高速公路软土路基沉降监测微型静压计的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高速公路软土路基沉降监测微型静压计，壳体为封闭的金属圆柱腔体，加压环固定在壳体的顶盖中心，碟形膜横向隔断在壳体的上部且其中心与加压环的底部固定，壳体在碟形膜以上的部分连接波纹管注水，在碟形膜以下的部分设有与碟形膜相连的测频系统，测频系统包括钢弦、激振器、电缆和测频仪，钢弦的顶端和碟形膜的中心连接，位于钢弦一侧的激振器通过电缆穿过壳体的侧壁与地面上的测频仪相连；本发明碟形膜的弧形曲面及大膜面特性保证其在微小压力下也会发生显著变形，从而促使钢弦振动频率发生显著变化，通过测量钢弦振动频率的变化能精确测量出水压的变化并求出地基沉降量，仪器稳定性好，测量精度高，现场安装容易。
【专利说明】高速公路软土路基沉降监测微型静压计
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种静压计，具体涉及一种监测地基沉降的静压计。
【背景技术】
[0002]地基的沉降观测问题是高速公路施工运行过程中的关键问题，目前地基的沉降观测主要有三种方法:沉降板法、剖面沉降管法和基于液位差(静水压力差)原理的观测方法。
[0003]沉降板法的装置是由沉降板、金属测杆及保护套管组成，通过观测金属测杆的高程变化来观测沉降，但是该方法在施工过程中容易损坏金属测杆，沉降板附近路面要单独施工，且观测过程和路基施工互相干扰，增加工作量、延长工期。
[0004]剖面沉降管法的装置由倾角仪、水平放置的测斜管以及数显仪组成，通过倾角仪测出所在位置的倾角变化即可换算出该位置的沉降量，该方法的不足之处在于沉降较大时测斜管易断裂，而且测斜管内固定倾角方向的导向槽在路基变形时容易发生偏转，倾角仪所测方向就会随之发生变化而产生明显误差，同时，该方法观测工作量大、观测成本较高。
[0005]基于液位差原理的观测方法，如图1所示，是在观测点安装埋入式沉降盒1，并在地基内通过输水管与路堤外地表的基准水箱9相连，沉降盒I内有压力传感器，可以测得沉降盒内的水压，并通过电缆传递信号到地表。根据测得的压力变化即可换算出观测点与基准点的高差:
[0006]H = p/ P g(I)
[0007]上式中，H为测点与基准点之间的高程差，据此可计算出地基的沉降变化；P为沉降盒内压力传感器所受的压力；P为输水管和水箱内的液体密度；g为重力加速度，取
`9.8m/s2。
[0008]显然，与沉降板法和剖面沉降管法相比，基于液位差(确切地说，是观测点与基准点相对高差引起的静水压力差)的观测方法施工更为方便，观测也更为简易，而且避免了沉降观测与路堤施工的互相干扰，其优越性决定了它是未来施工中沉降观测的主要发展方向。但是，从现有的使用经验来看，由于很多时候地基沉降量较小，传递到埋入式压力传感器上的水压力也特别小，常规仪器很难精确测得水压力的大小，观测误差较大；若采用高灵敏度仪器观测，不但成本高，而且受各种偶然因素影响，得到的数据容易发生漂移，这些问题限制了液位差法在实际工程中的使用。
【发明内容】
[0009]发明目的:本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种相对误差小且测量精度高的高速公路软土路基沉降监测微型静压计。
[0010]技术方案:本发明提供了一种高速公路软土路基沉降监测微型静压计，包括壳体、碟形膜、加压环、波纹管、测频系统，所述壳体为封闭的金属圆柱腔体，所述加压环固定在所述壳体的顶盖中心，所述碟形膜横向隔断在所述壳体的上部且其中心与所述加压环的底部固定，所述壳体在碟形膜以上的部分连接所述波纹管注水，在碟形膜以下的部分设有与所述碟形膜相连的测频系统；所述测频系统包括钢弦、激振器、电缆和测频仪，所述钢弦钢弦绷紧且带有弹性，其顶端和所述碟形膜的中心连接，位于所述钢弦一侧的所述激振器通过所述电缆穿过所述壳体的侧壁与地面上的所述测频仪相连，激振器激发钢弦振动并将钢弦的振动频率反馈到测频仪。高程变化时，碟形膜受到注水的压力也相应变化，膜面变形后改变钢弦的绷紧程度，从而引起钢弦振动频率的变化，根据测频仪测出的钢弦的振动频率变化，可得到膜面所受压力，并计算出膜面所在高程，其与初始状态的高程差即为沉降量。该装置将碟形膜受到水的微小压力变化转化为钢弦振动频率变化并计算出高度差，测量灵敏度高，测量精确误差小。
[0011]优选的，所述碟形膜为中心水平边缘沿S形曲面向上延伸的不锈钢弹性膜片，大膜面保证在较小压力下可以发生显著变形，因此当地基沉降时高程发生细微变化，碟形膜也可发生变形，灵敏度高，不锈钢材质可提高膜片的耐久性及变形的弹性。
[0012]进一步，所述加压环由弹性不锈钢制成，直径略大于碟形膜与壳体顶部之间的距离，在组装过程中加压环可向碟形膜施加初始压力，以保证膜面变形的线性度。
[0013]进一步，所述电缆为螺旋状的电缆芯盘置在延展性好的电缆保护套内，螺旋状的电缆芯可保证在地基沉降过程中电缆内的金属丝不被拉断，而当沉降量较大时，保护套可保证电缆芯盘置的长度自由延伸，进一步防止拉断。
[0014]进一步，还包括调节栓、弹性圈和螺丝，所述调节栓和所述钢弦的底端相连，并竖直穿过所述壳体的底部和弹性圈，所述螺丝穿过所述调节栓将所述弹性圈定位在所述壳体的下方，通过旋转所述螺丝使所述调节栓沿轴向滑动；在壳体底部安装调节栓的目的是通过弹性圈调节螺丝来调整钢弦的初始拉力及初始频率，保证地基沉降过程中钢弦振动频率在碟形膜线性度最佳的频率附近，并保证碟形膜变形后钢弦不至于过度松弛而使仪器失效，从而适应不同地质条件和最大沉降量，提高测量精度。
[0015]有益效果:1、本发明通过蝶形膜受压产生微小形变，从而促使钢弦振动频率发生显著变化，通过测量钢弦振动频率的变化能精确测量出水压的变化并求出地基沉降量，碟形膜的弧形曲面及大膜面特性保证其在微小压力下也会发生显著变形，这样由不确定因素引起的误差相对于水压引起的变形来说相对较小，因此仪器稳定性好，通过钢弦振动频率的变化能精确测量出水压的变化并求出地基沉降量，保证了测量精度；2、加压环对膜面施加初始压力，保证了在沉降观测过程中膜面变形的连续性，提高了测量结果的稳定性；3、调节栓及其下方的弹性圈和调节螺丝可以调整钢弦初始拉力和初始频率，适应不同地质条件下的沉降变形，而且随着碟形膜的变形增大，钢弦的拉力和振动频率逐渐降低，该弹性圈积蓄的弹性变形就会慢慢释放，保证钢弦在该过程中始终是紧绷的从而频率是可测的；4、本发明结构简单，仪器安装方便，测量精度高，使用方便，一体化的结构操作简易，不需要组装，在现场直接连接波纹管和电缆即可使用，对观测人员专业技能要求低，具有很好的实用效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为基于液位差原理的观测装置；
[0017]图2为本发明的结构示意图；
[0018]图3为本发明电缆的局部放大图；[0019]图4为本发明调节栓的局部放大图；
[0020]图5为本发明碟形膜受力变形示意图；
[0021]图6为本发明碟形膜的形变与膜面压力的关系示意图.【具体实施方式】
[0022]下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
[0023]实施例:一种高速公路软土路基沉降监测微型静压计，如图2所示，包括壳体1-1、碟形膜2、加压环3、测频系统、调节栓5、弹性圈5-1、螺丝5-2、底盖6、波纹管8、基准点水箱9，壳体1-1为封闭的金属圆柱腔体，直径为15cm，由具有适度刚度的不锈钢弹性膜片制成的加压环3通过第一螺栓3-1固定在壳体1-1的顶盖中心，碟形膜2横向隔断在壳体1-1的上部且其中心与加压环3的底部通过第二螺栓3-2固定，具体的，碟形膜2为厚度小于
0.2mm的超薄不锈钢弹性片，直径为15cm，中部水平，边缘沿曲面向上延伸成S形，该弯曲的S形结构显著增加了膜面的可延展性，即受到水压力后，“S”形很容易伸长，与膜面中心衔接的S形曲面区域趋于平滑，从而带动膜面中心下降，使膜面中心产生显著的垂直于膜面方向的变形，从而明显改变所述测频系统中的钢弦4-1的绷紧程度，第三螺栓7竖直插入壳体1-1壁固定碟形膜2的边缘，碟形膜2与壳体1-1壁的接缝处用金属胶粘接，以保证大膜面变形的均匀性，同时起到密封作用。碟形膜2将壳体1-1分为上下两部分，膜面以上的空腔部分注水，通过螺纹接口 1-3和波纹管8相接，与基准点水箱9相连通，在碟形膜2以下的部分设有与碟形膜2相连的测频系统。
[0024]测频系统包括钢弦4-1、激振器4-2、螺旋电缆4-3和测频仪4_4，碟形膜2中心开有圆孔，钢弦4-1的顶端通过第二螺栓3-2固定在碟形膜2的中心圆孔，底端固定在调节栓5的顶部，位于钢弦4-1 一侧的激振器4-2通过电缆4-3穿过壳体1-1的侧壁与地面上的测频仪4-4相连，电缆4-3穿过壳体1-1的出线口由密封螺栓1-4密封，防止地基中的水进入壳体内部；如图3所示，电缆芯呈螺旋状，电缆保护套采用延展性好的塑料；调节栓5竖直穿过壳体1-1的底部中心和弹性圈5-1，螺丝5-2穿过调节栓5将弹性圈5-1定位在壳体1-1底部的中心，可通过旋转螺丝5-2使调节栓5沿轴向滑动，弹性圈5-1也是采用具有适度刚度的不锈钢弹性膜片制成；如图4所示，调节栓5的上半部分为柱体，下半部分为螺纹圆柱体，可防止在旋转调节栓5时，钢弦4-1随之扭转而损坏钢弦4-1。壳体1-1侧壁的下沿设有凹槽，便于在凹槽内插入底盖6，作为壳体1-1底部调节栓5和弹性圈5-1的保护措施。
[0025]在碟形膜2的上方安装加压环3的目的是保证仪器的线性度，提高测量精度。由于碟形膜2在制造和装配中自身可能发生屈曲，膜面形态如图5中的实线A所示，这时只要施加很小的压力，膜面就会产生很大的变形，变形后的膜面形态如图5中的虚线B所示，之后，若继续施加压力，则膜面变形逐步稳定增加，变形后的膜面形态如图5中的虚线C所示。为了进一步描述上述变形关系，图6给出了膜面中心的变形量δ与作用在膜面上水压力P之间的关系，图中，纵坐标为碟形膜中心变形量δ，横坐标为作用在碟形膜上的水压力大小P，横坐标上的压力A'、B'、C'分别对应图5中膜面形态A、B、C;从图6可以清楚地看出，初始屈曲阶段膜面变形与压力的关系呈强烈的非线性，只有B' C'段的形变才与压力呈线性弹性关系，因此需要在膜面上安装加压环3，施加初始压力，保证碟形膜2在承受水压前其变形处于B附近，此后膜面变形就与水压力具有良好的线性关系，可用于建立公式计算压力(沉降)与变形之间的关系。
[0026]本实施例的高速公路软土路基沉降监测微型静压计的安装使用步骤如下:根据地质情况初步判断，在室内将调节栓5调节到最佳位置，即在预测的沉降范围内碟形膜2具有最佳线性度，加上底盖6。现场安装时，将装置埋置在观测点，往基准点水箱9内注水直至波纹管8内全部充满水，然后将波纹管8与螺纹接口 1-3连接，通过基准点水箱9内壁的刻度读出液面高程h，记录测频仪4-4的频率f，根据振动频率可以计算出膜面所受水压强P，公式如下:
[0027]f2 = f02+k0p(2)
[0028]其中:P为膜面所受的水压强；&为仪器埋设时的初始频率，即水压强P为O时的观测频率为沉降观测时钢弦4-1振动频率Aci为率定系数，可在室内试验或在现场条件下进行标定，为常数。
[0029]在沉降观测时，根据膜面所受的水压强P结合由式(I)可以求出测点与基准点之间的高程差H，根据基准点水箱9内壁的刻度读出液面高程h得到膜面所在的高程Hi，根据本次观测得到的高程Hi与仪器埋设时的初始高程差Htl，可以计算出总的沉降量:
[0030]Δ H = H1-H0(3)
[0031]如上，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不 脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
【权利要求】
1.一种高速公路软土路基沉降监测微型静压计，其特征在于:包括壳体、碟形膜、加压环、波纹管、测频系统，所述壳体为封闭的金属圆柱腔体，所述加压环固定在所述壳体的顶盖中心，所述碟形膜横向隔断在所述壳体的上部且其中心与所述加压环的底部固定，所述壳体在碟形膜以上的部分连接所述波纹管注水，在碟形膜以下的部分设有与所述碟形膜相连的测频系统，所述测频系统包括钢弦、激振器、电缆和测频仪，所述钢弦的顶端和所述碟形膜的中心连接，位于所述钢弦一侧的所述激振器通过所述电缆穿过所述壳体的侧壁与地面上的所述测频仪相连。
2.根据权利要求1所述的高速公路软土路基沉降监测微型静压计，其特征在于:所述碟形膜为中心水平边缘沿S形曲面向上延伸的不锈钢弹性膜片。
3.根据权利要求1所述的高速公路软土路基沉降监测微型静压计，其特征在于:所述加压环由弹性不锈钢制成。
4.根据权利要求1所述的高速公路软土路基沉降监测微型静压计，其特征在于:所述电缆为螺旋状的电缆芯盘置在电缆保护套内。
5.根据权利要求1所述的高速公路软土路基沉降监测微型静压计，其特征在于:还包括调节栓、弹性圈和螺丝，所述调节栓和所述钢弦的底端相连，并竖直穿过所述壳体的底部和弹性圈，所述螺丝穿过所述调节栓将所述弹性圈定位在所述壳体的下方，通过旋转所述螺丝使所述调节栓沿轴向滑动。
【文档编号】G01C5/00GK103575252SQ201310537760
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月4日 优先权日:2013年11月4日
【发明者】王建, 姜海霞, 廉卫平, 花卉, 田亚岭 申请人:河海大学