CN103245294B - 岩土体内部位移量测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种岩土体内部位移量测系统。本发明包括测量单元，测量单元将信号发送至数据采集单元，数据采集单元与终端设备连接；测量单元包括锚固头，锚固头通过合金丝与一光栅尺连接，光栅尺与数据采集单元连接。埋入岩土介质的锚固头体积小、重量轻，与介质贴合紧密，与周围介质发生相同方向和大小的位移；合金丝本身变形小，与介质的摩阻系数非常小，对岩土体本身性质扰动小，所获得的位移结果更接近实际值；光栅尺的最小测量单位可以达到μ米级别；数据采集单元与终端设备能自动采集、传输与记录所需数据；该系统能实现岩土体内部位移量测的低扰动、高精度和数据的自动采集、传输与记录。

Description

岩土体内部位移量测系统
技术领域
本发明涉及一种岩土体内部位移量测系统。
背景技术
岩土体模型试验是岩土工程应用及研究中非常重要的一种手段，具有准确直观、同实际情况符合性好等优点，近些年来被广泛使用。岩土体模型试验的一个重要环节就是岩土体内部的数据采集。但是对于岩土体内部的很多信息的采集非常困难，尤其是岩土体内部的位移场变化数据的准确采集，一直缺少简便而精确的手段。
申请号为201010607907.6的中国专利公开了一种可用于现场测量井巷、隧道及地基工程中围岩或基础内部沿钻孔轴向位移量的岩土钻孔多点位移计，主要由锚头、外伸型或凸起状弹簧片和测尺组成。在施工现场有条件钻孔的位置可以进行测量，但成本较高，本身所需要的空间较大，不便于应用在岩土体模型试验中。
申请号为201010203996.8的中国专利公开了一种基于霍尔效应的岩土地下位移测量方法及装置，是由多个测量单元(由永磁体或电磁铁，霍尔传感器组成)串接而成。根据霍尔传感器的输出电压的变化计算得到两个相邻测量单元的位移量和位移方向，从而得到岩土地下位移量和位移方向。但测量单元体积较大，不适合用在按一定相似比缩小的岩土体模型试验中，而且布设要求较高，对传感器的稳定性要求也较高，成本也较高。
申请号为201010607907.6的中国专利公开了一种岩土体表面位移实时监测装置及监测方法，用于基坑或边坡等岩土体的位移或变形监测，其包括：基准点锚固系统、测量系统和数据采集系统。只可实现岩土体表面位移的监测，但对其内部的位移无法直接进行测量，且只能用于现场监测。
申请号为200720185351.X的中国专利公开了一种量测岩土体两点间距离变化的岩土位移直读仪，它包括测线、固定基座、读数窗口、尺盘、固定外壳、收紧弹簧、轴和绕线盘。此专利虽然结构简单，但自动化程度低，只能人工读数，工作量大，受到施工现场和试验条件的限制。
申请号为200810138973的中国专利公开了一种用于地质力学模型试验的微型内置悬臂梁式位移计，包括弹簧片、合金丝绳、应变片、调节螺栓、固定装置、信号接收处理装置等，合金丝绳的两端分别连接于弹簧片上端和模型内部测点处。该位移测量系统为机械式原理测量，精度不高，无法自动化测量。
现有的与本发明相近的技术针对岩土工程施工或运营现场测量的居多，而且体积较大，成本高，不适用于按一定相似比缩小的岩土体模型试验。已有的可用于岩土体模型试验的测量系统在对岩土体的扰动性、精度、操作性及自动化程度上还有很大欠缺。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适用于岩土体模型试验的岩土体内部位移量测系统，该系统能实现岩土体内部位移量测的低扰动、高精度和数据的自动采集、传输与记录。
为解决上述技术问题，本发明岩土体内部位移量测系统包括测量单元，测量单元与数据采集单元连接，数据采集单元与终端设备连接；测量单元包括锚固头，锚固头通过合金丝与一光栅尺连接，光栅尺与数据采集单元连接。
埋入岩土介质的锚固头体积小、重量轻，与介质贴合紧密，与周围介质发生相同方向和大小的位移；合金丝本身变形小，与介质的摩阻系数非常小，对岩土体本身性质扰动小，所获得的位移结果更接近实际值；光栅尺的最小测量单位可以达到μ米级别；数据采集单元与终端设备能自动采集、传输与记录所需数据；该系统能实现岩土体内部位移量测的低扰动、高精度和数据的自动采集、传输与记录。
优选的，测量单元还包括一支架，支架上固定有滑轮组，合金丝绕在滑轮组上。在岩土体模型试验仪器或场地限制条件下，可以通过滑轮组来改变合金丝的走向与位置。
优选的，数据采集单元连接多个测量单元，数据采集单元集合多个测量单元的信号数据发送至终端设备。数据采集单元具有稳定、灵活、方便的优点，采样率高，方便与任何终端设备直接相连，可拆装单元可以根据需要进行模块化的任意数量的组装。
优选的，锚固头与合金丝通过一锁紧螺栓连接。该锁紧螺栓保证了锚固头与合金丝不易发生脱离和滑动。
优选的，锚固头面向合金丝的表面设有多个凹槽。该凹槽增加了介质材料对锚固头的阻力，使锚固头在介质材料中不容易发生相对位移。
优选的，光栅尺包括一固定用的光栅尺支架，光栅尺支架的两端分别设有向侧面延伸的上固定端和下固定端，上固定端和下固定端之间设有一滑动杆，滑动杆上套有一滑动端，滑动端沿滑动杆滑动，合金丝通过合金丝固定螺栓与滑动端固定连接，下固定端连接有一输出数据线。更进一步的优选，滑动端与下固定端通过一轻质弹簧连接。该轻质弹簧可调节拉力，可以抵消滑动端自重的不利影响，提高测量的精度。
滑动杆与滑动端的更进一步的优选配合方案：滑动杆包括一滑动凹槽，滑动凹槽的两边设有向滑动端延伸的凸缘；滑动端包括与滑动凹槽相对应的滑动凸块和与滑动凸块连接的支撑端，滑动凸块上设有油槽；滑动凸块与凸缘之间设有密封塑料片。该配合方案克服了光栅尺在采集位移变化量过程中摩擦力过大的问题。
附图说明
图1为本发明岩土体内部位移量测系统的结构示意图。
图2为图1所示的岩土体内部位移量测系统的光栅尺的结构示意图。
图3为图2所示的光栅尺的滑动杆与滑动端的截面示意图。
图4为图1所示的岩土体内部位移量测系统的锚固头和合金丝的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明岩土体内部位移量测系统的具体实施方式作进一步详细说明。
如图1所示，本发明岩土体内部位移量测系统包括测量单元1，测量单元1与数据采集单元2连接，数据采集单元2与终端设备3连接；测量单元1包括锚固头11，锚固头11通过合金丝12与一光栅尺13连接，光栅尺13与数据采集单元2连接；测量单元1还包括一支架14，支架上固定有滑轮组15，合金丝12绕在滑轮组15上；数据采集单元2可连接多个测量单元1，数据采集单元2集合多个测量单元1的信号数据发送至终端设备3。
如图2所示，光栅尺13包括一固定用的光栅尺支架131，光栅尺支架131的两端分别设有向侧面延伸的上固定端132和下固定端133，上固定端132和下固定端133之间设有一滑动杆134，滑动杆134上套有一滑动端135，滑动端135沿滑动杆134滑动，合金丝12通过合金丝固定螺栓136与滑动端135固定连接，下固定端133连接有一输出数据线137；滑动端135与下固定端133通过一轻质弹簧138连接。
如图3所示，滑动杆134包括一滑动凹槽1341，滑动凹槽1341的两边设有向滑动端135延伸的凸缘1342；滑动端135包括与滑动凹槽1341相对应的滑动凸块1351和与滑动凸块1351连接的支撑端1352，滑动凸块1351上设有油槽1353；滑动凸块1351与凸缘1342之间设有密封塑料片1343。
如图4所示，锚固头11与合金丝12通过一锁紧螺栓16连接，锚固头11面向合金丝12的表面设有多个凹槽17。
在岩土体模型试验准备阶段，先将高强度细合金丝12通过锁紧螺栓16与锚固头11连接，然后在装填岩土体试验介质的同时将锚固头11埋置于介质中并将周围介质压实，将合金丝12沿与锚固头11固定时所在的方向引至介质之外。
对于介质外部的合金丝12，在需要改变其走向的地方加装金属轴承滑轮组15。将合金丝12的另外一端固定于光栅尺13的滑动端135上，上固定端132和下固定端133之间加装可添加润滑剂的滑动杆134，滑动端135和下固定端133之间加装可调节拉力的金属轻质弹簧138。光栅尺支架131可以通过螺栓或其他卡具固定在试验反力架、挡板等各种位置。光栅尺13通过特制的输出数据线137与数据采集单元2连接，其中数据采集单元2可以是USB数据采集设备阵列，光栅尺13通过特制的输出数据线137与USB数据采集设备阵列的USB数据接收盒连接，USB接收接收盒通过USB数据线或集线器可与任意带USB接口的终端设备3连接。
在试验过程中，锚固头11与周围岩土体介质紧密贴合，随之产生相同方向与大小的位移，并通过合金丝12与金属轴承滑轮组15将位移量传递给高精度光栅尺13的滑动端135，使之产生相对的位移，这个位移与处于岩土介质内部的锚固头11沿合金丝12方向的位移大小相同。高精度光栅尺13可以把这种相对位移的变化依据莫尔条纹的形成原理转化为光信号的变化，并由其内部的接收器接收，通过特制的输出数据线137传递给USB数据采集设备阵列中的USB数据接收盒，并转化为数字信号。数字信号通过USB数据线被传递给终端设备3，进行数据处理、记录与显示，一台终端设备3能通过数据采集单元2的集线装置采集127个光栅尺13发送的信号数据。
整个岩土体内部位移量测系统可以通过终端设备3上安装的专用软件对系统进行实时的自动化控制与数据采集、处理、记录及显示，输出的数据可以直接显示成为带时间变量的表格或曲线，还支持直接输出到excel等商业软件中。
埋入岩土介质的锚固头体积小、重量轻，与介质贴合紧密，与周围介质发生相同方向和大小的位移；合金丝本身变形小，与介质的摩阻系数非常小，对岩土体本身性质扰动小，所获得的位移结果更接近实际值；光栅尺的最小测量单位可以达到μ米级别；数据采集单元与终端设备能自动采集、传输与记录所需数据；该系统能实现岩土体内部位移量测的低扰动、高精度和数据的自动采集、传输与记录。
以上对本发明实施例所提供的岩土体内部位移量测系统进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，凡依本发明设计思想所做的任何改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种岩土体内部位移量测系统，包括测量单元(1)，所述测量单元(1)与数据采集单元(2)连接，所述数据采集单元(2)与终端设备(3)连接，其特征在于：所述测量单元(1)包括锚固头(11)，所述锚固头(11)通过合金丝(12)与一光栅尺(13)连接，所述光栅尺(13)与所述数据采集单元(2)连接；所述光栅尺(13)包括一固定用的光栅尺支架(131)，所述光栅尺支架(131)的两端分别设有向侧面延伸的上固定端(132)和下固定端(133)，所述上固定端(132)和所述下固定端(133)之间设有一滑动杆(134)，所述滑动杆(134)上套有一滑动端(135)，所述滑动端(135)沿所述滑动杆(134)滑动，所述合金丝(12)通过合金丝固定螺栓(136)与所述滑动端(135)固定连接，所述下固定端(133)连接有一输出数据线(137)；所述滑动端(135)与所述下固定端(133)通过一可调节拉力的轻质弹簧(138)连接。
2.根据权利要求1所述的岩土体内部位移量测系统，其特征在于：所述测量单元(1)还包括一支架(14)，所述支架上固定有滑轮组(15)，所述合金丝(12)绕在所述滑轮组(15)上。
3.根据权利要求1所述的岩土体内部位移量测系统，其特征在于：所述数据采集单元(2)连接多个所述测量单元(1)，所述数据采集单元(2)集合多个所述测量单元(1)的信号数据发送至终端设备(3)。
4.根据权利要求1所述的岩土体内部位移量测系统，其特征在于：所述锚固头(11)与所述合金丝(12)通过一锁紧螺栓(16)连接。
5.根据权利要求1所述的岩土体内部位移量测系统，其特征在于：所述锚固头(11)面向合金丝(12)的表面设有多个凹槽(17)。
6.根据权利要求1所述的岩土体内部位移量测系统，其特征在于：所述滑动杆(134)包括一滑动凹槽(1341)，所述滑动凹槽(1341)的两边设有向所述滑动端(135)延伸的凸缘(1342)；所述滑动端(135)包括与所述滑动凹槽(1341)相对应的滑动凸块(1351)和与所述滑动凸块(1351)连接的支撑端(1352)，所述滑动凸块(1351)上设有油槽(1353)；所述滑动凸块(1351)与所述凸缘(1342)之间设有密封塑料片(1343)。
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