Вибрационный проволочный датчик давления грунта

Руководство по эксплуатации тензометра для измерения давления грунта

1. Цель

Вибрационный проволочный датчик давления грунта подходит для длительного измерения сжимающего напряжения в грунте внутри земляных плотин, земляных дамб, откосов, дорожных оснований и т. п.; это эффективное устройство мониторинга, позволяющее отслеживать изменения давления грунта внутри измеряемой конструкции, а также одновременно измерять температуру в месте установки.

Конструкция датчика давления грунта на основе вибрационной проволоки проста, а показания стабильны, что обеспечивает удобство его монтажа в любых условиях, требующих длительного мониторинга сжимающего напряжения в грунте. Датчик давления грунта на основе вибрационной проволоки обладает функцией идентификации параметров.

2. Технические характеристики и основные технические параметры

Примечания: модуль частоты F=Гц ² ×10 ^-3

3. Структура и принцип работы

3.1 Структура

Датчик давления грунта на основе тензометра состоит из задней пластины, чувствительной пластины, наблюдательного кабеля, тензометра и катушки стимулирующего электромагнита и др.

3.2 Принцип работы

При изменении напряжения в грунте, действующего на исследуемую конструкцию, чувствительная пластина датчика давления грунта синхронно улавливает это изменение; в результате возникает деформация пластины, которая передаётся вибрирующей проволоке, изменяя её напряжение и, соответственно, частоту колебаний. Электромагнитная катушка возбуждает вибрацию проволоки и измеряет её частоту; полученный частотный сигнал по кабелю передаётся устройству считывания, что позволяет определить значение напряжения в исследуемой конструкции. Одновременно измеряется температурное значение встроенного датчика.

3.3 Методы вычислений

При постоянной температуре наружного воздуха датчик давления в грунте испытывает только сжимающее напряжение, причём значение его сжимающего напряжения P линейно связано с модулем частоты △F выходного сигнала:

P = k×△F

△F= F - F ₀ 

Где: P — измеренное значение прибора для определения давления грунта, в кПа;

k — коэффициент чувствительности датчика давления грунта; его единица — кПа/фунт.

△F — значение измерения давления грунта, полученное в режиме реального времени, относительно эталонного значения; величина изменения фазы; единица измерения — F.

F — значения измерений датчика давления грунта в режиме реального времени, единица измерения F;

Ф ₀ —Эталонное значение прибора для измерения давления грунта, единица — F.

б) При постоянном напряжении давления, действующем на датчик давления грунта, и при повышении температуры на величину △T датчик давления грунта выдаёт выходной сигнал.

△F´ — эта выходная величина обусловлена изменением температуры и поэтому должна быть вычтена при расчёте. Эксперимент показывает, что △F´ и △T связаны следующей линейной зависимостью:

P´= k×△F´+ b×△T = 0

K×△F´= -b×△T

△T= T - T ₀ 

Где: b — коэффициент температурной поправки прибора для измерения давления в грунте, единица — кПа/℃;

△T — величина изменения измеренного в реальном времени значения температуры относительно эталонного значения; единица измерения — °C.

T — значение измеряемой температуры в режиме реального времени, единица измерения — °C;

Т ₀ —Эталонное значение температуры, единица измерения — °C.

c) Когда датчик давления грунта подвергается одновременно сжимающему напряжению и воздействию температуры, общая расчетная формула для датчика давления грунта имеет вид:

Pm = k×△F + b×△T= k×(F - F ₀ )+ b×(T - T ₀)  

Где: Pm — значение нормального сжимающего напряжения испытуемой конструкции, в кПа.

4. Встраивание и установка

4.1 Обзор

Вибрационный проволочный датчик давления в грунте применяется для измерения контактного напряжения на поверхности соприкосновения между исследуемым объектом и грунтовым массивом (интерфейсом), например: давления между фундаментом бетонных зданий и грунтовым основанием; давления между бетонной облицовкой подземных тоннелей и грунтом; давления между искусственными откосами, стенками и сваями и грунтом; а также давления грунта внутри земляно‑каменных плотин, дорожных оснований и т. п.

Прибор для измерения давления грунта определяет напряжение на контактной поверхности между испытуемым телом и грунтом. Неправильная установка и методы закладки могут легко привести к отклеиванию прибора от объекта испытания и разгрузке, что снижает точность измеряемого значения.

4.2 Метод закладки

4.2.1 При измерении давления на контактную поверхность между основанием бетонной конструкции и грунтовым основанием, ячейка для измерения давления грунта устанавливается на поверхность грунтового основания фундамента до заливки подошвенной плиты здания; затем производится её уплотнение и приложение нагрузки. Поверхность грунтового основания должна быть ровной, однородной и плотной; на эту поверхность может равномерно укладываться слой мелкозернистого песка, чтобы обеспечить надёжный контакт и равномерное распределение нагрузки. См. рис. 4.2.1. После тщательного выполнения работ по протяжке и укладке наблюдательного кабеля производится заливка бетонной подошвенной плиты фундамента.

4.2.2 Датчик давления грунта устанавливается в нижней плите существующего здания и может монтироваться путём выкапывания шурфа. Этот метод подразделяется на два варианта: сборный коробовый способ — размер короба должен составлять 1,1 диаметра датчика давления грунта; и способ закладки в котлован — размер котлована должен быть несколько больше габаритов датчика, а глубина определяется свойствами грунта.

Требования к поверхности грунтового основания в скважине аналогичны указанным выше; после выполнения всех монтажных операций датчик давления грунта следует подвергнуть воздействию давления или нагрузки для его фиксации, а также проложить и разложить наблюдательный кабель. В завершение производится обратная засыпка бетоном (рис. 4.2.2).

(Рис. 4.2.2) Приборы для измерения давления грунта в основании

4.2.3 Датчик давления грунта встраивается в бетонную противофильтрационную стенку; сначала его крепят на толкающем цилиндре, а затем — на каркасе арматуры. После опускания каркаса арматуры на дно штроба цилиндр вентилируют и подают давление, чтобы вытолкнуть датчик давления грунта, обеспечив полный контакт его мембранной поверхности с грунтом на стенке штробы и его нагружение; после этого производят бетонирование, фиксируя датчик давления грунта на границе между противофильтрационной стенкой и грунтом (рис. 4.2.3).

4.2.4 Установка датчика давления грунта на поверхность бетонных конструкций требует использования монтажного кронштейна для закрепления его на контролируемой поверхности. При монтаже чувствительная мембрана датчика обращена к грунту, а обратная сторона прижимается к бетонной конструкции и фиксируется анкерными болтами; также возможна его встраивание в бетон (рис. 4.2.4‑1).

(Рис. 4.2.4-1) Метод поверхностного встраивания и закрепления датчика давления грунта

Приборы для измерения давления грунта устанавливаются на наружной поверхности различных бетонных сооружений — трубопроводов, трубных коридоров, тоннелей и газопроводов, контактирующих с грунтом; при этом датчики могут быть встроены в проектное положение наблюдательного участка, а наблюдательный кабель должен быть заблаговременно заложен и защищён (рис. 4.2.4‑2).

(Рис. 4.2.4‑2) Схематическая диаграмма монтажа трубопровода датчика давления грунта на наружной поверхности

Захоронение датчика давления грунта на границе между бетонной конструкцией и грунтом, которое может осуществляться с помощью опалубки для заливки. Перед заливкой датчик давления грунта крепится к опалубке при помощи монтажного кронштейна. После демонтажа опалубки необходимо удалить остатки бетона с чувствительной мембраны датчика давления грунта. Для облегчения удаления остатков бетона с мембраны перед заливкой на её поверхность можно нанести тонкий слой масла. При закладке чувствительная мембрана датчика давления грунта контактирует с опалубкой, а сам датчик фиксируется к опалубке тремя двусторонними гвоздями. Избыток кабеля укладывается в защитный короб (рис. 4.2.4‑3).

(Рис. 4.2.4‑3) Схематическая диаграмма монтажа шаблона ячейки измерения давления грунта

Закладывайте датчик давления грунта на границе между бетонной конструкцией и грунтом; его можно закрепить с помощью арматурного каркаса. Перед заливкой бетона с помощью датчика давления грунта установите кронштейн и зафиксируйте арматурный пучок, который затем привязывается или приваривается к арматурному каркасу. После демонтажа опалубки необходимо очистить остатки бетона с поверхности чувствительной мембраны датчика давления грунта. При закладке поверхность чувствительной мембраны должна находиться в непосредственной близости к опалубке; переворачивать её запрещено. Для облегчения удаления остатков бетона с поверхности мембраны датчика давления грунта предварительно можно нанести на мембрану слой масла. Необходимо тщательно обеспечить правильное направление и защиту наблюдательного кабеля (рис. 4.2.4‑4).

(Рис. 4.2.4‑4) Схематическая диаграмма монтажа арматурного каркаса датчика давления грунта

Закопайте датчик давления грунта на границе контакта между стальной конструкцией и грунтом; предварительно приварите крепёжные болты к стальной конструкции, при этом положение сварных соединений болтов определяется установочным кронштейном.

4.3 Прокладка кабелей

При прокладке наблюдательного кабеля применяется траншейный метод; глубина траншеи должна быть не менее 0,3 м, а кабель, укладываемый в насыпной плотине из каменного материала, должен быть защищён защитной трубой.

При прокладке наблюдательного кабеля следует оставлять некоторый запас по длине и не допускать его растяжения или перекрещивания; кабель датчика давления грунта должен быть уложен в виде петли у выходного отверстия, чтобы избежать чрезмерного натяжения кабеля в этом месте.

4.4 Опорное значение измерения

Показания манометра для измерения давления грунта следует снимать незамедлительно после завершения монтажа и закладки (при этом значения должны быть выше, чем до закладки), а в качестве эталонного значения принимается стабильное значение. Значение манометра определяют после окончания процесса гидратационного нагрева; показания снимаются трижды подряд, и среднее арифметическое значений, практически совпадающих между собой, принимается за эталонное. После установления эталонного значения его надлежащим образом фиксируют для дальнейших расчётов.

4.5 Меры предосторожности

Перед вмонтированием геотехнический манометр следует проверить, чтобы убедиться в его исправности; кабель необходимо удлинить в соответствии с проектными требованиями, а маркировка должна быть выполнена надлежащим образом.

Особое внимание следует уделить установке датчика давления грунта: цементный раствор не должен закрывать чувствительную пластину датчика, рабочая поверхность датчика должна находиться в полном контакте с грунтом, а зазоры вокруг задней пластины датчика должны быть заполнены и тщательно уплотнены цементным раствором.

Начальное значение показаний датчика давления грунта после его закладки и монтажа должно превышать значение, измеренное в свободном состоянии до закладки. После монтажа датчик давления грунта должен находиться в напряжённом состоянии.

Начальное значение прибора следует измерять через определённый промежуток времени после его установки и вывода в рабочее положение; соответствующие записи необходимо вести и архивировать с указанием номера прибора и проектного номера, при этом провод вывода прибора должен надлежащим образом защищаться.

5. Измерение

Для проведения в‑поле измерений с помощью датчика давления грунта применяется считыватель типа VW‑102A. Один конец измерительной линии подключается к считывателю, а различные зажимы на другом конце линии соответственно соединяются с выходным кабелем датчика давления грунта. Для измерения частоты используются чёрный и красный зажимы, тогда как для измерения температуры — белый и зелёный. Датчик давления грунта оснащён интеллектуальным чипом распознавания, который хранит в своей памяти такие данные, как серийный номер датчика, коэффициент калибровки K и коэффициент температурной поправки b. При измерении с использованием считывателя информация о распознавании автоматически считывается и последовательно сохраняется в устройстве. Связь с компьютером обеспечивает удобство оперативной статистической обработки, вычислений и запросов, что позволяет сделать процесс измерений интеллектуальным и безбумажным.

Кабели нескольких датчиков измерения давления грунта на строительной площадке были случайно повреждены при земляных работах. С помощью считывателя можно единожды произвести измерение, после чего каждый датчик автоматически идентифицируется по соответствующему номеру и сопутствующей идентификационной информации.

6. Проверка неисправностей прибора для измерения давления грунта

При выходе из строя датчика давления грунта сопротивление между жилами кабеля датчика можно проверить мультиметром. В нормальном состоянии сопротивление красной и чёрной жил обычно составляет около 300 Ом; сопротивление зелёной и белой жил должно быть примерно 3 кОм при температуре 25 °C; сопротивление изоляции между красной и чёрной жилами, а также между зелёной и белой жилами или между этими жилами и экранирующей жилой (голым проводом) должно превышать 50 МОм (для измерения сопротивления изоляции можно использовать постоянный токовый мегомметр на 100 В; при этом мультиметр следует устанавливать в диапазоне МОм, и его показание должно быть равным бесконечности ∞).

7. Проверка повреждений кабеля

Модель кабеля, применяемого для датчика давления грунта, — YSPT‑4; это специальный наблюдательный кабель для гидротехнических сооружений, сопротивление его жилы составляет около 45 Ом/км.

7.1 Измерение сопротивления мультиметром (чёрный, красный провод сердечника): нормальное значение — около 300 Ом, плюс сопротивление кабеля.

а) Если измерение сопротивления находится в норме, возможно, прибор повреждён или в нём присутствует вода;

б) Если измеренное сопротивление очень велико или бесконечно, значит, кабель или разъём находятся в состоянии обрыва цепи;

c) Если значение измеренного сопротивления очень мало, значит, кабель или соединение замкнуто на короткое замыкание.

Это проявляется в том, что значение частоты не может быть измерено прибором для считывания.

7.2 Измерение сопротивления мультиметром (белый и зелёный жилы): в нормальных условиях при температуре 25 °C оно должно составлять около 3 кОм, плюс сопротивление самого кабеля.

а) Если показание сопротивления находится в норме, проверьте измерительный прибор и его измерительный соединительный кабель;

б) Если измеренное сопротивление очень велико или бесконечно, значит, кабель или разъём находятся в состоянии обрыва цепи;

c) Если значение измеренного сопротивления очень мало, значит, кабель или соединение замкнуто на короткое замыкание.

Это проявляется в неспособности термометра измерять значение температуры.

7.3 Используйте мегомметр постоянного тока на 100 В или мультиметр для измерения сопротивления жилы кабеля датчика давления грунта (красный и чёрный провода — к заземляющему проводу; белый и зелёный провода — к заземляющему проводу; красный и чёрный провода — к белому и зелёному проводам). Если значение очень низкое, менее 5 МОм,

Работа прибора такова: при нормальном измерении показания прибора соответствуют действительности; однако при использовании распределённого модуля типа MCU‑32, осуществляющего автоматическое измерение частоты, значение может оказаться нестабильным, а измеряемая температура будет ниже нормального значения примерно на 10–20 °C.

8. Значение, измеренное прибором для считывания показаний, нестабильно.

а) Подключите экранированный провод к чёрному зажиму измерительного провода мультиметра;

б) Возможно, в кабельное соединение попала вода; отрежьте повреждённый участок и снова подключите кабель.

c) Определите частотный диапазон измерителя давления грунта и выберите соответствующий тип возбуждения прибора.

д) Определить температуростойкость базы датчика давления грунта и правильно выбрать соответствующую базу датчика;

e) Проверьте наличие побочных источников помех вблизи, таких как двигатели, генераторы, антенны или кабели питания переменного тока, и избегайте их воздействия.

9. Вопросы, требующие внимания

Значения частоты и температуры должны измеряться до и после установки датчика давления грунта; соответствующие записи следует вести и архивировать с указанием номера датчика и проектного номера, при этом особое внимание необходимо уделять защите наблюдательного кабеля датчика.

10. Приёмка и хранение

Пользователь должен в первую очередь проверить количество приборов (включая комплектующие) и наличие заводского сертификата осмотра и других документов, а также их соответствие упаковочному листу. После вскрытия упаковки следует измерить сопротивление изоляции между цепью и герметичным корпусом каждого прибора с помощью мегомметра на 100 В; полученные значения должны соответствовать установленным требованиям к сопротивлению изоляции. При приемке каждый прибор необходимо проверить с помощью контрольного прибора, чтобы убедиться в его исправности. Приборы следует хранить в сухом и хорошо проветриваемом помещении.

11. Послесловие

Датчик давления грунта с тензометром гарантируется в течение одного года с даты выпуска с завода. Если его характеристики не соответствуют техническим требованиям и это обусловлено дефектами качества изделия, компания обязана обеспечить бесплатное обслуживание или замену (при этом повреждения, вызванные недостаточно эффективной системой молниезащиты на объекте или сильными разрядами молнии и т. п., не подлежат гарантийному ремонту).