测斜仪

监测土体位移的仪器

测斜仪是一种用于测量钻孔、基坑、地基基础、墙体和坝体坡等工程构筑物的顶角、方位角的仪器。

测斜仪

分为便携式测斜仪和固定式测斜仪，便携式测斜仪分为便携式垂直测斜仪和便携式水平测斜仪，固定式分为单轴和双轴测斜仪，应用最广的是便携式测斜仪。测斜仪是一种通过测定钻孔倾斜角从而求得水平向位移的原位监测仪器。

测斜仪的基本配置包括测斜仪套管、测斜仪探头、控制电缆及测斜读数仪。

原理

测斜管通常安装在穿过不稳定土层至下部稳定地层的垂直钻孔内。使用数字垂直活动测斜仪探头，控制电缆，滑轮装置和读数仪来观测测斜管的变形。第一次观测可以建立起测斜管位移的初始断面。其后的观测会显示当地面发生运动时断面位移的变化。观测时，探头从测斜管底部向顶部移动，在半米间距处暂停并进行测量倾斜工作。探头的倾斜度由两支受力平衡的伺服加速度计测量所得。一支加速度计测量测斜管凹槽纵向位置，即测斜仪探头上测轮所在平面的倾斜度。另一支加速度计测量垂直于测轮平面的倾斜度。倾斜度可以转换成侧向位移。对比当前与初始的观测数据，可以确定侧向偏移的变化量，显示出地层所发生的运动位移。绘制偏移的变化量可以得到一个高分辨率的位移断面图。此断面图有助于确定地面运动位移的大小，深度，方向和速率。

测斜仪的工作原理图2所示。当测斜探头在测斜管内自下而上逐段滑动测量时，探头内的传感器敏感地反映出测斜管在每一深度段L处的倾斜角度变化，进而根据倾斜角求出不同高程处的水平位移增量，即，由测斜管底部测点开始逐段累加，可得任一高程处的水平位移，即，式中：di为第i测量段的水平位移增量；θi为第i测量段管轴线与铅垂线的夹角；Sj为测斜管底端固定点(i=0)以上i=j点处的位移。

在测斜仪观测时，为了消除和减少仪器的零漂及装配误差等，应在位移的正方向及测头调转180度以后的反方向各测读一次数据，取正反两方向测读数据的代数平均值作为倾角测值。

特点

性能卓越：便携式数字垂直活动测斜仪以其耐久性，高精度和反应快速而赢得世界广泛的赞誉。

可重复探测：为确保在各种测斜管上同样可以探测，测斜仪探头配备了坚固的轮架，密封的轮轴和特殊设计的测轮。

使用寿命长：探头结构紧凑，允许通过小半径曲线，安装使用期限超过了其他所有厂商的测斜仪。

计算机率定：每个测斜仪探头都经过专门设计的计算机率定工作台严格率定。

可靠的控制电缆：控制电缆非常耐用而且便于搬运，即使在低温下也可以保持灵活耐用的特点。控制电缆还具有耐化学腐蚀及耐磨损的特性，并提供了极好的空间稳定性。柔韧的橡皮深度标记永久可靠地硬化在电缆护套上。标记不会松散，也没有会损坏电缆护套及导线的毛刺。

深度控制一致：滑轮装置为推荐辅助设备，它有助于操作者完成统一的深度控制。只能单向活动的电缆夹具确保了探头的位置一致。

系统的完整性：测斜仪系统包括高质量的测斜管，垂直和水平的活动测斜仪，垂直和水平的固定测斜仪，记录读数装置，图表分析软件和专用附件。

技术指标

分辨率：0.02mm/500mm；

重复性： ±0.01%FS；

系统精度：±6mm/50 个读数，通过软件的修正程序可以得到更高的精度；

温度范围：-20 至 50 ℃；

尺寸：26 × 650 mm。

仪器性能

1、高精度：倾斜角精度0.01°，方位角精度1°；

2、海量存储：可存9999根桩的数据；

3、低功耗：连续工作超过24小时；

4、测量参数：倾斜角、方位角；

5、显示方式：中文液晶显示；

6、报警设置：量程范围内任意设定；

7、供电方式：内置可充电锂电池；

8、外形尺寸：150（mm）×65（mm）×43（mm）； V型接触面；

9、重量：0.5kg。

监测应用步骤

不同测斜仪的工作流程都大同小异。现以南京葛南事业有限公司生产的GN-1A型固定式测斜仪来介绍其工作流程。

准备工作

布置观测点与成孔：对于一个场地或者结构物,观测点应该因地制宜，合理布置。一般要求相邻观测点的水平距离为一个成孔深，也可根据岩土工程等级适当加密或减少观测点。施工时尽量要求钻孔是铅锤的，偏差角应小于2°。终孔直径应大于测斜管外径30mm，钻孔深度应超过最深位移带5m。所有钻孔在埋设测斜管前应该进行验收，合格后才能埋设。

测斜管的安装：测斜管的安装质量是测试效果的关键，应该遵循如下步骤：1）将测斜管装上管底盖，用螺丝或胶固定；2）将测斜管按顺序逐根放入钻孔中，测斜管与测斜管之间用接管连接，并用螺丝固定。测斜管在安装中应注意导槽的方向，导槽方向必须与设计要求定准的方向一致。将组装好的测斜管按次序逐节放入钻孔中，直至孔口；3）当确认测斜管安装完好后即可进行回填(一般用膨润土球或原土沙）。回填时每填至3～5m时要进行一次注水，使膨润土球或原土沙遇水后，与孔壁结合的牢固，直至孔口；4）测斜管地表管口段浇注混凝土，做成混凝土墩台以保护管口和管口转角的稳定性。墩台上应设置位移和沉降观测标点；5）露在地表上的测斜管应注意做好保护，盖上管盖，防止物体落入；6）安装完成后的测斜管应先用模拟测斜仪试放，试放时测斜管互成90°的两个导向槽都应从上到下试放到，保证模拟测斜仪顺测斜管能顺畅通过。

测斜仪的组装：在测试之前必须对测斜仪进行检验校正，并做好测试前的准备工作，再进行组装。

测试过程

首先将测斜仪置入测斜管内，要使导向轮完全进入导向槽内。方向应为导向轮的正向与被测位移坐标(+X)的正向一致时测值为正，相反为负。然后根据电缆上标明的记号，每基本长度测读一次测斜管轴线相对基准轴线的倾角。测试方式应遵循下面两个要点:当测斜管下部可靠固定在基岩中(埋入深度应大于5000mm)，可认定基岩没有位移。此时测量可至下而上测读一次，直至管口；当测斜管底部悬挂(底部未与基岩固定)，此时测量应由上至下进行测量。

监测数据采集与整理分析

监测数据的采集与整理分析过程一般采用自动化集成处理系统。这种自动数据采集和处理系统，可成倍地提高工作效率和质量。它是根据测斜仪的参数和有关计算公式编制计算机程序，其成果以表格和图形形式输出。

减少误差措施

为提高测量精度，在测量时，当四个导向轮在某一个测量段没有完全进入导向槽时，算术和值S会出现较大的变化。因此在测量时一定要使四个导向轮完全进入导向槽中，在测管的接头处可反复多测几次。如果某一、两处的和值与正常值明显偏差过大可剔除不用。这都是由于一头导向轮不在导向槽中引起的，这种情况多发生在管接头处。

为了消除系统误差，每个方向(±X，±Y)的位移(倾角)应逐段正、反方向各测读一次，取其差值的一半计算各段位移量。即：F=[（+X，+Y）-（-X，-Y）]/2，式中：F为倾斜仪的实时电测量值，单位为mv；± X，± Y为每个方向的测试读数，单位为mv。

由于整个测斜管所有同段上正、反方向两次测值和的一半的计算值，应为测斜仪的理论铅直状态下的读数值，此F应为定值。如果测值F有离散性，可能是下面四种情况引起的:1）测斜仪前、后两组导轮的几何形心的连线在正、反两次测量时不完全平行；2）导向轮与导向槽的配合不好；3）导向轮与轮架之间的间隙太大；4）测斜管与膨润土球或原土沙固结不好。

使用注意事项

测斜仪使用中有五个误区：

（1）位移～深度曲线作法：位移～深度曲线即位移随深度的变化曲线，是测斜仪最重要的监测成果曲线，然而在长期的监测实践中发现，测读时很容易出错。

（2）每1m测读一次时的数据处理：当测斜孔深度较大，同时倾斜角随深度的变化较小时，为了加快测量进度，往往采用每1m测读一次的方式进行。然而在数据处理过程中，工程人员往往仍沿用每0.5m测读一次时的数据处理方法。这将导致所作的位移～深度曲线与实际不符。

（3）“累计位移”与“相对位移”的区别：位移有累计位移与相对位移之分。所谓累计位移，即计算点相对于孔底的位移;相对位移，是指计算点相对其本身初始值的位移变化值。同时又有工程人员将位移曲线分为绝对位移曲线和相对位移曲线。所谓绝对位移曲线，即按每次测读数据单独作出的位移曲线;相对位移曲线，即将每次测读数据所得位移值减去测斜管初始位移值后所作出的曲线。显然，绝对位移与累计位移是同一个概念。

然而，累计位移(或绝对位移)与相对位移在概念上是错误的。测斜管在埋设完毕之后一般不可能完全呈铅垂状态，即初始时刻已经存在倾斜，但是该倾斜显然并不能称之为“位移”，而累计位移即是将初始倾斜值作为其位移的一部分，因此，累计位移在概念上是错误的。而相对位移为土体确实发生的位移，并不是相对的，应改称之为“位移”。

（4）正反两测回读数差值问题：零漂对位移结果并无影响，通过标准两测回和数据处理过程，零漂能被有效消除，最后得出的位移值U是正确的。此外可以看出，校核累计值正好为零漂值的两倍，是一个常数。因此，如果校核累计值为常数，那么表示U0和U180之间的差值只是由仪器零漂引起，这对测量结果来说是无影响的。而如果校核累计值不稳定，往往反映了测斜管内存在异物等其它因素，这些因素无法通过两测回的方法得以消除，从而导致所测位移值与实际不符。故从位移测读方面来看，校核累计值应是越稳定越好，尤其是当其为常数时最佳。

（5）判别测斜管底部发生位移的方法：测斜数据处理中，假设底部为位移零点。由于测斜管底部通常嵌入稳定的基岩内，因此该假设一般来说是合理的。然而在深厚软土层中，测斜管底部亦可能发生位移。通常情况下，通过测读数据无法判别底部是否发生移动，然而在某些特殊情况下，这是可以实现的。

用后保养

测斜仪的使用注意事项：

工程实例

经过几十年的理论研究和应用实践，测斜仪越来越向轻便、简易、自动化方向发展，由此产生的效果也越来越明显。为保证岩土工程设计、施工及其运行安全，各种各样的测斜仪发挥了重要的作用。相信随着岩土工程信息化建设，各种监测方法将会得到广泛重视。

工程概况

LNG电厂，广东省惠州市大亚湾壳牌石油项目旁。该厂东临大海，北为丘陵地貌。地基处理面积约36.06万m2。本次试验区监测与检测，面积约900m2。根据深圳市勘察测绘院提供的工程地质勘察报告表明，场地内无揭露淤泥质土之类的软弱下卧土层。试验区内采用强夯、碾压加固的处理方法。测斜仪监测的主要目的是监测强夯过程中引起的土体侧向位移。

设计布置

按照设计及规范要求，共布设3个监测点(靠近海边)，位置按设计方要求布设。测斜监测分别在地面下约1.5、2.5、4.5、5.5m处进行。测斜管埋设好后，强夯施工前每天观测1次，强夯施工时加密观测，以后每天观测一次，总共监测时间为一个月。

监测数据采集与处理

监测使用的仪器是南京葛南事业有限公司生产的GN-1A型固定式测斜仪，通过自动数据采集和处理系统，可以得到测斜仪监测成果表。

监测意义

在场地强夯过程中，场地土体发生了结构和性质上的转变：一方面，场地中心区域的土体得到加密，甚至部分土体发生隆起(分析原因可能是夯点间距过小或夯击能量过大)；另一方面，场地中心的土体会挤压周边的土体，特别是靠近海边的土体具有凌空面，凌空面的高度4～6m，肉眼可以发现凌空面在强夯过程中发生明显变化，局部地区甚至发生少量土体坍塌。在靠近海边的区域等距离布置了3个监测孔。经过对布置的3个孔进行监测，可以得到场地强夯过程中引起的土体侧向位移情况，为场地强夯施工提供了及时的监测信息，从而及时修改强夯点距和夯击能量。通过对面积约900m2的试验区监测，得到最佳强夯点距为6～7m，夯击能量为2000kN·m。这样既可以满足场地地基承载力的设计值，又防止靠近海边的土体发生倾斜或坍塌。

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