陆上土体分层沉降自动电测系统

郭　科，黄　泰，张陆一*，邢　义，蒋　荣

（1.中交第一航务工程局有限公司，天津300456；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津300222）

陆上土体分层沉降自动电测系统

郭科1，黄泰2，张陆一2*，邢义2，蒋荣2

（1.中交第一航务工程局有限公司，天津300456；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津300222）

随着近年来工程建设的飞速发展，软土地基处理的规模越来越大，现场监测多采用人工测量，人工成本的逐年增加给监测单位造成了巨大的压力。基于此，采用导管、沉降环、陆上土体分层沉降量自动电测仪、手持监测仪器组成陆上土体分层沉降自动电测系统。系统性能良好，可节约人工成本，保障现场人员人身安全，克服恶劣天气影响，保证工程质量。

软土地基；陆上土体分层沉降；研发

0　引言

在港口建设中，通常使用磁环式分层沉降仪进行土层的沉降测量。这种方式需全程人工操作、读数及记录测值，因此存在效率低，测量精度低、且容易产生观测错误，数据需人工记录归档[1-3]等不足。

天津港近几年的吹填造陆工程，一个工程动辄数百万m2乃至上千万m2，现场监测需要大量的测量人员，而随着工人工资的逐年增加，人工成本占了工程监测费用很大的比例，再加上市场竞争越来越激烈，投标报价越来越低，给监测单位造成的压力越来越大，急需改变目前这种局面。而改变这种局面的最有效的手段就是从技术上突破，研发自动化仪器设备，减少用工。

1　系统结构

陆上土体分层沉降自动电测系统由导管、沉降环、陆上土体分层沉降量自动电测仪组成。

导管为坚固非金属材质如PVC材料等加工而成的中空柱体，如图1所示，导管外侧套有沉降环。导管分为多节，纵向连接埋入待测土层中，最末节导管底端用密封头密封并锚固在地下相对稳定的岩土层。相邻导管间通过导管连接环”紧固连接。

图1　陆上土体分层沉降自动电测系统结构图Fig.1 Structuraldiagram of autom aticm easuring system tomeasure settlementof layered soils

沉降环为坚固非金属材质如PVC材料等加工而成。如图2所示，沉降环外周装有数个可折叠锚固铁片，用于使沉降环锚固在被测土层。沉降环内侧嵌有一圈磁铁用于触发沉降仪探头内的磁感应元件。多个沉降环预先套装在导管上，根据各沉降环预监测的土层深度来确定其在导杆上的套装位置[4]。各沉降环套装好后依次纵向排列在导杆上，并依照其所处位置排好编号。例如导杆上套有8个沉降环，最上端的为1号沉降环依次排号递增至底端为8号沉降环。

图2　磁环结构图Fig.2 Structurald iagram ofmagnetic ring

沉降环四周的锚固铁片在导杆埋设前先用力折起并用水溶性纸质胶带拴在导杆侧壁上。待导杆埋设好，沉降环已达到预定土层深度后，水溶性纸质胶带会被土层中的水溶化。随后锚固铁片由于自身弹性而自动撑开，锚固在待测土层中，使得沉降环随着待测土层下沉。

2　系统组成部分

2.1沉降量巡检装置

1）步进电机

如图3所示，步进电机安装在陆上土体分层沉降自动电测仪内，其控制线缆连接至测控及无线传输装置内的控制电路，根据控制电路发出的指令旋转及停止。步进电机的转动轴与圆柱形绕线轮轴心及角位移传感器的转动轴同轴固定连接且同步转动。

图3　步进电机Fig.3 Stepmotor

2）磁感应测头

磁感应测头为坚固非金属材质如PVC材料等加工而成。磁感应测头内有磁感应元件如霍尔元件或干簧管等。

3）位移传动机构

如图4所示，位移传动机构中的圆柱形绕线轮上绕有细电缆，缠绕圈数可根据量程需要修改。细电缆上端与圆柱形绕线轮侧面固定连接，细电缆内部各线芯与圆柱形绕线轮圆面上的对应电滑环连接导通，电滑环与对应电刷接触导通，使得细电缆内部各线芯通过对应的电滑环、电刷连接至测控及无线传输装置内的测控单元。细电缆下端由陆上土体分层沉降自动电测仪下部引出，并与磁感应测头连接，细电缆下端内部各线芯与测头中的磁感应元件对应引脚连接导通。圆柱形绕线轮侧面有细螺纹，细电缆卧于螺纹凹槽内，使得细电缆在从圆柱形绕线轮上放出或回收时始终并排缠绕。由于步进电机的转动轴与圆柱形绕线轮轴心及角位移传感器的转动轴同轴固定连接且同步转动，所以，圆柱形绕线轮旋转时的角位移量与角位移传感器旋转轴转动的角位移量及步进电机转动轴转动的角位移量相等且同步增减。

图4　位移传动机构Fig.4 Displacement transm issionmechanism

每次对各沉降环所在土层沉降量进行巡测时，测控单元控制步进电机带动圆柱形绕线轮旋转，使得磁感应测头在导管内缓缓放下。当测头到达导管上端第一个沉降环位置时，测头内磁感应元件探测到沉降环内磁铁的磁场，则立即通过细电缆发送电信号给陆上土体分层沉降自动电测仪内的测控单元，测控单元收到该信号后立即控制步进电机停转。并由测控单元记录下此时角位移传感器测得的角位移量θ，rad，并与沉降量监测起始时间点该沉降环测得的角位移量相减，得出角位移增量Δθ，rad。则此沉降环自沉降量监测起始时间点至此次检测时的下沉（或上移）量为L，即此沉降环所在土层在这段时间内的沉降量为L。圆柱形绕线轮的周长为C。因此，测控单元可通过所测Δθ计算出该沉降环所在土层沉降量L。

测控单元记录下所测第1个沉降环的沉降量L后，控制步进电机继续转动使得磁感应测头继续缓缓放下，当测头到达下一个沉降环位置时，设备重复上述步骤，依次类推，由测控单元记录下导管上各沉降环所在土层的沉降量。当测头检测完最下端的磁环所在土层沉降量后，测控单元记录下所测最下端沉降环的沉降量后，控制步进电机反向转动直至测头上升至紧贴陆上土体分层沉降自动电测仪底部，从而完成了一次自动巡检过程，并采集记录了各被测土层的沉降量。

4）位移量转化为数字电信号机构

角位移传感器的类型可以用电阻式旋转编码器、绝对型光电式旋转编码器、绝对型电磁式旋转编码器等。

例如角位移传感器使用绝对型光电式旋转编码器或绝对型电磁式旋转编码器，编码器均可直接输出量值为R的数字信号，量值R与编码器测得的角度θ成线性关系，因此两者在某时间段内的增量关系为：Δθ=kΔR，k为固定转换常数，由编码器生产厂家提供，为已知常量。则：

数字信号通过各角位移传感器信号线缆将量值R传入测控单元。经测控单元内的单片机运算后得出所测沉降量L。

2.2测控及无线数据传输装置

1）测控单元

测控单元可接受磁感应探头发来的信号，并可控制步进电机正反向旋转与停转。测控单元可接收到角位移传感器输出的实时数字信号，数字信号经信号处理电路后输出量值R至测控单元内的单片机。各沉降环在其沉降量监测起始时间点所测的数字信号的量值R′已记录在单片机的内部存储器中，R′通常采用沉降环刚埋设好时所测数值，也可自行选择所需的起始时间点的测量值。经测控单元内单片机的程序运算使得单片机输出的各数字信号量值即为各沉降环在其沉降量监测起始时间点至此次监测时间点之间这段时间内的被测土层沉降量L。单片机所运行的换算公式即为：

2）无线数据传输装置

测控单元中单片机输出的各路数字信号量值即各沉降环所在土层的沉降量L。单片机输出的各路数字信号可通过无线数传模块发送至远程接收机。无线数据传输装置的无线电收发天线安装在陆上土体分层沉降自动电测仪顶部。

2.3系统安装方式

如图1，沉降仪导管的下端固定在地下相对稳定的岩土层的锚固点，其上端依次连接沉降仪的沉降环、陆上土体分层沉降自动电测仪，并通过陆上土体分层沉降自动电测仪上的无线电收发天线连接至远程接收机，或通过陆上土体分层沉降自动电测仪引出的线缆连接到手持监测仪器，从而可以直观实时准确地读取当前各沉降环所在土层自沉降仪埋设时至此刻这段时间内所发生的沉降量。

2.4系统自动监测工作流程

将沉降仪导杆下部固定于地下不发生沉降岩层的锚固点，导杆上套有多个沉降环，各沉降环分别嵌入各待测土层。巡检开始时，陆上土体分层沉降自动电测仪内测控单元驱使步进电机旋转带动圆柱形绕线轮旋转，使得磁感应测头缓缓下降。测头从上至下依次经过导管上各沉降环位置，并自动测量记录下各沉降环所在土层的沉降量，全部检测完成后测头自动回收至陆上土体分层沉降自动电测仪底部，陆上土体分层沉降自动电测仪内的单片机将测量结果处理后将所测得各土层沉降量经无线电收发天线发送给远程接收机，即完成了一次巡检过程。从而可以直接实时准确地读取当前各沉降环所在土层的沉降量。陆上土体分层沉降自动电测仪也可直接连接手持监测仪器，以便现场观测实时沉降量。

沉降仪的输出信号为数字信号，此数字信号经无线电收发天线传至远程接收机，因此测量精度不受传输距离的影响。此数字信号还可经线缆传至手持监测仪器，因此测量精度不易受到线缆长度及外界电磁干扰的影响。该沉降仪具备多土层监测及大量程和高灵敏度，在埋设点可同时监测8个以上不同深度土层的沉降量，各土层沉降量测量量程可达5m以上，灵敏度可达0.1mm。

3　试验结果

在短期实验中，陆上土体分层沉降自动电测仪所测得结果与人工放尺测量结果完全吻合。详见表1、表2。

表1　第1组陆上土体分层沉降测量结果Table1 First setof resultsofmeasured settlementof layered soilson lan

表2　第2组陆上土体分层沉降测量结果Table2 Second setof resultsofmeasured settlem ent of layered soilson land

4　结语

本次陆上土体分层沉降自动电测系统的研究，适应科技发展，使软土地基及水工构筑物监测技术更上一个台阶。使自动监测系统替代原有的人工观测方式，保障观测人员人身安全，确保不受恶劣天气影响及时取得检测数据，保证工程质量。

本系统从站设备的测量精度、续航时间、对各品牌传感器兼容性、无线传输距离、抗干扰能力、主站设备便携性等各项性能均达到国内先进水平，并获得发明专利：自动巡检式分层沉降仪（授权号：ZL201310022322.1）。

[1]任世杰.真空—堆载联合预压软土路基沉降观测与预测研究[D].长沙：中南大学，2006. REN Shi-jie.Vacuum-surcharge preloading soft soil roadbed settlementobservation and prediction research[D].Changsha:CentralSouth University,2006.

[2]刘爱民.水下真空预压加固软土地基机理的研究[D].天津：天津大学，2005. LIU Ai-min.The consolidationmechanism of soft soil foundation underwater vacuum preloading[D].Tianjin:Tianjin University, 2005.

[3]蒋新明.滨海地区大面积软土地基处理及监测技术研究[D].长沙：中南大学，2007. JIANG Xin-ming.Large area of soft soil foundation treatment and monitoring technology in coastal area[D].Changsha:Central South University,2007.

[4]许浩，赵岩，黄泰，等.一种新型自动电测式分层沉降仪的研究[J].港工技术，2015（3）：73-76. XU Hao,ZHAO Yan,HUANG Tai,etal.Research on a new-style layered settlement instrument with auto-electricalmeasuring device[J].Port Engineering Technology,2015(3):73-76.

Automaticmeasuring system tomeasure settlement of layered soils on land

GUOKe1,HUANGTai2,ZHANG Lu-yi2*,XINGYi2,JIANGRong2
（1.CCCCFirstHarbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin300456,China;2.CCCCTianjin PortEngineering Institute Co.,Ltd.,Key Laboratory of PortGeotechnicalEngineering of the Ministry of Transport,Key Laboratory of PortGeotechnical Engineering of Tianjin,Tianjin 300222,China）

With the rapid developmentofengineering construction in recent years,the scale ofsoftsoil improvementbecomes larger and larger.However,field monitoring was mostly carried outmanually,which imposes tremendous pressure on to the monitoring contractor due to the yearly increase of labor cost.Based on this,an automatic measuring system to measure settlement of layered soils on land was built composing of conduits,layered soil subsidence ring,automatic electric instrument tomeasure settlementof layered soils,and hand-hold monitoring instrument.The system has a good performance,cuts down labor costs,ensure the safety of field personnel,isable to overcome bad weather,and ensure the quality of the works.

soft soil;settlementof layered soil;research and development

TU433

A

2095-7874（2016）06-0072-04

10.7640/zggw js201606018

2016-03-29

郭科（1973—），男，河北邯郸人，硕士，高级工程师，港口航道专业。

张陆一，E-mail：471354812@qq.com