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钻孔测斜仪在滑坡位移量测中的应用
滑动水平位移的测量通常采用倾斜测量法进行。测斜仪是一种量测仪器轴线与铅垂线之间夹角的变化量,进而计算出岩土层各点的水平位移大小的仪器。钻孔测斜仪由于监测深度大、监测点连续性好及监测可靠性高,已广泛应用于土石坝、边坡、填方、开挖及地下工程岩土体内部水平位移量测。1孔倾斜试验1.1孔口的接长与管口保护在岩土体内预钻终孔孔径不小于110mm的钻孔(可结合工程地质勘探进行),然后利用人力或钻机向钻孔内逐节安放测斜管直至所需深度,测斜管周围用4∶1的水泥砂浆回填密实,保护好孔口。具体步骤如下:a.成孔。根据设计要求,测斜孔应为铅直孔(孔斜<1°),钻孔终孔孔径为110mm,泥浆或植物胶护壁。b.测斜管的接长。接长测斜管的方法可采用一次接成或连接成几段,或逐节在孔口接成所需的长度。前者适用于孔深不大的监测孔,后者适用于埋设孔的深度较深的情况。工程实践中,测斜管的接长可采用现场两节逐渐加长的方法,这样既方便又可行。测斜管连接时,应特别注意导向槽要对正,用自攻螺丝固紧,外周用防水胶带缠封。用人力或钻机将接装好的两节测斜管对正施测方向缓慢放下,至孔内约3.5m(两节长4.0m)深度后,将其固定并连接已预接好的下两节管。依此类推,直到测斜管接长达到孔底。c.量测导向槽方向。用经纬仪或罗盘量测导向槽方向,使其对准欲测的方向。d.孔的回填。在测斜管与孔壁之间的孔隙用水泥、砂浆进行回填,振动捣实,使之成为整体。e.孔口保护。管口以下约0.5~1.0m范围内加设保护钢管,并浇混凝土墩固定管口。在管口上安装保护盖,以防人为损坏和杂物掉入。1.2管口距离及测点距离的计算量测时(初始值一般取测斜管埋设回填灌浆后28天的读数),将测斜探头沿钻孔缓慢下放到孔底,从测斜管底自下而上每0.5m(或1.0m)一个测点,逐次测量管轴线与铅垂线的夹角αi,并记录测点至管口的距离。计算每个测点相对自己初始值的位移变化量(相对位移)Δdi,自下(孔底)而上逐次把每一测点的相对位移累加起来,直至某计算点,即得到该计算点的累计位移di,即di=n∑i=1Δdi=n∑i=1lsinαi(1)di=∑i=1nΔdi=∑i=1nlsinαi(1)式中:di为自固定点的管底端以上i点处水平位移;Δdi为量测段内的水平位移增量;l为测点的分段长度,一般取0.5m(探头上下两组滑轮间的距离一般为0.5m);αi为量测段内管轴线与铅垂线的夹角;n为测孔的分段目,n=h/0.5,h为孔深。若计算点为地表,即得到地表的累积位移。2监测数据处理2.1偶然误差影响目前钻孔倾斜量测多用伺服加速度式测斜仪,是通过测头内加速计测量重力矢量g在传感器轴线垂直面上的分量大小来实现的。加速度计敏感轴在水平面内时,矢量g在敏感轴上的投影为零;当加速度计敏感轴与水平面存在一个倾角αi时,这时加速度计输出了一个电压信号。每次观测,测斜仪探头轴线误差必须进行修正。同一方向的观测应正、反方向各测一次,取其测值之差的平均值,以消除仪器装配的轴面误差、零漂及温度的影响。同一测点正、反方向两次测值之和的平均值为近似一常数,利用这一近似常数可随时检验某一测点测值的正确性。预先估计滑坡最大位移方向X和最小位移方向Y。监测时每次测出各点的信号电压U+X,U-X,U+Y,U-Y,位移计算方法为:Xji=f(U+Xji-U-Xji)/2-f(U+X1-U-X1)/2Xzji=n∑i=1Xji(2)Yji=f(U+Yji-U-Yji)/2-f(U+Y1-U-Y1)/2Yzji=n∑i=1Yji(3)Ρji=√X2zji+Y2zjiαji=arctan±(|Yzji/Xzji|)(4)Xji=f(U+Xji−U−Xji)/2−f(U+X1−U−X1)/2Xzji=∑i=1nXji(2)Yji=f(U+Yji−U−Yji)/2−f(U+Y1−U−Y1)/2Yzji=∑i=1nYji(3)Pji=X2zji+Y2zji−−−−−−−−−√αji=arctan±(|Yzji/Xzji|)(4)式中,Xji为第j次第i点X方向的相对初值位移(相对位移);Xzji为第j次第i点X方向的相对初值累积位移;Yji为第j次第i点Y方向的相对初值位移(相对位移);Yzji为第j次第i点Y方向的相对初值累积位移;f为仪器的灵敏系数;Pji为第j次第i点的水平合位移;αji为第j次第i点合位移方向与X方向的夹角,通过方位转换,可计算出某一次、某一点的合位移方向角。随着科学技术的发展,测斜仪器的装配轴面误差、仪器的长期零漂以及系统误差都很小且比较稳定,在同一次量测中,均可认为是常数,其正、反方向测值也应相等。在同一次量测的短时间内,即使监测深度较深(但一般小于100m),由气温变化引起的测值漂移可认为不变,其温漂可认为是常数。只有偶然误差对测值影响较大,且每次量测的偶然误差都可能不一样。有必要分析量测偶然误差对测值的影响。据此,第j次第i点X方向的测值可写为:X+ji=A+ε+ji,X-ji=-A+ε-ji(5)X+ji=A+ε+ji,X−ji=−A+ε−ji(5)则:Sji=(X+ji+X-ji)/2=(ε+ji+ε-ji)/2(6)式中,A为除偶然误差影响之外的准真值;ε+ji,ε-ji为第j次第i点的正反方向测值的偶然位移误差。设ε+ji和ε-ji都服从正态分布,且ε+ji和ε-ji的均值都为0;则ε+ji+ε-ji,ε+ji-ε-ji,∑(ε+ji+ε-ji)及∑(ε+ji-ε-ji)也都服从正态分布。且均值E(ε+ji+ε-ji)=E(ε+ji-ε-ji)=0,根据数学期望与方差的性质及计算公式,则:数学期望:E(Sji)=E[(ε+ji+ε-ji)/2]方差:D(Sji)=D[(ε+ji+ε-ji)/2]=[D(ε+ji)+D(ε-ji)]/4因D(ε+ji-ε-ji)=D(ε+ji)+D(ε-ji)所以D(Sji)=D(ε+ji-ε-ji)/4=D[(ε+ji-ε-ji)/2]则:D(n∑i=1ε+ji-ε-ji2)=n∑i=1D(ε+ji-ε-ji2)=n∑i=1D(Sji)(n为测孔的分段数)(7)D(∑i=1nε+ji−ε−ji2)=∑i=1nD(ε+ji−ε−ji2)=∑i=1nD(Sji)(n为测孔的分段数)(7)上式表明,正、反方向测值偶然误差差值的方差可以通过计算该次各测点的正、反方向的测值和的方差得出。这也正是根据同一测点正、反方向两次测值之和是否近似一常数来检验该点测值是否正确的原因。令:δ=√n∑i=1D(Sji)δ=∑i=1nD(Sji)−−−−−−−−√则δ=√n∑i=1D(Sji)=√nE[D(Sji)]δ=∑i=1nD(Sji)−−−−−−−−√=nE[D(Sji)]−−−−−−−−−√(n为测孔的分段数)(8)可以看出,量测偶然误差与测点数平方根成正比,也即与测斜管深度的平方根成正比。据此可推算测斜管任一深度处的量测误差。据文献,当测斜管深为30m时,若δ<1mm,量测质量是好的;若δ=1~1.5mm,量测结果也可采用;若δ>1.5mm,则量测结果存在质量问题,应予重测。2.2滑轮深度和滑轮长度的变化在实际量测过程中发现,某位置的测读深度(电缆线所标示的深度)Hi,实际上并不代表该位置的垂直深度。滑坡深部某处(如滑面)的垂直深度hi应为:hi=(Ηi-l/2-a)cosθi(9)hi=(Hi−l/2−a)cosθi(9)式中,hi为某处(如滑面)的垂直深度;Hi为某处沿测斜管到地面的长度;l为探头上下两组滑轮间的距离(一般为0.5m);a为探头下组滑轮到探头底端的长度;θi为某处测斜管与铅垂方向的夹角。当θi=0,即测斜管没发生位移时,hi=Hi-l/2-a;随着θ的增大,即滑坡位移的增大,其差值Δhi=Hi-hi也越大。在滑坡稳定性分析中,这一差值可以不予考虑。但对工程滑坡而言,在优化滑坡整治工程设计方案时,应对监测到的滑面深度加以修正,特别对大型滑坡整治工程而言,可能会节约不少资金。3滑动面深度监测在川藏公路二郎山某工程滑坡钻孔倾斜量测中,使用了南京水利电力仪器工程公司生产的GC-1型伺服加速度式测斜仪,其主要技术参数为,f1=0.02mm/0.1mV,f2=8.4″/0.1mV,l=0.5m。图1为该工程滑坡1999年7月3日~2000年3月2日X方向的深部累积位移监测曲线。可以看出,在33.5m,29.5m和23.5m处有较明显的三个滑动或潜在滑动面。2000年3月2日自下而上三个滑动面处的方位角分别为S26°W,S45°W和S37°W,指向滑坡主滑方向(SW)。沿滑坡主滑方向正、反方向(X+,X-)监测值和数位移平均值Sji沿深度的分布如图2所示。经计算得滑坡主滑方向(X方向)正(X+)、反(X-)方向监测值之和的平均值均方差(δ)如表1所列。可以看出,正、反方向监测值和数平均值位移Sji在1.8mm左右摆动,均方差除1999年7月9日稍大于1.50mm外,其余都小于1.50mm,量测结果符合要求。目前滑坡地表变形破坏迹象也证明了深部位移监测曲线的正确性。依据上述监测深度修正公式,对2000年3月2日的监测资料进行了滑动面深度的修正。计算修正后自下而上三个滑动面的深度分别为32.89m,29.00m和23.15m,比修正前分别减少了0.61m,0.50m和0.35m,与工程地质勘探钻孔揭示的滑动面深度相对应,证
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