CN104631516A - 一种便携式加筋土挡土墙墙面变形监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式加筋土挡土墙墙面变形监测装置及监测方法，包括安装于待测加筋土挡土墙体断面上的柔性轨道，以及安装于柔性轨道上、并能沿柔性轨道运动的测试装置；本发明将激光测距应用于挡土墙墙面变形检测领域，实现了激光测距技术在墙面变形检测实践中的应用，使得加筋土挡土墙的原型检测工作更为方便；相比现有的监测检测，采用本发明对加筋土挡土墙墙面变形的检测结果更符合实际，更客观，更科学；此外，本发明实现了一个设备，多种用途(并非局限于加筋土挡土墙本身，凡是柔性墙体均可进行测量)的目的，而且设备简单，符合当下社会对环保、节能、经济性的要求，因此有着十分宽广的应用前景。

Description

一种便携式加筋土挡土墙墙面变形监测装置及监测方法

技术背景

本发明属于土木工程和电磁学学领域，涉及一种挡土墙墙面变形测量装置，具体涉及一种便携式加筋土挡土墙墙面变形监测装置及监测方法。

背景技术 

随着近几年高速公路建设事业的不断发展，公路附属设施如高边坡工程项目越来越多。在建造过程中必然要求其在稳定性和耐久性方面达到更高的要求。因此如何确保高边坡支护结构在其使用寿命期内具有足够的安全性，避免地质灾害的发生，减少高速公路使用者的人身和财产的安全，就成为设计者进行高边坡支护结构设计时必须考虑的重要因素。

变形是指变形体在作用效应作用下的一种反应。由于地质条件、外荷载、设计缺陷、支护过于简单、地下水位非正常变化、施工不科学等一种或多种因素的综合组用，使得变形体的变形值超过结构所能承受的容许值，结构就会出现超过其正常承载能力的极限破环，从而造成不同程度的人身伤害或财产损失。目前仍然没有成熟的理论模型准确的计算挡土墙的变形量，因此，只有对挡土墙的变形进行现场原型监测，及时准确地提供变形监测数据，供设计人员正确分析挡土墙的墙面变形状态，以便对当前加筋土挡土墙变形提供必要的控制措施，或为以后的挡土墙设计提供理论或数据依据。同时，工作人员通过变形观测得到的数据或现象，可以获得科学的知识、检验理论和假设，甚至提出新的预测或计算变形的理论模型。

目前应用于挡土墙变形观测的主要方法有：简易观测法、设站观测法、仪 表观测法等方法。简易观测法常用于从宏观长掌握待测体的变形及发展趋势，适用于中短期观测。设站观测法主要缺点是受到地形通视条件的限制和气象条件的影响，工作量大，周期长，同时持续观测能力较差。仪表观测法具有较高的观测精度，但是其经济性较差，只有专门从事观测工作的单位具有该观测设备，一般人员再进行变形观测时不常用。同时，其不能排除由于在挡土墙中埋设竖直测管而对挡土墙结构及受力性能造成的影响。

发明内容

本发明的目的在于解决上述试验设备的技术问题、经济性问题、精度问题，提供一种结构轻巧、方便操作、受外部因素影响小以及测量结果精确的便携式加筋土挡土墙墙面变形监测装置及监测方法，该设备突破传统的测量原理，从新的角度实现了变形测量装置的实现过程。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种便携式加筋土挡土墙墙面变形监测装置，包括安装于待测加筋土挡土墙体断面上的柔性轨道，以及安装于柔性轨道上、并能沿柔性轨道运动的测试装置；测试装置的后端通过牵引线与放置于待测加筋土挡土墙体顶部水平面上的驱动装置的输出轴相连；待测加筋土挡土墙体断面底部的水平面上，水平安装有与测试装置相配合测量待测加筋土挡土墙体变形参数、并根据变形参数得到当前加筋土挡土墙体变形情况的信号反射装置，信号反射装置垂直于待测加筋土挡土墙体断面，并与柔性轨道处于同一竖直面内。

所述信号反射装置设置于距离柔性轨道底端大于1m的位置。

所述测试装置为模型小车，模型小车的滚轮卡装在柔性轨道的卡槽里；模型小车的前端设置有带激光发射口和激光信号接收口的激光产生装置；模型小 车内设置有与激光产生装置相连的单片机以及为单片机和激光产生装置供电的内部电源；单片机上还连接有用于处理数据的电脑终端；模型小车的侧面设置有用于控制内部电源的内部电源开关。

所述内部电源的第一输出端与单片机的第一输入端相连，第二输出端与激光产生装置的第一输入端相连；单片机的第一输出端与激光产生装置的第二输入端相连，实现单片机对激光产生装置的工作过程的控制；单片机的第二输入端与激光产生装置的第一输出端相连，将测量信息存储于单片机中；单片机通过其第二输出端与电脑终端相连，将测量信息导入到电脑终端实现数据的处理。

所述驱动装置包括设置于待测加筋土挡土墙体顶部水平面上的步进电机，以及为步进电机供电的外部电源；步进电机的输出轴通过牵引线与测试装置相连；步进电机通过导线与外部电源相连，且步进电机上还设置有用于控制外部电源的外部电源开关。

所述信号反射装置为合金杆，且合金杆上安装有第一反射镜和第二反射镜；第一反射镜和第二反射镜之间设置有用于校准水平度的水平标定气泡。

所述第一反射镜和第二反射镜之间的距离大于50cm。

一种便携式加筋土挡土墙墙面变形监测方法，包括以下步骤：

1)在加筋土挡土墙施工结束前三天，确定待测加筋土挡土墙体断面，选择信号反射装置的安装位置，整平夯待测加筋土挡土墙体断面底端地面，在距离柔性轨道底端大于1m的位置安装信号发射装置，确保信号反射装置与挡土墙底面垂直，保证信号反射装置与待测加筋土挡土墙体断面处于同一竖直平面内，同时保证信号反射装置处于水平位置且固定信号反射装置，在信号反射装置周围浇筑水泥混凝土，将信号反射装置嵌入其中，待水泥混凝土凝固后取出信号 反射装置，并对浇筑的水泥混凝土进行养护，留在水泥混凝土中的卡槽就是将来安装信号反射装置的位置；

2)待加紧挡土墙施工完毕后，在确定的待测加筋土挡土墙体断面上，紧贴墙壁安装柔性轨道，确保柔性轨道处于竖直面内，底端与信号反射装置处于同一水平位置，同时要与安装信号反射装置的卡槽处于同一竖直面内，并与挡土墙无缝隙黏贴；

3)初始断面标定，在加筋土挡土墙顶端的柔性轨道开口处安装固定步进电机，连接外部电源；从柔性轨道底端安装测量装置，并且通过牵引绳将测量装置与步进电机连接；将信号反射装置安装在浇筑的水泥混凝土卡槽内；开启测试装置的内部电源开关，同时开启步进电机的外部电源开关；测量装置在步进电机的牵引作用下沿着导轨移动，同时激光产生装置通过激光发射口发射激光，激光信号接收口接收反射回来的激光信号，单片机用于进行距离的计算和数据的存储，最终将数据通过单片机的第二输出端导入到电脑终端，进行数据的分析，得到当前加筋土挡土墙墙面的变形情况。

所述步骤3)中，得到当前加筋土挡土墙墙面的变形情况的具体方法是：

根据公式(1)和(2)，

$x=\frac{{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_2}{2}\right)}^2-{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_1}{2}\right)}^2-a^2}{2a}---\left(1\right)$

$y=\frac{\sqrt{2{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_1}{2}\right)}^2{a}^2+2{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_2}{2}\right)}^2{a}^2+2{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_2}{2}\right)}^2{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_1}{2}\right)}^2-{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_2}{2}\right)}^4-{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_1}{2}\right)}^4-a^4}}{2a}---\left(2\right)$

式中：a为第一反射镜和第二反射镜之间的距离，单位为m；c为光速，单位为m/s；Δt₁为激光发射口到第一反射镜反射回来的激光所用的时间，单位为s， 反射距离为Δt₂为激光发射口到第二反射镜反射回来的激光所用的时间，单位为s，反射距离为

以x为横轴，y为纵轴，建立直角坐标系，当测量装置在柔性轨道上移动时，能够得到一系列(x，y)值，将其绘制在坐标纸上，便得到当前测量时加筋土挡土墙墙面的具体位置，并描绘成连续曲线，与标定所测得的曲线相比较，即得到当前加筋土挡土墙墙面的变形情况。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

本发明将激光测距应用于挡土墙墙面变形检测领域，实现了激光测距技术在墙面变形检测实践中的应用，使得加筋土挡土墙的原型检测工作更为方便；相比现有的监测检测，采用本发明对加筋土挡土墙墙面变形的检测结果更符合实际，更客观，更科学；此外，本发明实现了一个设备，多种用途(并非局限于加筋土挡土墙本身，凡是柔性墙体均可进行测量)的目的，而且设备简单，符合当下社会对环保、节能、经济性的要求，因此有着十分宽广的应用前景。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明移动设备的结构示意图。

其中：1为柔性轨道；2为测试装置；3为信号反射装置；4为步进电机；5为外部电源；6为单片机；7为内部电源；8为激光产生装置；9为第一反射镜；10为第二反射镜；11为水平标定气泡；12为牵引线；13为导线；14为单片机的第二输出端；15为测试装置的电源开关；16为外部电源开关；17为激光发射口；18为激光信号接收口

具体实施方式

下面参见附图对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

参见附图1所示，本发明便携式加筋土挡土墙墙面变形监测装置，包括柔性轨道1、测试装置2、信号反射装置3、步进电机4、外部电源5、导线和牵引绳。其中信号反射装置安置在待测量墙体断面底部的水平位置，并且垂直于墙面，是一个两端安装有两个反射器的杆件；柔性轨道安装在带测量墙体断面上，紧贴墙壁；测试装置是一个安装在柔性轨道上的可移动设备；激光发射及接受装置为测量过程提供信号源并且接收反射回来的信号；存储器为测量过程实现数据存储及运算的功能，电源为该挡土墙监测装置提供电源。激光发射接收装置，存储器和电源设置在测量装置即可移动设备内部。可移动设备为模型小轿车。存储器为单片机C8051F021。

如图2所示，测试装置2内部安装有C8051F021单片机6、内部电源7和激光产生装置8；柔性轨道1安装在待测量的挡土墙面上；测试装置2通过其上面的滚轮安装在柔性轨道的卡槽里面；内部电源7的第一输出端与C8051F021单片机6的第一输入端相连，其第二输出端与激光产生装置8的第一输入端相连；C8051F021单片机6的第一输出端与激光产生装置8的第二输入端相连，实现C8051F021单片机6对激光产生装置8工作过程的控制；C8051F021单片机6的第二输入端与激光产生装置8的第一输出端相连实现测量信号的存储；所有测量信息存储于C8051F021单片机6中；测量数据最终由C8051F021单片机6的第二输出端14与电脑终端相连，将测量数据导入到电脑中实现数据的处理。

信号反射装置3安装在待测量墙体断面底部的水平面上，并且垂直于墙面，同时与柔性轨道在同一竖直面内。信号反射装置3是一种安装有反射镜9和10 的合金杆，为了让测量结果更准确，反射镜9和10之间的距离宜大于50cm，合金杆上有水平标定气泡11。

步进电机4为测量装置2提供牵引力，并且可以通过牵引线12控制测量装置以很小的速率沿着柔性轨道1移动，本发明推荐步进电机型号为28BYJ-48。

外部电源5为步进电机4提供其工作室所需的电能，通过导线13与步进电机4相连，为直流电源。

本发明还公开了一种便携式加筋土挡土墙墙面变形监测方法，具体包括以下步骤：

1)在加筋土挡土墙施工结束前三天，确定待测加筋土挡土墙体断面，选择信号反射装置3的安装位置，整平夯待测加筋土挡土墙体断面底端地面，在距离柔性轨道1底端大于1m的位置安装信号发射装置3，确保信号反射装置3与挡土墙底面垂直，保证信号反射装置3与待测加筋土挡土墙体断面处于同一竖直平面内，同时保证信号反射装置处于水平位置且固定信号反射装置3，在信号反射装置3周围浇筑水泥混凝土，将信号反射装置3嵌入其中，等一段时间后取出信号反射装置3，并对浇筑的水泥混凝土进行养护，留在水泥混凝土中的卡槽就是将来安装信号反射装置3的位置。

2)待加紧挡土墙施工完毕后，在确定的待测加筋土挡土墙体断面上，紧贴墙壁安装柔性轨道1，确保柔性轨道1处于竖直面内，底端与信号反射装置3处于同一水平位置，同时要与安装信号反射装置3的卡槽处于同一竖直面内，与挡土墙达到无缝隙黏贴。

3)初始断面标定，在加筋土挡土墙顶端的柔性轨道1开口处安装固定步进电机4，连接外部电源5；从柔性轨道1底端安装测量装置2，并且通过牵引绳 将测量装置2与步进电机4连接；将信号反射装置3安装在浇筑的水泥混凝土卡槽内；开启测试装置2的电源开关15，同时开启步进电机4的电源开关16；测量装置2在步进电机4的牵引作用下缓缓沿着导轨移动，同时激光产生装置8以一定的周期通过发射口17发射激光，接收口18接收反射回来的激光信号，C8051F021单片机6可以进行距离的计算和数据的存储，最终将数据通过单片机的第二输出端14导入到电脑终端，进行有关数据的分析。

重复以上操作进行多次测量，提高测量精度。具体包含的计算公式有：

$x=\frac{{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_2}{2}\right)}^2-{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_1}{2}\right)}^2-a^2}{2a}---\left(1\right)$

$y=\frac{\sqrt{2{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_1}{2}\right)}^2{a}^2+2{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_2}{2}\right)}^2{a}^2+2{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_2}{2}\right)}^2{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_1}{2}\right)}^2-{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_2}{2}\right)}^4-{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_1}{2}\right)}^4-a^4}}{2a}---\left(2\right)$

式中：

a为两个反射镜9和10之间的距离，单位m；c为光速，单位m/s；Δt₁为发射口17到反射镜9反射回来的激光所用的时间，单位s，反射距离为Δt₂为发射口17到反射镜10反射回来的激光所用的时间，单位s，反射距离为 当测量装置在柔性轨道1上移动时便可得到一系列(x，y)值，将其绘制在坐标纸上，便可得到当前测量时加筋土挡土墙墙面的具体位置，并描绘成连续曲线，与标定所测得的曲线相比较，即可得到当前加筋土挡土墙墙面的变形情况。

本发明可以完成对加筋土挡土墙墙面变形的测量工作，但是并不局限于加筋土挡土墙本身，凡是具有一定柔性的墙面均可用本发明进行变形监测，同时， 该使用新型有很强的环境适应能力和在实验室条件下对足尺试验进行测量。测量过程不对挡土墙本身的结构及内部受力造成影响。本发明所测得的数据精度高，科学性强，从而可以为有关加筋土的设计等科研工作提供可靠的数据，同时也可为已建成的加筋土支挡结构的安全性再评价提供可靠依据。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种便携式加筋土挡土墙墙面变形监测装置，其特征在于：包括安装于待测加筋土挡土墙体断面上的柔性轨道(1)，以及安装于柔性轨道(1)上、并能沿柔性轨道(1)运动的测试装置(2)；测试装置(2)的后端通过牵引线(12)与放置于待测加筋土挡土墙体顶部水平面上的驱动装置的输出轴相连；待测加筋土挡土墙体断面底部的水平面上，水平安装有与测试装置(2)相配合测量待测加筋土挡土墙体变形参数、并根据变形参数得到当前加筋土挡土墙体变形情况的信号反射装置(2)，信号反射装置(2)垂直于待测加筋土挡土墙体断面，并与柔性轨道处于同一竖直面内。

2.根据权利要求1所述的便携式加筋土挡土墙墙面变形监测装置，其特征在于：所述信号反射装置(2)设置于距离柔性轨道(1)底端大于1m的位置。

3.根据权利要求1或2所述的便携式加筋土挡土墙墙面变形监测装置，其特征在于：所述测试装置(2)为模型小车，模型小车的滚轮卡装在柔性轨道(1)的卡槽里；模型小车的前端设置有带激光发射口(17)和激光信号接收口(18)的激光产生装置(8)；模型小车内设置有与激光产生装置(8)相连的单片机(6)以及为单片机(6)和激光产生装置(8)供电的内部电源(7)；单片机(6)上还连接有用于处理数据的电脑终端；模型小车的侧面设置有用于控制内部电源的内部电源开关(15)。

4.根据权利要求3所述的便携式加筋土挡土墙墙面变形监测装置，其特征在于：所述内部电源(7)的第一输出端与单片机(6)的第一输入端相连，第二输出端与激光产生装置(8)的第一输入端相连；单片机(6)的第一输出端与激光产生装置(8)的第二输入端相连，实现单片机(6)对激光产生装置(8)的工作过程的控制；单片机(6)的第二输入端与激光产生装置(8)的第一输出端相连，将测量信息存储于单片机(6)中；单片机(6)通过其第二输出端(14)与电脑终端相连，将测量信息导入到电脑终端实现数据的处理。

5.根据权利要求1所述的便携式加筋土挡土墙墙面变形监测装置，其特征在于：所述驱动装置包括设置于待测加筋土挡土墙体顶部水平面上的步进电机(4)，以及为步进电机(4)供电的外部电源(5)；步进电机(4)的输出轴通过牵引线(12)与测试装置(2)相连；步进电机(4)通过导线(13)与外部电源(5)相连，且步进电机(4)上还设置有用于控制外部电源(5)的外部电源开关(16)。

6.根据权利要求1所述的便携式加筋土挡土墙墙面变形监测装置，其特征在于：所述信号反射装置(3)为合金杆，且合金杆上安装有第一反射镜(9)和第二反射镜(10)；第一反射镜(9)和第二反射镜(10)之间设置有用于校准水平度的水平标定气泡(11)。

7.根据权利要求6所述的便携式加筋土挡土墙墙面变形监测装置，其特征在于：所述第一反射镜(9)和第二反射镜(10)之间的距离大于50cm。

8.一种便携式加筋土挡土墙墙面变形监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在加筋土挡土墙施工结束前三天，确定待测加筋土挡土墙体断面，选择信号反射装置(3)的安装位置，整平夯待测加筋土挡土墙体断面底端地面，在距离柔性轨道(1)底端大于1m的位置安装信号发射装置(3)，确保信号反射装置(3)与挡土墙底面垂直，保证信号反射装置(3)与待测加筋土挡土墙体断面处于同一竖直平面内，同时保证信号反射装置(3)处于水平位置且固定信号反射装置(3)，在信号反射装置(3)周围浇筑水泥混凝土，将信号反射装置(3)嵌入其中，待水泥混凝土凝固后取出信号反射装置(3)，并对浇筑的水泥混凝土进行养护，留在水泥混凝土中的卡槽就是将来安装信号反射装置(3)的位置；

2)待加紧挡土墙施工完毕后，在确定的待测加筋土挡土墙体断面上，紧贴墙壁安装柔性轨道(1)，确保柔性轨道(1)处于竖直面内，底端与信号反射装置(3)处于同一水平位置，同时要与安装信号反射装置(3)的卡槽处于同一竖直面内，并与挡土墙无缝隙黏贴；

3)初始断面标定，在加筋土挡土墙顶端的柔性轨道(1)开口处安装固定步进电机(4)，连接外部电源(5)；从柔性轨道(1)底端安装测量装置(2)，并且通过牵引绳将测量装置(2)与步进电机(4)连接；将信号反射装置(3)安装在浇筑的水泥混凝土卡槽内；开启测试装置(2)的内部电源开关(15)，同时开启步进电机(4)的外部电源开关(16)；测量装置(2)在步进电机(4)的牵引作用下沿着导轨移动，同时激光产生装置(8)通过激光发射口(17)发射激光，激光信号接收口(18)接收反射回来的激光信号，单片机(6)用于进行距离的计算和数据的存储，最终将数据通过单片机(6)的第二输出端(14)导入到电脑终端，进行数据的分析，得到当前加筋土挡土墙墙面的变形情况。

9.根据权利要求8所述的便携式加筋土挡土墙墙面变形监测方法，其特征在于，所述步骤3)中，得到当前加筋土挡土墙墙面的变形情况的具体方法是：

根据公式(1)和(2)，

$x=\frac{{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_2}{2}\right)}^2-{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_1}{2}\right)}^2-a^2}{2a}---\left(1\right)$

$y=\frac{\sqrt{2{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_1}{2}\right)}^2{a}^2+2{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_2}{2}\right)}^2{a}^2+2{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_2}{2}\right)}^2{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_1}{2}\right)}^2-{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_2}{2}\right)}^4-{\left(\frac{{\mathrm{c\Δt}}_1}{2}\right)}^4-a^4}}{2a}---\left(2\right)$

式中：a为第一反射镜(9)和第二反射镜(10)之间的距离，单位为m；c为光速，单位为m/s；Δt₁为激光发射口(17)到第一反射镜(9)反射回来的激光所用的时间，单位为s，反射距离为Δt₂为激光发射口(17)到第二反射镜(10)反射回来的激光所用的时间，单位为s，反射距离为

以x为横轴，y为纵轴，建立直角坐标系，当测量装置在柔性轨道(1)上移动时，能够得到一系列(x，y)值，将其绘制在坐标纸上，便得到当前测量时加筋土挡土墙墙面的具体位置，并描绘成连续曲线，与标定所测得的曲线相比较，即得到当前加筋土挡土墙墙面的变形情况。