专利名称：一种软土路基沉降监测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及岩土工程地基变形监测，具体涉及一种高速公路软土路基沉降监测方法，同时涉及一种高速公路软土路基沉降监测装置。
背景技术：
岩土变形监测是工程建设中必不可少的技术措施，是岩土工程设计、施工与运行技术决策的重要依据，规范要求高速公路建设中必须对软土路基沉降进行监测。目前，软土路基沉降监测采用最多的方法是地表沉降板法，即埋设地表沉降板、通过水准仪测量沉降板上测杆的高程变化来获取路基沉降量，这种方法具有沉降板容易制作，埋设简单，费用较低等优点，但存在以下难以克服的缺点沉降板的测杆必须随着路堤填筑而不断接高，增加了操作难度和累计误差；测杆必须露出路面或埋于路面下，前者对施工影响较大且容易被碾压机械等损坏，而后者则需要在每次测量时将测杆挖出，工作量大且不容易找到位置，监测效率较低，破坏了压实路基的整体性；施工机械不能靠近测杆进行碾压，只能采取小型机械进行碾压主，因而压实质量比周围差，难以达到控制要求；对每个监测断面需要在不受路基沉降影响的较远位置深层埋设测量基准点，测量距离较长，难以保证通视条件，工作量和强度都较大，且测量精度不佳，遇大风、雨、雪、雾等恶劣天气或夜晚均不能测量；当路堤较高时，测量时需要的测站较多，精度下降，操作困难；路面施工后无法继续进行监测。
也有少数采用水杯式监测方法，能实现对整个断面沉降的连续监测，但需要在路堤旁设立基站，且基站标高也需要通过外围基准点进行校核，精度方面也不能令人满意；采用光纤进行沉降测量是高新技术之一，但除了精度较高外，存在着价格高、量程小、读数仪昂贵的缺点外，同样需要通过外围基准点进行校核。
综上可见目前常用的软基沉降监测方法并不理想，为此，必须开发一种全新的监测方法及装置，以克服现有沉降监测方法测试费用高、工作量大、精度不佳和影响施工等缺点，新的装置及方法结合位移传感器和工作基准桩，不影响路堤施工，不受施工和天气条件限制，实现对软土路基沉降的全天候、高精度、快速连续监测。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种高速公路软土路基沉降监测方法，该方法简单可靠，精度容易保证，监测精度高。
本发明另一个目的在于提供一种软土路基沉降监测装置，该装置能对软土路基沉降进行长期连续监测，精度高，测试费用低，操作方便，不影响施工。
本发明的实现方法如下①埋设工作基准桩在软基沉降监测点位置钻孔，通过注浆等措施制作形成工作基准桩，基准桩在路基监测过程中产生的沉降可以忽略不计，从而将基准桩作为沉降监测的基准点，避免了常规监测方法在路基外围设置基准点引起的误差。
②安装位移传感器在基准桩桩顶上安装位移传感器，传感器底座一端固定在基准桩桩顶不动，传感器另一端的拉杆可上下自由伸缩，达到自由测量路基下沉量的目的；同时在位移传感器周围安装保护波纹管，防止水或泥进入影响传感器工作。
③连接电缆用测试电缆将传移感器与路基外的监测站点相连，将软土路基内监测点处传感器的测试信号传送到路基外监测站的数显仪中。
④放置沉降钢板将沉降钢板水平放置于软土路基地表，同时与传感器拉杆顶接触，沉降钢板随着路基表面一同均匀下沉，从而推动位移传感器拉杆产生与路基沉降等量的位移，使位移传感器能实时准确地测量到软土路基的沉降。
⑤位移监测读数在监测站点将测试电缆与数显仪相连，路堤施工前读取位移初始值，监测过程中读取实时位移值，同时记录监测日期和时间，读数的频率或时间间隔可以根据需要自由调整。可以采用人工系统记录，也可以选用存储卡进行自动存储。由于测试方法相对简单，测量过程中不存在人为影响因素，因而沉降测试精度可以得到很好保证。
⑥数据处理某次实时监测值减去初始值即为测点位置该时段内的路基累计沉降量，整理所获得的监测数据，即可绘制路基沉降随时间变化的曲线。
一种实现上述方法的装置包括工作基准桩、位移量测装置、电缆、读数装置等部分。
①工作基准桩工作基准桩由水泥砂桩、PVC管、预埋钢板等组成。工作基准桩由水泥砂桩、上层PVC管、下层PVC管、预埋钢板组成，水泥砂桩11外连下层PVC管，桩顶嵌有预埋钢板，预埋钢板上焊接有四个卡簧，位移传感器底座通过卡簧固定紧贴在预埋钢板上，壳体上连拉杆，拉杆上套有弹簧并与球头相连，球头与沉降钢板相接，壳体、底座、拉杆、弹簧6与球头外面套上波纹管，沉降钢板与上层PVC管相接，传感器底座与电缆相连，电缆2从孔中穿出后穿过电缆保护管与数显仪相连。在选定的路基监测点钻探成孔，孔底进入下卧硬土层一定深度，钻孔直径为Φ110，采用泥浆护壁，使孔壁上附着一层光滑泥皮，成孔后在孔内下入一段PVC管将钻孔与上层土体进行隔离，PVC管管径比钻孔略小，上端距孔口约1m，下端与孔底留出一定距离。在孔内注入水泥砂浆形成水泥砂桩，砂桩顶与PVC管上端平齐，并在管口预埋一块与PVC管径相当的圆形薄钢板，钢板上焊接有4个卡簧。余下的1m钻孔下入比上述PVC管直径稍大的另一根短PVC管，将孔与周围土体隔离。水泥砂桩周围的PVC管与带泥皮的孔壁摩擦很小，路基土下沉时对砂桩的负摩擦力很小，再加上砂桩具有足够的刚度且桩底深部硬土层承载力值高，因此整个砂桩在路基荷载增加过程中基本上不会发生沉降和压缩变形，因而将砂桩顶作为基准点是可行的，减小了常规测量方法在外围设置基准点的误差。
②位移量测装置位移量测装置由位移传感器、球头、沉降钢板、波纹管组成。
位移传感器由拉杆、壳体、底座(内含传感元件)三部分，型号为NS-WY03，量程为500～900mm，综合精度为0.05％F.S。传感器底座固定在砂桩顶部预埋钢板上的卡簧上，在沉降监测过程中始终与预埋钢板紧贴，不会产生移动。拉杆外围套有弹簧使拉杆不会因自重而滑动，其顶端与一个球头相连接，球头与沉降钢板，使钢板的压力均匀传递到拉杆上，钢板水平放置在孔口，四周与周围土体紧密水平接触。当地基在上部荷载作用下产生沉降时，孔口的承压钢板压迫球头和弹簧，使拉杆向下移动，拉杆的位移变化可以引起相应的电测信号。传感器安装后不受施工、天气等因素影响，因而具有很好的稳定性。
位移传感器外用防水波纹管进行密封和保护，在保证传感器自由伸缩的同时防止地下水或泥土进入管内影响测试。
③电缆测试电缆线从传感器底座引出后从孔口穿出，引出到路基外选定的监测站点位置，电缆线将电测信号从传感器传送到读数装置中，电缆线外套塑料管，保护电缆不被损坏。
④读数装置读数装置即为一台数显仪，型号为NS-YB04型四位显示仪，显示范围为-1999～9999，支持RS485/RS232通讯数据采集(可选)。与从传感器引出的电缆连接，通电测量出的电信号经数显仪直接转换为位移量值，人工对位移值进行直接读取并记录，不受其他条件影响限制，保证了读数的准确，大大降低了由技术水平不足引起的人工误差。也可以加上自动采集与存储设备，实现任意频率下的读数与自动存储。
本发明的特点及有益效果是，测量方法简单可靠，大大降低了基准点误差和人工误差，成本低，测量装置结构简单，安装方便，稳定性好，操作容易，测量精度高，可实现对高速公路软土路基沉降的全天候、快速测量，必要时可配备自动读数与存储装置实现无人值守监测，还可以满足低成本长期监测要求。另外，该方法及装置还可以推广应用于建筑、机场、油罐等地基的沉降监测。
图1为一种软土路基沉降监测装置结构示意图。
图中1.沉降钢板，2.电缆，3.数显仪，4.电缆保护管，5.波纹管，6.拉杆，7.壳体(内含传感元件)，8.上层PVC管，9.底座，10.预埋钢板，11.水泥砂桩，12.下层PVC管，13.桩顶，14.卡簧，15.水或泥或空气，16.弹簧，17.球头，18.路基表面，19.软土层，20.硬土层具体实施方式
下面结合附图进一步详细说明本发明的细节及工作情况。
本监测方法很简单，在施工前一次性安装监测装置后，直接将数显仪与引出电缆相接，实时读取位移值，所得数值即为不同时段内的路基累计沉降，若配备自动采集与存储设备时，则只要设定好采取频率即可进行自动监测。
具体实施步聚如下①埋设工作基准桩在需要设置沉降监测点的路基位置钻孔，钻孔时采用泥浆护壁，钻孔穿过软土层19，孔底进入硬土层20中一定深度，然后在孔内下入下层PVC管12，通过灌浆设备在下层PVC管12内灌入水泥砂浆形成砂桩11，并在桩顶13水平预埋钢板10，由于下层PVC管12的光滑外壁与附着泥皮的钻孔壁相接触，使PVC管12及水泥砂桩11受到的土体下沉负摩擦力很小，不会产生竖向压缩变形，成为沉降监测时可靠的基准桩；在钻孔的上部放置上层PVC管8，在管内形成位移传感器的工作空间，同时也可将从沉降钢板1传递的上部荷载传递到外围和下部的土层中。
②安装位移传感器将球头17与位移传感器拉杆6相接，弹簧16上端卡在球头17的槽内后套于拉杆6上，确保测杆不会因自重作用下移，球头17可以将沉降板1的沉降竖直传递到拉杆上，球头17能防止对拉杆6产生扭矩，此时再将传感器拉杆6、底座7、球头17、弹簧16一同装入波纹管5内密封，波纹管5可自由伸缩，防止水或空气或泥15进入位移传感器壳体7内影响其工作性能，底座9露出波纹管5外，卡入预埋钢板10上的四个卡簧14中固定并与预埋钢板紧贴，最后将沉降钢板1水平放置于路基表面18上，并保证沉降钢板1的中心位置与球头17稍微接触，沉降钢板1可将路堤填筑引起的路基沉降均匀地传递到球头17上，再由球头17传递到拉杆6上，由位移传感器壳体(内含传感元件)7的进行位移量测。
③连接电缆电缆2从底座7侧面穿出后引出，再从电缆保护管4中穿出，最终与数显仪3相连，电缆线2的长度不影响测试精度，因此通过加长电缆线的长度可以实现较远距离的实时监测。
④放置沉降钢板将沉降钢板1水平放置于路基表面18上，保证沉降钢板1中心位置与球头17稍微接触，使沉降钢板1在随地基均匀下沉的同时，将沉降传递到球头17上；同时沉降钢板1与上层PVC管8接触，以防止路基沉降过程中路基土掉入上层PVC管8内。
⑤位移监测读数直接用数显仪3读取位移传感器的位移值，路堤施工前只需读取一次初始位移值，监测过程中实时读取该时段的位移值。也可以另配自动采集与存储，实现任意频率或时间间隔下的位移自动监测。
⑥数据处理实时监测值减去初始值即为测点位置的路基累计沉降量，整理所获得的监测数据，即可绘制路基沉降随时间变化的曲线。
监测过程及原理为在路堤施工前，当监测装置一次性安装完毕，读取位移传感器的初始值。路堤施工开始后，沉降监测也开始进行，此时在路基表面上的填土荷载作用下，地基不断下沉，沉降钢板1随着地基均匀下沉并压迫球头17同步下沉，球头17下沉带动位移传感器的拉杆6向下竖直移动，而此时由于位移传感器底座9通过卡簧14固定在桩顶13的预埋钢板10上，不会产生移动，因而此时位移传感器拉杆6相对底座9或壳体7的行程就是沉降钢板1的累计下沉值，也即路基的累计沉降，此时，从数显仪3直接读取位移传感器的位移值。监测过程中，根据要求的时间间隔或频率进行读数，将每次位移传感器的读数减去初始值，即为该次路基的累计沉降量，减去上次读数值即为路基该时段的沉降量。采用自动采集与存储设备时，只需对仪器采集频率进行设定，即可实现自动沉降监测。
本沉降监测装置由工作基准桩、位移量测装置、电缆、读数装置四部分组成工作基准桩包括水泥砂桩11、下层PVC管12、预埋钢板10、卡簧14；位移量测与保护装置包括位移传感器(由拉杆6、壳体7、底座9、弹簧16构成)、球头17、波纹管5、沉降钢板1和上层PVC管8；电缆包括电缆2和保护管4；读数装置包括数显仪3，也可以另配自动采集与存储设备。
具体连接方式为该装置包括工作基准桩、位移测量装置、电缆、读数装置，工作基准桩由水泥砂桩11、上层PVC管8、下层PVC管12、预埋钢板10组成，水泥砂桩11与下层PVC管12连接，桩顶13嵌有预埋钢板10，预埋钢板10上焊接有四个卡簧14，位移传感器底座9通过卡簧14固定紧贴在预埋钢板10上，底座9与拉杆6连接，拉杆6上套有弹簧16并与球头17相连，球头17与沉降钢板1相接，传感器(由拉杆6、壳体7、底座9、弹簧16构成)与球头外面套上波纹管5，沉降钢板1与上层PVC管8相接，传感器底座7还与电缆2相连，电缆2从底座9引出后穿过电缆保护管4与数显仪3相连，由此形成一个完整的沉降监测装置。
权利要求
1.一种软土路基沉降监测方法，它包括下列步骤A、埋设工作基准桩在软基沉降监测点位置钻孔，通过注浆制作形成工作基准桩作为沉降监测的基准点，避免了常规监测方法在路基外围设置基准点引起的误差；B、安装位移传感器传感器底座一端安装在工作基准桩的桩顶固定不动，传感器另一端的拉杆可上下伸缩，同时在位移传感器周围安装保护波纹管，防止水和泥土进入传感器；C、连接电缆用测试电缆将传移感器与路基外的监测站点相连，将软土路基内监测点处传感器的测试信号传送到路基外监测站的数显仪中；D、放置沉降钢板将沉降钢板水平放置于软土路基地表，同时与传感器拉杆顶接触，沉降钢板随着路基表面一同均匀下沉时，推动位移传感器拉杆产生与路基沉降等幅的位移，由位移传感器实时准确地测量出软土路基的沉降；E、位移监测读数在监测站点将测试电缆与数显仪相连，路堤施工前读取位移初始值，监测过程中读取实时位移值，读数的频率可调整。采用人工系统记录，选用自动采集与存储设备实现自动监测；F、数据处理实时监测值减去初始值即为测点位置的路基累计沉降量，整理所获得的监测数据，绘制路基沉降随时间变化的曲线。
2.一种用于实现权利要求1所述的软土路基沉降监测方法的装置，它包括工作基准桩、位移测量装置、电缆、读数装置，其特征在于工作基准桩由水泥砂桩(11)、上层PVC管(8)、下层PVC管(12)、预埋钢板(10)组成，水泥砂桩(11)与下层PVC管(12)连接，桩顶(13)嵌有预埋钢板(10)，预埋钢板(10)上焊接有四个卡簧(14)，位移传感器底座(9)通过卡簧(14)固定紧贴在预埋钢板(10)上，位移传感器底座(9)与拉杆(6)连接，拉杆(6)套有弹簧(16)并与球头(17)相连，球头(17)与沉降钢板(1)相接，壳体(7)、底座(9)、拉杆(6)、弹簧(16)与球头(17)外面套上波纹管(5)，沉降钢板(1)与上层PVC管(8)相接，位移传感器底座(9)与电缆(2)相连，电缆(2)从孔中穿出后穿过电缆保护管(4)与数显仪(3)相连。
全文摘要
本发明公开了一种软土路基沉降监测方法及装置，其步骤是首先埋设工作基准桩；第二安装位移传感器，第三是连接电缆，第四是放置沉降钢板；第五是位移监测读数；第六是数据处理，水泥砂桩与下层PVC管连接，桩顶嵌有预埋钢板，预埋钢板上焊接有四个卡簧，位移传感器底座通过卡簧固定紧贴在预埋钢板上，底座与拉杆连接，拉杆套有弹簧并与球头相连，球头与沉降钢板相接，壳体、底座、拉杆、弹簧与球头外面套上波纹管，沉降钢板与上层PVC管相接，传感器底座与电缆相连，电缆从孔中穿出后穿过电缆保护管与数显仪相连。本发明不受施工和天气条件限制，实现对软土路基沉降量的快速、准确、连续、简易测量，测试精度高，还可长期监测通车后的路基沉降。
文档编号E02D33/00GK101078220SQ20071005250
公开日2007年11月28日 申请日期2007年6月19日 优先权日2007年6月19日
发明者刘观仕, 孔令伟, 郭爱国 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所