CN102506817A - 一种变位连通器式沉降观测仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量技术领域，涉及一种变位连通器式沉降观测仪，用于建筑、构筑物基础的大范围连续沉降观测，特别是对于变化率较大的不均匀沉降场合的观测效果更为突出，根据两端液面高度相同的原理设计而成，包括竖管、通道导管和相对高程测量仪三个功能部分，通道导管具有环刚度与轴向刚度；其中的相对高程测量仪包括球形器、桶形器和导液管，球形器被牵引在通道导管中移动，桶形器的反馈系统引导桶形器在竖管中移动，间接保证球形器内相对液面高度不变，通过对不同水平位置球形器等液面高程的测定，绘出全断面沉降曲线；其结构简单新颖，原理可靠，操作方便，观测精度高，数据科学可靠，节省人力，可自动计算和绘制观测结构。

Description

一种变位连通器式沉降观测仪

技术领域：

本发明属于测量技术领域，涉及一种变位连通器式沉降观测仪，用于建筑、构筑物基础的大范围连续沉降观测，如道路或坝体纵横断面沉降观测，特别是对于变化率较大的不均匀沉降场合时，其观测效果更为突出。

背景技术：

目前，在道路施工和各种建筑物基础建设中，用于观测建筑基础沉降方面的设备和仪器以及观测技术方法主要包括单点式沉降观测和全断面沉降观测两大类；单点式沉降观测仪主要有沉降板、分层沉降仪和水管式沉降仪，前两种测量精度较高，但需要不断接管，与填土工程冲突大，设施容易被损毁，对局部压实度有负面影响，特别是道路运营阶段这些仪器难以继续观测；水管式沉降仪的缺点是水管的埋设要求比较高，如果埋设不平顺，容易形成气泡阻塞水管，使测试无法进行，同时水管式沉降仪对稳定性要求较高，施工过程中的扰动容易造成沉降观测头的倾斜；全断面式沉降观测典型设备是测斜仪，测斜仪可以不干扰地测量全断面沉降，但其主要缺点包括一是轴向刚度较大，可能测斜管“切土”，即在沉降量足够大时，由于管的刚度大于土体刚度，测斜管的变形与土体变形不同步，存在精度问题；二是当沉降变形量过大时，沉降管可能折断等。归结起来，现有的沉降观测仪普遍存在着结构原理复杂，使用操作条件要求高，应用范围小，测量稳定性差，观测效果不理想，测试精度低，且价格高，移动不方便等缺点。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种新型结构原理的，可以替代现有的各种沉降仪并具有自动化处理功能的变位连通器式沉降观测仪。

为了实现上述目的，本发明的主体结构包括竖管、桶形器、桶形器导轮、激光发射器、轻质浮拖板、轻质反光镜、升降绳、升降螺钮、靶纸、读数尺、导液管、通道导管、通气管、牵引绳、球形器、增重件、储液球和套网；竖管作为桶形器的安装基座、移动通道和高程测量基点，其入土端封闭、不透水，外露端制有防水帽，埋深大于预估沉降量与桶形器设备总长度；桶形器的一端与升降绳连接，桶形器的下侧壁处焊接一段金属质的短管并连接导液管；桶形器的外壁挂有二层三向并互成120°夹角的弹簧式桶形器导轮，桶形器导轮套在桶形器上，并滑动支撑在竖管上，用于加强桶形器的稳定；激光发射器固定在桶形器的侧壁上，高度与轻质反光镜匹配；轻质浮拖板浮在桶形器内部液体顶面，能够随液体自由上下移动；轻质反光镜的反光镜滑杆上端在桶形器内壁滑道中上下移动，下部与轻质浮拖板铰接，轻质反光镜的镜片固定在滑杆上与铅直面成45°夹角；升降绳下端与桶形器顶部连接，上端缠绕在升降螺钮的卷轴上；升降螺钮支撑在竖管上，通过调节升降绳的长度来调节桶形器的升降；滑动式靶纸通过支架安装在竖管的口部处，靶纸与激光发射器同方向，靶纸上设有靶心以及刻度，用于校对液面位置；读数尺插在桶形器的外壁卡槽上，其下端与桶形器的液面标高重合，读数尺为折尺或条码尺，另配读数和记录设备；导液管一端接在桶形器底部的金属质短管上，另一端插入球形器底部；通道导管埋置于观测断面，通道导管内腔能够使球形器在其中自由穿行；通气管一端与球形器顶部连接，保证球形器腔内外大气连通，通气管另一端自由或固定在导液管上；牵引绳带刻度的一端与球形器外部的套网连接，另一端自由；当被观测构筑物不能两端工作时，在不能工作端安装滑轮，在安装竖管端拉绳工作；球形器由通气管、增重件、储液球和套网组成；增重件胶接在储液球底部，起降低重心作用；通过储液球等容量液面标高的测定获得同位置通道导管的标高；套网是储液球的平衡支架，要有一定刚度，确保储液球在其内自由转动。

本发明用于观测时，先将桶形器与储液球对齐，并保持两者的刻度线在同一水平面，往相对高程测量仪内注入体积为V的蒸馏水或防冻液，待两者液面平稳后，两者液面都位于各自的刻度线位置，其桶形器中水的体积为V1，导液管中水的体积为V2，球形器中水的体积为V3，即V1+V2+V3＝V；当球形器位置发生变化后，通过连通器原理可知，桶形器与球形器球内的液体高程也会保持相同；相对高程测量仪的反馈系统应用反光镜原理，反光镜与桶形器中的液面呈45°夹角，初始时，即桶形器中水的体积为V1，激光反射器水平发出的光线通过反光镜发射垂直打到竖管顶部的靶纸上的靶心位置；当球形器移动后，球底高度发生变化，连通器内液体发生流动，桶形器中液面随之发生变化，激光在靶纸上的投射位置会脱离靶心，通过观察激光在靶纸上位置来调节升降螺钮从而调节桶形器的高程，指导激光投射位置回到靶心位置，此时桶形器中水的体积为V1，导液管中水的体积为V2，球形器中水的体积为V3，又回到初始状态；测量过程即通过反馈系统间接测量球形容器内等体积液面高程，进而推算通道导管内壁高程。

本发明应用于对观测断面进行第i次观测时，球形器在通道导管内被第j次拉动后与球形器所对应位置处的通道导管内壁的高程H_ij为：

H_ij＝h_i-a_ij-b    (式1)

式中：h_i为对观测断面进行第i次观测时，竖管管口的高程(m)；a_ij为对观测断面进行第i次观测时，球形器在通道导管内被第j次拉动后桶形器上钢尺读数，即桶形器内液面至竖管管口的垂直距离(m)；b为球形器内液面至通道导管内壁的垂直距离(m)；

当对观测断面进行第i次观测时，球形器在通道导管内被第j次拉动后球形器距初始点得水平距离X_ij计算如下：

$X_{\mathrm{ij}}=x_{i1}+x_{i2}+...x_{\mathrm{ij}}=\underset{k=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{{(l_{\mathrm{ik}}-l_{i(k-1)})}^2-{(H_{\mathrm{ik}}-H_{i(k-1)})}^2}$ (式2)

式中：x_ij为对观测断面进行第i次观测时，球形器在通道导管内被第j次拉动后，球形器距初始点的水平距离(m)；l_ik为对观测断面进行第i次观测时，球形器在通道导管内被第k(k≤j)次拉动后，球形器上牵引绳的牵引长度读数(m)；l_i(k-1)为对观测断面进行第i次观测时，球形器在通道导管内被第k-1次拉动后，球形器上牵引绳的牵引长度读数(m)；H_ik为对观测断面进行第i次观测时，球形器在通道导管内被第k(k≤j)次拉动后与球形器所对应位置处的通道导管内壁的高程(m)；H_i(k-1)为对观测断面进行第i次观测时，球形器在通道导管内被第k-1次拉动后与球形器所对应位置处的通道导管内壁的高程(m)。

本发明应用于实际观测时的步骤包括：

(1)、于观测断面敷设通道导管，并在通道导管内穿入用于拉动测头的钢丝绳；

(2)、于观测断面路基坡脚线外侧1m处垂直打入一竖管；

(3)、检查读数系统是否由漏水点以及通气管是否畅通；

(4)、往桶形器与球形器注水至两者液面都达到刻度线位置，此时两者液面为初始标定液面；

(5)、将桶形器与牵引绳连接放进套管中，并安装桶形器的牵引系统即反馈系统；开始对观测断面进行第i次观测，先用水准仪放出套管顶部高程h_i；

(6)、将球形器牵引至通道导管一端的起始观测点，并读取牵引绳的初始读数l_i0；通过桶形器的反馈系统调整桶形器的高程将桶形器与球形器内液面调整到初始位置，并记录此时桶形器上钢尺读数h_i0；第一次拉动牵引绳，应用桶形器的反馈系统将桶形器与球形器内液面调整到初始位置，然后记录牵引绳上的读数l_i1，以及桶形器上钢尺读数hi₁；同理，第j次拉动牵引绳后都要记录记录牵引绳上的读数l_ij，以及桶形器上钢尺读数h_ij，直至球形器从通道导管的另一端拉出；

(7)、内业整理，应用(式1)和(式2)计算出H_ij、X_ij并绘制出X_ij-H_ij曲线。

本发明采用轴向刚度小的通道导管，可消除通道导管与土体间的相对位移，消除大刚度导管因抗变形性而产生的误差，观测点在构筑物外，与构筑物的施工和使用无冲突，用于长期观测；其仪器结构简单新颖，原理可靠，使用操作方便，观测精度高，数据科学可靠，节省人力，自动计算和绘制观测结构。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明涉及的球形器组成结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图作进一步说明。

实施例：

本实施例的主体结构包括竖管1、桶形器2、桶形器导轮3、激光发射器4、轻质浮拖板5、轻质反光镜6、升降绳7、升降螺钮8、靶纸9、读数尺10、导液管11、通道导管12、通气管13、牵引绳14、球形器15、增重件16、储液球17和套网18；竖管1作为桶形器的安装基座、移动通道和高程测量基点，其入土端封闭、不透水，外露端制有防水帽，埋深大于预估沉降量与桶形器设备总长度；桶形器2的一端与升降绳7连接，桶形器2的下侧壁处焊接一段金属质的短管并连接导液管11；桶形器2的外壁挂有二层三向并互成120°的弹簧式桶形器导轮3，桶形器导轮3套在桶形器2上，并滑动支撑在竖管1上，用于加强桶形器2的稳定；激光发射器4固定在桶形器2的侧壁上，高度与轻质反光镜6匹配；轻质浮拖板5浮在桶形器2内部液体顶面，能够随液体自由上下移动；轻质反光镜6的反光镜滑杆上端在桶形器2内壁滑道中上下移动，下部与轻质浮拖板5铰接，轻质反光镜6的镜片固定在滑杆上与铅直面成45°夹角；升降绳7下端与桶形器2顶部连接，上端缠绕在升降螺钮8的卷轴上；升降螺钮8支撑在竖管1上，通过调节升降绳7的长度来调节桶形器2的升降；滑动式靶纸9通过支架安装在竖管1的口部处，靶纸9与激光发射器4同方向，靶纸9上设有靶心以及刻度，用于校对液面位置；读数尺10插在桶形器2的外壁卡槽上，其下端与桶形器2的液面标高重合，读数尺10为折尺或条码尺，另配读数和记录设备；导液管11一端接在桶形器2底部的金属质短管上，另一端插入球形器15底部；通道导管12埋置于观测断面，通道导管12内腔能够使球形器15在其中自由穿行；通气管13一端与球形器15顶部连接，保证球形器15腔内外大气连通，通气管13另一端自由或固定在导液管11上；牵引绳14带刻度的一端与球形器15外部的套网18连接，另一端自由；当被观测构筑物不能两端工作时，在不能工作端安装滑轮，在安装竖管1端拉绳工作；球形器15由通气管13、增重件16、储液球17和套网18组成；增重件16胶接在储液球17底部，起降低重心作用；通过储液球17等容量液面标高的测定获得同位置通道导管12的标高；套网18是储液球17的平衡支架，要有一定刚度，确保储液球17在其内自由转动。

本实施例根据两端液面高度相同的原理设计而成，包括竖管1、通道导管12和相对高程测量仪三个功能部分，通道导管12具有一定的环刚度以及较小的轴向刚度；相对高程测量仪包括球形器15、桶形器2和导液管11，球形器15被牵引在通道导管12中移动，桶形器2的反馈系统引导桶形器2在竖管1中移动，间接保证球形器15内相对液面高度不变，通过对不同水平位置球形器15等体积水液面高程的测定，绘出全断面沉降曲线。

Claims (2)

1.一种变位连通器式沉降观测仪，其特征在于主体结构包括竖管、桶形器、桶形器导轮、激光发射器、轻质浮拖板、轻质反光镜、升降绳、升降螺钮、靶纸、读数尺、导液管、通道导管、通气管、牵引绳、球形器、增重件、储液球和套网；作为桶形器的安装基座、移动通道和高程测量基点的竖管入土端封闭、不透水，外露端制有防水帽，埋深大于预估沉降量与桶形器设备总长度；桶形器的一端与升降绳连接，桶形器的下侧壁处焊接一段金属质短管并连接导液管；桶形器的外壁挂有二层三向并互成120°夹角的弹簧式桶形器导轮，桶形器导轮套在桶形器上，并滑动支撑在竖管上，用于加强桶形器的稳定；激光发射器固定在桶形器侧壁上，高度与轻质反光镜匹配；轻质浮拖板浮在桶形器内部液体顶面，能够随液体自由上下移动；轻质反光镜的反光镜滑杆上端在桶形器内壁滑道中上下移动，下部与轻质浮拖板铰接，轻质反光镜的镜片固定在滑杆上与铅直面成45°夹角；升降绳下端与桶形器顶部连接，上端缠绕在升降螺钮的卷轴上；升降螺钮支撑在竖管上，通过调节升降绳的长度来调节桶形器的升降；滑动式靶纸通过支架安装在竖管的口部处，靶纸与激光发射器同方向，靶纸上设有靶心与刻度，用于校对液面位置；读数尺插在桶形器的外壁卡槽上，其下端与桶形器的液面标高重合，读数尺为折尺或条码尺，另配读数和记录设备；导液管一端接在桶形器底部的金属质短管上，另一端插入球形器底部；通道导管埋置于观测断面，通道导管内腔能够使球形器在其中自由穿行；通气管一端与球形器顶部连接，保证球形器腔内外大气连通，通气管另一端自由或固定在导液管上；牵引绳带刻度的一端与球形器外部的套网连接，另一端自由；当被观测构筑物不能两端工作时，在不能工作端安装滑轮，在安装竖管端拉绳工作；球形器由通气管、增重件、储液球和套网组成；增重件胶接在储液球底部，起降低重心作用；通过储液球的容量液面标高的测定获得同位置通道导管的标高；套网是储液球的平衡支架，要有一定刚度，确保储液球在其内自由转动。

2.根据权利要求1所述的变位连通器式沉降观测仪，其特征在于用于观测时，先将桶形器与储液球对齐，并保持两者的刻度线在同一水平面，往相对高程测量仪内注入体积为V的蒸馏水或防冻液，待两者液面平稳后，两者液面都位于各自的刻度线位置，其桶形器中水的体积为V1，导液管中水的体积为V2，球形器中水的体积为V3，即V1+V2+V3＝V；当球形器位置发生变化后，通过连通器原理可知，桶形器与球形器球内的液体高程保持相同；相对高程测量仪的反馈系统应用反光镜原理，反光镜与桶形器中的液面呈45°夹角，初始时，即桶形器中水的体积为V1，激光反射器水平发出的光线通过反光镜发射垂直打到竖管顶部的靶纸上的靶心位置；当球形器移动后，球底高度发生变化，连通器内液体发生流动，桶形器中液面随之发生变化，激光在靶纸上的投射位置会脱离靶心，通过观察激光在靶纸上位置来调节升降螺钮从而调节桶形器的高程，指导激光投射位置回到靶心位置，此时桶形器中水的体积为V1，导液管中水的体积为V2，球形器中水的体积为V3，又回到初始状态；测量过程即通过反馈系统间接测量球形容器内等体积液面高程，进而推算通道导管内壁高程。

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