倒尺尺架技術(shù)在建筑物沉降觀測的應(yīng)用研究

張云端，陳燕飛

(洛陽市規(guī)劃建筑設(shè)計研究院有限公司，河南洛陽 471000)

1 引言

建筑物施工前期，周邊基坑開挖留下施工區(qū)尚未填平或施工區(qū)周邊地形條件限制，會遇到沉降觀測點埋設(shè)位置較高，水準(zhǔn)儀視線高達(dá)不到觀測點的高度，無法進(jìn)行沉降觀測的情況，傳統(tǒng)的幾何水準(zhǔn)法難以實施。若采用設(shè)置觀測墩、觀測臺，缺點是成本高、作業(yè)時間延長，對于建筑物較高的觀測點，作業(yè)較難實現(xiàn);傳統(tǒng)倒尺觀測方法，作業(yè)過程中水準(zhǔn)標(biāo)尺垂直狀態(tài)受作業(yè)人員判斷，影響觀測精度。目前，建筑物沉降觀測的研究多側(cè)重于對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析研究;水準(zhǔn)測量精度分析;倒尺觀測讀數(shù)研究等，缺少針對觀測本身提高觀測精度的研究，為此本文提出采用倒尺尺架技術(shù)進(jìn)行特殊情況下的沉降觀測，可以提高作業(yè)速度，保證沉降觀測精度，并通過實踐驗證，方便實用，精度完全可以達(dá)到規(guī)范要求。

2 倒尺尺架制作及工作原理

2.1 倒尺尺架制作

尺架主要部件包括卡尺部分(右盤)、掛點部分(左盤)、中間部分(雙向連接板)。右盤中心處設(shè)有高強度磁鐵，磁鐵鑲嵌在主板上且底面與主板底面在同一平面上，確保水準(zhǔn)尺底端面與觀測點在一個平面上。倒尺尺架材料采用膨脹系數(shù)較小的合金鋼制作。由于尺架加工要求精度很高，因此采用鋼板的平整度要求也很高。尺架主板與雙向連接板寬度尺寸小于精密水準(zhǔn)標(biāo)尺底端兩個凸點間距，確保水準(zhǔn)標(biāo)尺與尺架較好接合，如圖1～圖3所示。卡尺部分與水準(zhǔn)尺進(jìn)行連接部位采用強磁性磁鐵，可以使標(biāo)尺底端面與主板貼緊，作業(yè)過程中，不產(chǎn)生變形或者變形微小，確保高程傳遞精度。

圖1 倒尺尺架正視圖

圖2 倒尺尺架側(cè)視圖

圖3 倒尺尺架與標(biāo)尺底端套合圖

2.2 工作原理

尺架使用時，將水準(zhǔn)標(biāo)尺底端與尺架套合在一起，水準(zhǔn)標(biāo)尺底部落在尺架右盤的觸點上，將水準(zhǔn)標(biāo)尺和尺架整個通過左盤觸點放到沉降觀測點(或沉降鉤)上，通過倒置水準(zhǔn)器判斷標(biāo)尺豎直后進(jìn)行觀測。

雙線連接板可以通過固定螺絲旋進(jìn)或旋退左右移動，可以根據(jù)不同尺寸的水準(zhǔn)標(biāo)尺進(jìn)行調(diào)節(jié)。

倒尺水準(zhǔn)測量，立尺方向與高程系統(tǒng)反向，所以應(yīng)在倒尺讀數(shù)前加上負(fù)號，這樣高差計算與正尺測量一致，即高差等于后視減前視。主要有以下4種情況:

(1)后視立正尺，前視立倒尺。

高差為:h=a－(－b)

(2)后視立倒尺，前視立正尺。

高差為:h=(－a)－b

(3)沿地面前視、后視均立倒尺，如圖4所示。

高差為:h=(－a)－(－b)+△L=(b－a)+△L

式中:LA、LB分別為A尺和B尺的長度，△L通過偶數(shù)站自動消除，此時△h=∑(b－a)

圖4 地面轉(zhuǎn)站倒尺觀測示意圖

(4)沿沉降點前視、后視均立倒尺，如圖5所示。

其中:h=(－a)－(－b)=(b)－(a)

圖5 建筑物沉降點倒尺觀測示意圖

3 倒尺尺架進(jìn)行水準(zhǔn)測量的讀數(shù)改正

3.1 倒尺尺架讀數(shù)改正

倒尺精密水準(zhǔn)測量必須對讀數(shù)改正后，才能使用上面的公式。因為普通水準(zhǔn)儀在標(biāo)尺上的讀數(shù)是水平視線到標(biāo)尺理論零點的距離，而精密水準(zhǔn)儀由于測微尺的作用，使正尺的讀數(shù)與這個距離相差一個常數(shù)K(如N3，K=0.5 cm)，倒尺就不具備以上規(guī)律，所以應(yīng)該按照一定的規(guī)律改正，否則會導(dǎo)致嚴(yán)重的錯誤。

(1)倒尺尺架讀數(shù)改正規(guī)律

如圖6所示:當(dāng)△1≤0.5 cm時，轉(zhuǎn)動測微輪視線上移，測微尺示數(shù)減小，與y重合時測微尺示數(shù)減小△1，這時測微尺示數(shù)減小到e=(0.50－△1)，則:

這時實際讀數(shù)為:

當(dāng)△2≤0.5 cm時，轉(zhuǎn)動測微輪視線下移，測微尺示數(shù)增大，與x重合時測微尺示數(shù)增大△2，這是測微尺示數(shù)增大到e=(0.50+△2)則:

這時的實際讀數(shù)為:

圖6 測微尺示數(shù)為0.5 cm觀測示意圖

3.2 讀數(shù)改正規(guī)則總結(jié)

依據(jù)實際作業(yè):總結(jié)以下改正規(guī)則:

改正規(guī)則一:0.5 cm減去重合時測微尺讀數(shù)與標(biāo)尺分劃值求代數(shù)和，即得到改正后的正確讀數(shù)。例如按照常規(guī)方法讀得兩倒尺讀數(shù)為－101.555、－053.420，改正后分別為－100.945、－053.080。

為了防止+0.50 cm造成測量成果的錯誤，有必要使倒尺測量具有 －0.50 cm這一常數(shù)，在高差計算中正負(fù)抵消，所以給式(1)、式(2)的兩邊同時減去0.5 cm，則得:

與 y 分劃重合時:y+△1－0.50=y－e

與 x 分劃重合時:y+△1－0.50=x－e

改正規(guī)則二:重合時標(biāo)尺分劃值減去測微尺示數(shù)所得的差，就是改正后的正確讀數(shù)。例如按照常規(guī)方法讀得兩倒尺讀數(shù)為－101.555、－053.420，改正后分別為－100.445、－052.580［1］。

由此可見，在精密水準(zhǔn)測量中存在±0.50 cm兩常數(shù)，但無論前后視如何立尺，改正后高差計算均會自動抵消，但單向觀測應(yīng)注意。實踐證明，規(guī)則二改正可提高計算速度，建議在實際工作中使用規(guī)則二對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行改正。表1為改正規(guī)則應(yīng)用高差計算結(jié)果。其中采用儀器型號為WildN3。

改正規(guī)則應(yīng)用高差計算表表1

4 尺架常數(shù)的測定

由于尺架在制作過程中會因微小的誤差使標(biāo)尺底部與卡尺部分的平面不能完全重合，這樣在觀測的過程中就會形成由尺架制作不精密而造成的誤差，我們把這個誤差值稱為尺架常數(shù)，因此在尺架制作完成后，均應(yīng)對尺架反復(fù)試驗，測定其常數(shù)，對觀測結(jié)果進(jìn)行改正，得到正確的觀測數(shù)據(jù)。若尺架制作嚴(yán)密，理論上尺架常數(shù)可以忽略不計。

取固定后視方向(正尺)，選擇正、倒尺均能進(jìn)行觀測的若干個沉降觀測點(本文取兩個點為例)，對它們多次觀測取平均值，得到尺架常數(shù)。首先前視用正尺分別觀測后視與前視觀測點的高差，多次觀測取平均數(shù)，然后前視使用倒尺再一次測后視與前視觀測點的高差，取平均數(shù)。則正、倒尺的高差之差為尺架常數(shù)。

本次觀測以1 m標(biāo)尺(9589)和2 m標(biāo)尺(23776)為例測定尺架常數(shù)。數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示:

尺架常數(shù)計算表 表2

由表2可以看出:1 m標(biāo)尺(9589)和2 m標(biāo)尺(23776)所測得的結(jié)果分別為 －0.26 mm、+0.29 mm，說明尺架制作精度較高，觀測結(jié)果可視為觀測誤差，則尺架常數(shù)可忽略不計。

實踐證明:在觀測的過程中，對尺架卸掉再重新安裝，同一點的觀測高差值不變。如表3所示:

尺架拆卸高差計算表 表3

5 結(jié)語

采用倒尺尺架進(jìn)行建筑物沉降觀測，可以簡化工作，提高工作效率，實用性很強，但應(yīng)對讀數(shù)行改正。倒尺尺架在使用過程中能滿足作業(yè)要求，但部件亟待進(jìn)一步的研究完善，使其外觀更加美觀，適用性更強。本文以水準(zhǔn)儀WILD N3為例進(jìn)行描述，通過對其他型號水準(zhǔn)儀實驗，改正規(guī)則適用于其他型號的水準(zhǔn)儀，規(guī)則只考慮數(shù)值，不考慮負(fù)號，改正后再加上負(fù)號即可。在現(xiàn)場觀測中可以直接使用規(guī)則二對讀數(shù)進(jìn)行改正。整數(shù)位是標(biāo)尺分劃值減1，小數(shù)位是1 000減去測微尺示數(shù)，這樣提高現(xiàn)場計算速度。

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