箱形基础的自动化实时测控装置及系统的研究

韩劭恒， 胡 阳， 王祥锐， 吕 成

（金陵科技学院 建筑工程学院， 江苏 南京 211169）

0 引言

传统人工测量的劣势主要有以下三方面： ①误差随机性强。人工测量的测量精度，不仅受测量人员的测量技术和操作规范程度等人为因素的影响，而且会受气温、气压、空气湿度等自然因素的影响。由于导致误差的因素众多，所以误差的随机性也较强；②不能做到连续测控。 根据建筑物施工进度的不同， 箱形基础的变形测量间隔也不同， 一般间隔5-30d 测量一次。 若由于测量人员的疏忽，可能导致忘记测量，则无法进行后期的补测。 而测量间隔期间可能会因为恶劣天气等多种外界因素， 造成在短时间内产生较大形变， 使测量的滞后性给工程带来更大的不利影响；③工作量大，效率低。 为了尽可能的减小偶然误差，保证测量的精确度，传统测量大多会选择多次观测取平均值的方法， 而这种方法的弊端会带来工作量的大幅度增加。 有时因为一个数据的删除失误，甚至需要整体重新测量。 测量工作往往是对测量人员细致程度和身体耐力的双重考验。

自动化测量集数据的采集、处理、传输、显示于一体，随着计算机、网络技术的发展及测量仪器的智能化，自动化测量已经成为测绘行业的必然发展趋势。 将测量与控制技术相结合的测控， 则更依赖于自动化测量带来的实时性和简易性，将采集数据直接交给计算机程序运算，最后反馈给用户形变值，用户只需和选用的限值进行比对，就可以了解到箱形基础的形变情况。 这种速度快、 全天候、效率高的测控方式，有着很大的市场需求。

1 测控指标

1.1 总沉降量

箱形基础的总沉降量主要包括上浮量和沉降量。 埋深较深的箱形基础在施工阶段可能会因地下水位回升而造成箱形基础上浮，产生上浮量。 而随着箱形基础上部荷载的增加，还会有沉降的发生。

根据我国现行的《建筑地基基础设计规范》GB50007—2011，基础的最终沉降量的计算是按分层总和法计算，即在地基压缩层深度范围内， 根据基础中心下的土柱所受附加压力，分层计算其单项压缩量，然后加以总和求出地基最终沉降变形量，见下式：

式中：S—最终沉降量；ΨS—沉降计算经验系数；P0—对应于荷载标准时的基础底面处的附加压力； 其余符号说明见规范GB50007-2011。

1.2 挠度值

箱形基础地板面积大， 在不均匀受力下会受到不平衡的弯矩和剪力，这会导致箱形基础的各个面产生挠度，即整体发生变形。埋深较大的箱形基础具有较大的刚度，特别是随着上层结构的施工，增加了建筑物的整体刚度。因此，一般说来，整体挠曲不是主要的问题。

1.3 横向倾斜

若忽略如上所述1.2 中的内部变形， 将箱形基础视为一理想刚体。在水浮力和上部荷载的不均匀作用下，整体会产生横向倾斜。

基础埋深对箱形基础倾斜有约束作用， 如果不考虑水平荷载， 这种约束作用产生的转动中心一般位于2/3基础埋深处，钢板桩围护结构拔出后，这种约束作用将因基础侧面土的松动而削弱。

较高的建筑物荷载重心将加大箱形基础的倾斜。

图1 箱形基础横向倾斜示意图Fig.1 Lateral inclination of box foundation

2 测控装置原理与组成

2.1 测控装置原理

自动化实时测控装置， 由一根带有仪器的杆件将相邻角点连接，测量出两相邻角点的位置关系，将已知点的坐标引入求得未知点。当采用多个本装置联合使用时，采用多点测量的方式，从而构建出整体。

2.2 测控装置构造

箱形自动化实时测控装置（如图2 所示），包括左侧固定板（1）、连接在左侧固定板上的改进球铰（2）、右侧固定板 （5）、 连接在改进球铰与右侧固定板之间的伸缩杆（3）组成。

图2 测控装置整体构造Fig.2 Overall structure of measurement and control device

所述左侧固定板（1）和右侧固定板（5）分别在对角线位置开设有螺孔， 通过螺栓将左侧固定板和右侧固定板连接在墙体上。

图3 为改进球铰外观示意， 图4 为改进球铰剖面示意图， 包括球体（2）和球座（3），左侧固定板（1）有两个，相互垂直设置， 分别连接在球座的背面和侧面，球体容纳于球座中并能在球座中自由转动， 伸缩杆（5）与球体相连，在球座中设置有用于感测球体的转动的球体传感器（4）。

图3 改进球铰外观示意图Fig.3 Appearance of improved Ball Joint

图4 改进球铰的剖面结构示意图Fig.4 Profile of improved Ball Joint

伸缩杆 （如图5 所示）包括分段的杆体（1、3）和伸缩套杆（2），其中伸缩套杆套设在相邻的两段杆体上或者伸缩套杆插设在相邻的杆体中， 在伸缩套杆上设有长度传感器， 伸缩套杆两侧的杆体上架设有角度测量装置， 角度测量装置包括设置在左侧杆体和右侧杆体上的固定座（4），连接在固定座上的架设杆（5）和设置在架设杆上的角度仪（6）。

图5 伸缩杆中段结构示意图Fig.5 Structure of middle section of Telescopic Rod

3 结束语

与现有技术相比，本测控方案的优势在于：

（1）本实用新型的装置具有创新价值，将点位坐标变化量转化为角度和长度变化量，此值易于直接测量；采用端头球铰处和杆中处联测的方式，修正杆件受弯误差；技术难度较低，无需价格昂贵的定位系统，易于批量生产；

（2）具有经济价值，随着科技的进步和对装置、系统的进一步改进，经济成本将递减；

（3）具有实用价值，自动化测控具有实时性、精确性、高效性等多重优势，可挖掘的发展空间巨大。