一種土體深層沉降和孔隙水壓力測量裝置及測量方法與流程
本發明屬于巖土監測領域，尤其是涉及一種土體深層沉降和孔隙水壓力測量裝置及測量方法。
背景技術：
土木工程建設中在建筑物荷載作用下地基變形是建設過程中關切點之一，也是施工控制的關鍵指標之一，尤其在軟土地基上高速公路、高速鐵路等交通工程施工過程中，沉降問題常常直接控制工程的施工進度和運營期道路的服務水平。因此,為控制路基的沉降,指導路基上建筑物的施工,必須對建筑物施工及使用過程的地基沉降進行動態監測，指導施工過程。
目前工程施工過程中主要采用磁環式分層沉降儀進行地基深層沉降變形觀測。常用的分層沉降系統由磁鐵環、保護管、探測頭、指示器等組成。一般情況下，每層土體里應設置一個磁鐵環，在土體發生變形的過程中，土層和磁鐵環同步下沉或回彈；量測時，當探測頭達到磁環位置，接收系統的音響器便會發出連續不斷的蜂鳴聲，此時讀寫出鋼尺電纜在管口處的深度尺寸，通過探測頭和指示器量測磁環所在位置，進而得到磁鐵環的位移值，最終得到地層的沉降、回彈情況。分層沉降儀安裝時，需先在土里鉆孔，再將磁鐵環埋入孔中預先設置的位置，并在孔中注入由膨潤土、細砂、水泥等填隙料將分層沉降測管與孔壁之間的空隙填實。采用磁環式分層沉降儀測量地基深層變形存在以下幾個問題：
1)磁鐵環和導管之間常常由于砂粒等的阻塞而不能自由滑動，無法真實的反映地基的深層變形，導致量測失敗；
2)讀數的準確性和測量的精度決定于如何判定發音或指示的起始位置，這與操作者的熟練程度有關；
3)交通工程中在后期的路面施工期和通車運營后進行無法進行深層沉降的量測；
4)用于測量的分層管必須垂直向上伸出地表，施工中容易損壞；
5)不良天氣條件時量測工作無法開展，測試工作受外界環境的影響較大。
目前施工中孔隙水壓力一般采用直接在測點位置埋設壓力傳感器讀取壓力值的方式。缺點在于：
1)壓力傳感器埋入后無法回收；
2)壓力傳感器和線纜長期處于地下水中容易因為傳感器或線纜進水而無法使用；
3)損壞后基本無法修復，維護困難。
技術實現要素：
為了克服已有土體深層沉降和孔隙水壓力測量技術存在的不足，本發明提供一種成本低廉、易于施工和維護的一種土體深層沉降和孔隙水壓力測量裝置及測量方法。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：
一種土體深層沉降和孔隙水壓力測量裝置，包括位于測點處的透水頭、液體管和用于測量液體管的測量端的壓強的壓強傳感器，所述液體管包括第一液體管和第二液體管，所述第一液體管內的液體容重與所述第二液體管內的液體容重不同，所述第一液體管的測點端與所述第二液體管的測點端均位于所述透水頭內，所述第一液體管內的液體壓力平衡面、所述第二液體管內的液體壓力平衡面均與測點處在同一位置上，所述第一液體管的測量端與所述第二液體管的測量端分別與所述壓強傳感器連接。
進一步，所述壓強傳感器設置有兩個，分別為第一壓強傳感器和第二壓強傳感器，所述第一液體管的測量端與所述第一壓強傳感器連接，所述第二液體管的測量端與所述第二壓強傳感器連接。
一種土體深層沉降和孔隙水壓力測量裝置實現的測量方法，所述測量方法包括以下步驟：
1)首先將透水頭設置在測點處，并將第一液體管的測量端和第二液體管的測量端分別與壓強傳感器連接；
2)壓強傳感器分別讀取第一液體管的測量端和第二液體管的測量端的壓強值PA和PB；
3)計算測點高程和測點處孔隙水壓強：
3.1)根據測點處的壓力平衡原理可得下式：
PA+h高差×γA＝PB+h高差×γB； (1)
式中γA、γB分別為第一液體管中液體的容重和第二液體管中液體的容重，單位為N/m3；h高差為測點到壓強傳感器之間的高差，單位為m；PA、PB單位為Pa；
上式可以轉化為h高差＝(PA-PB)/(γB-γA)； (2)
記第一液體管和第二液體管測量端的壓力差為P差則有：
P差＝PA-PB (3)
h高差＝P差/(γB-γA)； (4)
在已知壓強傳感器高程H傳感器的條件下可以計算測點高程：
H測點＝H傳感器-h高差； (5)
分析H測點的數值變化就可以得知測點的沉降情況；
3.2)測點處孔隙水壓強為：
P測點＝PA+h高差×γA或P測點＝PB+h高差×γB； (6)
式中，γA、γB分別為第一液體管中液體的容重和第二液體管中液體的容重，單位為N/m3；PA、PB分別為壓強傳感器對第一液體管的測量端和第二液體管的測量端的壓強值，單位為Pa；h高差為測點到壓強傳感器之間的高差，單位為m。
一種土體深層沉降和孔隙水壓力測量裝置，包括位于測點處的透水頭、第一液體管和第二液體管、用于測量第一液體管與第二液體管之間壓強差的壓差傳感器和用于測量液體管的測量端的壓強的壓強傳感器，所述第一液體管內的液體容重與所述第二液體管內的液體容重不同，所述第一液體管的測點端與所述第二液體管的測點端均位于所述透水頭內，所述第一液體管的測量端和所述第二液體管的測量端分別與所述壓差傳感器連接，所述壓強傳感器與第一液體管、第二液體管、另設的第三液體管中的其中一個液體管的測量端連接，所述第一液體管內的液體壓力平衡面、所述第二液體管內的液體壓力平衡面、所述第三液體管內的液體壓力平衡面均與測點處在同一位置上。
進一步，所述第三液體管的測點端位于所述透水頭內。
一種土體深層沉降和孔隙水壓力測量裝置實現的測量方法，所述測量方法包括以下步驟：
1)首先將透水頭設置在測點處，并將第一液體管的測量端和第二液體管的測量端分別與壓差傳感器連接，同時用壓強傳感器與第一液體管、第二液體管、另設的第三液體管中的其中一個液體管的測量端連接；
2)壓差傳感器讀取第一液體管的測量端和第二液體管的測量端的壓強差P差，壓強傳感器讀取第一液體管、第二液體管、另設的第三液體管中的其中一個液體管的測量端的壓強Pc；
3)計算測點高程和測點處孔隙水壓強：
3.1)根據測點處的壓力平衡原理可得下式：
P差＝h高差×γB-h高差×γA； (7)
式中γA、γB分別為第一液體管中液體的容重和第二液體管中液體的容重，單位為N/m3；h高差為測點到壓差傳感器之間的高差，單位為m；P差單位為Pa；
上式可以轉化為h高差＝P差/(γB-γA)； (4)
在已知壓差傳感器高程H傳感器的條件下可以計算測點高程：
H測點＝H傳感器-h高差； (5)
分析H測點的數值變化就可以得知測點的沉降情況；
3.2)測點處孔隙水壓強為：
P測點＝Pc+h高差×γC (8)
式中，γC為與壓強傳感器連接的液體管中液體的容重；Pc為壓強傳感器測量值，單位為Pa；h高差為測點到壓差傳感器之間的高差，單位為m。
本發明的有益效果主要表現在：成本低廉、易于施工和維護，可以適用于各類復雜地基的沉降觀測和孔隙水壓力觀測，可以大大減小現場施工人員的工作強度，在工程實踐中有較大的應用價值；具體如下：
1)通過一種方法獲取兩項監測數據，減少安裝和維護工作量；
2)用相對便宜得多的連通液體管即取代了本來需要埋設的昂貴的沉降標、沉降管、孔壓電纜等材料，還可以減少鉆孔埋設的工作量，從而節約成本；
3)由于液體管為柔性材料，相比剛性的沉降管和沉降標更便于引出和保護，具有更強的適用性和實用性；
4)可以引出行車道外進行路面通車后運營期的土層分層沉降觀測；
5)地下埋入部分為不需通電而且結構簡單，實際應用中可以大大降低故障率；壓力傳感器放置在地表或近地表，易于維修和更換，提高監測保證率；
6)在監測任務完成時還可以回收除透水頭和液體管外的絕大部分設備和材料，進一步降低成本。
附圖說明
圖1是一種土體深層沉降和孔隙水壓力測量裝置的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步描述。
參照圖1，一種土體深層沉降和孔隙水壓力測量裝置，包括位于測點處的透水頭1、液體管和用于測量液體管的測量端的壓強的壓強傳感器，所述液體管包括第一液體管2和第二液體管3，所述第一液體管2內的液體容重與所述第二液體管3內的液體容重不同，所述第一液體管2的測點端與所述第二液體管3的測點端均位于所述透水頭內，所述第一液體管2內的液體壓力平衡面、所述第二液體管3內的液體壓力平衡面均與測點處在同一位置上，所述第一液體管2的測量端與所述第二液體管3的測量端分別與所述壓強傳感器4連接。
進一步，所述壓強傳感器設置有兩個，分別為第一壓強傳感器和第二壓強傳感器，所述第一液體管2的測量端與所述第一壓強傳感器連接，所述第二液體管3的測量端與所述第二壓強傳感器連接。該第一壓強傳感器用于測量第一液體管2的測量端液體的壓強，第二壓強傳感器用于測量第二液體管3的測量端液體的壓強。該第一壓強傳感器用于測量第一液體管2的測量端液體的壓強，第二壓強傳感器用于測量第二液體管3的測量端液體的壓強。
一種土體深層沉降和孔隙水壓力測量裝置實現的測量方法，所述測量方法包括以下步驟：
1)首先將透水頭1設置在測點處，并將第一液體管2的測量端和第二液體管3的測量端分別與壓強傳感器4連接；
2)壓強傳感器4分別讀取第一液體管2的測量端和第二液體管3的測量端的壓強值PA和PB；
3)計算測點高程和測點處孔隙水壓強：
3.1)根據測點處的壓力平衡原理可得下式：
PA+h高差×γA＝PB+h高差×γB； (1)
式中γA、γB分別為第一液體管中液體的容重和第二液體管中液體的容重，單位為N/m3；h高差為測點到壓強傳感器之間的高差，單位為m；PA、PB單位為Pa；
上式可以轉化為h高差＝(PA-PB)/(γB-γA)； (2)
記第一液體管和第二液體管測量端的壓力差為P差則有：
P差＝PA-PB (3)
h高差＝P差/(γB-γA)； (4)
在已知壓強傳感器高程H傳感器的條件下可以計算測點高程：
H測點＝H傳感器-h高差； (5)
分析H測點的數值變化就可以得知測點的沉降情況；
3.2)測點處孔隙水壓強為：
P測點＝PA+h高差×γA或P測點＝PB+h高差×γB； (6)
式中，γA、γB分別為第一液體管中液體的容重和第二液體管中液體的容重，單位為N/m3；
PA、PB分別為壓強傳感器對第一液體管的測量端和第二液體管的測量端的壓強值，單位為Pa；h高差為測點到壓強傳感器之間的高差，單位為m。
一種土體深層沉降和孔隙水壓力測量裝置，包括位于測點處的透水頭、第一液體管和第二液體管、用于測量第一液體管與第二液體管之間壓強差的壓差傳感器和用于測量液體管的測量端的壓強的壓強傳感器，所述第一液體管內的液體容重與所述第二液體管內的液體容重不同，所述第一液體管的測點端與所述第二液體管的測點端均位于所述透水頭內，所述第一液體管的測量端和所述第二液體管的測量端分別與所述壓差傳感器連接，所述壓強傳感器與第一液體管、第二液體管、另設的第三液體管中的其中一個液體管的測量端連接，所述第一液體管內的液體壓力平衡面、所述第二液體管內的液體壓力平衡面、所述第三液體管內的液體壓力平衡面均與測點處在同一位置上。
進一步，所述第三液體管的測點端位于所述透水頭內。
一種土體深層沉降和孔隙水壓力測量裝置實現的測量方法，所述測量方法包括以下步驟：
1)首先將透水頭設置在測點處，并將第一液體管的測量端和第二液體管的測量端分別與壓差傳感器連接，同時用壓強傳感器與第一液體管、第二液體管、另設的第三液體管中的其中一個液體管的測量端連接；
2)壓差傳感器讀取第一液體管的測量端和第二液體管的測量端的壓強差P差，壓強傳感器讀取第一液體管、第二液體管、另設的第三液體管中的其中一個液體管的測量端的壓強Pc；
3)計算測點高程和測點處孔隙水壓強：
3.1)根據測點處的壓力平衡原理可得下式：
P差＝h高差×γB-h高差×γA； (7)
式中γA、γB分別為第一液體管中液體的容重和第二液體管中液體的容重，單位為N/m3；h高差為測點到壓差傳感器之間的高差，單位為m；P差單位為Pa；
上式可以轉化為h高差＝P差/(γB-γA)； (4)
在已知壓差傳感器高程H傳感器的條件下可以計算測點高程：
H測點＝H傳感器-h高差； (5)
分析H測點的數值變化就可以得知測點的沉降情況；
3.2)測點處孔隙水壓強為：
P測點＝Pc+h高差×γc (8)
式中，γc為與壓強傳感器連接的液體管中液體的容重，單位為N/m3；Pc為壓強傳感器測量值，單位為Pa；h高差為測點到壓差傳感器之間的高差，單位為m。
當然，液體管還可以設置兩個以上，比如設置三個、四個用來備用，或是用來進行校準。
本實施例中，壓強傳感器安裝在易維護的位置；所述的液體管是指充滿同一液體的液體管，即液體管內的液體從測點端的壓力平衡面一直到測量端的傳感器測量面是連續充滿的。
本發明的設計原理為：通過壓力平衡原理間接測量土體深層沉降和土體中孔隙水壓力，具體為：
測點處的孔隙水壓力透過位于該處的透水頭1將壓力作用在第一液體管2位于透水頭中的測點端21和第二液體管3位于透水頭中的測點端31，壓力分別通過兩根液體管傳到測量端的壓強傳感器4，壓強傳感器分別讀取第一液體管2和第二液體管3測量端22和32的壓強值PA和PB；通過對PA、PB、第一液體管中的液體容重γA和第二液體管中的液體容重γB和測點頭處的壓力平衡公式，可以得出測點處與壓強傳感器之間的高差H高差，通過測量壓強傳感器的高程可以推算出測點處的高程及沉降情況；通過壓力值PA、γA、H高差(或PB、γB、H高差)應用連通管壓力平衡原理可以計算得出測點處的孔隙水壓強值P測點；該方法安裝簡單，操作方便，適用性強，易于維護，可以有效提高測量保證率和降低成本。
實例一：
方案采用如下裝置：第一液體管、第二液體管、透水頭和可以測量第一液體管的測量端和第二液體管的測量端壓強的壓強傳感器，第一液體管內裝煤油煤油容重為γA＝8000N/m3；第二液體管內裝水，水容重為γB＝10000N/m3。2016年10月5日測得PA＝121000Pa、PB＝102000Pa、傳感器高程為23.365m；
2016年10月15日測得PA＝117048Pa、PB＝98600Pa、傳感器高程為23.298m；。
計算測點高程和孔隙水壓強為：
2016年10月5日：
h高差＝(PA-PB)/(γB-γA)
＝(121000-102000)/(10000-8000)＝9.500m
測點高程H測點＝23.365-9.5＝13.865m
測點的孔隙水壓強P測點＝PA+h高差×γA
＝121000+9.5×8000＝197000Pa。
2016年10月15日：
h高差＝(PA-PB)/(γB-γA)
＝(117048-98000)/(10000-8000)＝9.524m
測點高程H測點＝23.298-9.524＝13.774m
測點孔隙水壓強P測點＝PA+h高差×γA
＝117048+9.524×8000＝193240Pa。
2016年10月5日-2016年10月15日期間的
沉降量＝13.865-13.774＝0.091m。
實例二：
方案采用如下裝置：第一液體管、第二液體管、第三液體管、透水頭、用于測量第一液體管的測量端與第二液體管的測量端的壓強差的壓差傳感器和用于測量第三液體管的測量端的壓強的壓強傳感器，壓差傳感器的高程和壓強傳感器的高程一樣，第一液體管內裝煤油，煤油容重為γA＝8000N/m3；第二液體管內裝水，水容重為γB＝10000N/m3；第三液體管內裝水，水容重為γC＝10000N/m3。2016年10月5日測得第一液體管和第二液體管的壓強差P差＝15260Pa、第三液體管的壓強值Pc＝99880Pa、傳感器高程為23.400m；2016年10月15日測得第一液體管和第二液體管的壓強差P差＝15342Pa、第三液體管的壓強值Pc＝97630Pa、傳感器高程為23.335m。
計算測點高程和孔隙水壓強為：
2016年10月5日：
h高差＝P差/(γB-γA)＝15260/(10000-8000)＝7.630m
測點高程H測點＝23.400-7.630＝15.770m
測點孔隙水壓力P測點＝Pc+h高差×γC
＝99880+7.63×10000＝176180Pa。
2016年10月15日：
h高差＝P差/(γB-γA)
＝15342/(10000-8000)＝7.671m
測點高程H測點＝23.335-7.671＝15.664m
測點孔隙水壓力P測點＝Pc+h高差×γC
＝97630+7.671×10000＝174340Pa。
2016年10月5日-2016年10月15日期間的
期間沉降量＝15.770-15.664＝0.106m。
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