CN102877447A - 一种浅部地层多点沉降实时监测装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种浅部地层多点沉降实时监测装置与方法，属于土木工程监测技术领域。其包括：测点与基准点的设置体系、沉降测量装置、数据采集传输装置；本发明在一定深度的稳定地层中设置基准点，其他测点围绕基准点设置于不同深度地层中。基准点和测点沉降量均通过钢杆和牵拉钢丝传递于精密位移传感器。通过自制的数据采集系统16和无线传输模块17远距离实时监测地层沉降量的动态变化规律。采用本装置和方法进行地层表面及地层内部多点沉降监测，可以实时得到测点的高精度沉降变化规律，设备安装简便，测量过程快速准确。

Description

一种浅部地层多点沉降实时监测装置与方法

技术领域

本发明属于土木工程监测技术领域，主要用于各种基坑、隧道、边坡工程的地层沉降监测。

背景技术

在各种基坑、隧道、边坡工程中，经常对地表的沉降和地层中各分层沉降进行监测，实践中一般常用的监测方法包括：（1）地表工程测量方法。即在拟监测的工程部位地表设置监测标点，在远离监测点的稳定区域设置基准点，采用全站仪或水准仪进行观测。（2）单孔沉降仪法。即在一个钻孔中，不同深度安置磁环，采用沉降仪读取各测点（磁环）至地表的深度，换算各测点沉降量。（3）单孔多点位移计法。即在一个钻孔中不同深度埋设锚固段，并与钢杆连接传于地表，测量钢杆的移动作为不同深度测点的沉降。

上述三种测量方法中，存在一个共同的缺点，就是无法实现沉降的远程实时监测，在恶劣天气、工况复杂的条件下，无法开展现场实测工作。另外，第（1）种地表工程测量方法，只能测量地表沉降，无法对地层内部沉降进行观测；第（2）种单孔沉降仪法，其测量精度很低，人为误差很大，无法满足高精度监测；第（3）种单孔多点位移计法，测点安装工艺要求很高，测点植活率较低，测量存在人为误差。

发明内容

为了解决在目前的地层沉降测量装置存在的不能实现远程实时监测、测量精度低、安装工艺复杂且植活率低、对现场施工环境要求高等问题，本发明提出了一种浅部地层多点沉降实时监测装置与方法。

本发明采用如下技术方案：

一种浅部地层多点沉降实时监测装置，其包括：测点与基准点的设置体系、沉降测量装置、数据采集传输装置；

所述的测点与基准点的设置体系：所述的基准点和每个测点均设有测量孔1、PVC钻孔套口2、混凝土3、连接孔5、钢杆6、连接螺扣7、回填细沙8、钢杆与钢筋焊接点9、对中支架10、钢筋11、混凝土锚固头12；PVC钻孔套口2和钢杆6上涂抹黄油；在测量孔1内，对中支架10与钢筋11焊接，固定于混凝土锚固头12上，钢杆6与钢筋11焊接，钢杆6为多段，钢杆6由底端到顶端由连接螺扣7连接，顶端的钢杆6的末端设置有连接孔5，牵拉钢丝4穿过连接孔5与钢杆6连接，然后牵拉钢丝4由PVC钻孔套口2引出，PVC钻孔套口2由混凝土固定台3固定于地表处的测量孔1的空口处，回填细沙8填入测量孔1中。

所述的基准点为1个，测点的个数为1个或1个以上，布置方式为以基准点zk₀为中心，测点zk_n以600-1000mm为半径环绕其周围布置。

所述钢筋11的型号为HRB335。

所述测点的每个测量孔1的深度不同。

沉降测量装置：包括牵引钢丝4、标准基盘13、精密位移传感器14、数据线15；在牵引钢丝4上涂黄油，并包裹一层PE聚乙烯防腐薄膜；牵引钢丝4与精密位移传感器14连接，精密位移传感器14安装于标准基盘13上，用数据线15与数据采集传输装置的输入端相连。

数据采集传输装置：包括数据采集仪16、无线传输模块和无线发射器17；数据采集仪16和无线发射器17安装于沉降测量装置的标准基盘13上，数据采集仪16和无线发射器17连接，数据采集仪16的输入端使用数据线15与沉降测量装置中的精密位移传感器14相连。

所述的测量孔1的直径为80mm。

使用所述的浅部地层多点沉降实时监测装置进行监测的方法，其包括下述步骤：

S1、钻孔：在拟监测的地层部位，采用钻机成孔形成测量孔，其中，用于设置基准点的测量孔1个，用于设置测点的测量孔为1个或1个以上若干，所述的基准点测量孔底部必须设置于稳定的岩土层中，各测点测量孔底部设置于地层沉降影响范围内。所述的测量孔的深度不同。

S2、基准点与测点锚固：在基准点的测量孔中安装基准点锚固系统。首先向孔底注入约0.5m浆液，然后将钢筋11与钢杆6焊接后逐段插入钻孔中，钢杆6之间由螺扣7相互连接，当钢筋11插入孔底浆液中时，钢杆6顶端距离孔口0.5m，与牵引钢丝4连接后，由PVC钻孔套口2引出与精密位移传感器14连接，将回填细沙8填土测量孔1中；在测点的钻孔中重复步骤S2中的上述步骤。

S3、沉降测量装置安设；安装标准基盘13；将基准点和测点处的牵引钢丝4分别与一台精密位移传感器14的测量钢丝输出口相连，所有的精密位移传感器14均安装于标准基盘13上；

S4、数据采集与传输装置安设：将数据采集仪16和无线发射器17安装于标准基盘13上，并用数据线15将精密位移传感器14与数据采集仪16连接，无线发射器17连接于数据采集仪16上。

S5、保护措施：为防止扰动破坏，防护措施包括为监测装置设置围栏与遮盖。

本发明可以取得如下有益效果：

本发明是一套能够精密测量地层沉降（含地表和地层内部）的远程实时监测装置与方法，主要解决了以下技术问题：（1）测点与基准点埋设问题。在一定深度的稳定地层中设置基准点，其他测点围绕基准点设置于不同深度地层中。基准点和测点沉降量均通过钢杆6和牵拉钢丝4传递于精密位移传感器14；（2）大量程沉降精密测量问题。本方法采用自制的精密位移传感器14实现各测点沉降量的测量，测量分辨率0.1mm，测量精度0.3％，量程500-1000mm；（3）远程实时监测问题。本方法通过自制的数据采集系统16和无线传输模块17可以远距离实时监测地层沉降量的动态变化规律。

因此，采用本装置和方法进行地层表面及地层内部多点沉降监测，可以实时得到测点的高精度沉降变化规律，设备安装简便，测量过程快速准确。

附图说明

图1：本发明的装置平面结构图；

图2：图1的1-1平面图；

图3：图1的2-2平面图；

图4：图1的3-3平面图；

图5：地层多点沉降量计算原理图

图中：1.测量孔；2.涂黄油PVC钻孔套口；3.混凝土固定台；5.连接孔；6.涂黄油钢杆；7.连接螺扣；8.回填细沙；9.钢杆与钢筋焊接点；10.对中支架；11.HRB335钢筋；12.混凝土锚固头；13.标准基盘，14.精密位移传感器，15.数据线，16.数据采集系统；17.无线传输模块

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步的说明：

如图1至图4所示一种浅部地层多点沉降实时监测装置，其包括：测点与基准点的设置体系、沉降测量装置、数据采集传输装置；

所述的测点与基准点的设置体系：所述的基准点和每个测点均设有测量孔1、PVC钻孔套口2、混凝土3、连接孔5、钢杆6、连接螺扣7、回填细沙8、钢杆与钢筋焊接点9、对中支架10、钢筋11、混凝土锚固头12；PVC钻孔套口2和钢杆6上涂抹黄油；在测量孔1内，对中支架10与HRB335钢筋11焊接，固定于混凝土锚固头12上，钢杆6与钢筋11焊接，钢杆6为多段，钢杆6由底端到顶端由连接螺扣7连接，顶端的钢杆6的末端设置有连接孔5，牵拉钢丝4穿过连接孔5与钢杆6连接，然后牵拉钢丝4由PVC钻孔套口2引出，PVC钻孔套口2由混凝土固定台3固定于地表处的测量孔1的空口处，回填细沙8填入测量孔1中。

所述的基准点为1个，测点的个数为1个或1个以上，布置方式为以基准点zk₀为中心，测点zk_n以600-1000mm为半径环绕其周围布置。

所述钢筋11的型号为HRB335。

所述测点的每个测量孔1的深度不同。

沉降测量装置：包括牵引钢丝4、标准基盘13、精密位移传感器14、数据线15；在牵引钢丝4上涂黄油，并包裹一层PE聚乙烯防腐薄膜；牵引钢丝4与精密位移传感器14连接，精密位移传感器14安装于标准基盘13上，用数据线15与数据采集传输装置的输入端相连。

数据采集传输装置：包括数据采集仪16、无线传输模块和无线发射器17；数据采集仪16和无线发射器17安装于沉降测量装置的标准基盘13上，数据采集仪16和无线发射器17连接，数据采集仪16的输入端使用数据线15与沉降测量装置中的精密位移传感器14相连。

所述的测量孔1的直径为80mm。

在本实施例中，基准点记为zk₀，测点共有4个分别记为：zk₁，zk₂，zk₃，zk₄。5个钻孔孔深依次为20.5m（根据岩土体的变形特征确定，要求：孔底在稳定的岩土体内）、16.5m、12.5m、8.5m、4.5m。

施工过程如下：

S1钻孔：在拟监测的地层部位，采用钻机成孔，钻孔直径80mm左右，其中，用于设置基准点的钻孔1个，编号为zk₀，用于设置测点的钻孔若干，本次作为案例设为4个钻孔，编号依次为zk₁、zk₂、zk₃、zk₄，5个钻孔孔深依次为20.5m（根据岩土体的变形特征确定，要求：孔底在稳定的岩土体内）、16.5m、12.5m、8.5m、4.5m。

S2基准点与测点锚固：zk₀钻孔安装基准点锚固系统。首先向孔底注入约0.5m浆液，然后将钢筋11与钢杆6焊接后逐段插入钻孔中，钢杆6与钢杆6之间由螺扣7相互连接，当钢筋11插入孔底浆液中时，钢杆6顶端距离孔口0.5m，与牵引钢丝4连接后，由PVC钻孔套口2引出与精密位移传感器14连接，将回填细沙8填土测量孔1中。zk₁、zk₂、zk₃、zk₄钻孔重复上述步骤。

S3沉降测量装置安设：在测点zk₁和zk₂之间安置标准基盘13，将五台精密位移传感器14一字排开，调整好角度后安装于标准基盘13上，测量钢丝输出口分别对准各自钻孔，并与牵拉钢丝4连接。

S4数据采集与传输装置安设：将数据采集仪16和无线发射器17安装于标准基盘13上，并用数据线15将5台精密位移传感器14与数据采集仪16连接，无线发射器17连接于数据采集仪16上。

S5保护措施：为防止扰动破坏，需为监测装置设置围栏与遮盖等保护措施。

本发明的工作原理如下：

当地层发生沉降时，测点随即牵动钢杆6和牵拉钢丝4发生移动伸缩，精密位移传感器14测知位移量，数据采集仪即时采集数据，通过无线传输模块（移动平台）将数据实时传输到用户终端（手机或电脑），计算形成监测曲线，实现远程实时监测的目的。计算原理如下：

s₀=h₀-h′₀

h₁=s₀+l

h′₁=s₁+l

h₁-h′₁=(s₀+l)-(s₁+l)=s₀-s₁

则有：

s₁=s₀-(h₁-h′₁)=(h₀-h′₀)-(h₁-h′₁)

式中：

h₀为zk₀基准点锚固体初始深度；

h′₀为t时刻地层沉降后zk₀基准点锚固体相对深度；

s₀为t时刻zk₀基准点地表沉降量；

h₁为zk₁测点锚固体初始深度；

h′₁为t时刻地层沉降后zk₁测点锚固体相对深度；

s₁为t时刻zk₁测点锚固体实际沉降量。

Claims (6)

1.一种浅部地层多点沉降实时监测装置，其特征在于：其包括：测点与基准点的设置体系、沉降测量装置、数据采集传输装置；

所述的测点与基准点的设置体系：所述的基准点和每个测点均设有测量孔（1）、PVC钻孔套口（2）、混凝土（3）、连接孔（5）、钢杆（6）、连接螺扣（7）、回填细沙（8）、钢杆与钢筋焊接点（9）、对中支架（10）、钢筋（11）、混凝土锚固头（12）；PVC钻孔套口（2）和钢杆（6）上涂抹黄油；在测量孔（1）内，对中支架（10）与钢筋（11）焊接，固定于混凝土锚固头（12）上，钢杆（6）与钢筋（11）焊接，钢杆（6）为多段，钢杆（6）由底端到顶端由连接螺扣（7）连接，顶端的钢杆（6）的末端设置有连接孔（5），牵拉钢丝（4）穿过连接孔（5）与钢杆（6）连接，然后牵拉钢丝（4）由PVC钻孔套口（2）引出，PVC钻孔套口（2）由混凝土固定台（3）固定于地表处的测量孔（1）的空口处，回填细沙（8）填入测量孔（1）中；

沉降测量装置：包括牵引钢丝（4）、标准基盘（13）、精密位移传感器（14）、数据线（15）；在牵引钢丝（4）上涂黄油，并包裹一层PE聚乙烯防腐薄膜；牵引钢丝（4）与精密位移传感器（14）连接，精密位移传感器（14）安装于标准基盘（13）上，用数据线（15）与数据采集传输装置的输入端相连；

数据采集传输装置：包括数据采集仪（16）、无线传输模块和无线发射器（17）；数据采集仪（16）和无线发射器（17）安装于沉降测量装置的标准基盘（13）上，数据采集仪（16）和无线发射器（17）连接，数据采集仪（16）的输入端使用数据线（15）与沉降测量装置中的精密位移传感器（14）相连。

2.根据权利要求1所述的一种浅部地层多点沉降实时监测装置，其特征在于：所述的测量孔（1）的直径为80mm。

3.根据权利要求1所述的一种浅部地层多点沉降实时监测装置，其特征在于：所述的基准点为1个，测点的个数为1个或1个以上，布置方式为以基准点为中心，测点以600~1000mm半径环绕其周围布置。

4.根据权利要求1所述的一种浅部地层多点沉降实时监测装置，其特征在于：所述钢筋（11）的型号为HRB335。

5.根据权利要求1所述的一种浅部地层多点沉降实时监测装置，其特征在于：所述基准点和测点的每个测量孔（1）的深度不同。

6.使用权利要求1所述的浅部地层多点沉降实时监测装置进行监测的方法，其包括下述步骤：

S1、钻孔：在拟监测的地层部位，采用钻机成孔形成测量孔，其中，用于设置基准点的测量孔1个，用于设置测点的测量孔为1个或1个以上若干，所述的基准点测量孔底部必须设置于稳定的岩土层中，各测点测量孔底部设置于地层沉降影响范围内；所述的测量孔的深度不同；

S2、基准点与测点锚固：在基准点的测量孔中安装基准点锚固系统；首先向孔底注入约0.5m浆液，然后将钢筋（11）与钢杆（6）焊接后逐段插入钻孔中，钢杆（6）之间由螺扣（7）相互连接，当钢筋（11）插入孔底浆液中时，钢杆（6）顶端距离孔口0.5m，与牵引钢丝（4）连接后，由PVC钻孔套口（2）引出与精密位移传感器（14）连接，将回填细沙（8）填土测量孔（1）中；在测点的钻孔中重复步骤S2中的上述步骤；

S3、沉降测量装置安设；安装标准基盘（13）；将基准点和测点处的牵引钢丝（4）分别与一台精密位移传感器（14）的测量钢丝输出口相连，所有的精密位移传感器（14）均安装于标准基盘（13）上；

S4、数据采集与传输装置安设：将数据采集仪（16）和无线发射器（17）安装于标准基盘（13）上，并用数据线（15）将精密位移传感器（14）与数据采集仪（16）连接，无线发射器（17）连接于数据采集仪（16）上；

S5、保护措施：为防止扰动破坏，防护措施包括为监测装置设置围栏与遮盖。

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