环境温度对压差式静力水准仪测试精度影响试验研究

陈 果,李 波,吴 琪

(1.华设设计集团股份有限公司 江苏省先进道桥养护工程技术研究中心,江苏 南京 210001; 2.南京工业大学 岩土工程研究所,江苏 南京 211800)

随着我国社会经济的发展和城市化进程的加快,高速铁路、大跨桥梁、超长隧道、高层建筑、综合管廊和大坝等国家重大基础工程日益增多,而重大基础工程本身及其基础的不均匀沉降或变形是失稳和事故的前兆[1-2]。因此,精准测量各重大基础工程的沉降或变形可以为各建(构)筑物的工程设计、施工及后期的全寿命周期健康监测提供科学依据[3-5]。

常见的沉降监测方法包括几何水准测量、三角高程测量、GPS测量、电荷耦合光学(CCD)成像测量、激光收敛测量、静力水准测量以及光纤光栅测量[6-7],几何水准测量和三角高程测量是最传统的沉降监测方式,前期成本投入较小且较为简单,但需要指出的是:这两种方法测量精度较低,受地形起伏的限制且难以实现数据化的实时监测功能[7-8]。GPS测量对于平面定位精度已达到(0.1～1)×10-6,但是其高程测量精度仅有10-2量级,对于部分工程不能满足其沉降监测精度需求,且GPS的造价昂贵[9]。CCD 光学成像传感器、激光收敛传感器及光纤光栅传感器具有精度高、适应地形能力强、自动化程度高等优点[10],但搭建成本及后期运营维护费用都相对较高,且抗干扰性能较差[6]。静力水准测量具有结构简单、精度高、稳定性强、受外界环境影响小和使用范围广等优点[11],被广泛地应用于地铁[12-13]、桥梁[14]、隧道[15-16]、大坝及核电站[17]等重大工程的沉陷监测。

静力水准测试系统(HLS)的基本原理为液体连通器原理:通过传感器测量不同位置处水准仪钵体内液面的相对变化,来确定各监测点相对于基点的沉降或隆起量[17]。受其测试原理约束,影响HLS测试精度的因素主要包括:温度变化、压力差异、地球潮汐、重力异常等[19]。其中地球潮汐和重力异常因素仅仅能在恒温情况下进行过滤,其影响效应在微米级,对于非精密工程,可以忽略不计。压力差因素可通过增设等压管方式消除其影响。温度变化被认为是在实际沉降检测过程中最重要的影响因素,陈继华[20]分析表明，温度不均匀会导致HLS系统中液体密度不均,从而导致测试误差的产生,并提出消除温度影响的初步方法。许少峰[19]分析了温度和压强变化对HLS测试精度的影响,并提出考虑管材膨胀系数的温度修正模型。李德桥[9]通过在磁致式静力水准仪钵体内安装温度传感器,分析温度对HLS测试精度的影响,并验证了许少峰提出的温度修正模型的正确性。陈龙浩等[2]基于现场测试数据给出了适用于HLS测试系统的温度梯度模型,并对该模型的有效性进行验证。

综上可知,对于温度引起的HLS测试误差研究已有初步成果,但需要指出的是,现在的研究主要针对单个HLS测点,且温度变化都集中在常规室温的个位数量级变化。而实际沉降监测中由于全年环境温度变化范围基本保持在-10～30 ℃,尤其在零下状态下,现有的温度修正模型都是基于水介质建立的,不再具有实际工程意义,且实际工程中HLS测点间距布置及管材具有一定差异。笔者在环境温度实验室内搭建压差式静力水准仪试验平台,系统研究环境温度对HLS测试精度的影响,利用高精度温度传感器采集HLS各测点的温度,定量分析环境温度变化量、环境温度升/降速率、连通管膨胀系数、测点距离等因素对HLS测试精度的影响规律，并建立环境温度对HLS测试精度影响的评价方法。

1 试验平台搭建与试验方案

1.1 试验设备与材料

选取罗斯蒙特3051S压差式静力水准仪进行本次试验,该静力水准仪具有灵敏度高、频率宽、质量轻、体积小、工作可靠等优点,与本试验相关的技术参数如表1所示。选用铂电阻温度传感器对各静力水准仪进行环境温度测量。为保证压差式静力水准仪和温度传感器能够同时采集,避免时程滞后,选用南京葛南实业有限公司的VW-102E型全功能读数仪同时进行压力和温度数据采集。选用南京工业大学国家重点实验室的可闭环控制的温度环境试验箱提供环境温度,实现各升/降温速率和温度差异。该设备可实现-40～150 ℃范围内环境温度精准控制,温度波动小于0.1 ℃,且有较强升/降温线性控制度,可满足试验要求,温度环境试验箱详细性能参数指标见表2。

表1 罗斯蒙特3051S静力水准仪技术参数

表2 温度环境试验箱参数指标

鉴于常规的“去离子水+防冻液”的液体介质在低温容易引起絮凝现象,从而破坏整个测试系统;此外,考虑到水的热膨胀系数非定值,随温度升高而增长。因此,本次试验选取二甲基硅油作为冷媒介质,该冷媒介质的密度为1.03 g/cm3(20 ℃),与水接近,有效工作温度范围为-60～160 ℃,膨胀系数为6.3×10-4℃-1,且在各工作温度范围内的膨胀系数基本为定值。为研究不同连通管材质的膨胀系数对环境温度下HLS测试精度的影响,选取4种不同材质连通管:PU塑料软管、三丙聚丙烯管、聚四氟乙烯管和204不锈钢管,与之对应的膨胀系数分别为3.35×10-4、1.32×10-4、1.45×10-4和6.43×10-5℃-1。

1.2 测试平台搭建

图1为典型压差式静力水准仪工作布设示意图。由图1可知：在温度环境试验箱内将所有HLS液管相连,一端与储液罐相连;将所有气管相连,一端通过干燥管连接到液罐上部的空气段。需要指出,单HLS测点的压差为该点液体压力与空气压力之差,为绝对值;而HLS基准点与测试点之间的液/气体压差之差用于测算测点与基准点的相对沉降位移,为相对值。在每个HLS测点旁布设PT100铂电阻温度传感器,随后通过VW-102E型全功能读数仪采集HLS和温度传感器的输出信号。

1.3 试验方案

环境温度对HLS测试精度的影响通常是指HLS所处环境下温度变化/差异引起的测量误差。考虑到监测结构全年环境温度变化的复杂性,尤其是冬夏两季温度差异明显。故通过在标准的环境温度实验室内搭建单HLS测点(仅单个压差式静力水准仪测试点)和双HLS测点(测试基站+测试点)两种试验平台,定量研究环境温度变化量(-10 ℃→30 ℃→-10 ℃)和变化速率对HLS测试精度的影响,同时,结合实际工程条件,综合考虑环境温度变化下测试基站与测试点之间的连通管长度(其本质为测点距离)以及连通管的膨胀系数(通过材质差异实现)对HLS测试精度的影响。综合考虑上述各因素的试验工况见表3。

图1 典型压差式静力水准仪工作布设示意图Fig.1 Schematic diagram of working layout for typical differential pressure hydrostatic leveling system

表3 环境温度对HLS测试精度的影响试验工况

2 试验结果与分析

2.1 升/降温模式对HLS测试精度的影响

为研究升温和降温两种不同的环境温度变化模式对HLS测试精度的影响,对比分析工况C1的升温和降温引起的HLS的高程变化量,为便于分析,本次试验将测试开始之初HLS所获取的相对压差换算的高程记为零，结果见图2。由图2可知,随着环境温度TA从-10 ℃线性地上升为30 ℃,由温度变化引起的HLS对应的高程变化量HE线性降低到3.04 mm,TA为环境温度,而当TA从30 ℃线性地降低到-10 ℃时,HE从3.04线性变化到0.03 mm,引入温度影响系数Pt定量表征环境温度变化对HSL测试精度的影响,Pt=ΔHE/ΔTA。对于工况C1的升温和降温条件下,HLS的Pt分别为-0.077 4和-0.073 1 mm/℃,两者的相对误差为5.8%,这表明,升温或降温这两种环境温度变化形式对Pt没有显著影响。

图2 升/降温速率对HSL测试精度的影响Fig.2 Effects of temperature rise/fall rate on the measure accuracy of HLS

2.2 升温速率对HLS测试精度影响

考虑到升温或降温两种环境温度变化形式对Pt没有显著影响,因此,对于工况C2、C3和C4,不再进行降温测试。图3为各升温速率对单HSL测点测试精度的影响,当升温速率为分别为0.05和0.02 ℃/min时,HLS的HE与TA呈强线性相关,两种工况下HLS的Pt分别为-0.077 4和-0.077 7 mm/℃。当升温速率为0.1 ℃/min时,HE随TA的增大而降低,但需要指出的是,TA与HE的线性相关性明显降低,数据波动变大。而当升温速率为0.2 ℃/min时,随TA的线性增大,HLS的HE也增大,但其增大速率逐渐降低,当TA> 10 ℃时,HLS的HE基本不随TA的增加而增大,这是因为,过快的环境温度增长速率导致材料和液体介质膨胀不充分,数据失真,从而不能真实反映TA对HLS测试精度的影响。

图3 升温速率对单HSL测点测试精度的影响Fig.3 Effects of temperature rise rate on the measure accuracy of single HSL test point

图4定量给出了温度影响系数Pt与升温速率的关系,结合图3可知,当升温速率为0.02或0.05 ℃/min时,Pt一致,工况有效。当升温速率大于等于0.1 ℃/min时,材料膨胀不充分,数据失真。考虑到在自然条件下环境温度变化速率基本小于0.1 ℃/min和数据采集的有效性及试验测试进度,因此,对于其余试验工况而言,决定选取0.05 ℃/min作为温度变化速率进行试验。

图4 温度影响系数与升温速率的关系Fig.4 Relationship between temperature influence coefficient and temperature rise rate

2.3 管材膨胀系数对HLS测试精度影响

为探讨管材膨胀系数γpi对单HSL测点测试精度的影响,分别利用PU塑料软管、聚四氟乙烯管、三丙聚丙烯管和204不锈钢管搭建单测点测试平台,在0.05 ℃/min升温速率工况下进行试验测试,试验结果如图5所示。由图5可知,对于PU塑料软管而言,HE随TA升高而线性降低,而对于聚四氟乙烯管、三丙聚丙烯管或204不锈钢管而言,HE随TA升高而线性升高,这是因为:PU软管的管材膨胀系数γpi大于冷媒膨胀系数γdi,随TA的增大,二甲基硅油的液面高度下降,从而导致其高程降低,而聚四氟乙烯管、三丙聚丙烯管和204不锈钢管的γpi明显小于其γdi,随TA的增大,二甲基硅油的液面高度上升,从而导致其HE增大。此外,分析发现并非γpi越小,TA对单HSL测点的影响程度越小,需探讨温度影响系数与冷媒与管材的膨胀系数之差的关系。图6为温度影响系数Pt与冷媒与管材的膨胀系数之差(γdi-γpi)的关系图。Pt随γdi-γpi的增大而增大,且两者有线性相关。

Pt=0.045 53(γdi-γpi)-0.010 3

(1)

由式(1)可知:若γpi与γdi较接近,可忽略TA对单HSL测点测试精度的影响。

图5 管材膨胀系数对单测点HSL测试精度的影响Fig.5 Effects of pipe expansion coefficient on the measure accuracy of single HSL test point

图6 温度影响系数与冷媒与管材的膨胀系数之差(γdi-γpi)的关系Fig.6 Relationship between the temperature influence coefficient and the expansion coefficient deviation between refrigerant and pipe (γdi-γpi)

为研究γpi对双测点HSL测试精度的影响,分别利用PU塑料软管、聚四氟乙烯管和三丙聚丙烯管搭建双HLS测点测试平台,其中1台HSL作为基站,另外1台HSL作为测点。随后,在0.05 ℃/min温度变化速率工况下进行测试。图7分别给出了工况C8的基站和测点的测试数据。由图7可知,基站和测点的HE都随TA的增加而增大,但基站的高程随温度的增大速率明显小于测点高程的变化量,基站和测点的Pt有显著差异,分别为0.213和0.231 mm/℃。

图7 C8工况的基站与测点HSL环境温度与高程的关系Fig.7 Relationship between ambient temperature and elevation of base station and test point HSL for case C8

图8(a)给出了TA升高与工况C8～C10的基站和测点之间的相对高程ΔHE的关系曲线,将基站与测点的温度影响系数差值定义为相对温度影响系数ΔPt,由计算可知，C8工况的ΔPt为0.018 mm/℃,与工况C1～C7的Pt相比,C8工况的ΔPt明显较小,这表明:TA对双测点测试系统的“冷媒箱-连接管-基站”引起的测试误差对基站-测点相对高程没有影响,该高程差异是由于基站和测点之间的连接管和该段连接管中冷媒的膨胀差异引起的。图8(b)和8(c)分别给出了工况C9与C10条件下,TA升高引起的基站和测点之间的相对高程ΔHE,与单侧点的试验结果一致。当连通管为三丙聚丙烯管时,ΔHE随TA的增大而增大,而当连通管为PU塑料软管时,ΔHE随TA的增大而减小。但与C8工况一致,C9与C10的ΔPt同样明显小于单点测试的Pt,且当联通管为PU塑料软管时,ΔPt为负值。需要指出的是,连通管的材质对ΔPt有明显的影响,但结合C1～C9的工况可知,该ΔPt是由基站和测点之间的连通管长度有关。

图8 C8～C10工况的基站与测点的相对高程与环境温度的关系Fig.8 Relative elevation between base station and test point HLS vs. ambient temperature for cases C8—C10

2.4 测距对HLS测试精度影响

由上述分析可推断,当联通管材质确定后,TA变化引起的双测点或多测点HSL测试误差主要是由各测点之间距离决定,为系统探讨测点距离Dtest(其本质为联通管长度)对双测点HSL测试精度的影响,利用聚四氟乙烯管双测点测试平台,基站与测点的距离分别选为0.5、1、5和10 m,图9给出不同测距Dtest情况下基站和测点之间的相对高程ΔHE与环境温度TA的关系。由图9可知,与C8工况保持一致,当Dtest增加到1和5 m时,ΔHE也随TA的增加而增大,但在相同的TA下,Dtest越大,对应的ΔHE越大,此外,各工况下双HLS测点的ΔPt明显小于基站的Pt,这也与C8工况一致。图10为测距Dtest与相对温度影响系数ΔPt的关系,ΔPt随Dtest的增大而增大,但需要指出的是,ΔPt的增大速率逐渐减小,可初步推测,当Dtest超过某一特定值时,ΔPt可能维持在定值,但受试验条件所限,很难实现更大Dtest条件下的精准环境温度控制,该结论还需进一步场地条件试验来验证。

图9 不同测距条件下相对高程与环境温度的关系Fig.9 Relationship between relative elevation and ambient temperature under different measuring distances

图10 测距与相对温度影响系数的关系Fig.10 Relationship between measuring distance and relative temperature influence coefficient

3 结论

1)单HSL测点高程与环境温度具有单一相关性,当升温速率为0.02或0.05 ℃/min时,温度影响系数一致,工况有效。当升温速率大于等于0.1 ℃/min时,材料膨胀不充分,数据失真。

2)单HSL测点的温度影响系数与冷媒与管材的膨胀系数之差(γdi-γpi)呈线性相关性,若选取管材的膨胀系数γpi与冷媒膨胀系数γdi较接近,可忽略温度对单测点HSL测试精度的影响。

3)环境温度对双HLS测点引起的测试误差是由于基站和测点之间的连通管和该段连通管中冷媒的膨胀差异引起,且连通管的材质及基站和测点之间的连通管长度有关，对相对温度影响系数有明显的影响。

4)相对温度影响系数随测距的增大而增大,而相对温度影响系数的增大速率逐渐减小,这表明,当测距超过某一定值时,环境温度引起的HLS测试误差基本维持定值。