CN101639353B - 地裂缝三向变形测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地裂缝三向变形测量仪，包括分别固定在地裂缝左右两侧的两个竖直立杆、固定在两个竖直立杆间的水平张拉位移测试装置、安装在其中一竖直立杆上的竖直位移测试装置和水平剪切位移测试装置以及数据分析系统和由数据分析系统进行控制的告警单元；竖直位移测试装置包括竖直滑块和竖向线位移传感器；水平张拉位移测试装置包括水平支撑滑轴、水平支撑杆、水平滑块和水平向线位移传感器；水平剪切位移测试装置为角位移传感器；水平向线位移传感器、竖向线位移传感器和角位移传感器均接数据分析系统。本发明安装调试简便、使用操作简便且测试精度高、测试效果好，能对地裂缝同一点的三向变形绝对值进行同步检测。
Description
技术领域
本发明属于地质工程监测领域，尤其是涉及一种地裂缝三向变形测量仪。
背景技术
地裂缝是一种缓慢发展的渐进性地质灾害，在世界上许多国家都有发育。我国的地裂缝分布十分广泛，近年来具有范围不断扩大，危害不断加重的趋势。地裂缝造成的损失是多种多样的，直接损失主要有地表工业和民用建筑损失、地下供水、供气管道设施破坏损失等；间接损失则更为严重，常造成生产厂房、车间的破坏造成停产，管道的破坏造成停水、停电、停气、漏水、漏气、引起环境恶化等。在我国，地裂缝迄今为止已造成数十亿元的直接经济损失，对城市建设用地地有效利用和城市发展留下了重大的安全隐患。
地裂缝是具有三维变形特征的地表线状裂缝，同时产生竖直位移、张裂位移和剪切位移。特别在西安市地区，受黄土湿陷性的影响，在构造力作用下，其活动方式为具有单向积累的蠕动特征。这种地裂缝的变形对城市建设危害很大，尤其对于不可避免的贯穿于目前处于超常活动的十余条地裂缝的西安地铁工程的施工建设以及运营安全来说，其危害更为明显和严重。
采取何种建筑措施防范这些安全隐患，必须建立在可靠的监测数据基础上。现行监测地裂缝的常用方法主要有多点检测法和相对位移检测法两种。其中，多点监测法是在地裂缝的两侧设置多个点分别埋设百分表，来检测水平、竖直和剪切位移。这种方法设备简单，操作方便易行；缺点是仪器的安装调试繁琐，人工读取数据误差大，可靠度不高，不能进行同一点处的实时监测。相对位移检测法是将地裂缝的三向变形转变成空间中一点P的移动，则通过测算p点的位移就可以计算出地裂缝的变形。目前，最常用的仪器为整体式TS三向测缝计，其主要缺点是将点的空间位移转化为相对位移的计算过程较繁琐，且会产生较大的计算误差。针对上述方法的缺点，研制一种更便捷精确的设备对地铁建设和运营环境下的地裂缝活动进行全面的实时监测，显得尤为重要和迫切。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种地裂缝三向变形测量仪，其安装调试简便、使用操作简便且测试精度高、测试效果好，能对地裂缝同一点的三向变形绝对值进行同步检测。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种地裂缝三向变形测量仪，其特征在于：包括分别固定在被监测地裂缝左右两侧的竖直立杆一和竖直立杆二、固定在竖直立杆一和竖直立杆二之间的水平张拉位移测试装置、安装在竖直立杆一上的竖直位移测试装置和水平剪切位移测试装置以及对所检测数据进行分析处理并同步显示测试结果的数据分析系统和由数据分析系统进行控制的告警单元；所述竖直位移测试装置包括能绕竖直立杆一轴向转动并能沿竖直立杆一上下移动的竖直滑块和对竖直滑块的竖向位移进行实时检测的竖向线位移传感器，所述竖直滑块套装在竖直立杆一上；所述水平张拉位移测试装置包括一端固定在竖直滑块上且对竖直滑块进行支撑固定并能带动竖直滑块绕竖直立杆一轴向转动的水平支撑滑轴、一端固定在竖直立杆二上的水平支撑杆、固定在水平支撑杆另一端且套装在水平支撑滑轴上并能在水平支撑滑轴上水平移动的水平滑块和对水平滑块的水平位移进行实时检测的水平向线位移传感器；水平剪切位移测试装置为对竖直滑块绕竖直立杆一轴向转动的转度角度进行实时检测的角位移传感器；所述水平向线位移传感器、竖向线位移传感器和角位移传感器均接数据分析系统，数据分析系统与告警单元相接。
所述水平向线位移传感器、竖向线位移传感器和角位移传感器与数据分析系统之间均以无线通讯方式进行通讯，所述水平向线位移传感器、竖向线位移传感器、角位移传感器和数据分析系统上对应设置有无线信号收发系统。
所述竖直立杆一和竖直立杆二分别锚固于被监测地裂缝左右两侧的两个底座上。
所述水平支撑杆和竖直立杆二之间通过斜支撑进行支撑固定。
所述水平支撑滑轴位于水平支撑杆上方。
所述水平向线位移传感器和竖向线位移传感器均为电阻式传感器。
所述角位移传感器安装在竖直滑块正上方。
所述竖直立杆一上部一侧固定有一安装于竖直滑块上的竖向滑杆，竖向线位移传感器安装在竖向滑杆与位于竖向滑杆上方且固定在竖直立杆一上端部的阻挡件一之间；水平支撑滑轴后部一侧固定有一安装于水平滑块上的水平向滑杆，水平向线位移传感器安装在水平向滑杆与位于水平向滑杆后方且固定在水平支撑滑轴后端部的阻挡件二之间。
所述竖直立杆一和竖直立杆二均为表面光滑的圆柱状杆件。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、设计合理，各部件间的组装和调试方便且使用操作简便，实现方便。
2、测量精度较高、数据自动化处理速度快且可以同时测量地裂缝同一测点的三向变形情况，并且设计有相应的限位报警功能，使用效果非常好。具体而言，本发明利用高精度传感器直接监测地裂缝的绝对位移变化，无需进行繁琐的数据计算，且将三向位移的数据通过应变仪即传感器部分传输到计算机直接进行数据处理，实现了实时监测功能。当地裂缝的竖向和水平方向位移大于等于上限时，即在变形量达到临界值时及时通过限位报警装置发出现场报警。本发明的量程范围为0-200mm；精度为0.01mm。
3、实用价值高，本发明实现了地裂缝同一点三向变形绝对值的同步检测，实现了地裂缝三向变形数据收集与处理的计算机信息化，同时实现了通过本发明对地铁施工与运营安全影响进行实时监控与报警的功能。另外，本发明能推广适用至其它相关施工领域中。
综上所述，本发明安装调试简便、使用操作简便且测试精度高、测试效果好，能对地裂缝同一点的三向变形绝对值进行同步检测。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的电路框图。
图3为利用本发明对被监测地裂缝进行监测时所测得竖直位移和水平张拉位移的时程曲线图。
附图标记说明：
1-竖直立杆一； 2-竖直立杆二； 3-水平张拉位移测试装置；
3-1-水平支撑滑轴； 3-2-水平支撑杆； 3-3-水平滑块；
3-4-水平向线位移传 3-5-水平向滑杆； 3-6-阻挡件二；
感器；
4-竖直位移测试装置；4-1-竖直滑块； 4-2-竖向线位移传感器；
4-3-竖向滑杆； 4-4-阻挡件一； 5-水平剪切位移测试装置；
5-1-角位移传感器； 6-数据分析系统； 7-告警单元；
8-斜支撑； 9-无线信号收发系 10-地裂缝；
统；
11-锚钉； 12-底座。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明包括分别固定在被监测地裂缝10左右两侧的竖直立杆一1和竖直立杆二2、固定在竖直立杆一1和竖直立杆二2之间的水平张拉位移测试装置3、安装在竖直立杆一1上的竖直位移测试装置4和水平剪切位移测试装置5以及对所检测数据进行分析处理并同步显示测试结果的数据分析系统6和由数据分析系统6进行控制的告警单元7。所述竖直位移测试装置4包括能绕竖直立杆一1轴向转动并能沿竖直立杆一1上下移动的竖直滑块4-1和对竖直滑块4-1的竖向位移进行实时检测的竖向线位移传感器4-2，所述竖直滑块4-1套装在竖直立杆一1上。所述水平张拉位移测试装置3包括一端固定在竖直滑块4-1上且对竖直滑块4-1进行支撑固定并能带动竖直滑块4-1绕竖直立杆一1轴向转动的水平支撑滑轴3-1、一端固定在竖直立杆二2上的水平支撑杆3-2、固定在水平支撑杆3-2另一端且套装在水平支撑滑轴3-1上并能在水平支撑滑轴3-1上水平移动的水平滑块3-3和对水平滑块3-3的水平位移进行实时检测的水平向线位移传感器3-4。所述水平剪切位移测试装置5为对竖直滑块4-1绕竖直立杆一1轴向转动的转度角度进行实时检测的角位移传感器5-1。所述水平向线位移传感器3-4、竖向线位移传感器4-2和角位移传感器5-1均接数据分析系统6，数据分析系统6与告警单元7相接。所述竖直立杆一1和竖直立杆二2均为表面光滑的圆柱状杆件。所述水平滑块3-3上设置有供其在水平支撑滑轴3-1上移动的滑轨。
本实施例中，所述水平支撑滑轴3-1位于水平支撑杆3-2上方。所述水平向线位移传感器3-4和竖向线位移传感器4-2均为电阻式传感器。所述角位移传感器5-1安装在竖直滑块4-1上方。所述竖直立杆一1上部一侧固定有一安装于竖直滑块4-1上的竖向滑杆4-3，竖向线位移传感器4-2安装在竖向滑杆4-3与位于竖向滑杆4-3上方且固定在竖直立杆一1上端部的阻挡件一4-4之间。所述水平支撑滑轴3-1后部一侧固定有一安装于水平滑块3-3上的水平向滑杆3-5，水平向线位移传感器3-4安装在水平向滑杆4-5与位于水平向滑杆3-5后方且固定在水平支撑滑轴3-1后端部的阻挡件二3-6之间。
所述水平向线位移传感器3-4、竖向线位移传感器4-2和角位移传感器5-1与数据分析系统6之间均以无线通讯方式进行通讯。所述水平向线位移传感器3-4、竖向线位移传感器4-2、角位移传感器5-1和数据分析系统6上对应设置有无线信号收发系统9。
所述竖直立杆一1和竖直立杆二2分别锚固于被监测地裂缝10左右两侧的两个底座12上，所述底座12具体通过多个锚钉11锚固在地面上，并且所述水平支撑杆3-2和竖直立杆二2之间通过斜支撑8进行支撑固定。
本发明的使用过程是：首先，采用锚钉11将本发明的两个底座12分别锚固在地裂缝10发生处两侧地面的基座上。当被监测地裂缝10发生竖直、张拉或错动位移变动时，则固定在地裂缝10左右两侧的底座12将随之发生相应的相对变动，此时角位移传感器5-1、水平向线位移传感器3-4和竖向线位移传感器4-2同时也可以测出相应方向的位移变化及方向变化情况。
具体而言：第一、地裂缝10的竖直位移测量：当地裂缝10两侧发生上下错动时，与角位移传感器5-1固定在一起的竖直滑块4-1将在表面光滑圆柱形竖直立杆一1上发生竖向滑动，竖直滑块4-1上下移动的同时相应带动竖向线位移传感器4-2压缩或拉伸，从而实现由竖向线位移传感器4-2实时对竖直滑块4-1的上下移动位移即地裂缝10上下错动的竖直位移进行实时检测的目的，同时竖向线位移传感器4-2通过无线信号收发系统9将所检测信号传送至数据分析系统6，数据分析系统6对竖向线位移传感器4-2所检测信号进行分析处理与判断：当无线信号收发系统9将所检测的竖直位移信号超过预先设定的竖直方向位移错动上限时，则无线信号收发系统9向告警单元7发出一控制信号，控制告警单元7进行竖向位移限位报警，同时通过数据分析系统6对检测结果进行同步显示并相应绘出变形时程曲线。
第二、地裂缝10的水平剪切位移测量：当地裂缝10两侧发生水平剪切错动时，角位移传感器5-1固定在一起的竖直滑块4-1将在表面光滑的圆柱形竖直立杆一1上水平转动，相应带动角度传感器5-1产生相应的角度，从而实现由角位移传感器5-1实时对竖直滑块4-1水平转动的转动角度即地裂缝10的水平剪切位移进行实时检测的目的，同时角度传感器5-1通过无线信号收发系统9将所检测信号传送至数据分析系统6，数据分析系统6对角度传感器5-1所检测信号进行分析处理与判断：当无线信号收发系统9将所检测的水平转动角度信号超过预先设定的水平剪切错动上限时，则无线信号收发系统9向告警单元7发出一控制信号，控制告警单元7进行水平剪切错动限位报警，同时通过数据分析系统6对检测结果进行同步显示并相应绘出变形时程曲线。
第三、地裂缝10的张拉位移测量：当地裂缝10两侧发生水平张拉错动时，带滑轨的水平滑块3-3将在水平向线位移传感器3-4安装处的水平支撑滑轴3-1上发生相应的水平滑动，相应带动水平向线位移传感器3-4产生相应的位移，从而实现由水平向线位移传感器3-4实时对水平滑块3-3的水平移动位移即地裂缝10的水平张拉错动位移进行实时检测的目的，同时水平向线位移传感器3-4通过无线信号收发系统9将所检测信号传送至数据分析系统6，数据分析系统6对水平向线位移传感器3-4所检测信号进行分析处理与判断：当无线信号收发系统9将所检测的水平张拉位移信号超过预先设定的水平张拉方向位移错动上限时，则无线信号收发系统9向告警单元7发出一控制信号，控制告警单元7进行水平张拉位移限位报警，同时通过数据分析系统6对检测结果进行同步显示并相应绘出变形时程曲线。
由于地裂缝变形是一种渐进缓慢的过程，对本发明的功能采用一种简单而快捷的模拟试验进行验证，其模拟实验的原理如下：地裂缝10发生处，在外部荷载、地下水及构造力等作用下，扩展在三个方向上的错动情形接近线性变化。本发明能同步测量同一测点的竖直、张裂和剪切错动位移。模拟试验中，通过人为的产生竖直和水平方向上的错动，代替地裂缝的缓慢变形。上述模拟实验所用的器材包括：2沓100mm厚的纸(将每135张分为一层，约为5mm)和秒表，本发明的数据分析系统6包括数字显示仪和与所述数字显示仪相接的计算机，告警单元7为报警电铃。模拟实验的操作步骤如下：
1)组装并调试好地裂缝三向变形检测仪，主要操作要点是保证竖直立杆一1和竖直立杆二2的竖直度和水平支撑滑轴3-1的水平度；对各传感器进行准确安装，并旋紧固定螺母。
2)将本发明的电源插头插好，打开数字显示仪及电铃的开关，并确保数据接收用计算机系统的正常工作。
3)对所用各传感器的初始值进行调整，使数字显示仪所显示水平向线位移传感器3-4的数值为“0.0”。
4)用秒表进行简单计时，平均每5s由底层抽取掉一层纸；与此同时，人为控制一个底座12，使其相对于另一个底座12做直线远离匀速运动。
5)查收试验数据的结果。
6)拔掉电源，拆卸测试系统。
通过本发明所监测到的竖直位移和水平张拉位移的数据，如表1所示：
表1竖直位移和水平张拉位移测量数据
| 时间(s) | 竖直位移(mm) | 张裂位移(mm) | 备注 |
| 0 | 0.0 | 0.0 | |
| 5 | 4.9 | 0.2 | |
| 10 | 10.0 | 1.5 | |
| 15 | 15.1 | 2.3 | |
| 20 | 19.9 | 3.4 | |
| 25 | 25.0 | 5.7 | |
| 30 | 29.9 | 7.4 | |
| 35 | 34.9 | 8.1 | |
| 40 | 40.1 | 9.9 | |
| 45 | 45.2 | 10.5 |
| 50 | 50.0 | 11.8 | 竖向位移限位报警 |
| 55 | 54.9 | 12.3 | |
| 60 | 60.1 | 13.1 | |
| 65 | 65.0 | 15.2 | |
| 70 | 70.2 | 17.8 | |
| 75 | 75.2 | 18.4 | |
| 80 | 80.0 | 20.8 | |
| 85 | 85.1 | 21.9 | |
| 90 | 90.2 | 23.6 | |
| 95 | 95.1 | 24.7 | |
| 100 | 100.0 | 25.2 |
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (8)
1.一种地裂缝三向变形测量仪，其特征在于：包括分别固定在被监测地裂缝(10)左右两侧的竖直立杆一(1)和竖直立杆二(2)、固定在竖直立杆一(1)和竖直立杆二(2)之间的水平张拉位移测试装置(3)、安装在竖直立杆一(1)上的竖直位移测试装置(4)和水平剪切位移测试装置(5)以及对所检测数据进行分析处理并同步显示测试结果的数据分析系统(6)和由数据分析系统(6)进行控制的告警单元(7)；所述竖直位移测试装置(4)包括能绕竖直立杆一(1)轴向转动并能沿竖直立杆一(1)上下移动的竖直滑块(4-1)和对竖直滑块(4-1)的竖向位移进行实时检测的竖向线位移传感器(4-2)，所述竖直滑块(4-1)套装在竖直立杆一(1)上；所述水平张拉位移测试装置(3)包括一端固定在竖直滑块(4-1)上且对竖直滑块(4-1)进行支撑固定并能带动竖直滑块(4-1)绕竖直立杆一(1)轴向转动的水平支撑滑轴(3-1)、一端固定在竖直立杆二(2)上的水平支撑杆(3-2)、固定在水平支撑杆(3-2)另一端且套装在水平支撑滑轴(3-1)上并能在水平支撑滑轴(3-1)上水平移动的水平滑块(3-3)和对水平滑块(3-3)的水平位移进行实时检测的水平向线位移传感器(3-4)；水平剪切位移测试装置(5)为对竖直滑块(4-1)绕竖直立杆一(1)轴向转动的转动角度进行实时检测的角位移传感器(5-1)；所述水平向线位移传感器(3-4)、竖向线位移传感器(4-2)和角位移传感器(5-1)均接数据分析系统(6)，数据分析系统(6)与告警单元(7)相接；所述竖直立杆一(1)上部一侧固定有一安装于竖直滑块(4-1)上的竖向滑杆(4-3)，竖向线位移传感器(4-2)安装在竖向滑杆(4-3)与位于竖向滑杆(4-3)上方且固定在竖直立杆一(1)上端部的阻挡件一(4-4)之间；水平支撑滑轴(3-1)后部一侧固定有一安装于水平滑块(3-3)上的水平向滑杆(3-5)，水平向线位移传感器(3-4)安装在水平向滑杆(4-5)与位于水平向滑杆(3-5)后方且固定在水平支撑滑轴(3-1)后端部的阻挡件二(3-6)之间。
2.按照权利要求1所述的地裂缝三向变形测量仪，其特征在于：所述水平向线位移传感器(3-4)、竖向线位移传感器(4-2)和角位移传感器(5-1)与数据分析系统(6)之间均以无线通讯方式进行通讯，所述水平向线位移传感器(3-4)、竖向线位移传感器(4-2)、角位移传感器(5-1)和数据分析系统(6)上对应设置有无线信号收发系统(9)。
3.按照权利要求1或2所述的地裂缝三向变形测量仪，其特征在于：所述竖直立杆一(1)和竖直立杆二(2)分别锚固于被监测地裂缝(10)左右两侧的两个底座(12)上。
4.按照权利要求1或2所述的地裂缝三向变形测量仪，其特征在于：所述水平支撑杆(3-2)和竖直立杆二(2)之间通过斜支撑(8)进行支撑固定。
5.按照权利要求1或2所述的地裂缝三向变形测量仪，其特征在于：所述水平支撑滑轴(3-1)位于水平支撑杆(3-2)上方。
6.按照权利要求1或2所述的地裂缝三向变形测量仪，其特征在于：所述水平向线位移传感器(3-4)和竖向线位移传感器(4-2)均为电阻式传感器。
7.按照权利要求1或2所述的地裂缝三向变形测量仪，其特征在于：所述角位移传感器(5-1)安装在竖直滑块(4-1)正上方。
8.按照权利要求1或2所述的地裂缝三向变形测量仪，其特征在于：所述竖直立杆一(1)和竖直立杆二(2)均为表面光滑的圆柱状杆件。
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