CN106706029A - 一种面向地下结构施工的土体性能监测装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向地下结构施工的土体性能监测装置及其工作方法，在电路保护盒的外壁及土压力接触板的内壁设置相对应的激光发射及接收器，每个电路保护盒中的电路相互并联，同时每个电路保护盒中的电路在两个金属导电棒遇水导电后接通。本发明通过激光测距技术监测土压力接触板的位移来反应土体的扰动，实现了对土体多方位变形的精确测量；同时，利用胡克定律，通过激光测距所测位移计算出土体各方位压力变化值；此外，利用欧姆定律，还可通过电路总干路电流的变化来显示地下水位的变化；实现了对土体的多深度，多方位的自动化程度测试，监测数据可靠，保证了地下结构施工及周围建筑的安全性，有着广阔的工程应用前景，将产生显著的社会经济效益。

Description

一种面向地下结构施工的土体性能监测装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及土木工程中地下结构领域，具体涉及一种土体监测装置及其工作方法。

背景技术

近年来，地下土体的监测是岩土工程项目质量安全评价、地质灾害预测的重要手段及研究热点。它可以深入岩土体内部进行地下不同深度水平位移、沉降、应力、水位等地质参数的动态监测，因此能准确检测地下位移形变信息，确定变形范围，进而研究变形机制、成灾现状、发展趋势及防灾预报。而监测上的不可见和复杂性导致地下监测技术发展缓慢，存在精度差、成本高、非自动化或难于准确计算地下位移量等问题。

随着我国城市化进程的不断深入，大中型城市轨道交通及地下空间的利用得到了飞速发展，准确评估新建地下工程对既有结构安全性影响已成为当务之急。

现阶段监测深层土体的压力值、变形及水位一般采用土压力盒、测斜管和水位计分别进行。(1)在工程测试工作中，测试元件的刚度一般都不等同于被测试的结构物或岩土体，土压力盒由于其采用厚壁金属材料制成，因此具有较大的刚度，在岩土工程测试中土压力盒自身刚度大小对测试结果的影响很大，甚至出现了因所埋设测试元件的刚度问题使得结构物的受力变形特征发生变化的情况。其次，土压力盒埋设于土体中，不能实现测点处多深度测量，想要测试不同深度处土压力，则需埋设多个，价格成本较为昂贵。(2)土体测斜仪在测量土体水平位移过程中也存在几个常见问题，铝合金测斜管导向槽的扭转较小，而塑料测斜管的扭转问题较为严重；测斜管达到极限变形后，极限弯曲部位以下地方的水平位移无法进一步测量；测斜管两端被相对固定，且测斜管管材的刚度远远大于饱和软土，导致软土与测斜管不能协调变形。可见，基于测斜仪得到的水平位移数值是近似的，有可能因非确定性因素导致监测结果存在较大的误差。(3)水位计用于地下水位监测时，常常需要借助于测斜管孔或预先设置的钻孔。当大量的降水来临时，易直接从测斜管口直接流入，导致管内水位的急剧变化，而测斜管与地下水位的相通性又不畅，故所测地下水位不具有实时性，不能及时反映地下水位的变化。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种面向地下结构施工的土体性能监测装置及其工作方法，可在不同深度处实现对土体压力、变形及水位变化的实时监测，为地下结构施工及周围建筑提供了可靠地安全预警。

技术方案：本发明提供了一种面向地下结构施工的土体性能监测装置，包括多个在竖直方向上顺序连接的监测子装置，所述监测子装置包括电路保护盒、围设在电路保护盒周围的土压力接触板、沿周向包裹在土压力接触板外的透水无纺布，电路保护盒的外壁及土压力接触板的内壁设有相对应的激光发射及接收器，每个电路保护盒中的电路相互并联并与电源构成回路，同时每个电路保护盒中的电路在两个金属导电棒遇水导电后接通。

进一步，每个电路保护盒中的电路中串联有两个定值电阻，防止电路长期受地下水的腐蚀而发生短路。

进一步，每块土压力接触板的内壁与其对应的电路保护盒外壁之间用弹簧连接，每对激光发射及接收器周围均布有四个弹簧，在弹簧的作用下可保证但不阻碍土压力接触板随着土体的扰动而移动。

进一步，相邻两个监测子装置之间由内置导线的绝缘金属棒连接，可根据工程实际情况选取埋设深度，实现了土体变形与压力的多深度测量。

一种面向地下结构施工的土体性能监测装置的工作方法，包括以下步骤：

(1)土体变形监测：土体的变形带动土压力接触板发生位移，每块土压力接触板上的激光接收器实时接收电路保护盒上激光发射器的信号，并将各距离数据传送至激光测距数据采集仪；

(2)土体压力监测：根据每块土压力接触板的位移监测结果得到每个监测子装置所在测点处的土压力值；

(3)地下水位监测：当水位位于监测子装置之上，金属导电棒相互导电形成通路；当水位位于监测子装置之下，金属导电棒相互不导电为断路；当水位位于地表时，即所有监测子装置电路闭合，根据干路总电流得到地下水位读数。

进一步，步骤(1)若激光测距仪所测距离的变化量ΔX、ΔY为正，即压力接触板间距减小，表示土体受挤压，应力增大；若ΔX、ΔY为负，即压力接触板间距增大，表示土体疏松，应力较小；该测点处土体水平位移为

进一步，步骤(2)根据胡克定律，通过不同深度处土压力接触板不同方向上的位移得到土体的各方位的压力值：

其中，K为弹簧的刚度系数之和，S为土压力接触板的面积，P为测点处土压力值。

进一步，步骤(3)地下水位与电流的关系为：

其中，I_max为所有监测子装置电路接通状态下的干路电流，I_总为干路电流，I_支为每个监测子装置金属导电棒接通时的支路电流，U为电源总电压，R为定值电阻，N为监测系统中监测子装置个数，n为水位以下监测子装置个数，h为监测子装置和每段外绝缘金属棒的高度之和，H为地下水位高度；

按照上述关系式将电流表改装为地下水位高度显示器。

有益效果：本发明通过激光测距技术监测土压力接触板的位移来反应土体的扰动，实现了对土体多方位变形的精确测量；同时，利用胡克定律，通过激光测距所测位移计算出土体各方位压力变化值；此外，利用欧姆定律，还可通过电路总干路电流的变化来显示地下水位的变化；实现了对土体的多深度，多方位的自动化程度测试，监测数据可靠，保证了地下结构施工及周围建筑的安全性，有着广阔的工程应用前景，将产生显著的社会经济效益。

附图说明

图1为本发明土体性能监测装置的结构示意图；

图2为单个监测子装置的俯视结构示意图；

图3为单个监测子装置的侧视结构示意图；

图4为电路保护盒的内部构造图；

图5为水位监测电路原理图；

图6为数据采集分析显示盒内部构造图；

图7为土体性能监测装置工作方法流程图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：一种面向地下结构施工的土体性能监测装置，根据工程情况选取埋设深度，设置四个监测子装置，如图1所示，四个监测子装置沿着竖直方向顺序连接，位于最底部的监测子装置与底座20相连进行支撑。每个监测子装置如图2、3所示，包括一个电路保护盒2以及围设在电路保护盒2四面的四块土压力接触板1，透水无纺布11沿四块土压力接触板1围城的一周进行包裹只允许地下水透入，电路保护盒2即位于土压力接触板1和透水无纺布11围起的正中部。每块土压力接触板1的内壁上皆设有一个激光接收器7，与之相对的电路保护盒2的外壁上设有对应的激光发射器5，故每个监测子装置中设有四对激光接收发射装置。同时，每对激光接收发射装置旁均匀分布有四根连接土压力接触板1及电路保护盒2的弹簧6。

四个监测子装置电路保护盒2中的电路相互并联并与电源19构成回路，电源19位于数据采集分析显示盒内，各电路保护盒2相互之间的并联通路通过内置导线的绝缘金属棒12连接。每个电路保护盒2由导线9连成的通路中设有两个遇水导通的金属导电棒4用于实时监测水位，同时串联两个定值电阻3以保护电路和保持装置的平衡，通路中设置两个接口8用于与内置导线的绝缘金属棒连接，以实现相邻监测子装置中电路的并联，如图4所示。整个土体性能监测装置的电路示意图如图5所示。

土体的变形量、压力值及地下水位的变化可通过数据采集分析显示盒进行显示，显示盒中包括激光测距采集仪16、各层土体压力、位移显示器18以及每个电路保护盒2电路并联后与电源19形成的回路，干路上设有开关15及电流表14，如图6所示。首先，每对激光接收发射装置将采集到的位移数据通过内置数据导线10的绝缘金属棒13发送至激光测距采集仪16，激光测距采集仪16通过数据处理器17连接各层土体压力、位移显示器18，数据处理器17可将位移量转化为土体各方位压力值，故各层土体压力、位移显示器18上可显示采集仪采集到的每个土压力接触板1各方向上的位移量和压力值。其次。最后，根据干路电流和地下水位高度的关系，可将干路上的电流表14改装为水位计，直接读取水位高度。

具体土体监测过程如下，如图7所示：

(1)装置安装与埋设：根据工程施工实际情况，选取各个监测子装置所在的测点位置以及装置埋设深度。监测子装置数量N＝H/h，式中，H为测点深度，h为监测子装置和每段外绝缘金属棒的高度之和。将规定数量的监测子系统用外绝缘金属棒连接好埋入预先钻好的测点，用沙土回填使得测点处土体和压力接触板紧密接触。

(2)土体变形监测：当基坑开挖、隧道开挖、桩基施工等引起周围土体的扰动时，由于测点处土体和土压力接触板1紧密接触，土体的变形带动土压力接触板1发生位移。由于不同深度处四个方向上土压力接触板1上的激光接收器7实时接收对应电路保护盒2上激光发射器5的信号，并将数据传导至激光测距采集仪16，操作人员可通过地表位移显示器18读取不同深度处土体的各方位变形数据。

若激光测距仪所测距离的变化量ΔX、ΔY为正，即压力接触板间距减小，表示土体受挤压，应力增大；若ΔX、ΔY为负，即压力接触板间距增大，表示土体疏松，应力较小。故该测点处土体水平位移为

(3)土体压力监测：根据不同深度处激光测距仪监测到的土压力接触板1位移变化数据得到土压力值，根据胡克定律：

其中，K为每对激光接收发射装置旁四根弹簧6的刚度系数之和，S为土压力接触板1的面积，P_土为测点处土压力值。操作人员可通过地表土压力显示器读取不同深度处土体的各方位压力数据。

(4)地下水位监测：当水位位于监测子装置之上，金属导电棒4相互导电形成通路；当水位位于监测子装置之下，金属导电棒4相互不导电为断路；当水位位于地表时，即所有监测子装置电路闭合，根据干路总电流得到地下水位读数。将电流表14改装为地下水位显示器，当水位位于地表时，即所有监测子装置电路闭合，电流表14达到最大量程时，地下水位读数为：

其中I_max为所有监测子装置电路接通状态下(即地下水位深度为0)的干路电流，I_总为干路电流，I_支为每个监测子装置金属导电棒接通时的支路电流，U为电源19总电压，R为定值电阻3，N为监测系统中监测子装置个数，n为水位以下监测子装置个数，h为监测子装置和每段外绝缘金属棒的高度之和，H为地下水位高度。

Claims (8)

1.一种面向地下结构施工的土体性能监测装置，其特征在于：包括多个在竖直方向上顺序连接的监测子装置，所述监测子装置包括电路保护盒、围设在电路保护盒周围的土压力接触板、沿周向包裹在土压力接触板外的透水无纺布，电路保护盒的外壁及土压力接触板的内壁设有相对应的激光发射及接收器，每个电路保护盒中的电路相互并联并与电源构成回路，同时每个电路保护盒中的电路在两个金属导电棒遇水导电后接通。

2.根据权利要求1所述的面向地下结构施工的土体性能监测装置，其特征在于：每个电路保护盒中的电路中串联有两个定值电阻。

3.根据权利要求1所述的面向地下结构施工的土体性能监测装置，其特征在于：每块土压力接触板的内壁与其对应的电路保护盒外壁之间用弹簧连接，每对激光发射及接收器周围均布有四个弹簧。

4.根据权利要求1所述的面向地下结构施工的土体性能监测装置，其特征在于：相邻两个监测子装置之间由内置导线的绝缘金属棒连接。

5.根据权利要求1所述的面向地下结构施工的土体性能监测装置的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)土体变形监测：土体的变形带动土压力接触板发生位移，每块土压力接触板上的激光接收器实时接收对应电路保护盒上激光发射器的信号，并将各距离数据传送至激光测距数据采集仪；

(2)土体压力监测：根据每块土压力接触板的位移监测结果得到每个监测子装置所在测点处的土压力值；

(3)地下水位监测：当水位位于监测子装置之上，金属导电棒相互导电形成通路；当水位位于监测子装置之下，金属导电棒相互不导电为断路；当水位位于地表时，即所有监测子装置电路闭合，根据干路总电流得到地下水位读数。

6.根据权利要求5所述的面向地下结构施工的土体性能监测装置的工作方法，其特征在于：步骤(1)若激光测距仪所测距离的变化量ΔX、ΔY为正，即压力接触板间距减小，表示土体受挤压，应力增大；若ΔX、ΔY为负，即压力接触板间距增大，表示土体疏松，应力较小；该测点处土体水平位移为

7.根据权利要求6所述的面向地下结构施工的土体性能监测装置的工作方法，其特征在于：步骤(2)根据胡克定律，通过不同深度处土压力接触板不同方向上的位移得到土体的各方位的压力值：

$\begin{array}{cc}{P}_x=\frac{K\·\mathrm{\Δ}X}{S};& P_y=\frac{K\·\mathrm{\Δ}Y}{S}\end{array};$

$P=\sqrt{{P_x}^2+{P_y}^2}$

其中，K为弹簧的刚度系数之和，S为土压力接触板的面积，P为测点处土压力值。

8.根据权利要求5所述的面向地下结构施工的土体性能监测装置的工作方法，其特征在于：步骤(3)地下水位与电流的关系为：

其中，I_max为所有监测子装置电路接通状态下的干路电流，I_总为干路电流，I_支为每个监测子装置金属导电棒接通时的支路电流，U为电源总电压，R为定值电阻，N为监测系统中监测子装置个数，n为水位以下监测子装置个数，h为监测子装置和每段外绝缘金属棒的高度之和，H为地下水位高度；

按照上述关系式将电流表改装为地下水位高度显示器。