CN108896237B - 适用于土工构筑物的孔隙水压力监测传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于土工构筑物的孔隙水压力监测传感器，包括若干个检测段；每个检测段均包括相互连通的多孔过水管和水压腔、位于多孔过水管和水压腔之间的滤膜、约束支座桥、一端固定于一个约束支座桥上另一端自由或搭在另一个约束支座桥上的变形梁、配合在水压腔内的传力活塞、一端与传力活塞连接另一端抵住变形梁中部的传力杆、贴于变形梁外侧的位移敏感元件、将变形梁包围且使多孔过水管外侧露出的保护管；各检测段保护管间通过柔性管连通，位移敏感元件沿着保护管和柔性管引出，多孔过水管外侧和位移敏感元件引出端与外界连通、其余部分均密封。该传感器布设方便，使用简单，传感器耐久性好，测试精度高，造价低，可大覆盖面组网布设。

Description

适用于土工构筑物的孔隙水压力监测传感器
技术领域
本发明涉及一种土木工程实验设备，具体涉及一种适用于土工构筑物的孔隙水压力监测传感器。
背景技术
公路、铁路路基、堤坝等土工构筑物，都是以填料土作为建筑材料。土是碎散的、三相的，土中水的运动是地球水循环的重要一环，但土中水的渗流也是与很多自然灾害与工程事故密切相关的，如公路、铁路路基、堤坝等土工构筑物的结构失效，通常会造成很大的危害。因此，对土中水的压力大小以及分布的掌握，是土工建筑物进行变形或稳定性计算分析时需要首先确定的。
土工构筑物一般具有体积庞大、组成不均匀、对环境变化敏感等特征，这使得对其结构内部状态的预估有很大困难，对于存在较大安全隐患的结构，进行实时内部水压力监测是十分必要的。而通常有效的状态监测，仅靠有限个点的孔隙水压力监测也很难反映整体结构的安全状态。
现有的孔隙水压力监测传感器存在成活率低、造价高、精度难保证等问题，从而限制了在体积较大的土工建筑物结构中的有效应用。在孔隙水压力监测实现方法上，多通过透水石或针孔，将水从土中滤出，再通过测压力装置测量孔隙水压力的大小。对于公路、铁路路基、堤坝等土工构筑物，易感区域通常要经历水的往复渗流作用，透水石若孔隙过大，则不能避免细粒土的进入以及施加的压力，若孔隙过小，会造成透水孔堵塞，从而大大降低进入传感器中水的压力，使传感器的耐久性降低，而压力敏感元件的高造价，又会限制对土工建筑物的大覆盖面监控。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于土工构筑物的孔隙水压力监测传感器，该传感器布设方便，使用简单，传感器耐久性好，测试精度高，造价低，可大覆盖面组网布设。
本发明所采用的技术方案是：
一种适用于土工构筑物的孔隙水压力监测传感器，包括若干个检测段；每个检测段均包括相互连通的多孔过水管和水压腔、位于多孔过水管和水压腔之间的滤膜、约束支座桥、一端固定于一个约束支座桥上另一端自由或搭在另一个约束支座桥上的变形梁、配合在水压腔内的传力活塞、一端与传力活塞连接另一端抵住变形梁中部的传力杆、贴于变形梁外侧的光纤光栅、将变形梁包围且使多孔过水管外侧露出的保护管；各检测段保护管间通过柔性管连通，光纤光栅沿着保护管和柔性管引出，多孔过水管外侧和光纤光栅引出端与外界连通、其余部分均密封。
进一步地，光纤光栅为裸光纤光栅或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件。
进一步地，各检测段的光纤光栅进行单根光纤共线处理，各检测段间采用含多个刻栅的同一根光纤实现准分布式测量。
进一步地，多孔过水管的孔径为毫米级或更细，多孔过水管的孔长为厘米级或更大，多孔过水管的孔是直孔或弯曲孔。
进一步地，多孔过水管凸起于保护管或嵌于保护管内。
进一步地，柔性管的长度根据检测段间的跨距设计，柔性管的壁厚和刚度能保证柔性管在土工构筑物施工压实及弯曲、转向布置时，内部不闭合。
进一步地，多孔过水管材料为金属或高弹性纤维强化塑料，滤膜为利用高分子材料制成的含微孔滤水薄膜，变形梁材料为高弹性金属材料，水压腔、传力杆、约束支座桥和保护管材料均为金属，柔性管材料为高弹工程塑料或橡胶。
本发明的有益效果是：
该传感器在土工构筑物施工时布设，参与土工构筑物施工压实，部分土进入多孔过水管(由于多孔过水管的长孔设计，使得施工时土未接近滤膜)，由于土的进入，水压腔内增加的空气也会慢慢再从土中缝隙排出，土的压实力在一定缓冲时间后不会传递给活塞误判作水压力，同时，压实进入多孔过水管中的部分土又充当滤水石的作用，减少水渗流引入多孔过水管中的土量。由于活塞近变形梁一侧是连通的，压力近似为大气压，当待测土中水压力高于大气压时，由于压差作用，土中水会沿着多孔过水管通过滤膜渗入水压腔中，推动活塞向另一侧移动，直到水压力与变形梁的反作用力平衡，进而可通过光纤光栅测量出的应变计算出土中水压力的大小——水压力的大小Pw＝Fl/A，其中，Pw为待测孔隙水压力，Fl为通过变形梁的变形计算出来的变形梁反作用力，A为水压腔内截面积，Fl的计算则是通过光纤光栅测量出的应变、变形梁的尺寸以及变形梁的受力变形公式计算得出。
该传感器布设方便，使用简单，可直接参与土工构筑物正常施工，不需要后期钻孔等操作；该传感器适用于有往复渗流的土体中，多孔过水管的多孔设计使渗水孔不易堵塞，传感器耐久性好；该传感器中多孔过水管的长孔设计使得土体压力不会传递给压力敏感元件造成误读，而且检测段间的联通设计，使得水压力增加活塞移动时，不会造成活塞近变形梁一侧空气压力增大，使得传感器测试精度高；该传感器整体结构简单，容易制作，造价低；该传感器的检测段易根据需要实现增减，适合土工构筑物内部多点测试，可大覆盖面组网布设。
附图说明
图1是本发明实施例中单个检测段的示意图。
图中：1-多孔过水管；2-滤膜；3-水压腔；4-传力活塞；5-传力杆；6-约束支座桥；7-变形梁；8-光纤光栅；9-保护管；10-柔性管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种适用于土工构筑物的孔隙水压力监测传感器，包括若干个检测段；每个检测段均包括相互连通的多孔过水管1和水压腔3、位于多孔过水管1和水压腔3之间的滤膜2、约束支座桥6、一端固定于一个约束支座桥6上另一端搭在另一个约束支座桥6上的变形梁7(变形梁7另一端搭在另一个约束支座桥上时，变形梁7为简支梁，当然，变形梁7另一端也可以自由，变形梁7另一端自由时，变形梁7为悬臂梁，悬臂梁和简支梁均为常见的变形梁7)、配合在水压腔3内的传力活塞4、一端与传力活塞4连接另一端抵住变形梁7中部的传力杆5、贴于变形梁7外侧的光纤光栅8、将变形梁7包围且使多孔过水管1外侧露出的保护管9；各检测段保护管9间通过柔性管10连通，光纤光栅8沿着保护管9和柔性管10引出，多孔过水管1外侧和光纤光栅8引出端与外界连通、其余部分均密封。
本发明的原理是：该传感器在土工构筑物施工时布设，参与土工构筑物施工压实，部分土进入多孔过水管1(由于多孔过水管1的长孔设计，使得施工时土未接近滤膜2)，由于土的进入，水压腔3内增加的空气也会慢慢再从土中缝隙排出，土的压实力在一定缓冲时间后不会传递给活塞4误判作水压力，同时，压实进入多孔过水管1中的部分土又充当滤水石的作用，减少水渗流引入多孔过水管1中的土量。由于活塞4近变形梁7一侧是连通的，压力近似为大气压，当待测土中水压力高于大气压时，由于压差作用，土中水会沿着多孔过水管1通过滤膜2渗入水压腔3中，推动活塞4向另一侧移动，直到水压力与变形梁7的反作用力平衡，进而可通过光纤光栅8测量出的应变计算出土中水压力的大小——水压力的大小Pw＝Fl/A，其中，Pw为待测孔隙水压力，Fl为通过变形梁7的变形计算出来的变形梁7反作用力，A为水压腔3内截面积，Fl的计算则是通过光纤光栅8测量出的应变、变形梁7的尺寸以及变形梁7的受力变形公式(变形梁7为悬臂梁或简支梁时对应不同的受力变形公式)计算得出。
在本实施例中，光纤光栅8为裸光纤光栅或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件。裸光纤光栅或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件易实现多测试点共线，减少了多点水压力监测时的传输线路使用。
在本实施例中，各检测段的光纤光栅8进行单根光纤共线处理，各检测段间采用含多个刻栅的同一根光纤实现准分布式测量。同一根光纤实现准分布式测量保证了多测点下，仍仅有少量引出线进行数据采集。
在本实施例中，多孔过水管1的孔径为毫米级或更细，多孔过水管1的孔长为厘米级或更大，多孔过水管1的孔是直孔或弯曲孔。
如图1所示，在本实施例中，多孔过水管1凸起于保护管9(还可以嵌于保护管9内)。
在本实施例中，柔性管10的长度根据检测段间的跨距设计，柔性管10的壁厚和刚度能保证柔性管10在土工构筑物施工压实及弯曲、转向布置时，内部不闭合。
在本实施例中，多孔过水管1材料为金属或高弹性纤维强化塑料，滤膜2为利用高分子材料制成的含微孔滤水薄膜，变形梁7材料为高弹性金属材料，水压腔3、传力杆5、约束支座桥6和保护管9材料均为金属，柔性管10材料为高弹工程塑料或橡胶。
该传感器布设方便，使用简单，可直接参与土工构筑物正常施工，不需要后期钻孔等操作；该传感器适用于有往复渗流的土体中，多孔过水管1的多孔设计使渗水孔不易堵塞，传感器耐久性好；该传感器中多孔过水管1的长孔设计使得土体压力不会传递给压力敏感元件8造成误读，而且检测段间的联通设计，使得水压力增加活塞4移动时，不会造成活塞4近变形梁7一侧空气压力增大，使得传感器测试精度高；该传感器整体结构简单，容易制作，造价低；该传感器的检测段易根据需要实现增减，适合土工构筑物内部多点测试，可大覆盖面组网布设。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种适用于土工构筑物的孔隙水压力监测传感器，其特征在于：包括若干个检测段；每个检测段均包括相互连通的多孔过水管和水压腔、位于多孔过水管和水压腔之间的滤膜、约束支座桥、一端固定于一个约束支座桥上另一端自由或搭在另一个约束支座桥上的变形梁、配合在水压腔内的传力活塞、一端与传力活塞连接另一端抵住变形梁中部的传力杆、贴于变形梁外侧的光纤光栅、将变形梁包围且使多孔过水管外侧露出的保护管；各检测段保护管间通过柔性管连通，光纤光栅沿着保护管和柔性管引出，多孔过水管外侧和光纤光栅引出端与外界连通、其余部分均密封。
2.如权利要求1所述的适用于土工构筑物的孔隙水压力监测传感器，其特征在于：光纤光栅为裸光纤光栅或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件。
3.如权利要求2所述的适用于土工构筑物的孔隙水压力监测传感器，其特征在于：各检测段的光纤光栅进行单根光纤共线处理，各检测段间采用含多个刻栅的同一根光纤实现准分布式测量。
4.如权利要求1至3任一所述的适用于土工构筑物的孔隙水压力监测传感器，其特征在于：多孔过水管的孔径为毫米级或更细，多孔过水管的孔长为厘米级或更大，多孔过水管的孔是直孔或弯曲孔。
5.如权利要求1至3任一所述的适用于土工构筑物的孔隙水压力监测传感器，其特征在于：多孔过水管凸起于保护管或嵌于保护管内。
6.如权利要求1至3任一所述的适用于土工构筑物的孔隙水压力监测传感器，其特征在于：柔性管的长度根据检测段间的跨距设计，柔性管的壁厚和刚度能保证柔性管在土工构筑物施工压实及弯曲、转向布置时，内部不闭合。
7.如权利要求1至3任一所述的适用于土工构筑物的孔隙水压力监测传感器，其特征在于：多孔过水管材料为金属或高弹性纤维强化塑料，滤膜为利用高分子材料制成的含微孔滤水薄膜，变形梁材料为高弹性金属材料，水压腔、传力杆、约束支座桥和保护管材料均为金属，柔性管材料为高弹工程塑料或橡胶。
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