝2Uout。其中，Uout为输出电压；U为该测点的水平位移；K1为加速度计电压因数；g为重力加速度；K0为加速度计偏值。在一般相对测量时，K0是一个常数，不会对测量产生误差，但3在绝对测量中，须将K0消除。因K0未知，可通过试验测出：从测斜管的两个端点，各对同一测点观测一次，因两次测量角度相反，则代数和为K0＝U′out＋U″out。如图3所示。图2水平测斜仪的工作原理1．3测斜仪误差消除方法为了消除测斜仪的安置误差和温度变化造成的影响，竖向测斜仪通过翻转测头正反两次测量的方法。水平测斜仪受测头测量精度限制，不能翻转测量，为消除误差，多采用现场标定安置误差，然后根据标定值来修正观测数据的方法。水平测斜仪还可以采用双向拉测法消除测斜仪的安置误差、温度影响及测斜槽上下不垂直的影响[2]。2用竖向土体测斜仪测定地基水平位移用竖向土体测斜仪进行地基水平位移观测时，首先要埋没测斜管(图3)，一般采用钻孔埋设，其主要包括钻孔、测斜管安装、灌浆和孔口保护等环节要点如下。(1)测斜管定位。4(2)在定位点安装钻机进行钻孔。根据设计要求，各测斜孔均为垂直孔，钻孔孔径为фll0mm，孔深20—55．2m。具体施钻时为便于钻孔过程中的塌孔处理，孔口以下1m范围内孔径为ф130mm。(3)测斜管的接长。接长测斜管的方法分一次接成，或连接成几段，或逐节在孔口接成所需的长度。前者适用于孔深不大，后者适用于埋设孔的深度较深的情况。测斜管逐节连接时，应特别注意导向槽的对正不允许偏扭，方法是在前一测斜管上套人连接管长度的一半，对准连接管上的滑动槽接上下一节管，或用模具对正两节管的导向槽，使其两节测斜管对接。采用环氧树脂胶结和铆接相结合的方法将接头固定。将接装好的测斜管，用人力或机械拉住底盖上护绳，对正施测方向，绳索随测斜管同步放下，将连接好的测斜管放下孔内一定高程后，将其固定并连接下一节管，依此下去，直到测斜管接长达到孔深。(4)用经纬仪校正导向槽的方向，使其对准欲测的方向。(5)孔的回填。在测斜管与孔壁之间的孔隙用水泥砂浆进行回填，使之成为整体。(6)进行孔口保护。管口以下约1—2m范围内加设保护管，并浇混凝土墩固定管口，在管口上安装保护盖，以防人为损坏和杂物掉入。(7)观测。进行已埋没测斜管初始位置的观测，所测结果视为基准值。每次观测时，首先用水准仪测出管口高程，然后再从测斜管底自下而上，用测斜仪测头，每0．5m一个测点，逐次测量管轴线与铅垂线的夹角，并记录测点至管口的距离。对于每次观测，测斜仪测头轴线误差必须进行修正。对于垂直测斜管，同一方向的观测应正反各测一次，取其测值之差的平均值，以消除轴线的误差，同一测点正反两次测值之和的平均值为一常数。国外有的测斜仪读数仪自动记录每次正反观测成果并进行误差修正。3用水平土体测斜仪测定路基竖向变形用水平土体测斜仪测定路基竖向变形的步骤为：(1)埋设测斜管5进行地基处理之后，路堤填筑之前，将PVC测斜管(每节长4m、接头长20cm，外径70M、内径60mm，内壁开有导槽)埋设在地面上(图4)。挖槽时注意位置正确，方向与线路走向垂直，槽的横断面尺寸为1m×lm。为防止测斜管被破坏，管头两端用20混凝土浇筑检查井。(2)观测观测测量时，将测斜仪电缆插头的一端接至土体测斜仪，将测斜仪测头放人测斜导管中，每移动0．5m读出该点仪器显示值，做相应记录，直至测斜管的另一端点，每次读数时要注意应将电缆对准标志并拉紧，以防读数不稳。(3)数据处理观测时，测孔第一次测读的值为初测值，以后每日的测值与初测值的差值称为变化值(变化值＝测值—初测值)。观测垂直位移时从导管的一端开始，将变化值代数和累加到测斜管的另一点，其计算结果即为这一点相对测斜管的一个端点的垂直位移。每次观测位移与初始观测位移之差即为本次观测的累积沉降量，每次观测位移与前次观测位移之差为本次观测沉降量，据此可绘出位移曲线、距离—沉降曲线、任意点的时间—沉降曲线。4工程实例采用土体测斜仪对某一软土地基路堤进行水平位移和沉降观测，地基中含有5m厚的软粘土及2m淤泥质粘土，采用塑料排水板进行处理地基处理，2002年8月10日完工。从2000年9月1日起对其进行施工检测。在路堤的坡脚处埋设水平位移测斜管，在路堤的底层铺设沉降管。本次测试采用了双向拉测法，解决了现场标定测头安置误差不精确、繁琐的问题，及时、方便地测量了路基施工期问的变形数据，取得了较好的测试效果。利用Excel及专门处理程序完成现场数据录入及数据整理。通过处理得到了结果如图5、图6、图7所示。6图5给出了2001年2月25日、5月26日及9月3日3次测量的路堤坡脚某点地基不同深度处的水平位移。图6为不同填土高度时，路基中同一点不同日期的沉降量。图7为路堤横断面的沉降曲线图。由图7沉降曲线上可以看出，路基沉降量基本上是中间大、两侧小，但从断面的沉降图上看并不是对称沉降，沉降的最大点发生在距离管头30～35m处，这是用传统沉降板的测试方法无法得知的。75结语测斜仪用于观测路基水平位移和全断面沉降，极大地扩展了其应用范围，本文主要介绍土体测斜仪的工作原理，及其在软基段路基变形观测中的应用。研究表明：1．土体测斜仪能够检测路基横断面任一点的竖向位移和软基中不同深度处的水平位移；2．采用双向拉测法有效地消除了现场标定带来的误差，其检测误差在0．0l删以内；3．用土体测斜仪检测软基上路堤的变形具有不影响施工，不受天气的影响，操作方便、轻捷、灵活，精度高等优点，为及时、准确地测试路基变形提供了保障。任丘市兴盛土木工程仪器有限公司提供测斜仪沉降仪监测资料