CN109655001A - 一种原位监测土体侧向位移的装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种原位监测土体侧向位移的装置及其使用方法，属于岩土工程领域。原位监测土体侧向位移的装置包括静力贯入机、套管、粘附光纤光栅的钢带、探头。套管底端压触探头，探头与钢带固定连接，静力贯入机通过内置的驱动部带动套管向土体内运动，从而将探头连同钢带压入土中预定深度，再利用静力贯入机将套管拔出，留入土中的粘附光纤光栅的钢带连同土体一起变形，光纤光栅测量并输出变形量，从而实现监测土体侧向位移的目的。本发明中的光纤光栅体积小，几何形状可塑，抗电磁干扰强；钢带随着土体变形，可实时自动监测，及时预警；使用静力贯入机不需要预钻孔，设备简单，操作方便；同时具有精度高、可避免人工测量误差的优点。

Description

一种原位监测土体侧向位移的装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种原位监测土体侧向位移的装置及使用方法，属于岩土工程领域。

背景技术

随着我国城市地下空间的迅速发展，深、大基坑在城市建设过程中应用的越来越多。如果对土体侧向位移监测不及时、不准确，对支护的设计及后续施工的安全性将会有严重影响。同时，还可能引起修建在软土地基上的已有建筑物发生墙体开裂、倾斜和倒塌等风险事件。因此，准确、实时地监测基坑开挖过程中对周围土体产生的侧向位移显得尤为重要。

目前监测土体位移所常规使用的是测斜仪。测斜仪内径上有两组互成90°的导向槽,将测斜仪顺导槽放入测斜管内。当被测结构物产生倾斜变形时,通过安装基尺传递给倾斜传感器,由于传感器内装有电解液和导电触点,所以液面相对触点的部位会改变,从而导致输出电量的改变。倾斜仪随结构物的倾斜变形量与输出的电量呈线性关系 ,以此可算出被测结构物角度的变化量。然而，使用测斜仪需要预钻孔、工序繁琐，不能够实现实时、自动监测，主要靠人工测量读数，有可能因为测量人员的经验以及不当操作造成结果偏差，且测斜仪价格昂贵。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对上述背景技术的不足，提供了一种原位监测土体侧向位移的装置及其使用方法。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案：

本发明提出一种原位监测土体侧向位移的装置，包括静力贯入机、套管、粘附光纤光栅的钢带、探头；所述的静力贯入机内设有驱动套管向下运动的驱动部；所述钢带从套管开口处嵌入套管内；该套管的底端压触探头，静力贯入机内驱动部设有与套管相匹配的套管孔，静力贯入机内的驱动部通过向套管施加压力带动探头向土体内运动。

进一步的，本发明所提出的原位监测土体侧向位移的装置，所述套管为C型开口钢管，C型开口钢管截面呈方形状，所述套管的数量为N且从下至上呈直线排列，N为大于1的自然数；其中，最下端的套管的下半部分开口端、最上端的套管的上半部分开口端采用钢板封闭，其余各相邻套管之间通过连接钢板相互桥接并封闭其开口端。

进一步的，本发明所提出的原位监测土体侧向位移的装置，所述的静力贯入机包括链条驱动结构、卡块、山形板，所述链条驱动结构包括对称布置于套管两边的主传动链条、从传动链条、传动齿轮、手摇，在任意一边，主传动链条通过对应的传动齿轮与手摇相连，从传动链条通过连接滚轴连接主传动链条；在套管的管身侧壁垂直于开口端方向设有相互平行的卡块凹槽，所述的卡块嵌置于所述卡块凹槽内，山形板设置于卡块的上方，山形板两边槽分别卡住两边的从传动链条，在从传动链条上设有加长销，所述加长销抵触在山形板的上方，以带动套管向下运动。

进一步的，本发明所提出的原位监测土体侧向位移的装置，所述的探头由探头锥尖、定位块以及两片相互平行布置的连接夹板组成；其中定位块设置于探头锥尖的顶部平面端，连接夹板置于定位块的上端；在连接夹板上设有用于固定钢带的螺栓孔，定位块嵌入至套管内腔内将探头与套管相互压触连接。

进一步的，本发明所提出的原位监测土体侧向位移的装置，所述的连接钢板上设有若干个钢板螺栓孔。

进一步的，本发明所提出的原位监测土体侧向位移的装置，所述的钢带的底端设有与连接夹板相匹配的螺纹孔；光纤光栅成U形粘附在钢带上。

本发明还提出一种原位监测土体侧向位移的装置的使用方法，步骤如下：

步骤一：平整场地，安放静力贯入机，根据土层类型打入地锚，调平机器；

步骤二：将粘附光纤光栅的钢带从第一根套管侧面的开口端放入该套管内，并通过连接钢板封闭该套管开口处的下半部；将裸露在外的钢带继续放入第二根套管内，通过连接钢板将第一根套管开口处的上半部与第二根套管开口处的下半部进行桥接固定；同时将第一根套管的底端压触探头；

步骤三：将卡块卡在第一根套管上的对应凹槽中，山形板放置在卡块上方，转动手摇，使主传动链条带动从传动链条上的加长销压在山形板上方，通过加长销驱动山形板将前两根套管连同探头一起打入土体直至深入到第二根套管未封闭的开口处；

步骤四：将裸露在外的钢带继续放入第三根套管内，通过连接钢板将贯入土体后的第二根套管开口处的上半部与第三根套管开口处的下半部进行桥接固定；撤除加长销上已有的卡块与山形板；将卡块卡在第二根套管的对应凹槽中，山形板放置在卡块上方，转动手摇，使从传动链条上的加长销压在山形板上方，通过加长销驱动山形板继续将桥接后的第三根套管打入土体，直至深入到第三根套管未封闭的开口处；

步骤五：重复步骤四，将其余套管贯入，当套管贯入到预定深度后，将山形板放置在卡块下方，反转手摇，使从传动链条上的加长销顶住山形板下方，匀速拔起套管，待套管拔出后将光纤光栅与光纤光栅解调器连接；

步骤六：用棱台形防护平台将钢带裸露地面的部分进行防护，待侧向位移稳定后，将解调器归零，即可实时监测土体侧向位移。

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供的原位监测土体侧向位移的装置，钢带可卷起存放，占用体积小，运输方便。

本发明提供的原位监测土体侧向位移的装置使用方法，精度高、可避免人工测量的误差，且光纤光栅体积小，几何形状可塑，抗电磁干扰强；钢带随着土体变形可实时自动监测，及时预警；使用静力贯入机不需要预钻孔，设备简单，操作方便。

附图说明

图1为本发明的静力贯入机示意图；

图2为本发明的静力贯入机侧视图；

图3为本发明的静力贯入机俯视图；

图4为本发明的探头与套管连接示意图；

图5为本发明的探头构造示意图；

图6为本发明的套管示意图；

图7为本发明的连接钢板示意图；

图8为本发明的光纤光栅与钢带粘附示意图；

图9为本发明的山形板示意图；

图10为本发明的卡块示意图；

图11为本发明的钢带在基坑边放置方向示意图；

图12为棱台形防护平台。

图中1为钢带，2底板，3为套管，4为探头，5为从传动链条，6为卡块，7为山形板，8为顶板，9为手摇，10为地锚，11为顶板套管孔，12为光纤光栅，13为连接夹板螺栓孔，14连接夹板，15为探头锥尖，16为连接钢板，17为钢板螺栓孔，18为卡块凹槽，19为主传动链条，20为钢带螺栓孔，21为棱台形防护平台，22为平台防护孔，23为传动齿轮，24为加长销,25为定位块，26为地锚横杆，27为地锚螺栓，28为底座。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示：一种原位监测土体侧向位移的装置，包括静力贯入机，套管3、探头4、钢带1；所述的静力贯入机内布置套管3驱动部；套管3布置在驱动部内；套管3的底端设置探头4；钢带1内布置光纤光栅12；所述的套管3通过静力贯入机内的驱动部带动套管3向土体内运动。

本发明所使用的静力贯入机是由传统的原位静力触探机经过改造而成，将原本圆孔的上下板置换成方孔的上下板，卡块6与山形板7根据套管形状与尺寸改造。主传动链条19平行布置于静力贯入机构中探杆两边，分别通过传动齿轮23与手摇9相连，从传动链条5通过连接滚轴连接主传动链条19；从传动链条5上有加长销24，可转动手摇9转动主传动链条19带动从传动链条5滚动，并改变加长销24的位置。c形套管3与连接钢板16上有对应的卡块凹槽18，在贯入时，将卡块6卡在c形套管的凹槽18中，然后将山形板7压在卡块6上方，使山形板7两边槽卡住从传动链条5，转动手摇9使加长销24运动直到抵住山形板上方，带动套管向下运动。

如图4、图5所示：探头4由探头锥尖15、定位块25及连接夹板14组成；所述的探头锥尖15的上端设有连接夹板14；连接夹板14为两块；两块所述的连接夹板14相互平行布置，连接夹板14上设有连接夹板螺栓孔13；连接夹板14通过连接夹板螺栓孔13与钢带1相固定。探头锥尖15的顶部平面端设有定位块25；定位块25嵌入至套管3内腔内将探头4与套管3相互压触连接。

钢带1通过侧壁的开缝放入套管3内部。每根套管3的开缝侧壁有两排、每排四个螺栓孔，连接时相邻套管开缝对齐连接。相邻套管3用带有对应螺栓孔的钢板连接,并以螺栓锚固。因为第一根套管下端与探头4连接，所以第一根套管下半部分的开缝的1/2部分用连接钢板16封盖。第一根套管3的前端与探头4相连，套管3内径与探头4上部连接头外径一致，或比上部连接头外径略大，连接时只需对准嵌套，无需固定，在贯入时套管3压着探头4贯入，而向上拔时套管3与探头4可以自动分离，套管3拔出，而探头4留在土中。

如图6、图7所示：套管3为C型开口钢管；套管3为若干根；该C型开口钢管成方形状，静力贯入机内驱动部设有与套管3相匹配的套管孔11；若干根所述的套管3从下至上成直线排列。其中，最下端的套管的下半部分开口端、最上端的套管的上半部分开口端采用钢板封闭，其余各相邻套管之间通过连接钢板16相互桥接并封闭其开口端。套管3的管身上垂直于开口端设有相互平行的卡块凹槽18。连接钢板16上设有若干个钢板螺栓孔17。

如图8所示：所述的钢带1的底端设有与连接夹板14相匹配的螺纹孔20；光纤光栅12成U形粘连在钢带1的侧壁上。

静力贯入机内的驱动部为链条驱动结构，所述链条驱动结构包括平行布置于探杆两边的主传动链条19、从传动链条5、传动齿轮23、手摇9，在任意一边，主传动链条19通过对应的传动齿轮23与手摇9相连，从传动链条5通过连接滚轴连接主传动链条19；如图6，在套管3的管身侧壁垂直于开口端方向设有相互平行的卡块凹槽18，卡块6嵌置于卡块凹槽18内，山形板7设置于卡块6的上方；山形板7两边槽分别卡住两边的从传动链条5，在从传动链条5上设有连接在两边的从传动链条上的加长销24，加长销24抵触在山形板的上方，以带动套管向下运动。图9为山形板示意图，图10为卡块示意图。

本发明所使用的钢带1为一定宽度的带状薄钢带，钢带1端部有沿宽度方向两个螺栓孔，钢带1端部与探头4连接夹板14以螺栓固定。光纤光栅12呈U型粘贴固定在钢带1表面，光纤光栅12与光纤光栅解调器连接。当带有光纤光栅12的钢带1制作完成后，钢带1可卷起来存放。

本发明探头4下部为贯入锥尖，上部为钢带连接夹板，钢带连接夹板两侧带有螺栓孔，与钢带上的螺栓孔对应，在连接时钢带伸入连接夹板并将螺栓孔对齐，然后用螺栓锚固。

本发明的使用步骤如下：

步骤一：清除场地杂物，平整场地，安放静力贯入机，根据土层类型打入地锚，本发明适用于软土，这样才能保证钢带贯入深度，增加监测精度。整平地面后，调平机器（用分度值为1mm的水准尺校准）；静力贯入机使用地锚进行固定；如图2、图3所示，地锚的底端为螺旋形结构；将地锚旋入土中后，将地锚突出部分穿过地锚横杆26，并将地锚横杆26两端搭在底座两端，然后用地锚螺栓27将地锚横杆26栓紧在底座上方。

步骤二：光纤光栅12事先粘附在钢带上，并卷起来运输，最小弯曲直径不得小于40mm，以免损伤光纤光栅12。在连接前，将光纤连接解调器，简单测试光纤是否能正常反应，并校定解调器。到施工现场，整平贯入机器后，将宽45mm，厚0.1mm的钢带前端与探头4上部连接夹板14相连，使用螺栓锚固，注意的是，无需将钢带1完全夹紧在连接夹板中，保留适当活动空间，避免后续贯入过程中钢带1碰到套管3管壁而无法调整。套管3每根长度1m，横截面长60mm、宽30mm、厚5mm，用于固定的钢板厚5mm、长度1m，宽度与套管的横截面的长边相等，即60mm。经计算，套管满足刚度与强度要求。

步骤三：将钢带通过套管侧面的开口端放入第一根套管内部，将第一根套管下半部分以连接钢板封盖，可以采用电动螺丝刀以节省时间与人力。将裸露在外的钢带继续放入第二根套管内，通过连接钢板16将第一根套管未封闭的开口处与第二根套管的开口处的下半部进行桥接固定；同时将第一根套管的底端压触探头4；将卡块6卡在第一根套管上的对应凹槽中，山形板7放置在卡块6上方，转动手摇9，使从传动链条5上的加长销24压在山形板7上方，通过加长销24驱动山形板7将前两根套管连同钢带一起以1m/min的速度匀速打入土体直至深入到第二根套管未封闭的开口处；

将裸露在外的钢带继续放入第三根套管内，通过连接钢板16将贯入土体后的第二根套管未封闭的开口处与第三根套管的开口处的下半部进行桥接固定，注意固定时钢板与套管的卡块凹槽18需对应；撤除加长销24上已有的卡块6与山形板7；将卡块6安装至上方第二根套管的卡块凹槽18内，山形板7放置在卡块6上方，转动手摇9使从传动链条5上加长销24牵引运动至山形板7顶部，然后继续通过静力贯入机将套管以1m/min的速度匀速贯入土体中，贯入速度不宜过快以免套管偏移，直至深入到第三根套管未封闭的开口处。之后重复上述步骤，将其余套管贯入。在贯入过程中，应随时注意钢带1情况，保证钢带1的宽度方向与待挖基坑边线平行，如图11所示，因为钢带1两个方向刚度相差很大，只有钢带1的贯入方向正确，钢带1的变形才能有效地反映基坑开挖过程中的土体侧身位移情况。

步骤四：当探头4贯入硬土层一定深度时，停止贯入；如待测区域下没有硬土层，则将探头4贯入到待测深度以下3～4m才可停止贯入。在拔起时，将山形板7放置在卡块下方，反转手摇9，使从传动链条5上的加长销24顶住山形板7下方，匀速拔起套管3。

此时应根据钢带1的反应，观察钢带1是否被拔出，判断探头4与套管3底部是否分离，如未分离，则重新改为贯入模式将探头4继续向下贯入。在确认探头4与套管分离后，将套管3向上拔出一段距离，松螺栓、撤钢板，通过侧边开口端将套管3逐节依次取下，搬离贯入主机，将光纤光栅12与光纤光栅解调器连接。

步骤五：用中间具有防护孔的棱台形防护平台21来防护裸露在地表的钢带1，钢带1穿过钢带防护孔，并在监测处设置醒目标识，以防止对钢带1的扰动，22为平台防护孔，如图12所示。

步骤六：待钢带周围的土体恢复稳定后，将光纤光栅解调器归零。随后，便可以实时监测土体的侧向位移。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种原位监测土体侧向位移的装置，其特征在于：包括静力贯入机、套管（3）、粘附光纤光栅（12）的钢带（1）、探头（4）；所述的静力贯入机内设有驱动套管（3）向下运动的驱动部；所述钢带（1）从套管（3）开口处嵌入套管（3）内；该套管（3）的底端压触探头（4），静力贯入机内驱动部设有与套管（3）相匹配的套管孔（11），静力贯入机内的驱动部通过向套管（3）施加压力带动探头（4）向土体内运动。

2.根据权利要求1所述的原位监测土体侧向位移的装置，其特征在于：所述套管（3）为C型开口钢管，C型开口钢管截面呈方形状，所述套管（3）的数量为N且从下至上呈直线排列，N为大于1的自然数；其中，最下端的套管的下半部分开口端、最上端的套管的上半部分开口端采用钢板封闭，其余各相邻套管之间通过连接钢板（16）相互桥接并封闭其开口端。

3.根据权利要求1所述的原位监测土体侧向位移的装置，其特征在于：所述的静力贯入机包括链条驱动结构、卡块（6）、山形板（7），所述链条驱动结构包括对称布置于套管（3）两边的主传动链条（19）、从传动链条（5）、传动齿轮（23）、手摇（9），在任意一边，主传动链条（19）通过对应的传动齿轮（23）与手摇（9）相连，从传动链条通过连接滚轴连接主传动链条；在套管（3）的管身侧壁垂直于开口端方向设有相互平行的卡块凹槽（18），所述的卡块（6）嵌置于所述卡块凹槽（18）内，山形板（7）设置于卡块（6）的上方，山形板（7）两边槽分别卡住两边的从传动链条（5），在从传动链条（5）上设有加长销（24），所述加长销（24）抵触在山形板的上方，以带动套管向下运动。

4.根据权利要求1所述的原位监测土体侧向位移的装置，其特征在于：所述的探头（4）由探头锥尖（15）、定位块（25）以及两片相互平行布置的连接夹板（14）组成；其中定位块（25）设置于探头锥尖（15）的顶部平面端，连接夹板（14）置于定位块（25）的上端；在连接夹板（14）上设有用于固定钢带（1）的螺栓孔（13），定位块（25）嵌入至套管（3）内腔内将探头与套管（3）相互压触连接。

5.根据权利要求4所述的原位监测土体侧向位移的装置，其特征在于：所述的连接钢板（16）上设有若干个钢板螺栓孔（17）。

6.根据权利要求1或3任一所述的原位监测土体侧向位移的装置，其特征在于：所述的钢带（1）的底端设有与连接夹板（14）相匹配的螺纹孔（20）；光纤光栅（12）成U形粘附在钢带（1）上。

7.一种原位监测土体侧向位移的装置的使用方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一：平整场地，安放静力贯入机，根据土层类型打入地锚，调平机器；

步骤二：将粘附光纤光栅（12）的钢带（1）从第一根套管侧面的开口端放入该套管内，并通过连接钢板（16）封闭该套管开口处的下半部；将裸露在外的钢带继续放入第二根套管内，通过连接钢板（16）将第一根套管开口处的上半部与第二根套管开口处的下半部进行桥接固定；同时将第一根套管的底端压触探头（4）；

步骤三：将卡块（6）卡在第一根套管上的对应凹槽中（18），山形板（7）放置在卡块（6）上方，转动手摇（9），使主传动链条（19）带动从传动链条（5）上的加长销（24）压在山形板（7）上方，通过加长销（24）驱动山形板（7）将前两根套管连同探头一起打入土体直至深入到第二根套管未封闭的开口处；

步骤四：将裸露在外的钢带（1）继续放入第三根套管内，通过连接钢板（16）将贯入土体后的第二根套管开口处的上半部与第三根套管开口处的下半部进行桥接固定；撤除加长销（24）上已有的卡块（6）与山形板（7）；将卡块（6）卡在第二根套管的对应凹槽（18）中，山形板（7）放置在卡块（6）上方，转动手摇（9），使从传动链条（5）上的加长销（24）压在山形板（7）上方，通过加长销（24）驱动山形板（7）继续将桥接后的第三根套管打入土体，直至深入到第三根套管未封闭的开口处；

步骤五：重复步骤四，将其余套管贯入，当套管贯入到预定深度后，将山形板（7）放置在卡块下方，反转手摇（9），使从传动链条（5）上的加长销（24）顶住山形板（7）下方，匀速拔起套管（3），待套管（3）拔出后将光纤光栅（12）与光纤光栅解调器连接；

步骤六：用棱台形防护平台将钢带裸露地面的部分进行防护，待侧向位移稳定后，将解调器归零，即可实时监测土体侧向位移。