CN105241418A - 一种新型地表沉降测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型地表沉降测试装置及方法，它包括支撑装置、滑轮、质量块、百分表、刚性绳和套管，滑轮固定于支撑装置内顶部；刚性绳绕过滑轮，一端穿过套管固定于地表下方稳定土层或基岩位置中，另一端与质量块相连，使质量块垂直悬挂于刚性绳上；百分表与质量块接触连接，用于监测质量块的垂直位移。刚性绳一端与质量块相连的方式可采用直接连接或通过动滑轮连接。监测数据可通过数据线与无线传输模块用于远程监控。装置可用太阳能电池给测试仪器供电。本发明可以大大提高测量精度、提高测量稳定性；同时实现了实时自动化远程监测，节省大量的人力物力，降低监测成本。

Description

一种新型地表沉降测试装置及方法

技术领域

本发明涉及土木工程测试领域，特别涉及一种新型地表沉降测试装置及方法。

背景技术

在路基填筑、基坑开挖、大型建、构筑物施工过程中，地表沉降是一个监测的重要指标，传统地表沉降监测方法主要是采用水准仪、电磁式沉降仪等，这些测试方法主要存在以下缺点：1)需要人工操作，不能实现自动化测量，无法实现远程监测，且测量结果受人为因素影响大；2)当存在障碍物时，采用光学仪器视线受阻，测试非常困难，需要引点测量，误差增大；3)道路、建构筑物施工工程中，由于场地受限，测试费事费力。因此，亟需开发一种能够自动化远程监测、测量精确、操作简单、价格低廉的地表沉降监测装置。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提供一种新型地表沉降测试装置及方法，使地表沉降测试能够实现自动化远程监测、测量精确、操作简单。具体技术方案如下：

一种新型地表沉降测试装置，包括支撑装置、滑轮、质量块、百分表、刚性绳和套管，滑轮固定于支撑装置内顶部；刚性绳绕过滑轮，一端穿过套管固定于地表下方稳定土层或基岩位置中，另一端与质量块相连，使质量块垂直悬挂于刚性绳上；百分表与质量块接触连接，用于监测质量块的垂直位移。

作为优选，所述的质量块与刚性绳一端直接固定连接。

作为优选，所述的刚性绳与质量块通过一个动滑轮相连，且刚性绳穿过动滑轮固定于支撑装置装置内顶部，而质量块固定于动滑轮上，质量块由横向位移固定装置固定，使其只能在垂直方向移动而水平方向不会产生位移。

作为优选，所述的刚性绳穿过套管的一端与刚性绳固定板相连，刚性绳固定板布设在锚固扩大头中。

作为进一步的优选，所述的百分表通过数据线与用于接收和发送数据的无线传输模块相连。

作为无线传输模块的进一步优选，所述的无线传输模块通过输电线与太阳能电池板相连进行供电。

作为优选，所述的支撑装置为刚性密封外壳，且底部设有供套管穿过的通孔。

在上述地表沉降测试装置基础上，本发明还提供了一种使用所述装置的地表沉降测试方法，包括以下步骤：

步骤1)：在地表打孔并安装套管，使套管底部位于稳定土层或基岩位置，并将刚性绳穿过套管固定于稳定土层或基岩位置；

步骤2)：将支撑装置放置于地表，刚性绳垂直穿过套管，并通过固定于支撑装置的滑轮与质量块连接；

步骤3)：利用百分表对质量块相对于地表的垂直位移进行测量，并将测量值换算为地表沉降值。

作为该方法的优选，所述的步骤1)中，套管在安装前底部预先放置膨胀水泥或高聚物，刚性绳一端穿过套管底部并连接于刚性绳固定板上，再随套管底部一起下至稳定土层或基岩位置后，向管内注水使膨胀水泥或高聚物反应膨胀，得到孔底的锚固扩大头。

作为该方法的优选，所述的百分表测量得到的数据通过无线传输模块进行发送，且无线传输模块由太阳能电池板进行供电；地表沉降测试装置底部进行硬化处理。

对比现有技术，本发明具有以下有益效果：1)除仪器安装阶段，不存在人为操作，大大降低了测量误差；2)由于光学仪器本身存在精度不高、受环境影响较大等不利因素，因此采用本发明可以大大提高测量精度、提高测量稳定性；3)实现了实时自动化远程监测，节省大量的人力物力，降低监测成本，当设定报警值时，可自动报警；4)特别适用于监测空间狭小、存在较多障碍物或运营中的高速公路和铁路，大大提高监测效率。

附图说明：

图1是本发明的地表沉降测试装置的第一种实施方式示意图；

图2是本发明的地表沉降测试装置的第二种实施方式示意图；

图3是本发明的锚固扩大头的示意图；

图4是本发明的地表沉降测试装置的第三种实施方式示意图；

图5是本发明的地表沉降测试装置的第四种实施方式示意图。

图中：太阳能电池板1，保护壳2，支撑装置3，输电线4，滑轮5，质量块6，无线传输模块7，数据线8，百分表9，刚性绳10，套管11，刚性绳固定板12，锚固扩大头13，动滑轮14和横向位移固定装置15。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步阐述。下面所描述的各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

如图1～2所示，一种新型地表沉降测试装置，包括支撑装置3、滑轮5、质量块6、百分表9、刚性绳10和套管11，滑轮5固定于支撑装置3内顶部；刚性绳10绕过滑轮5，一端穿过套管11用于固定于地表下方稳定土层或基岩位置中并随之移动，另一端与质量块6相连，使质量块6垂直悬挂于刚性绳10上；百分表9与质量块6接触连接，用于监测质量块6的垂直位移。

由于刚性绳10一端嵌固在稳定土层或基岩中，因此可认为竖向位移近似为零，同时支撑装置3与地表接触，当地表产生沉降时，支撑装置3会随地表产生向下的位移，因而此时在滑轮5作用下，质量块由于受重力的作用将向下移动，通过百分表测量质量块与支撑装置3之间的距离变化便可测得质量块的位移，同理也是地表的沉降量。

刚性绳10一端与质量块6相连的方式至少有以下两种：

方案一：如图1所示，将质量块6与刚性绳10一端直接固定连接，即将质量块6直接悬挂于刚性绳10一端，在由刚性绳10的牵引下上下移动。

方案二：如图2所示，刚性绳10与质量块6通过一个动滑轮14相连，刚性绳10一端不直接与质量块6相连，而是穿过动滑轮14固定于支撑装置3装置内顶部，而质量块6固定于动滑轮14上。刚性绳10牵引动滑轮14上下移动，从而带动质量块6产生垂直位移。且为了使质量块6只能在垂直方向移动而水平方向不会产生位移，利用横向位移固定装置15对其进行固定。横向位移固定装置15可以采用多种方式，例如可以是两条垂直的滑动轴，分别设置在质量块6左右两侧；也可以是单条穿过质量块6的滑动轴。

如图3所示，为了能更好地对刚性绳10位于地表以下的部分进行固定，刚性绳10穿过套管11的一端与刚性绳固定板12相连，而刚性绳固定板12布设在锚固扩大头13中，锚固扩大头13设置于地表下方稳定土层或基岩位置中。

如图4～5所示，由于人工监测较为不便，为了能够实现远程监测，所述的百分表9通过数据线8与无线传输模块7相连，无线传输模块7接收百分表9测量得到的数据，并将其发送至用户接收端，实现远程监控。

同时作为无线传输模块的供电方案的进一步改进，通过输电线4与太阳能电池板1相连，对无线传输模块7进行供电，便于野外无电力供应条件下的监测工作。

支撑装置3的可以选择支架或者其他形式，只要能够提供一定的高度悬挂滑轮及质量块即可，但支撑装置3必须为刚性结构，不能有弹性或者容易产生形变。但是作为用于野外地表沉降监测时，监测装置容易遭受雨水等湿气腐蚀，因此可采用刚性密封外壳作为支撑装置3，滑轮12直接固定于外壳内顶部，且外壳底部设有供套管11穿过的通孔，套管11与外壳不接触。刚性密封外壳能够减少监测装置内部结构受到湿气影响，延长装置寿命。

在实际使用时，可在支撑装置3外侧设置保护壳2。保护壳2可采用砖砌结构或者其他结构，防止内部装置的损坏。

在上述地表沉降测试装置基础上，本发明还提供了一种使用所述装置的地表沉降测试方法，包括以下步骤：

步骤1)：利用打孔机在地表打孔至稳定土层或基岩位置，在孔中安装套管11，使套管11底部也位于稳定土层或基岩位置，并将刚性绳10穿过套管11固定于稳定土层或基岩位置。刚性绳10的固定方式可以根据实际情况进行选择，作为一种实施方式，套管11在安装前底部预先放置膨胀水泥或高聚物，并在其中放置刚性绳固定板12，刚性绳10一端穿过套管11底部并连接于刚性绳固定板12上。刚性绳固定板12随套管11底部一起下至稳定土层或基岩位置后，向管内注水使膨胀水泥或高聚物反应膨胀、固化，得到孔底的锚固扩大头，由此使刚性绳10更牢固地固定于稳定土层或基岩位置，更准确地监测地表沉降。

步骤2)：将支撑装置3放置于地表，刚性绳10垂直穿过套管11，并通过固定于支撑装置3的滑轮5与质量块6连接。套管11应尽量垂直设置并包裹整段位于地表以下的刚性绳10，刚性绳10不能接触套管11侧壁和土壤，保持悬空状态。

步骤3)：利用百分表9对质量块6相对于地表的垂直位移进行测量，并将测量值换算为地表沉降值。该换算方法根据地表沉降对质量块6位移的影响而定。针对刚性绳10一端与质量块6相连的方式，若采用方案一，则质量块6相对于地表的垂直位移即为地表沉降量；若采用方案二，则地表沉降量为质量块6相对于地表的垂直位移的两倍。

实际使用过程中，可建立测点保护结构并安装供电设施：采用砖砌结构保护测试装置，最后在砖砌结构顶部安装太阳能电池板及相应的电路。

该方法应用于远程监控时，可将百分表9测量得到的数据通过无线传输模块7进行发送，且无线传输模块7由太阳能电池板1进行供电。另外，地表沉降测试装置底部及套管口周边可用水泥浇筑进行硬化处理，然后将支撑装置3固定在水泥砂浆上，以提高监测准确性。

实施例

以某地作为监测区域，建立监测站点，并分别安装两套地表沉降测试装置，其中装置一(图4)和装置二(图5)的刚性绳10与质量块6相连方式分别采用前述的方案一和方案二，而其他部分设置均相同。两套装置中，刚性绳10均穿过套管11的一端通过刚性绳固定板12和锚固扩大头13固定于地表下方稳定土层或基岩位置中。在两套装置基础上，采用前述的监测方法对该地地面沉降进行监测。

同时作为对比，采用现有技术中的水准测量方式对沉降进行监测。

根据测量需要，装置一中百分表的量程选择0～10mm的，装置二中百分表的量程选择0～5mm的(同一规格百分表量程越小，造价越低)，水准测量采用刻度为1mm的塔尺，监测结果显示：采用装置一测量时，百分表的读数为5.361mm，换算成实际地表沉降为5.361mm，测量精度为0.01mm；采用装置二测量时，百分表的读数为2.512mm，换算成实际地表沉降为5.024mm，测量精度为0.02mm；而采用传统水准测量方式测量时，地表沉降为5.1mm，测回较差为1.4mm，因此本次测量精度仅为1.4mm，对比可以看出，采用装置一测量精度最高，采用装置二测量精度次之，而传统水准测量方式测量精度最差。

在本次测量过程中，我们要求每隔12小时测量一次，由于传统水准测量时需要足够的亮度，因此只能选择白天测量，我们选择早上6点和晚上6点测量，这给我们的测量安排造成了很大的不便，而采用装置一结合无线传输模块以及装置二结合无线传输模块的测量方式，我们只需事先设定好监测频率，这样每隔12小时就会有相应的监测数据传送到服务器上，在室内就可以实时看到监测结果，省时省力。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种新型地表沉降测试装置，其特征在于，包括支撑装置(3)、滑轮(5)、质量块(6)、百分表(9)、刚性绳(10)和套管(11)，滑轮(5)固定于支撑装置(3)内顶部；刚性绳(10)绕过滑轮(5)，一端穿过套管(11)固定于地表下方稳定土层或基岩位置中，另一端与质量块(6)相连，使质量块(6)垂直悬挂于刚性绳(10)上；百分表(9)与质量块(6)接触连接，用于监测质量块(6)的垂直位移。

2.如权利要求1所述的地表沉降测试装置，其特征在于，所述的质量块(6)与刚性绳(10)一端直接固定连接。

3.如权利要求1所述的地表沉降测试装置，其特征在于，所述的刚性绳(10)与质量块(6)通过一个动滑轮(14)相连，且刚性绳(10)穿过动滑轮(14)固定于支撑装置(3)装置内顶部，而质量块(6)固定于动滑轮(14)上，质量块(6)由横向位移固定装置(15)固定，使其只能在垂直方向移动而水平方向不会产生位移。

4.如权利要求1所述的地表沉降测试装置，其特征在于，所述的刚性绳(10)穿过套管(11)的一端与刚性绳固定板(12)相连，刚性绳固定板(12)布设在锚固扩大头(13)中。

5.如权利要求1-4所述的地表沉降测试装置，其特征在于，所述的百分表(9)通过数据线(8)与用于接收和发送数据的无线传输模块(7)相连。

6.如权利要求5所述的地表沉降测试装置，其特征在于，所述的无线传输模块(7)通过输电线(4)与太阳能电池板(1)相连进行供电。

7.如权利要求1-4所述的地表沉降测试装置，其特征在于，所述的支撑装置(3)为刚性密封外壳，且底部设有供套管(11)穿过的通孔。

8.一种使用权利要求1所述装置的地表沉降测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：在地表打孔并安装套管(11)，使套管(11)底部位于稳定土层或基岩位置，并将刚性绳(10)穿过套管(11)固定于稳定土层或基岩位置；

步骤2)：将支撑装置(3)放置于地表，刚性绳(10)垂直穿过套管，并通过固定于支撑装置(3)的滑轮(5)与质量块(6)连接；

步骤3)：利用百分表(9)对质量块(6)相对于地表的垂直位移进行测量，并将测量值换算为地表沉降值。

9.如权利要求8所述的地表沉降测试方法，其特征在于，所述的步骤1)中，套管(11)在安装前底部预先放置膨胀水泥或高聚物，刚性绳(10)一端穿过套管(11)底部并连接于刚性绳固定板(12)上，再随套管(11)底部一起下至稳定土层或基岩位置后，向管内注水使膨胀水泥或高聚物反应膨胀，得到孔底的锚固扩大头。

10.如权利要求8所述的地表沉降测试方法，其特征在于，所述的百分表(9)测量得到的数据通过无线传输模块(7)进行发送，且无线传输模块(7)由太阳能电池板(1)进行供电；地表沉降测试装置底部进行硬化处理。