简易液体静力水准仪及其应用李德思为研究用静力水准测量 方法解决某 些沉降观测的可行性,我们 制作了一套简易液体静力水准装置经过试 用,获得了较为满意 的精度下面把我们制作的简易 型仪器 的结构原理和实验情况作一简单介绍,供正在进 行 和准备进行这方面工作的同行借鉴一、结构原 理液体静力水准测量是根据在重力作用下,静止液面总是保持同一水平 的原理实现的静力水准仪一般都是由两个或多个相互连通的观测装置(俗称 观测头)组成 的其数量 的多少视使用要求而定,如机械安装 测量用 的静力水准仪通常只有两个观测头,而大型建筑物的沉降观测所采用 的静力水准装置往往是十几个甚至 几十个观测头连通使用但不 管怎样,它 们都是 由观测头和连接管 这两个基本 部分组成的但为了在 沉降量大、沉降迅速的场 合,使各个观 测头的相 互牵制作用减小,我们还增加了一个基准罐以下分别介绍这三部 分的 结构1.观刚头观 测头是 用于精确测 定液面高度的装置其结构如 图1所示:它 包括一个尼龙材料制作的外壳,外壳的一侧装有观测 窗,另一侧有一个照 明窗口,外壳的底部安装了一个带有测针的测 微器以及进液管口和连接轴套观测头通 过连接轴套和沉降观测点连成一体,随着沉降点的变动而变动,其垂直变化量是通过精确测定液面的高度变化来计算的;如A、B两个观测头第一次测得的液面高度分别图1观测头结构示意图记为气,、h。
第二次测得的液面高 度分别记为从:、h则在两次观测的时间间隔内,B点相对于A点的变化量h可简单计算而得:h=(h :)一(h·:一h·:)液面高度的测定是通过观 测窗口的放大镜,对液面下测针和它在液面上全反射形成的倒影的精确重 合而得到的籍助放大镜并转动测微 器使测针作垂直运动,可以将测针和它 的倒影精确重合,然后 读取测微 器上 的读数,估读到千分 之一毫米,即得 到此 时液面的精确高度经多次试验统计,上述方 法的重复精度均在士0.00 7毫米以内2.基准罐基准罐 的作用是在整个装置里面确定一个基 本稳定不变的液面,这是为了减少各个观测头之间的相互牵制、提高测量精度而设置 的一19一其结构如图2所示:基准罐基准管I I I I I I I I I I I水银槽/图2基准罐结构示意图它 的外壳也是用尼龙材料加工而成 的上部有一根 同补给箱 相连的补充管,底部装有一根长2 0厘米并且能够上下移动的基 准 管,管上有刻划底部同样也有进液管口和连 接轴套基准罐实际上是一个只 允许储存某一固定液量的容器在观测周期内,补充管以一个衡定的速度不断向基准罐 注入液体补给 速度可通过一个精密阀门来控制)而基准管则随时将欲超过管口的液体排出。
两管的相互作用使整个静力水准装置中的液面几乎不随各个观测头的 沉降而变化,从而起到减少各观 测头之间相互牵制 的作用实测数据证明,在沉降速率大的情况下,即在很短 的时间内产生较大的下沉 时,如后面提到的工程地质勘察中的压椿试验中,增加基准罐对提高观测精度有良好的作用基准管 的位置可上下移动,其 目的是为了扩大量程由于千分头的 量程只有 2 5毫米,当下沉 量大于2 5毫米时,测针就不能接 触液面 了,这时就可以将基准管降低2 0毫米左右,液面也下降了同样数值这个数值可以通过下降前后观 测头上 的两次读数精确测定并作为一一卯一个常量加入最终结果当然在精度要求不很高时,这个改变量 可以直接用基准管上的刻划标尺来计量基准管可以在1 0~1 5厘米的范围变动,这对于一般使用是完全足够 的了3.连接管连接管在各观 测头和 基准罐之 间起连通作用,管材选用不 锈蚀的聚乙稀硬 塑料管管径的粗细应随整个静力水准装置中连接管的 最大长度来决定这是 因为液体在 管中的运动不可避免的要受到粘滞阻力的作用,因此液面不可能是一种无外力、无阻力的自由运动为了使下沉所引起的液面运动能被恰当的阻 尼,使各观 测头 液面 能 尽快平衡。
连接管一定要选择适当的管径,管径过小,液面不易迅速平衡管径过大又将使 液面不易稳定根据试验测定,管长在1 00米以内选用内径 1 6毫米的聚乙稀硬 塑料管可以获得满意的效果二、精度测试1.室内精度试验影响静力水准测 量精度的最 重要因素是各个观 测头之间的温差,据国外 资料记载,要使温差 的影响 小于0.0 3毫米,必须 使各观测头的温差小于1.2OC根据上述条件,室内精度试验在地下室进行1)施测方法试验中用改变液面高度的方法模 拟观测点的沉降液面高度 的变化是通过升降基准管来实现的,这一改变量 用N:水准仪精确测定而反映在观 测头中的这一变化量则通 过测微器精确测定通过多次试验结果计算观测头的量测精度全套试验装置由一个基准罐和一号、二号两个观 测头用约 1 00米长的连接管连接而成基准点和 观测点均牢牢固定于水泥墩上基准管每次的变化量用N水准仪五次测走,观测头读数由甲、乙两人分别独立读取,同 时读取温度值试验共进行五次2)精度统计这里 把N3水准仪测定 的 高差作为真值,因为水准仪始终固定于离基准罐约4米的地方进行 观测,因此仪器f角引起的误差并不影响观测结果同时由于在近距离、高差小的情况施测,照准误差和水准标尺刻划误差能够很好的被克服,这无疑将得到较高的观测精度。
把由N3测出的高差变化量 记作h、:,把一号,二号两个观 测头由 甲、乙两观测 员测得的高差变化量分别记作h孟、h,然后 用h,、h:同hN 李__ __/厄丽丁、不*二人 的较差 人、“·按公式阴一丫生器兰一 评定两个观测头的观 测精度五次试验 的观测 结 果列于表1+ 0.0 6 9十 0.046一 0.038一0.083一0.093h h hN一号观测头头二号观测头头较差 (m m) ) )( ( (m 二) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )h h h h h通i i ih刀l l lh月, ,人B一号号二号号( ( ( ( (m m) ) )(二m) ) )}(mm) ) )(m爪) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) 口口口口口口口刁l l lt ,刀i i iUA.、、t ,月, ,一一4.566 6 6一4.65 0 0 0一 4.6 60 0 0一4.642 2 2一4.6 35 5 5十0.084 4 4十0.1 00 0 0+ + + 6.973 3 3+ 6.987 7 7+7.017 7 7十 6.921 1 1十6.9 27 7 7一 0.014 4 4一0. 044 4 4一一 4.18 1 1 1一4.109 9 9一 4.164 4 4一 4. 1 2 0 0 0一4.143 3 3一0.0了2 2 2一0.017 7 7+ + + 4.5 2 4 4 4+4.680 0 0+4.58 7 7 7+4.588 8 8十4.6 0 T T T一0.156 6 6一0.063 3 3一一 8.2 3 0 0 0一8.189 9 9一8.191 1 1一 8.08 9 9 9一8.13了了一0.041 1 1一00 3 9 9 9由表1算出一号、二号观 测头的 观测中误差分别是:甲观 测员{及=士0.0 88m m=士0.0 8 5m m乙观 测员{,n,.=士0。
0 59m m阴士o·0 6 9m m从试验结果看出,两个观测头由不同观测人员观测其精度均在0.1毫米以内因此在温差小于士IOC时,简 易液体静力水准仪 用于沉降观测能够得到满意 的精度2.外业 生产试验为了进一步考核液体静力水准的作 业精度,在郑州某工 地结合工程地质勘察中的桩基础压力载荷试 验的沉降量观 测,对简易液体静力水准仪进行了一次外业生产试验在 工程 地质 勘察中,为了确定桩基础 的承载能力而在实地对现场浇灌好 的桩基础进行 压力试验通过试验得到压力—沉降量关系曲线,从该曲线就可判断桩基础的承载能力并以此 提供建筑物的 基础设 计参数在这一试 验中测 量人员的责任是精确测定桩基础在不同压力下、不同时间的沉降量以及加压结束以后,泄荷时的 回弹量还要测定锚桩的拔升量试验中所用液体为普通自来水由于试验工作量很大,下面仅介绍4号桩的试 验情况,有关试验的巨大装置和复杂的实施过程,这里不一一叙述,只简单介绍与测量有关的某些情况在试验过程中,试验桩是受压的,因此随着压力的增加,试验桩将不断产生沉降而锚桩(固定受力装置的桩基础)受到 的是向上的拉力,因而随着压力的 增加,它将不 断的被拔升。
加压是分 级进 行 的,4号桩的加压试 验重复进行两次,第一次的压力分 别是10 0吨,1 50吨,2 0 0吨,⋯⋯6 0 01 1屯,每级 增加50吨第二次的压力分 别是2 1 0吨、2 50吨、350吨⋯7 7 0吨,从第一级的21 0吨以后每级增加7 0吨第一次试 验连续进行 了 5 4小时,第二次试验进行6 6小时试验中要求每1 0分钟测定一次 下沉 量,为一2 王一了比较静力水准测量的精度,下沉量分别用三种方法精密测定,即精密水准测 量、百分表测量和液体静力水准测量,最后依据三种方法的观测结果来统计观测精度精密水准测 量已为大家所熟悉,不再介绍百 分表测 量是各种结构试验中经常 用于 测定位移量 的方法,它是一种机械传动 式 位移计,它能把微小的位移量扩大10 0倍并在表盘上 指示出来这种方法 虽然有较好的精度,但它需要在被测物件旁边有稳定不变的 基准梁静力水准测 量所用的仪器由七个观 测头和一个基准罐组成试验桩在对径两端各安装一个观测头,同样在 两个锚桩上各安装两个观测头另一个观 测头和基准罐安装在 离试 验 桩10米的稳定的基准点上,以它为参考点 求 得桩基础的下沉量 和锚桩的上升量。
为了提高照准精度,观 测时采 用了1 5倍的读数放大镜进行精确照准第一次试验进行了 9 1次观测,每次取三 种方法观 测结果的平均值为最或是值,然后 用各自的较差按白塞尔公式计算其观测精度第二衰2次试验进行了122次观测,也按同样方法计算观测精度,现将两次试验的统计结果列 于表2o加压试验结束后,全部压力逐级卸荷,在卸荷过程中试验桩要发生回弹由于全部压力分六级卸完,则用三种 观测方法分别进行六次回弹量 观测,各方法的 观测精度统计列 于表2由于在卸荷时约有四级左右的 风力影响,静力水准仪中的液面产生波动经测定上下波动 的幅度最大达0.3毫米,严 重影响 了照准精度,因此静力水准在回弹观测 时 的中 误差较大,达到士0.11 8毫米,锚桩的拨升 由于该桩仅有静力水准 观测资料,因此未能统计观 测精度试验过程中昼夜温度 为2 2OC一3 2.2OC,但各观测头的 温度差一般小于IOC,只是在某些不利情况下(如 日照差别大)达2.SOC观测中误差(mm) 试验号!观测次数 精密第一次}”‘j 笙竺一卜二竺 i一回弹观侧}6水准105百分表静力水准 ⋯士0·‘3}士0·0‘6}兰 些旦竺兰J生 9二翌i!士0·0761士o·118三、结论通过室内精度试验和野外生产实践,证明这种简易型液体静力水准装置具有良 好的精度。
即使用 于野外作业,只要将各观测头间的温差控制在大约士ZOC之内,并采取一 定的防风措施,该装置完全能够达到士0.1毫米以内的精度同时由于它具有结构简单,观测迅速和可以连续 观测等特点在沉降观 测及某些精密工程测量领域,静力水准 测量 的应用无。