CN101672643B - 双测杆携带式水管倾斜仪 - Google Patents

Abstract

本发明是一种双测杆携带式水管倾斜仪，由两根测杆、一段透明水管、一百分表测读装置和若干个不锈钢测座组成；每根测杆包括一透明测筒、一阀门、一支撑杆和一不锈钢测头，支撑杆连接不锈钢侧头和透明测筒，阀门设置于透明测筒上；若干个不锈钢测座分别被埋设于不同测点所在部位，两根测杆分别位于不同测点，两根测杆的不锈钢测头分别插入不同测点的不锈钢测座中，水管通过阀门连通两根测杆的透明测筒，透明测筒内装设有水，百分表测读装置插入透明测筒测得测点间的相对沉降值。本发明具有精度较高、携带方便、无锈蚀和老化问题、易于测点保护和仪器维护、成本较低等明显优点。

Description

双测杆携带式水管倾斜仪

技术领域

本发明涉及岩土工程观测技术领域，尤其涉及一种双测杆携带式水管倾斜仪。

背景技术

地面工程和地下工程都有可能导致地表产生竖直方向的沉降变形。当沉降变形量较大或不同部位的沉降差异(即不均匀沉降)较大时，工程的施工进程、长期稳定、运营效果等往往会受到不利影响，甚至会造成灾变事故。例如：

●地下开挖工程(包括地下采矿、地铁工程等)有时会在地表引起沉降漏斗或沉降带，不均匀沉降量较大时则会导致地表开裂、地表塌陷，以及建筑物的开裂、倾斜或倒塌；

●对于地表开挖工程(包括露天采矿、基坑工程、削坡等)，同样会引起坡体及附近地表的不均匀沉降，进而导致地表开裂、坡体坍塌，以及建筑物的开裂、倾斜或倒塌；

●当作用在地基上的工程荷载(包括建筑物荷载、车辆荷载等)较大时，过大的地基沉降量或不均匀沉降同样不利于工程的运营，甚至可能在运营期间出现灾难性事故(如建筑物倒塌、机车脱轨翻车等)；

●地下水开采所引起的地表沉降同样有可能引发上述灾变事故。

为了避免不均匀沉降(或不均匀垂直位移)所导致的各类工程事故，对潜在沉降区进行沉降监测是必须采取的关键措施之一。及时的沉降监测不仅可以提供不均匀沉降(或不均匀垂直位移)发生的部位和量值，而且还可用于沉降发展趋势及工程失稳可能性的预测。现有的地表沉降监测技术可分为光学类仪器、杆式倾斜仪、水管式倾斜仪等3大类，具体特点如下。

1、光学类沉降观测仪器

利用光学类仪器进行沉降观测时，测点的分布范围可以较大，有利于在宏观上把握工程整体不均匀沉降的变化规律。另外，有些光学仪器(如全站仪等)可以同时对竖向位移和水平位移进行观测。根据有无观测用的标靶，不妨将光学类仪器分为标靶式和无标靶式两种，主要包括水准仪、全站仪、二维激光扫描仪、三维激光扫描仪等仪器。

监测实践表明，将光学类仪器用于地表沉降观测时具有以下不足：

●需要专门的观测仪器或标靶，设备成本较高；

●上述光学类仪器的观测精度一般不会优于1mm，不适用于高精度的沉降观测要求；

●对于不需要标靶的光学仪器，在较好的观测环境下相应的观测精度将更低(有时劣于5mm)；

●利用光学仪器进行沉降观测时，测点布置一般不能太密，观测频次一般不会过高，否则将会导致监测经费较多。

2、杆式倾斜仪类沉降观测仪器

杆式倾斜仪可以分为地表倾斜仪和钻孔倾斜仪，前者包括BL1000A型倾斜仪、Qxy-2型杆式倾斜仪、T字型杆式倾斜仪等，后者包括Extenso-Deflectometer、ZRJ-1型挠度计、SISGEO水平钻孔倾斜仪等。杆式倾斜仪多数为携带式仪器，一台仪器在原则上可以对多个测点进行量测。如果仪器的价格不是很贵，那么每点每次监测所需的经费是比较低的。

监测实践表明，将杆式倾斜仪用于地表沉降观测时具有以下不足：

●利用杆式倾斜仪进行地表沉降观测时的测点间距(即测距)一般较小(如上述BL1000A型倾斜仪的测距仅为1m)，观测范围较大时将会导致测点安装费用和总的监测费用过高；

●有些仪器较为昂贵(如Extenso-Deflectometer、SISGEO水平钻孔倾斜仪)，有时会成为它们在实际工程中推广应用的制约因素；

●杆式倾斜仪的观测精度一般不会太高，有时不适用于高精度的沉降观测要求；

3、水管倾斜仪类沉降观测仪器

水管倾斜仪包括目视型静力水准仪(机测式)、自动型静力水准仪(电测式)、MD4452B系列多点垂直变形测量仪(电测式)、FOI-2型溢流式水管倾斜仪(机测式)等。利用水管倾斜仪进行沉降观测具有诸多优点：第一，观测精度通常高于上述光学类仪器和杆式倾斜仪；第二，场地适应性较强，可以利用地质探洞、排水洞、试验洞等进行测点布设；第三，测点之间无需通视。

监测实践表明，将现有的水管倾斜仪用于地表沉降观测时具有以下不足：

●对于固定式水管倾斜仪，每个测点位置都需要一套测读装置，相应的监测经费通常较高；

●对于采用电测装置的固定式水管倾斜仪，相应的测点安装费和监测费用都很高；

●固定式水管倾斜仪还面临防潮、防锈、防水管堵塞、防人为破坏等诸多难题；

●FOI-2型溢流式水管倾斜仪的测筒可以为非金属材料，测读装置为携带式，相应的防潮和防锈问题虽然容易解决，但仍面临人为破坏(往往需要采取较多的仪器保护措施)、非金属材料的老化、测筒内水质不清、换水困难等问题。

从上述已有的地表沉降监测技术来看，急需研制一种具有精度较高、携带方便、防锈蚀、无材料老化问题、易于仪器保护、易于换水等优点的沉降监测仪，以满足国家大规模建设过程中的监测需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有地表沉降监测技术中存在着精度较低、携带不便、易于锈蚀或老化、仪器保护和维护较难、造价较高等问题，提出了一种具有精度较高、携带方便、无锈蚀和老化问题、易于测点保护和仪器维护、成本较低的双测杆携带式水管倾斜仪，以便于提高地表沉降监测的效率。

为了达到上述目的，本发明给出了一种双测杆携带式水管倾斜仪，由两根测杆、一段透明水管、一百分表测读装置和若干个不锈钢测座组成；每根测杆包括一透明测筒、一阀门、一支撑杆和一不锈钢测头，支撑杆连接不锈钢侧头和透明测筒，阀门设置于透明测筒上；若干个不锈钢测座分别被埋设于不同测点所在部位，两根测杆分别位于不同测点，两根测杆的不锈钢测头分别插入不同测点的不锈钢测座中，水管通过阀门连通两根测杆的透明测筒，透明测筒内装设有水，百分表测读装置插入透明测筒测得测点间的相对沉降值。

百分表测读装置由百分表、百分表微调螺母、微调螺母底座、百分表底座和用于插入透明测筒的测针组成，微调螺母底座固定于百分表的上端，百分表底座固定于百分表的下端，百分表微调螺母用来微调百分表的刻度，可以使测针的针尖进行上下移动。

透明测筒由测筒筒体和测筒顶盖组成，测筒筒体下部带有出水孔和与支撑杆连接的固定孔，测筒顶盖带有百分表可插入的测孔

测杆上的透明测筒、阀门与水管相连后组成连通器，水可以在其中自由流动，并通过测孔与大气相通。

支撑杆与透明测头之间为固定连接，与不锈钢测头之间螺纹连接，量测时将不锈钢测头插入不锈钢测座中，不锈钢测座被埋设于测点所在部位。

不锈钢测座由不锈钢定位筒、不锈钢球头螺帽、固定螺母和固定螺杆组成，不锈钢球头螺帽通过固定螺杆和固定螺母被固定于不锈钢定位筒的底部。不锈钢测头的顶部中间有一螺纹孔，与支撑杆之间可以通过螺纹进行固定连接。不锈钢测头应能在不锈钢定位筒内自由插拔，在插入状态时两者之间的间隙应小于0.2mm，以尽量使不锈钢测头与不锈钢定位筒处于同一轴线上。不锈钢球头螺帽通过固定螺杆和固定螺母被固定于不锈钢定位筒的底部，与不锈钢测头之间在测量状态时为点接触。

微调螺母底座和百分表底座被分别固定于百分表表盘的上、下两端，微调螺母底座的上表面与百分表微调螺母的下表面为面接触，百分表底座的下表面与测筒顶盖的上表面为面接触。

百分表微调螺母可以用来微调百分表的刻度，以便能使测针的针尖在测筒内液面附近进行微小的上下移动。

透明水管可以但不局限于软塑料管，其透明度以能看清其中的气泡为准。

还包括连接件，连接件的上端为直径较大的外螺纹，下端为直径较小的外螺纹，可以通过螺纹分别与透明测筒和支撑杆进行固定连接。

相对于现有的光学类、杆式倾斜仪类、水管倾斜仪类等沉降观测仪器来说，本发明具有如下明显的优点：

(1)精度较高

为进行精度分析，发明人在2个小时之内针对两个沉降测点进行了100次实际观测。假定这两个测点在该段时间内没有发生相对沉降，则本发明的观测精度为0.03mm。从观测精度来看，本发明的精度仅仅略低于FOI-2型溢流式水管倾斜仪的精度(0.02mm)，而高于其他现有观测技术。

(2)携带方便

本发明的主体结构为一套百分表测读装置、两根测杆和一段水管，关闭阀门之后可以将测杆与水管相分离，并可以将上述部件全部装入专门制作的仪器箱。仪器箱的尺寸为0.2m×0.4m×1.5m，装入仪器后的重量约为8kg，携带起来较为方便。

(3)无锈蚀和老化问题

本发明的主体结构为不锈钢、有机玻璃等制作而成，每次观测任务完成之后将仪器拆为4部分，擦拭干净后放入仪器箱。由于仅仅是在观测时才暴露于室外自然环境，所以本发明基本没有锈蚀和老化问题。

(4)易于测点保护和仪器维护

利用本发明进行地表沉降监测时，只有不锈钢测座被固定于测点所在的位置，测座本身没有锈蚀问题。对于浇入钢筋混凝土的不锈钢测座，在布设时不仅可以低于地表，而且还可以在其正上方设置具有开关装置的保护盖。本发明中的球头螺帽高于不锈钢定位筒的底面，即使有少量杂物(如沙、土等)残留于不锈钢定位筒的底部时，只要不妨碍不锈钢测头与球头螺帽之间的接触即可进行观测。

本发明的各个部件可以拆装和更换，水管内的水也可以方便地定期更换，仪器的维护十分方便。

(5)成本较低

本发明不仅结构简洁，而且都是由常见的材料制作而成，相应的仪器成本较低。另外，仅在留下易于保护的不锈钢测座，测点的制作费用也较低。

附图说明

图1是本发明的双测杆携带式水管倾斜仪的单测杆结构示意图；

图2是本发明的双测杆携带式水管倾斜仪工作原理示意图。

具体实施方式

如图1所示的双测杆携带式水管倾斜仪的单测杆500。测杆500包括一个由测筒筒体7和测筒顶盖6组成的透明测筒200、一个用于连接水管12的阀门11、一根支撑杆10和与其相连的不锈钢测头13。用于读数的百分表测读装置100由百分表3、百分表微调螺母1、微调螺母底座2、百分表底座4和测针5组成。微调螺母底座2固定于百分表3的上端，百分表底座4固定于百分表的下端，百分表微调螺母1用于微调百分表的刻度，以便使测针5的针尖进行上下移动。透明测筒200的测筒筒体7下部带有出水孔70和与支撑杆连接的固定孔71，测筒顶盖6带有百分表测读装置100可插入的测孔5。量测时，测杆500应尽量为竖直状态，不锈钢测头13在垂直方向上与不锈钢测座300为点接触。其中，不锈钢测头13可以自由插入不锈钢测座300，不锈钢测座300埋设在测点所在部位的岩土体或人工构筑物内。不锈钢测座300由不锈钢定位筒14、不锈钢球头螺帽15、固定螺母16和固定螺杆17所组成，不锈钢球头螺帽15通过固定螺杆17和固定螺母16被固定于不锈钢定位筒14的底部。此外，还包括一个用于连接透明测筒200和支撑杆10的连接件9。

如图2所示的双测杆携带式水管倾斜仪工作原理示意图，其中的测杆A和测杆B具有如图1所示的相同结构，实施的具体方法是将装配好的两根测杆500分别与水管12两端相连，在互相连通的两个透明测筒200和水管12内装入一定量的水8后即可利用百分表测读装置100进行沉降观测。具体实施步骤如下：

(1)在监测设计规定的测点位置附近，清理地表18，开挖岩土体20以形成用于制作混凝土测墩19的坑，开挖深度应达到稳定的基岩，或者不浅于0.5m，当坑底不是稳定的基岩时，应将坑的深度加大，也可在坑底楔入一定规格和数量的钢管，以尽量确保混凝土测墩19将来不产生沉降；

(2)利用不锈钢定位筒14及不锈钢球头螺帽15、固定螺母16、固定螺杆17的标准件按照上述关系来装配足够数量的不锈钢测座300；

(3)在挖好的坑内浇筑混凝土测墩19，并将装配好的不锈钢测座300预埋在混凝土测墩19内，不锈钢测座300的顶面可以根据测点保护的需要高于或低于地表，但要尽量保持水平，以确保不锈钢定位筒14处于竖直状态，同一组不锈钢测座300的顶面高度应尽量一致；

(4)为了适应不同区段内较大的地表起伏，可以在同一测点处埋设不同高度的多个测座，以便扩大同一规格的测杆500的观测适用范围；

(5)在混凝土凝结期间，应尽量确保不锈钢测座300的定位，养护3天之后即可进行沉降观测；

(6)将装配好的两根测杆500、百分表测读装置100、水管12等携带至监测现场，将测杆500的不锈钢测头13呈竖直状态插入不锈钢测座300，直至不锈钢测头13的底面接触到不锈钢测座300内的不锈钢球头螺帽15；

(7)将水管12的两端分别与两根测杆500的阀门11相连接，开启阀门11，从某一测杆500的测孔60处灌入自来水，使自来水充满水管12并在透明测筒200内升至一定高度，赶出水管12内的气泡，直至透明测筒200内的水8变得平稳，适量补水以获得适合量测的水面高度；

(8)待透明测筒200内的水面平稳数分钟后，观测人员用一只手扶稳测点A处的支撑杆10，用另一只手将百分表测读装置100的测针5从测孔60内插入，略微用力使百分表底座4的下表面紧贴测筒顶盖6的上表面，同时用拇指和食指旋转百分表微调螺母1，使测针5的尖端达到透明测筒200内的水面附近；

(9)在旋转百分表微调螺母1的同时，观测人员可以在水面斜下方或斜上方对测针5的尖端与水面的接触状态进行观察，当测针5的尖端接近水面后要轻微旋转百分表微调螺母1，以便使测针5的尖端从水面上侧向下缓慢移动，也可以使测针5的尖端从水面下侧向上缓慢移动；

(10)当测针5与水面刚刚接触时的状态即可停止百分表微调螺母1的旋转，此时的百分表读数即可作为透明测筒200内水面与测筒顶盖6上表面之间距离的初始读数，假定测点A的初始读数为H₁；

(11)重复上述(8)～(10)中的量测过程，可以获得测点B的初始读数为h₁，则两测点之间的读数差为Δh₁＝h₁-H₁，后续观测的相应读数差分别为Δh₂＝h₂-H₂，Δh₃＝h₃-H₃，……，Δh_n＝h_n-H_n，则Δ₁＝Δh₂-Δh₁，Δ₂＝Δh₃-Δh₁，……，Δ_n-1＝Δh_n-Δh₁即为测点B相对于测点A的沉降值，其中正值代表测点B下降，负值代表测点B上升；

(12)重复上述(8)～(11)中的量测过程和沉降量计算，则可得到观测范围内所有相邻两测点的相对沉降值；

(13)假定将测点A为相对不动点，则可利用上述相邻测点间的相对沉降量计算得到观测范围内所有其他测点的地表沉降量；

(14)完成观测任务后，将水管12从阀门11上卸下来，放空水管12和透明测筒200内的水，将测杆500、水管12和百分表测读装置100擦拭干净并装入仪器箱；

(15)为提高观测精度，应尽量由固定的观测人员按照熟练掌握的既定测读方式(包括测针5的尖端与水面接触状态的观察和判定方法、扶持支撑杆的方位和力度、测点的观测顺序等)进行定期观测。

本发明用于地表(包括地面、人工构筑表面、隧洞的底板表面等)沉降的监测，具有精度较高、携带方便、无锈蚀和老化问题、易于测点保护和仪器维护、成本较低的优点。

Claims (7)

1.一种双测杆携带式水管倾斜仪，其特征在于：由两根测杆、一段透明水管、一百分表测读装置和若干个不锈钢测座组成；每根测杆包括一透明测筒、一阀门、一支撑杆和一不锈钢测头，支撑杆连接不锈钢侧头和透明测筒，阀门设置于透明测筒上；支撑杆与透明测筒之间为固定连接，与不锈钢测头之间螺纹连接，量测时将不锈钢测头插入不锈钢测座中，不锈钢测座被埋设于测点所在部位；不锈钢测座由不锈钢定位筒、不锈钢球头螺帽、固定螺母和固定螺杆组成，不锈钢球头螺帽通过固定螺杆和固定螺母被固定于不锈钢定位筒的底部，与不锈钢测头之间在测量状态时进行点接触；将两根测杆的不锈钢测头分别插入不同测点的不锈钢测座中，水管通过阀门连通两根测杆的透明测筒，透明测筒内装设有水，百分表测读装置插入透明测筒测得测点间的相对沉降值。

2.根据权利要求1所述的双测杆携带式水管倾斜仪，其特征在于：百分表测读装置由百分表、百分表微调螺母、微调螺母底座、百分表底座和用于插入透明测筒的测针组成，所述微调螺母底座固定于所述百分表的上端，所述百分表底座固定于所述百分表的下端，所述百分表微调螺母用来微调百分表的刻度，可以使测针的针尖进行上下移动。

3.根据权利要求1所述的双测杆携带式水管倾斜仪，其特征在于：透明测筒由测筒筒体和测筒顶盖组成，测筒筒体下部带有出水孔和与支撑杆连接的固定孔，测筒顶盖带有百分表测读装置可插入的测孔。

4.如权利要求1所述的双测杆携带式水管倾斜仪，其特征在于：所述测杆上的透明测筒、阀门与水管相连后组成连通器，水可以在其中自由流动，并通过测孔与大气相通。

5.如权利要求1所述的双测杆携带式水管倾斜仪，其特征在于：所述不锈钢测头在所述不锈钢定位筒内自由插拔，在插入状态时两者之间的间隙小于0.2mm。

6.如权利要求1所述的双测杆携带式水管倾斜仪，其特征在于：还包括连接件，所述连接件的上端为直径较大的外螺纹，下端为直径较小的外螺纹，可以通过螺纹分别与所述透明测筒和所述支撑杆进行固定连接。

7.如权利要求1所述的双测杆携带式水管倾斜仪，其特征在于：所述水管为透明的。

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