本发明属于工程监测领域，涉及一种真空预压法(或真空堆载联合预压法)加固软土地基过程中的闭口法地下水位测量装置和方法。
背景技术
真空预压法加固软土地基时，若地下水位下降，则为真空预压与降水预压的双重加固效果；若地下水位上升，则为上述两者之差的效果；若地下水位不变，则仅为真空预压加固效果，所以准确测量地下水位关系到真空预压的加固效果，同时也直接影响到对真空预压机理的认识。常见的闭口法地下水位测量方法是：先打设水位管装置，该装置由两根不同直径的pvc内外管、磁环浮标、限位器、电感应器等部分组成，地下水通过外管壁上渗水孔渗入与大气隔绝的内外管之间，此水位即为负压条件下的地下水位。在这两根不同直径且相对位置固定的内外管之间放置的磁环浮标浮于水面上，且随地下水位沿内管上下自由浮动，磁环浮标的位置即为地下水表面位置，可通过钢尺沉降仪来确定磁环浮标的位置。此方法能基本解决水位管与大气相通的问题，但是该装置很难保证水位管内外的真空度一致，且由于没有考虑土层固结对测试结果的影响，很难保证在地基的加固过程中(特别是真空堆载联合预压法)始终保证水位管与大气不相通；同时每次测量地下水位时还需要测量内管上端高程才能获取准确的地下水位高程，相对较繁琐。因此亟需研究一种考虑土层固结的影响且能保证水位管与大气不连通，同时又相对操作简便的地下水位测量装置，为评价真空预压加固效果提供准确的数据支持。
技术实现要素：
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种闭口法地下水位测量装置和方法，以便能够在考虑土层固结影响且能保证水位管与大气不连通的情况下较为简便地获得软土地基在真空预压法(或真空堆载联合预压法)加固过程中相对准确的地下水位高程。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的一个技术方案是：一种闭口法地下水位测量装置，包括预埋在软土地基中的竖向设置的6m长外管、同轴插装在所述外管内的内管和钢尺沉降仪，在所述外管与所述内管之间形成有封闭的环形空间，在所述环形空间内设有磁力浮子，所述外管为带有钢丝的波纹伸缩管，所述内管由上部主管和下部限位导向管组成，所述下部限位导向管的下部与所述外管的下端固接，二者之间设有封闭橡胶圈，在所述下部限位导向管的下端设有封闭底盖，所述封闭底盖暴露在所述外管的下方，在所述下部限位导向管的上端设有测量顶盖，在所述测量顶盖内设有高强磁块ⅰ，在所述测量顶盖上设有限位孔，在所述下部限位导向管的侧壁上设有与所述环形空间连通的排水排气孔；所述上部主管穿过所述测量顶盖上的限位孔并插装在所述下部限位导向管内，所述上部主管与所述下部限位导向管通过滑动花键结构连接，所述上部主管的下端是密封的，所述磁力浮子空套在所述上部主管上，所述外管的上端探出在软土地基砂垫层的上表面之上，并与软土地基砂垫层上的密封膜密封连接，在位于密封膜之下的所述外管的侧壁上设有渗水孔，在所述外管的外侧包裹有土工布，在所述外管的上端连接有密封顶盖，所述上部主管穿过所述密封顶盖，二者密封固定连接，所述钢尺沉降仪的测头设置在所述上部主管内。
所述磁力浮子采用环型结构，内圆上下端设有倒圆角，是采用高压硬质泡沫制成的，在所述磁力浮子内设有高强磁块ⅱ。
所述封闭底盖采用倒锥形结构。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的另一个技术方案是：一种应用上述闭口法地下水位测量装置测量地下水位的方法，采用以下步骤：
一)首次测量时，采用水准仪通过已知高程点引测出所述上部主管上端的高程hs0，通过所述钢尺沉降仪测出所述磁力浮子至所述上部主管上端的距离lf，通过所述钢尺沉降仪测出所述测量顶盖至所述上部主管上端的距离lc0，则地下水位高程的初始值为：ha0＝hs0–lf；
二)在地基发生固结沉降后，通过所述钢尺沉降仪测出所述磁力浮子至所述上部主管上端的距离，第j次测量值为lfj，通过所述钢尺沉降仪测出所述测量顶盖至所述上部主管上端的距离，第j次测量值为lcj，假设测量值(lc0–lcj)为第j次测量时上部主管上端高程的下降值，则地下水位高程测量值ha0,j＝hs0-(lc0-lcj)-lfj；
式中：
ha0,j为第j次地下水位高程的测量值(m)(j＝1,2,3,4....n)；hs0为装置埋设完毕后上部主管上端高程实测初始值(m)；lc0为装置埋设完毕后测量顶盖至上部主管上端距离初始值(m)；lcj为第j次测量时测量顶盖至上部主管上端距离(m)；lfj为第j次测量时磁力浮子至上部主管上端距离(m)。
采用以下公式对步骤二)获得的地下水位高程测量值ha0,j进行修正：
hbi,j＝hai,j+[hs0+lc0–(1+j/ni)hsi+(j/ni)hs(i+1)–lci,j]
式中：
hbi,j为第i次复测上部主管上端高程后的第j次地下水位高程测量值的修正值(m)；(i＝0,1,2,3,4.....；j＝1,2,3,4.....n)；
hai,j为第i次复测上部主管上端的高程后的第j次地下水位高程的测量值，当i＝0时，即为ha0,j(m)；
hsi为第i次复测时上部主管上端高程实测值(m)；
ni为第i次至第i+1次复测间隔时间内的地下水位高程的测量总次数；
lci,j为第i次复测上部主管上端高程后的第j次测量顶盖至上部主管上端距离测量值(m)。
本发明具有的优点和积极效果是：
1)外管采用带有钢丝的波纹伸缩管，与软土地基砂垫层上的密封膜密封连接且可随土体的固结沉降而压缩，消除了固结沉降对测试的影响，进而有效地保证了在地基加固过程中外管始终密闭不与大气连通。
2)直接测量地下水位，消除了采用真空和孔压测头不稳定产生波动，及其偶合叠加的影响。
3)真空预压法(或真空堆载联合预压法)加固软土地基时，地基的表层沉降主要来自于地面下6m左右深度范围内土体的固结沉降，而本发明测量地下水位的同时可测得装置埋设深度范围内土层的固结沉降量，因此可有效地减少上部主管上端高程的测量频次。
4)采用修正公式可获得更为准确的地下水位高程值，且复测上部主管上端高程的次数越多，精度越高。
综上所述，本发明能够较为准确地获得真空预压法(或真空堆载联合预压法)加固软土地基过程中的地下水位高程数据，为评价加固效果提供了准确的数据支持，并且本发明原理清晰、结构简单，造价便宜，埋设方便，准确性较高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明修正地下水位高程测量值的计算原理图。
图中：1、外管；2、下部限位导向管；3、上部主管；4、磁力浮子；5、测量顶盖；6、渗水孔；7、密封顶盖；8、封闭橡胶圈；9、封闭底盖；10、钢扎带；11、密封圈；12、排水排气孔；13、钢尺沉降仪；14、密封膜；15、砂垫层。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1，一种闭口法地下水位测量装置，包括预埋在软土地基中的竖向设置的6m长外管1、同轴插装在所述外管1内的内管和钢尺沉降仪13，在所述外管1与所述内管之间形成有封闭的环形空间，在所述环形空间内设有磁力浮子4，所述外管1为带有钢丝的波纹伸缩管，在120kpa压力下不发生径向变形，所述内管由上部主管3和下部限位导向管2组成，所述下部限位导向管2的下部与所述外管1的下端固接，二者之间设有封闭橡胶圈8，采用钢扎带9绑固。在所述下部限位导向管2的下端设有封闭底盖9，所述封闭底盖9暴露在所述外管1的下方，在所述下部限位导向管2的上端设有测量顶盖5，在所述测量顶盖5内设有高强磁块ⅰ，在所述测量顶盖5上设有限位孔，在所述下部限位导向管2的侧壁上设有与所述环形空间连通的排水排气孔12；所述上部主管3穿过所述测量顶盖5上的限位孔并插装在所述下部限位导向管2内，所述上部主管3与所述下部限位导向管2通过滑动花键结构连接，所述上部主管3的下端是密封的，所述磁力浮子4空套在所述上部主管3上，能够上下自由浮动。所述外管1的上端探出在软土地基砂垫层15的上表面之上，并与软土地基砂垫层15上的密封膜14密封连接，由于外管1可随软土地基的固结而变形，所以密封膜14与外管1的密封非常可靠，不会因软土地基的固结变形而被撕裂。在位于密封膜15之下的所述外管1的侧壁上设有渗水孔6，在所述外管1的外侧包裹有土工布，确保泥砂无法从所述外管上的渗水孔6进入管内。在所述外管1的上端连接有密封顶盖7，所述上部主管3穿过所述密封顶盖7，二者密封固定连接，在上部主管3和密封顶盖7之间设有密封圈11，所述钢尺沉降仪13的测头设置在所述上部主管3内。
在本实施例中，所述磁力浮子4采用环型结构，内圆上下端设有倒圆角，是采用高压硬质泡沫制成的，在所述磁力浮子4内设有高强磁块ⅱ。所述封闭底盖9采用倒锥形结构，以便于上述测量装置的埋设。
上述测量装置的现场埋设：
软土地基的竖向排水通道打设完毕后埋设本测量装置，埋设装置的钻孔全部用套管成孔(禁用高压水冲)。埋设前，装置完成组装，但密封顶盖7先不固定，埋设时，首先将所述上部主管3的下端放置到所述下部限位导向管2的底部，确保所述外管1在保持伸缩状态下进行埋设，待装置埋设完毕后将所述密封膜14与所述外管1密封连接，然后将所述上部主管3的下端提至所述测量顶盖5处，在所述密封顶盖7上与所述上部主管3的接触处套上所述密封圈11,并打设玻璃胶密封，确保所述密封顶盖7与所述上部主管3在测量过程中不发生位移且不漏气。
上述测量装置的工作原理：
地下水通过外管1上的渗水孔6渗入与大气隔绝的内外管之间环形空间内，此水位即为负压条件下的地下水位。由于外管1可随土体的固结沉降而压缩，进而保证在地基加固过程中外管1始终与大气隔绝，且测量顶盖5至上部主管3上端的距离变化量即为内外管埋设深度范围内土层的固结沉降量。在外管1与上部主管3之间放置的磁力浮子4浮于水面上，且能随地下水位沿上部主管3上下自由浮动，磁力浮子4的位置即为地下水表面位置，通过钢尺沉降仪13可以读出磁力浮子4和测量顶盖5至上部主管3上端的距离。
应用上述闭口法地下水位测量装置测量地下水位的方法为：
一)首次测量时，采用水准仪通过已知高程点引测出所述上部主管上端的高程hs0，通过所述钢尺沉降仪测出所述磁力浮子至所述上部主管上端的距离lf，通过所述钢尺沉降仪测出所述测量顶盖至所述上部主管上端的距离lc0，则地下水位高程的初始值为：ha0＝hs0–lf。
二)在地基发生固结沉降后，通过所述钢尺沉降仪测出所述磁力浮子至所述上部主管上端的距离，第j次测量值为lfj，通过所述钢尺沉降仪测出所述测量顶盖至所述上部主管上端的距离，第j次测量值为lcj。假设测量值(lc0–lcj)为第j次测量时上部主管上端高程的下降值，尽管第j次测量时上部主管3上端高程下降值应该为装置埋设处全部土层的固结沉降量，而不仅仅是测量值(lc0–lcj)，但实际工程中采用真空预压法(或真空堆载联合预压法)加固软土地基时的固结沉降量一般主要发生在地基土表层6米深度范围内，因此采用测量值(lc0–lcj)代替上部主管3上端高程下降值是切实可行的，能够满足工程的要求，则地下水位高程测量值ha0,j＝hs0-(lc0-lcj)-lfj；式中：ha0,j为第j次地下水位高程的测量值(m)(j＝1,2,3,4....n)；hs0为装置埋设完毕后上部主管上端高程实测初始值(m)；lc0为装置埋设完毕后测量顶盖至上部主管上端距离初始值(m)；lcj为第j次测量时测量顶盖至上部主管上端距离(m)；lfj为第j次测量时磁力浮子至上部主管上端距离(m)，测量结果小数点后保留3位有效数字。
为了获取更为准确的地下水位高程值，可间隔一段时间(预压第一个月内建议一周修正一次；以后可一个月修正一次)采用水准仪对上部主管3的上端高程进行复测来对上述地下水位高程测量值ha0,j进行修正，具体方法如下：
采用以下公式对步骤二)获得的地下水位高程测量值ha0,j进行修正：
hbi,j＝hai,j+[hs0+lc0–(1+j/ni)hsi+(j/ni)hs(i+1)–lci,j]
式中：
hbi,j为第i次复测上部主管上端高程后的第j次地下水位高程测量值的修正值(m)；(i＝0,1,2,3,4.....；j＝1,2,3,4.....n)；
hai,j为第i次复测上部主管上端的高程后的第j次地下水位高程的测量值，当i＝0时，即为ha0,j(m)；
hsi为第i次复测时上部主管上端高程实测值(m)；
ni为第i次至第i+1次复测间隔时间内的地下水位高程的测量总次数；
lci,j为第i次复测上部主管上端高程后的第j次测量顶盖至上部主管上端距离测量值(m)。
上述修正方法的依据为：
由于提出公式ha0,j＝hs0-(lc0-lcj)-lfj的前提是假设测量值(lc0–lcj)为第j次测量时上部主管上端高程的下降值，但上部主管上端高程的实际下降值应该为装置埋设处全部土层的固结沉降量，且大于测量值(lc0–lcj)。为了获取更为准确的地下水位高程，需要对上部主管上端的高程进行复测来修正地下水位高程的测量值，具体修正方法请参见图2，考虑实际工程中，地下水位高程的测量频率一般为1次/天。
图2中s1表示第i次复测上部主管上端高程前上部主管上端高程的实际下降值与测量值(lc0–lci,0)的差值，其中lci,0为第i次复测上部主管上端高程时测量顶盖至上部主管上端距离测量值(m)，s1＝[(hsi–hs0)–(lc0–lci,0)]；图中s2表示第i次复测上部主管上端高程时至第j次测量地下水位高程的时间段内上部主管上端高程的实际下降值与测量值(lci,0–lci,j)的差值，其中lc(i+1),0＝lci,n、ha(i+1),0＝hai,n，s2＝[j(hsi–hs(i+1))/ni–(lci,0–lci,j)]，则修正值hbi,j＝hai,j–s1–s2，即：hbi,j＝hai,j+[hs0+lc0–(1+j/ni)hsi+(j/ni)hs(i+1)–lci,j]。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。