CN111829485A - 一种工程结构高程与沉降变形的高精度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程结构高程与沉降变形的高精度测量装置，包括基准位平衡机构、测点位测量机构和连通导管，基准位平衡机构包括第一储液槽，第一储液槽上设有第一进液口、溢流口、第一出液口，第一出液口处设有第一阀门，测点位测量机构和连通导管均有N个，测点位测量机构包括第二储液槽和测量管组，第二储液槽上设有第二进液口、第二出液口A和第二出液口B，第二出液口A上设有第二阀门A，第二出液口B上设有第二阀门B，测量管组包括导流管和多个测量管，导流管的一端与第二出液口A连通，测量管的下端密封，测量管的上端开口，测量管上设有刻度，且各测量管的上端与导流管连通。该装置结构简单，制作成本低廉，安装和拆卸方便，且可实现同时对多处观测点进行实时监测。

Description

一种工程结构高程与沉降变形的高精度测量装置

技术领域

本发明涉及工程测量技术领域，具体涉及一种工程结构高程与沉降变形的高精度测量装置。

背景技术

随着社会科技的不断进步，建筑设计施工技术也在蓬勃发展，房屋建筑的高度也越来越高，数量呈增长趋势，因此，沉降观测对建筑物在施工期间及竣工后的安全性与稳定性有着非常重要的作用，它可避免日后带来严重的经济损失。具体而言，建筑物沉降观测是施工和运营管理过程中安全监测的必要手段，是一项技术性要求高且耗时长的监测工作，因此，必须严格按照规范要求，恰当选择好沉降观测技术方案，可降低程造价，又可取得可靠的观测数据，最终科学准确地分析预测出建筑物的整体沉降状况，为指导施工方案和今后该建筑物的运营管理提供可靠依据。

为能精确的反映出建构筑物在不断施加荷载作用下的沉降情况，一般规定测量的误差应小于变形值的1/10～1/20，因此，对仪器的精度和人工操作的规范性有着相当高的要求，否则容易造成偶然误差。当前，广泛使用精密水准仪及铜水准尺进行沉降点测式观测，当涉及多处观测点的沉降观测时，需要测量者频繁更换观测位置，不仅信息获取过程复杂，人工成本较高，精度较低，且观测数据单一，仅限于某一时间点的测量，不能实现沉降的实时监测。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种工程结构高程与沉降变形的高精度测量装置，该装置结构简单，制作成本低廉，安装和拆卸方便，且可实现同时对多处观测点进行实时监测。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种工程结构高程与沉降变形的高精度测量装置，包括基准位平衡机构、测点位测量机构和连通导管；

基准位平衡机构包括第一储液槽，第一储液槽上设有第一进液口、溢流口、第一出液口，第一出液口的高度小于溢流口的高度，第一出液口处设有第一阀门；

测点位测量机构和连通导管均有N个，测点位测量机构包括第二储液槽和测量管组，第二储液槽上设有第二进液口、第二出液口A和第二出液口B，第二出液口A倾斜设置，第二出液口A上设有第二阀门A，第二出液口B上设有第二阀门B，测量管组包括导流管和多个测量管，测量管的下端密封，测量管的上端开口，测量管上设有刻度，零刻度线位于测量管的下端，最大的刻度线位于测量管的上端口处，多个测量管沿着导流管的延伸方向依次分布，且各测量管的上端口与导流管连通；

在各测点位测量机构中，导流管的一端与第二出液口A出口连通，导流管的水平高度自其与第二出液口A连接的一端到其另一端的延伸方向依次降低；

N个第二储液槽依次连通，在两个相互连通的第二储液槽中，在前的第二储液槽的第二出液口B通过连通导管与在后的第二储液槽的第二进液口连通，第一储液槽的第一出液口通过连通导管与位于首位的第二储液槽内的第二进液口连通，当第一储液槽和各第二储液槽放置于同一水平面上时，各第二储液槽的第二进液口、第二出液口A和第二出液口B均不高于第一储液槽的溢流口。

所述的导流管呈蛇形，导流管包括多个直管段和U型连接管段，各直管段均倾斜设置，U型连接管的分别和与其相邻的两直管段的一端连通。

所述的测量管组还包括旋转套管，导流管的一端通过旋转套管与第二出液口A连接，导流管可绕着其轴线旋转。

所述的旋转套管包括外层管和内层管，外层管和内层管的轴线相同，内层管的一端口与外层管的内壁连接，内层管和外层管的一侧之间形成环形的卡槽，第二出液口A出口插入外层管的另一侧内，导流管的一端插入卡槽中。

所述的第一储液槽和测量管均呈圆柱状，第一储液槽的直径为测量管直径的10倍。

所述的第一进液口和第一出液口对称设置于第一储液槽侧壁的底部上，第二进液口和第二出液口A对称设置于第二储液槽侧壁底部上，第二出液口A和第二出液口B的夹角为90度，第二进液口和第二出液口B在平行于第二水槽底部的平面上的投影位于同一条直线上，当第一储液槽和各第二储液槽放置于同一水平面上时，各第二储液槽的第二出液口A和第一储液槽的溢流口的高度相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果和优点在于：

1、该装置利用等体积法对高差或沉降量进行放大，将截面面积比率转换成高差或沉降量与测量管液面高度变化量的比率，能够较大程度地提高测量精度。

2、该装置结构简单，安装和拆卸方便，便于携带，且所用的零部件不涉及电子或机械的精密构造，抗干扰能力强，成本低廉，经济效益高，适合大面积推广。

3、该装置排水处理妥当，无需新增特殊的排水设施，通过自身结构构造即可实现，精简了装置结构，且工作液体可进行循环利用，节省资源。

4、该装置操作简单，减少所需的测量者的人数，节省人工成本，安装完成后，可直接通过测量管组中液面的变化即可得知观测点位实时的沉降。

附图说明

图1为工程结构高程与沉降变形的高精度测量装置的结构示意图。

图2为工程结构高程与沉降变形的高精度测量装置在沉降前的结构示意图。

图3为工程结构高程与沉降变形的高精度测量装置在沉降后的结构示意图。

图4为工程结构高程与沉降变形的高精度测量装置在排水后的结构示意图。

图5为旋转套管的装配图。

图6为未装满工作液体的测量管的结构示意图。

其中，1-第一储液槽、2-第一进液口、3-溢流口、4-第一出液口、5-第一阀门、6-第二储液槽、7-第二进液口、8-第二出液口A、9-第二出液口B、10-第二阀门A、11-第二阀门B、12-导流管、13-测量管、14-直管段、15-U型连接管段、16-连通导管、17-旋转套管、18-外层管、19-内层管、20-卡槽。

为方便理解，图2和图3给出了只有一个测点位测量机构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明提供的工程结构高程与沉降变形的高精度测量装置如图1所示，包括基准位平衡机构、测点位测量机构和连通导管，测点位测量机构和连通导管均有N个。

基准位平衡机构包括第一储液槽1，第一储液槽1呈圆柱状，第一储液槽1的直径为10cm。第一储液槽1上设有第一进液口2、溢流口3和第一出液口4，第一进液口2和第一出液口4对称设置于第一储液槽1侧壁的底部上，第一出液口4处设有第一阀门5。溢流口3设置于第一储液槽1侧壁上，且溢流口3的高度为第一储液槽1高度的2/5。

测点位测量机构包括第二储液槽6和测量管组，第二储液槽6呈圆柱状，第二储液槽6的直径为10cm。第二储液槽6上设有第二进液口7、第二出液口A8和第二出液口B9，第二进液口和第二出液口B9对称设置于第二储液槽侧壁底部上，第二出液口A8倾斜设置，第二出液口A和第二出液口B在平行于第二储液槽6底部的平面上的投影的夹角为90度。第二出液口A8上设有第二阀门A9，第二出液口B9上设有第二阀门B10。

N个第二储液槽6依次连通，在两个相互连通的第二储液槽6中，在前的第二储液槽6的第二出液口B9通过连通导管与在后的第二储液槽6的第二进液口7连通。第一储液槽1的第一出液口4通过连通导管与位于首位的第二储液槽内6的第二进液口7连通，当第一储液槽1和各第二储液槽6放置于同一水平面上时，各第二储液槽6的第二出液口A和第一储液槽1的溢流口的高度相同。

测量管组包括导流管11、多个测量管12和旋转套管17，导流管11呈蛇形，导流管11包括多个直管段14和U型连接管段15，直管段14和U型连接管段15沿着导流管11延伸的方向交错分布，且各直管段14均倾斜设置，U型连接管段15的两端分别与两直管段14的一端连接，U型连接管段15与直管14段之间也可以通过旋转套管17连接。

如图5所示，旋转套管17包括外层管18和内层管19，外层管18和内层管19的轴线相同，内层管19的一端口与外层管18的内壁连接，内层管19和外层管18的一侧之间形成环形的卡槽20。

在各测点位测量机构中，第二出液口A8出口插入外层管18的另一侧内，导流管12的一端插入卡槽20中，导流管12的水平高度自其与卡槽20连接的一端到其另一端的延伸方向依次降低。

测量管12呈圆柱状，测量管12的下端密封，测量管12的上端开口，测量管12的高度为100mm，直径为10mm。测量管12上设有刻度13，零刻度线位于测量管12的底部，最大的刻度线位于测量管12的管口处。多个测量管12沿着导流管11的延伸方向依次分布，且每个直管段14分别与四个测量管12的上端连通。上述的工程结构高程与沉降变形的高精度测量装置的测量方法和工作原理如下：

1、在测量之前，将整个装置安装好，将基准位平衡机构放置与基准位处，将各测点位测量机构放置于需要进行沉降观测的测点位处，整个装置安装完成后，如图2所示，将第一阀门和所有的第二阀门B打开，关闭所有的第二阀门A，使第一储液槽和N个第二储液槽依次连通；

2、开始测量时，从第一进液口向第一储液槽中注入水(以水为工作液体)，由于第一储液槽和N个第二储液槽依次连通以及溢水口的存在，且第一储液槽和各第二储液槽的底部位于同一海拔高度的地面上，第一储液槽和各第二储液槽中的水均上升同一水平高度，即第一储液槽和各第二储液槽中的水面与溢流口底部齐平；

3、当各测点位的地面发生沉降后，第一储液槽和各第二储液槽底部的海拔高度发生变化，如图3所示，同时由于第一储液槽和N个第二储液槽依次连通，第一储液槽中水不断地流向各第二储液槽，使第一储液槽和N个第二储液槽中水的液位保持一致，从而使各第二储液槽中水的液位相比较沉降之前上升，随着各测点位的地面不断沉降，各第二储液槽中水的液位相比较沉降之前不断上升，各第二储液槽中水的体积不断增加，超出第一出水口A高度以上的液体总量不断增加；

4、进行沉降测量时，关闭所有的第二阀门B，第一储液槽和第二储液槽之间以及相邻两第二储液槽之间不再相互连通，打开所有的第二阀门A，因各第二储液槽中的水位高于其上第二出水口A的高度，各第二储液槽中的水流向与其连接的导流管，然后依次流入与导流管连接的测量管，直至各储液槽中的水位与其上第二出水口A的高度齐平，在此过程中，水沿着导流管延伸的方向流动，每当前一根测量管被水充满后，才会流入后一根测量管中，水流入的最后一根测量管未装满水；

测量原理说明(以与第一储液槽连接的第二储液槽为例进行说明)：

测量管的高度为100mm，截面直径为10mm，管壁上刻有精度为1mm的刻度线，基准位和测点位的高度差即为沉降高度，而基准位和测点位的高度差即为通过第二储液槽沉降前后的水位差，设第二储液槽沉降前后的水位差为hmm，则第二储液槽内水由于沉降而增加的体积为

假设测量管组中水充满的测量管的个数为n，未充满水的测量管中水的高度为ymm，则所有充有水的测量管中的水的总体积为为

所有充有水的测量管中的水的总体积等于第二储液槽内水增加的体积，则：

由上式得出：

在式(2)中，单位均为mm，n的物理意义是每根充满水的测量管代表第二储液槽有1mm高度的液体流向该测量管，该项是没有误差的；y/100的物理意义是未充满水的测量管中每1mm水柱代表原测试水槽有0.01mm高度的液体流向测量管。

可见，通过测量测试水槽超出部分液体的体积间接获得高差的目的，一方面充满水的测量管的数量可以直接目测计数，没有误差；另一方面以未充满水的测试管可通过管壁刻度直接读取液面高度，目前读数的精度至少可以达到1mm，对应高差的精度即为0.01mm，实现高精度测量。

假设充满水的测量管的根数为3，未充满水的测量管中水的高度如图所示，从图6可以读出未充满水的测量管中水的高度为61.1mm，即y＝61.1，故h＝3.611，对应的精确位为0.01mm。

在对未充满的测量管进行读数时，可利用当前市面成熟的传感技术，如

光电位移传感器、激光式距离传感器等进行自动读数(其精度完全可以达到1mm，不影响装置的测量精度)，并结合编码器、数据传输模块等将信号转换成数字信号后发送至物联网终端实现实时监测、数据记录存储及进一步的分析利用功能；也可直接进行人工读数(精细测量管的刻度精度为1mm，人工读数精度为1mm，不影响装置的测量精度)。

需要说明的是，所采用的测量管规格较小，需要防止毛细作用造成的读书误差，因此对测试管的直径有要求，一般以水作为工作液体时，测量管内径至少为8mm，为方便换算可采用10mm直径的测量管；如果以水银作为工作液体时，测量管内径至少为5mm；类似的，采用不同种类工作液体对测试管的直径有不同的要求，因此能达到的最大精度也不一样。

另外连通管组中连接的测量管的个数可通过事先预测的高差或沉降量范围进行确定，可根据实际需要灵活改变导流管的长度来改变测量管组的量程。

读数完成后，如图4所示，可旋转导流管180°，使各测量管的端口朝下，各测量管中的液体将流向导流管，并经由导流管流回到工作液体源，实现工作液体循环利用。

Claims (6)

1.一种工程结构高程与沉降变形的高精度测量装置，其特征在于：包括基准位平衡机构、测点位测量机构和连通导管；

基准位平衡机构包括第一储液槽，第一储液槽上设有第一进液口、溢流口、第一出液口，第一出液口的高度小于溢流口的高度，第一出液口处设有第一阀门；

测点位测量机构和连通导管均有N个，测点位测量机构包括第二储液槽和测量管组，第二储液槽上设有第二进液口、第二出液口A和第二出液口B，第二出液口A倾斜设置，第二出液口A上设有第二阀门A，第二出液口B上设有第二阀门B，测量管组包括导流管和多个测量管，测量管的下端密封，测量管的上端开口，测量管上设有刻度，零刻度线位于测量管的下端，最大的刻度线位于测量管的上端口处，多个测量管沿着导流管的延伸方向依次分布，且各测量管的上端口与导流管连通；

在各测点位测量机构中，导流管的一端与第二出液口A出口连通，导流管的水平高度自其与第二出液口A连接的一端到其另一端的延伸方向依次降低；

N个第二储液槽依次连通，在两个相互连通的第二储液槽中，在前的第二储液槽的第二出液口B通过连通导管与在后的第二储液槽的第二进液口连通，第一储液槽的第一出液口通过连通导管与位于首位的第二储液槽内的第二进液口连通，当第一储液槽和各第二储液槽放置于同一水平面上时，各第二储液槽的第二进液口、第二出液口A和第二出液口B均不高于第一储液槽的溢流口。

2.根据权利要求1所述的工程结构高程与沉降变形的高精度测量装置，其特征在于：所述的导流管呈蛇形，导流管包括多个直管段和U型连接管段，各直管段均倾斜设置，U型连接管的分别和与其相邻的两直管段的一端连通。

3.根据权利要求1所述的工程结构高程与沉降变形的高精度测量装置，其特征在于：所述的测量管组还包括旋转套管，导流管的一端通过旋转套管与第二出液口A连接，导流管可绕着其轴线旋转。

4.根据权利要求3所述的工程结构高程与沉降变形的高精度测量装置，其特征在于：所述的旋转套管包括外层管和内层管，外层管和内层管的轴线相同，内层管的一端口与外层管的内壁连接，内层管和外层管的一侧之间形成环形的卡槽，第二出液口A出口插入外层管的另一侧内，导流管的一端插入卡槽中。

5.根据权利要求1所述的工程结构高程与沉降变形的高精度测量装置，其特征在于：所述的第一储液槽和测量管均呈圆柱状，第一储液槽的直径为测量管直径的10倍。

6.根据权利要求1所述的工程结构高程与沉降变形的高精度测量装置，其特征在于：所述的第一进液口和第一出液口对称设置于第一储液槽侧壁的底部上，第二进液口和第二出液口B对称设置于第二储液槽侧壁底部上，第二出液口A和第二出液口B的夹角为90度，第二进液口和第二出液口B在平行于第二水槽底部的平面上的投影位于同一条直线上，当第一储液槽和各第二储液槽放置于同一水平面上时，各第二储液槽的第二出液口A和第一储液槽的溢流口的高度相同。

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