CN108225264A - 一种直埋式回填造地沉降观测设备及沉降观测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直埋式回填造地沉降观测设备及沉降观测方法，包括基桩、套管、拉杆式直线位移传感器、法兰、沉降盘、电缆、数据采集传输设备；所述基桩埋入到非压缩土层；所述套管外罩在基桩和法兰之间，所述拉杆式直线位移传感器设置在套管内；所述拉杆式直线位移传感器的首部与基桩相连接、尾部与法兰相连接；所述沉降盘连接在法兰的顶部；所述沉降盘的中部和所述法兰的中部预留有空心孔；所述电缆的一端连接拉杆式直线位移传感器、另一端从法兰和沉降盘的中部预留空心孔引出与数据采集传输设备相连接。本发明稳定性好、不受施工干扰；不突出地面，不易被破坏；同时，结合自动化数据采集和传输设备，可实现任意时刻，任意频次的沉降数据采集。
Description
技术领域
本发明涉及地面沉降观测，特别涉及一种适用于大面积回填造地地面沉降观测的仪器设备及沉降观测方法。
背景技术
司家营铁矿位于唐山市滦县境内，是我国东部地区少见的特大型铁矿，铁矿石总储量23.48亿吨，分南北两区，正在分三期开发建设。首期于2007年10月建成投产，原矿产量每年700万吨；二期于2009年投产，原矿产量每年800万吨；未来三期建成后，原矿产量每年可达3700万吨。如此大规模的矿石开采伴随着产生了大量的废弃剥岩土，这些剥岩土需运出矿区但难于处置，征用弃土场价格高昂而且破坏环境。
与此同时，在唐山南部沿海的曹妃甸地区正在进行着大规模的填海造地，当地政府规划了约300km2的沿海滩涂的造地计划，而填筑材料短缺成为这一计划的最大阻力。
2009年6月，全长15.4km的司曹铁路建成通车，该铁路初期运力2000万吨/年，远期运力4000万吨/年。司曹铁路打通了司家营铁矿与曹妃甸之间的铁路干线，开辟了一条剥岩土高效便捷的陆运通道，同步解决了司家营铁矿大规模剥岩土难以处理以及曹妃甸填海造地材料短缺的问题。这一循环经济的理念创新，节约了土地资源，减轻了环境压力，同步推动了司家营铁矿和曹妃甸的开发建设，取得了良好的经济和社会效益。
在利用剥岩土填海造地的施工过程中，为了准确计量每个项目的填筑方量，工程设计单位对剥岩土陆上回填施工进行了深入的分析和研究。研究发现，曹妃甸地区属于沿海滩涂潮间带，原状滩地表层沉积物较厚，天然空隙比较大，压缩性较强，在回填施工过程中往往会产生较明显的地面沉降。为填筑达到规划验收标高，这些沉降量成为了回填工程填筑总量里的一部分。由于回填面积巨大，这一沉降量对回填总方量的影响十分显著。
根据我国现行《疏浚与吹填工程设计规范》(JTS181-5-2012)中第10.10.6款，推荐使用的填筑沉降观测设备为沉降盘，即一个钢制圆盘上焊接一根可接高加长的测杆，(详见图1)，随着回填施工的进行不断对测杆的顶端进行水准观测，以杆顶标高的变化作为施工期地面沉降的观测数据。这一设备在以往填海造地的项目中应用广泛，但在剥岩土回填造地施工沉降观测使用中遇到了诸多问题。
1、易受干扰。由于回填施工采用的均为大型的自卸卡车、挖掘机、装载机，此类机械在施工作业时频率高，振动大，对水准观测的准确性影响很大；
2、易受破坏。由于施工采用大型机械操作，精细化程度难以保障，而且测杆突出地表，大型设备稍有磕碰就会出现沉降盘倾斜、翻倒、破坏等情况，直接导致数据无法收集；
3、数据采集困难。由于施工过程中机械设备多，往返频率快，而且工程区雨季和冬季恶劣天气较多，人工定期的水准观测往往难以保证，数据的按时采集较为困难。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提出一种直埋式回填造地沉降观测设备及沉降观测方法。该设备稳定性好、不受施工干扰；不突出地面，不易被破坏；同时，结合自动化数据采集和传输设备，可实现任意时刻，任意频次的沉降数据采集，不受恶劣天气影响。
本发明所采用的技术方案是：一种直埋式回填造地沉降观测设备，包括基桩、套管、拉杆式直线位移传感器、法兰、沉降盘、电缆、数据采集传输设备；所述基桩作为观测设备的非沉降基础埋入到非压缩土层，为上部设备观测提供固定参照物；所述套管外罩在所述基桩和法兰之间，所述拉杆式直线位移传感器设置在所述套管内；所述拉杆式直线位移传感器的首部与所述基桩相连接、尾部与所述法兰相连接；所述沉降盘连接在所述法兰的顶部；所述沉降盘的中部和所述法兰的中部预留有空心孔；所述电缆的一端连接所述拉杆式直线位移传感器、另一端从所述法兰和沉降盘的中部预留空心孔引出与所述数据采集传输设备相连接。
进一步的，所述基桩的顶部设置有下垫块，所述下垫块上安装拉杆式直线位移传感器。
进一步的，所述拉杆式直线位移传感器的尾部通过上垫块与所述法兰刚性连接。
进一步的，所述套管采用防水褶皱型可伸缩塑料管，保护拉杆式直线位移传感器不受地下水的腐蚀。
进一步的，所述沉降盘的顶面设置有保护垫层，所述保护垫层的厚度为0.5m，防止沉降盘裸露在地面被回填施工机械破坏。
进一步的，所述数据采集传输设备设置在施工区外的观测站内，所述数据采集传输设备通过支架固定在观测站内。
进一步的，所述数据采集传输设备包括通过电缆与所述拉杆式直线位移传感器相连接的拉杆式直线位移传感器读数器，以及将所述拉杆式直线位移传感器读数器的电压信号转换成无线电信号发送给远程客户终端的无线电信号发射器。
一种基于上述直埋式回填造地沉降观测设备的沉降观测方法，包括以下步骤：
步骤一，将基桩打入预设观测点的工前滩面，基桩底部需到达非压缩土层以下；
步骤二，对基桩上部开挖形成作业基坑，露出基桩顶面，在其上部依次安装下垫块、拉杆式直线位移传感器、上垫块、法兰和套管；
步骤三；安装完成后进行回填，回填至距原滩面一定标高时，在法兰上部安装沉降盘，并将其调平；
步骤四，拉杆式直线位移传感器尾部的电缆穿过法兰和沉降盘中心处预留的空心孔向上引出，并在空心孔中预留足够的下沉拉伸长度；
步骤五，引出的电缆沿着开挖的电缆沟铺设至施工区外的观测站；
步骤六，电缆埋设完成后将保护垫层用原状土回填整平，并恢复地面原状；
步骤七，观测站在支架上安装数据采集传输设备，数据采集设备为拉杆式直线位移传感器读数器，传输设备为无线电信号发射器，利用拉杆式直线位移传感器读数器和无线电信号发射器的联合工作将观测数据实时读取并传输到远程客户终端；
步骤八，开始施工，在施工过程中，按设计要求，经数据采集传输设备对埋设点的沉降情况进行数据采集，通过读取不同沉降位移时拉杆式直线位移传感器产生的不同电压信号，测得沉降盘对于安装初始时刻的相对位移量。
进一步的，步骤一中，所述基桩的底部到达非压缩土层1m以下，所述基桩的顶端埋入原滩面以下1.5m～2.0m。
本发明的有益效果是：本发明直埋式回填造地沉降观测设备，相对于规范推荐的常规沉降观测盘，抗干扰能力强、不易受破坏、数据可以远程遥控采集，能够有效的解决现有设备在观测过程中遇到的三大问题。此外，该设备使用的材料均较为常见，易于采购；安装工艺简单，无需大型设备配合；观测记录方便，无需每次人工到场；总体来看，此种设备对回填造地沉降观测任务的针对性较强，具有良好适用性和应用前景。
附图说明
图1为规范推荐的沉降观测设备立面图；
图2为规范推荐的沉降观测设备俯视图；
图3为沉降观测设备立面布置图；
图4为沉降盘俯视图；
附图标注：11、沉降盘；12、测杆；13、螺纹套；14、拉索；15、固定桩；21、基桩；22、下垫块；23、套管；24、拉杆式直线位移传感器；25、上垫块；26、法兰；27、沉降盘；28、保护垫层；29、电缆；210、支架；211、数据采集传输设备；212、固定螺丝；213、空心孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
如附图1和图2所示，规范推荐的沉降观测设备包括沉降盘11、测杆12、螺纹套13、拉索14、固定桩15，固定装15插入原始地面中。
如附图3和图4所示，本发明一种直埋式回填造地沉降观测设备，包括基桩21、套管23、拉杆式直线位移传感器24、上垫块25、下垫块22、法兰26、沉降盘27、保护垫层28、电缆29、支架210、数据采集传输设备211等。
所述基桩21作为观测设备的非沉降基础埋入到非压缩土层，为上部设备观测提供固定参照物。所述套管23外罩在所述基桩21和法兰26之间，所述套管23采用防水褶皱型可伸缩塑料管，保护拉杆式直线位移传感器24不受地下水的腐蚀。所述拉杆式直线位移传感器24设置在所述套管23内；所述拉杆式直线位移传感器24的首部与所述基桩21相连接，所述基桩21的顶部设置有下垫块22，所述下垫块22上安装拉杆式直线位移传感器24；所述拉杆式直线位移传感器24的尾部通过上垫块25与所述法兰26刚性连接。所述沉降盘27连接在所述法兰26的顶部，并通过固定螺丝212与所述法兰26相连接。所述沉降盘27的顶面设置有保护垫层28，所述保护垫层28的厚度为0.5m，防止沉降盘27裸露在地面被回填施工机械破坏。所述沉降盘27的中部和所述法兰26的中部预留有空心孔213，所述电缆29的一端连接所述拉杆式直线位移传感器24、另一端从所述法兰26和沉降盘27的中部预留空心孔213引出，沿着电缆沟铺设至施工区外的观测站，与观测站内设置的带有支架210的数据采集传输设备211相连接。所述数据采集传输设备211通过无线信号将观测数据传输到客户终端，包括通过电缆29与所述拉杆式直线位移传感器24相连接的拉杆式直线位移传感器读数器，以及将所述拉杆式直线位移传感器读数器的电压信号转换成无线电信号发送给远程客户终端的无线电信号发射器。
本发明的观测原理：拉杆式直线位移传感器24又称电阻尺，它是将可变电阻滑轨固定在传感器尾部，通过端部测头带动滑片在滑轨上产生位移，从而产生不同的电阻值。传感器滑轨连接稳态直流电，并流过微安培的小电流，则滑片在不同位置的电压便与滑片移动的长度成正比关系。通过读取不同沉降位移时传感器产生的不同电压信号，即可测得沉降盘27对于安装初始时刻的相对位移量。
基于上述直埋式回填造地沉降观测设备的沉降观测方法：首先，将基桩21打入预设观测点的工前滩面，基桩21底部需到达非压缩土层1m以下，以确保形成无沉降的不动点，基桩21顶端需埋入原滩面以下1.5m～2.0m。然后，对基桩21上部开挖形成作业基坑，露出基桩21顶面，在其上部依次安装下垫块22、拉杆式直线位移传感器24、上垫块25、法兰26和套管23；安装完成后进行回填，回填至距原滩面0.5m标高时，在法兰26上部安装沉降盘27，并将其调平；拉杆式直线位移传感器24尾部的电缆29穿过法兰26和沉降盘27中心处预留的空心孔213向上引出，并在空心孔213中预留足够的下沉拉伸长度(通常为1.0m～1.5m)，引出的电缆29沿着开挖的电缆沟铺设至施工区外的观测站；电缆29埋设完成后将剩余的0.5m厚的沉降盘27保护垫层28用原状土回填整平，并恢复地面原状；观测站在支架210上安装数据采集传输设备211，数据采集设备为拉杆式直线位移传感器读数器，传输设备为无线电信号发射器，利用拉杆式直线位移传感器读数器和无线电信号发射器的联合工作可将观测数据实时读取并传输到远程客户终端。设备安装完成后即可开始施工，在施工过程中，按设计要求，经数据采集传输设备211对埋设点的沉降情况进行数据采集，通过读取不同沉降位移时拉杆式直线位移传感器24产生的不同电压信号，测得沉降盘27对于安装初始时刻的相对位移量。
下面举一具体实施例对本发明作进一步的描述。
本实施例针对曹妃甸京津冀协同发展示范区唐曹高速连接线东侧、北边路北侧地块陆域回填工程设计。
基桩21采用动力触探试验常用的标贯杆，直径42mm的Q235钢管，打设时需将基桩21底端打入标贯击数>30的非压缩土层至少1m，顶端离地面1.5m～2.0m；打设完成后对基桩21上部进行人工开挖，形成直径约2.0m的操作基坑，基坑深度以露出基桩21顶端为宜；基坑就绪后首先将基桩21顶部空心处封堵密实，防止地下水从杆内空心处渗入上部套管23内，然后自下而上逐项安装观测设备组件；套管23采用PVC排水软管，可在竖直方向上自由伸缩，上下端头采用防水密封连接，确保拉杆式直线位移传感器24不受地下水腐蚀；拉杆式直线位移传感器24采用KTC-1250mm型，最大量程1250mm，IP67高等级防水防尘，可将垂直方向的相对位移变化量转化为电压信号并经电缆29输出到数据采集传输设备211当中；上下垫块22采用橡胶材质，主要对拉杆式直线位移传感器24的端部和尾部起到固定和保护作用；法兰26采用DN25不锈钢材质，与沉降盘27之间使用四孔螺丝连接；沉降盘27采用Q235钢制圆盘，直径1000m，厚度10mm，中心预留空心直径25mm；电缆29从拉杆式直线位移传感器24尾部经法兰26和沉降盘27中部预留空心孔213引出，并沿着埋深不小于0.5m的电缆沟铺设至观测站；在观测站内将电缆29与数据采集传输设备211连接试测，经校对合格后对观测设备基坑实施回填，并在沉降盘27顶部铺筑好保护垫层28。施工开始后，可按设计要求，经数据采集传输设备211对埋设点的沉降情况进行数据采集。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种直埋式回填造地沉降观测设备，其特征在于，包括基桩、套管、拉杆式直线位移传感器、法兰、沉降盘、电缆、数据采集传输设备；所述基桩作为观测设备的非沉降基础埋入到非压缩土层，为上部设备观测提供固定参照物；所述套管外罩在所述基桩和法兰之间，所述拉杆式直线位移传感器设置在所述套管内；所述拉杆式直线位移传感器的首部与所述基桩相连接、尾部与所述法兰相连接；所述沉降盘连接在所述法兰的顶部；所述沉降盘的中部和所述法兰的中部预留有空心孔；所述电缆的一端连接所述拉杆式直线位移传感器、另一端从所述法兰和沉降盘的中部预留空心孔引出与所述数据采集传输设备相连接。
2.根据权利要求1所述的一种直埋式回填造地沉降观测设备，其特征在于，所述基桩的顶部设置有下垫块，所述下垫块上安装拉杆式直线位移传感器。
3.根据权利要求1所述的一种直埋式回填造地沉降观测设备，其特征在于，所述拉杆式直线位移传感器的尾部通过上垫块与所述法兰刚性连接。
4.根据权利要求1所述的一种直埋式回填造地沉降观测设备，其特征在于，所述套管采用防水褶皱型可伸缩塑料管，保护拉杆式直线位移传感器不受地下水的腐蚀。
5.根据权利要求1所述的一种直埋式回填造地沉降观测设备，其特征在于，所述沉降盘的顶面设置有保护垫层，所述保护垫层的厚度为0.5m，防止沉降盘裸露在地面被回填施工机械破坏。
6.根据权利要求1所述的一种直埋式回填造地沉降观测设备，其特征在于，所述数据采集传输设备设置在施工区外的观测站内，所述数据采集传输设备通过支架固定在观测站内。
7.根据权利要求1所述的一种直埋式回填造地沉降观测设备，其特征在于，所述数据采集传输设备包括通过电缆与所述拉杆式直线位移传感器相连接的拉杆式直线位移传感器读数器，以及将所述拉杆式直线位移传感器读数器的电压信号转换成无线电信号发送给远程客户终端的无线电信号发射器。
8.一种基于上述权利要求1至7任一项所述的直埋式回填造地沉降观测设备的沉降观测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将基桩打入预设观测点的工前滩面，基桩底部需到达非压缩土层以下；
步骤二，对基桩上部开挖形成作业基坑，露出基桩顶面，在其上部依次安装下垫块、拉杆式直线位移传感器、上垫块、法兰和套管；
步骤三；安装完成后进行回填，回填至距原滩面一定标高时，在法兰上部安装沉降盘，并将其调平；
步骤四，拉杆式直线位移传感器尾部的电缆穿过法兰和沉降盘中心处预留的空心孔向上引出，并在空心孔中预留足够的下沉拉伸长度；
步骤五，引出的电缆沿着开挖的电缆沟铺设至施工区外的观测站；
步骤六，电缆埋设完成后将保护垫层用原状土回填整平，并恢复地面原状；
步骤七，观测站在支架上安装数据采集传输设备，数据采集设备为拉杆式直线位移传感器读数器，传输设备为无线电信号发射器，利用拉杆式直线位移传感器读数器和无线电信号发射器的联合工作将观测数据实时读取并传输到远程客户终端；
步骤八，开始施工，在施工过程中，按设计要求，经数据采集传输设备对埋设点的沉降情况进行数据采集，通过读取不同沉降位移时拉杆式直线位移传感器产生的不同电压信号，测得沉降盘对于安装初始时刻的相对位移量。
9.根据权利要求8所述的一种直埋式回填造地沉降观测设备的沉降观测方法，其特征在于，步骤一中，所述基桩的底部到达非压缩土层1m以下，所述基桩的顶端埋入原滩面以下1.5m～2.0m。
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