鉆孔測斜儀在滑坡位移量測中的應(yīng)用

鉆孔測斜儀在滑坡位移量測中的應(yīng)用

滑動水平位移的測量通常采用傾斜測量法進行。測斜儀是一種量測儀器軸線與鉛垂線之間夾角的變化量,進而計算出巖土層各點的水平位移大小的儀器。鉆孔測斜儀由于監(jiān)測深度大、監(jiān)測點連續(xù)性好及監(jiān)測可靠性高,已廣泛應(yīng)用于土石壩、邊坡、填方、開挖及地下工程巖土體內(nèi)部水平位移量測。1孔傾斜試驗1.1孔口的接長與管口保護在巖土體內(nèi)預(yù)鉆終孔孔徑不小于110mm的鉆孔(可結(jié)合工程地質(zhì)勘探進行),然后利用人力或鉆機向鉆孔內(nèi)逐節(jié)安放測斜管直至所需深度,測斜管周圍用4∶1的水泥砂漿回填密實,保護好孔口。具體步驟如下:a.成孔。根據(jù)設(shè)計要求,測斜孔應(yīng)為鉛直孔(孔斜<1°),鉆孔終孔孔徑為110mm,泥漿或植物膠護壁。b.測斜管的接長。接長測斜管的方法可采用一次接成或連接成幾段,或逐節(jié)在孔口接成所需的長度。前者適用于孔深不大的監(jiān)測孔,后者適用于埋設(shè)孔的深度較深的情況。工程實踐中,測斜管的接長可采用現(xiàn)場兩節(jié)逐漸加長的方法,這樣既方便又可行。測斜管連接時,應(yīng)特別注意導(dǎo)向槽要對正,用自攻螺絲固緊,外周用防水膠帶纏封。用人力或鉆機將接裝好的兩節(jié)測斜管對正施測方向緩慢放下,至孔內(nèi)約3.5m(兩節(jié)長4.0m)深度后,將其固定并連接已預(yù)接好的下兩節(jié)管。依此類推,直到測斜管接長達(dá)到孔底。c.量測導(dǎo)向槽方向。用經(jīng)緯儀或羅盤量測導(dǎo)向槽方向,使其對準(zhǔn)欲測的方向。d.孔的回填。在測斜管與孔壁之間的孔隙用水泥、砂漿進行回填,振動搗實,使之成為整體。e.孔口保護。管口以下約0.5～1.0m范圍內(nèi)加設(shè)保護鋼管,并澆混凝土墩固定管口。在管口上安裝保護蓋,以防人為損壞和雜物掉入。1.2管口距離及測點距離的計算量測時(初始值一般取測斜管埋設(shè)回填灌漿后28天的讀數(shù)),將測斜探頭沿鉆孔緩慢下放到孔底,從測斜管底自下而上每0.5m(或1.0m)一個測點,逐次測量管軸線與鉛垂線的夾角αi,并記錄測點至管口的距離。計算每個測點相對自己初始值的位移變化量(相對位移)Δdi,自下(孔底)而上逐次把每一測點的相對位移累加起來,直至某計算點,即得到該計算點的累計位移di,即di=n∑i=1Δdi=n∑i=1lsinαi(1)di=∑i=1nΔdi=∑i=1nlsinαi(1)式中:di為自固定點的管底端以上i點處水平位移;Δdi為量測段內(nèi)的水平位移增量;l為測點的分段長度,一般取0.5m(探頭上下兩組滑輪間的距離一般為0.5m);αi為量測段內(nèi)管軸線與鉛垂線的夾角;n為測孔的分段目,n=h/0.5,h為孔深。若計算點為地表,即得到地表的累積位移。2監(jiān)測數(shù)據(jù)處理2.1偶然誤差影響目前鉆孔傾斜量測多用伺服加速度式測斜儀,是通過測頭內(nèi)加速計測量重力矢量g在傳感器軸線垂直面上的分量大小來實現(xiàn)的。加速度計敏感軸在水平面內(nèi)時,矢量g在敏感軸上的投影為零;當(dāng)加速度計敏感軸與水平面存在一個傾角αi時,這時加速度計輸出了一個電壓信號。每次觀測,測斜儀探頭軸線誤差必須進行修正。同一方向的觀測應(yīng)正、反方向各測一次,取其測值之差的平均值,以消除儀器裝配的軸面誤差、零漂及溫度的影響。同一測點正、反方向兩次測值之和的平均值為近似一常數(shù),利用這一近似常數(shù)可隨時檢驗?zāi)骋粶y點測值的正確性。預(yù)先估計滑坡最大位移方向X和最小位移方向Y。監(jiān)測時每次測出各點的信號電壓U+X,U-X,U+Y,U-Y,位移計算方法為: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為第j次第i點X方向的相對初值位移(相對位移);Xzji為第j次第i點X方向的相對初值累積位移;Yji為第j次第i點Y方向的相對初值位移(相對位移);Yzji為第j次第i點Y方向的相對初值累積位移;f為儀器的靈敏系數(shù);Pji為第j次第i點的水平合位移;αji為第j次第i點合位移方向與X方向的夾角,通過方位轉(zhuǎn)換,可計算出某一次、某一點的合位移方向角。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,測斜儀器的裝配軸面誤差、儀器的長期零漂以及系統(tǒng)誤差都很小且比較穩(wěn)定,在同一次量測中,均可認(rèn)為是常數(shù),其正、反方向測值也應(yīng)相等。在同一次量測的短時間內(nèi),即使監(jiān)測深度較深(但一般小于100m),由氣溫變化引起的測值漂移可認(rèn)為不變,其溫漂可認(rèn)為是常數(shù)。只有偶然誤差對測值影響較大,且每次量測的偶然誤差都可能不一樣。有必要分析量測偶然誤差對測值的影響。據(jù)此,第j次第i點X方向的測值可寫為:X+ji=A+ε+ji,X-ji=-A+ε-ji(5)X+ji=A+ε+ji,X?ji=?A+ε?ji(5)則:Sji=(X+ji+X-ji)/2=(ε+ji+ε-ji)/2(6)式中,A為除偶然誤差影響之外的準(zhǔn)真值;ε+ji,ε-ji為第j次第i點的正反方向測值的偶然位移誤差。設(shè)ε+ji和ε-ji都服從正態(tài)分布,且ε+ji和ε-ji的均值都為0;則ε+ji+ε-ji,ε+ji-ε-ji,∑(ε+ji+ε-ji)及∑(ε+ji-ε-ji)也都服從正態(tài)分布。且均值E(ε+ji+ε-ji)=E(ε+ji-ε-ji)=0,根據(jù)數(shù)學(xué)期望與方差的性質(zhì)及計算公式,則:數(shù)學(xué)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]則:D(n∑i=1ε+ji-ε-ji2)=n∑i=1D(ε+ji-ε-ji2)=n∑i=1D(Sji)(n為測孔的分段數(shù))(7)D(∑i=1nε+ji?ε?ji2)=∑i=1nD(ε+ji?ε?ji2)=∑i=1nD(Sji)(n為測孔的分段數(shù))(7)上式表明,正、反方向測值偶然誤差差值的方差可以通過計算該次各測點的正、反方向的測值和的方差得出。這也正是根據(jù)同一測點正、反方向兩次測值之和是否近似一常數(shù)來檢驗該點測值是否正確的原因。令:δ=√n∑i=1D(Sji)δ=∑i=1nD(Sji)????????√則δ=√n∑i=1D(Sji)=√nE[D(Sji)]δ=∑i=1nD(Sji)????????√=nE[D(Sji)]?????????√(n為測孔的分段數(shù))(8)可以看出,量測偶然誤差與測點數(shù)平方根成正比,也即與測斜管深度的平方根成正比。據(jù)此可推算測斜管任一深度處的量測誤差。據(jù)文獻,當(dāng)測斜管深為30m時,若δ<1mm,量測質(zhì)量是好的;若δ=1～1.5mm,量測結(jié)果也可采用;若δ>1.5mm,則量測結(jié)果存在質(zhì)量問題,應(yīng)予重測。2.2滑輪深度和滑輪長度的變化在實際量測過程中發(fā)現(xiàn),某位置的測讀深度(電纜線所標(biāo)示的深度)Hi,實際上并不代表該位置的垂直深度?；律畈磕程?如滑面)的垂直深度hi應(yīng)為:hi=(Ηi-l/2-a)cosθi(9)hi=(Hi?l/2?a)cosθi(9)式中,hi為某處(如滑面)的垂直深度;Hi為某處沿測斜管到地面的長度;l為探頭上下兩組滑輪間的距離(一般為0.5m);a為探頭下組滑輪到探頭底端的長度;θi為某處測斜管與鉛垂方向的夾角。當(dāng)θi=0,即測斜管沒發(fā)生位移時,hi=Hi-l/2-a;隨著θ的增大,即滑坡位移的增大,其差值Δhi=Hi-hi也越大。在滑坡穩(wěn)定性分析中,這一差值可以不予考慮。但對工程滑坡而言,在優(yōu)化滑坡整治工程設(shè)計方案時,應(yīng)對監(jiān)測到的滑面深度加以修正,特別對大型滑坡整治工程而言,可能會節(jié)約不少資金。3滑動面深度監(jiān)測在川藏公路二郎山某工程滑坡鉆孔傾斜量測中,使用了南京水利電力儀器工程公司生產(chǎn)的GC-1型伺服加速度式測斜儀,其主要技術(shù)參數(shù)為,f1=0.02mm/0.1mV,f2=8.4″/0.1mV,l=0.5m。圖1為該工程滑坡1999年7月3日～2000年3月2日X方向的深部累積位移監(jiān)測曲線?？梢钥闯?在33.5m,29.5m和23.5m處有較明顯的三個滑動或潛在滑動面。2000年3月2日自下而上三個滑動面處的方位角分別為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-)監(jiān)測值和數(shù)位移平均值Sji沿深度的分布如圖2所示。經(jīng)計算得滑坡主滑方向(X方向)正(X+)、反(X-)方向監(jiān)測值之和的平均值均方差(δ)如表1所列?？梢钥闯?正、反方向監(jiān)測值和數(shù)平均值位移Sji在1.8mm左右擺動,均方差除1999年7月9日稍大于1.50mm外,其余都小于1.50mm,量測結(jié)果符合要求。目前滑坡地表變形破壞跡象也證明了深部位移監(jiān)測曲線的正確性。依據(jù)上述監(jiān)測深度修正公式,對2000年3月2日的監(jiān)測資料進行了滑動面深度的修正。計算修正后自下而上三個滑動面的深度分別為32.89m,29.00m和23.15m,比修正前分別減少了0.61m,0.50m和0.35m,與工程地質(zhì)勘探鉆孔揭示的滑動面深度相對應(yīng),證