CN109798931B - 一种土体形变监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种土体形变监测装置，包括多个监测单元、电缆和数据处理装置，多个监测单元间隔设置在电缆上；监测单元包括套管、设置在套管内的三轴加速度传感器以及设置在套管外的温度传感器、应力传感器和水分传感器；套管套装在电缆上且可沿电缆的延伸方向滑动；三轴加速度传感器、温度传感器、应力传感器和水分传感器与电缆电连接；数据处理装置与电缆电连接，被配置为根据三轴加速度传感器、温度传感器、应力传感器和水分传感器检测到的数据，得到土体的实时运动数据、以及土体层内的温度、水分和应力变化数据。根据本发明提供的土体形变装置预测土体形变较准确。
Description
技术领域
本发明涉及土体监测技术领域，特别涉及一种土体形变监测装置。
背景技术
土体变形是一种常见的岩土类地质灾害，主要涉及滑坡、冻土、黄土等灾害。滑坡是斜坡的局部稳定性受破坏，在重力作用下，岩体或其他碎屑沿一个或多个破裂滑动面向下做整体滑动的过程与现象。滑坡的机制是某一滑移面上剪应力超过了该滑移面的抗剪强度所致。冻土是土壤冻结过程中发生的体积膨胀、融化时的体积减小产生的冻涨力。在建设输油、输气管线时，输油及输气管线不可避免地要穿越地质灾害易发区域。而在斜坡岩土体区域、冻土区域发生滑坡、冻涨时，使得输气、输油管线易出现位移或形变，严重时会造成管线断裂，从而影响正常的输油、输气。为了保证油、气的正常输送，需要对冻土变形区的土体的形变进行监测，以根据土体形变的程度预知管道出现的位移或形变问题。
现有技术中，提供了一种冻土形变的监测装置，包括多个温度传感器和水分传感器，通过监测冻土层内的温度和水分预测冻涨情况的发生。
在实现本发明的过程中，本发明人发现现有技术中至少存在以下问题：
由于引起冻土变形的因素除了温度和水分，还包括应力、土壤受到的推力等其他因素。现有的冻土形变的监测装置只能监测冻土层内的温度和水分，进行冻土形变的预测不准确。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种土体形变监测装置，以对不同位置的土体层内的应力、水分、温度及不同位置土体的三轴加速度进行监测。
具体而言，包括以下的技术方案：
本发明提供了一种土体形变监测装置，包括多个监测单元、电缆和数据处理装置，其中，
所述多个监测单元间隔设置在所述电缆上；
所述监测单元包括套管、设置在所述套管内的三轴加速度传感器以及设置在所述套管外的温度传感器、应力传感器和水分传感器；
所述套管套装在所述电缆上且可沿所述电缆的延伸方向滑动；
所述三轴加速度传感器、所述温度传感器、所述应力传感器和所述水分传感器与所述电缆电连接；
所述数据处理装置与所述电缆电连接，被配置为根据所述三轴加速度传感器、所述温度传感器、所述应力传感器和所述水分传感器检测到的数据，得到所述土体的实时运动数据、以及所述土体层内的温度、水分和应力的实时变化数据。
可选择地，所述数据处理装置包括数据采集器和数据处理器，其中，所述数据采集器用于采集所述三轴加速度传感器、所述温度传感器、所述应力传感器和所述水分传感器检测到的数据并发送至所述数据处理器，所述数据处理器用于接收所述数据采集器发送的数据并进行处理得到所述土体的实时运动数据、以及所述土体层内的温度、水分和应力的实时变化数据。
可选择地，所述三轴加速度传感器检测到的数据包括其对应的所述监测单元沿三维立体空间的三个方向的实时加速度；
所述数据处理装置被进一步配置为：
根据接收的多个所述三轴加速度传感器检测到的多个所述监测单元沿三维立体空间的三个方向的实时加速度，得到每一个所述监测单元与水平面的夹角，进而确定所述土体发生形变后每一个所述监测单元的位置，从而得到所述土体的实时运动数据。
可选择地，所述电缆为钢丝复合电缆。
可选择地，每一个所述套管内设置有一个接线盒；
所述接线盒的第一接线端子通过线缆与所述电缆电连接；
所述三轴加速度传感器通过线缆与所述接线盒的第二接线端子连接，所述三轴加速度传感器与所述第二接线端子之间的线缆的长度大于所述三轴加速度传感器与所述第二接线端子之间的距离。
可选择地，所述套管上设置有第一通孔，穿过所述第一通孔的线缆将所述温度传感器与所述接线盒的第三接线端子连接；
所述温度传感器与所述第三接线端子之间的线缆长度大于所述温度传感器与所述第三接线端子之间的距离。
可选择地，所述套管上设置有第二通孔，穿过所述第二通孔的线缆将所述应力传感器与所述接线盒的第四接线端子连接；
所述应力传感器与所述第四接线端子之间的线缆的长度大于所述应力传感器与所述第四接线端子之间的距离。
可选择地，所述套管上设置有第三通孔，穿过所述第三通孔的线缆将所述水分传感器与所述接线盒的第五接线端子连接；
所述水分传感器与所述第五接线端子之间的线缆的的长度大于所述水分传感器与所述第五接线端子之间的距离。
可选择地，所述装置还包括电缆释放结构，所述电缆释放结构包括弹簧和定滑轮，所述弹簧的一端固定，另一端与所述定滑轮连接，所述电缆的一端缠绕在所述定滑轮上；
所述电缆释放结构被配置为当所述电缆受到的拉力大于所述弹簧的弹力时，所述定滑轮转动，释放部分所述电缆。
可选择地，所述套管与所述电缆之间填充有耐低温、防水型油膏。
本发明实施例提供的技术方案的有益效果：
本发明实施例提供的土体形变监测装置，通过设置电缆及在电缆上设置多个监测单元，当在土体发生形变时，监测单元监测不同位置的土体的情况；通过设置监测单元包括三轴加速度传感器、应力传感器、温度传感器及水分传感器，从而可实时测得土体运动情况相关的数据、冻土层内的温度、水分以及受到的应力；通过设置监测单元包括套管，便于套管在电缆上滑动；通过设置数据处理装置，从而可对各个监测单元的传感器检测到的数据进行处理并得到土体的实时运动数据、以及土体层内的温度、水分和应力的实时变化数据。由于监测单元随土体的形变在电缆上滑动，监测单元内的各传感器不受土体形变的影响。因此本发明实施例提供的土体形变监测装置可得到土体各处的实时运动数据、以及土体不同区域层内的温度、水分和应力实时变化数据，在进行土体形变预测时结果较准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的土体形变监测装置的示意图；
图2为本发明实施例提供的设置在电缆上的一个监测单元的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的土体发生形变时土体形变监测装置的示意图；
图4为本发明实施例提供的土体发生形变时土体形变监测装置的示意图；
图5为本发明实施例提供的电缆释放结构的示意图。
图中的附图标记分别为：
1、监测单元；
101、套管；
102、三轴加速度传感器；
103、温度传感器；
104、应力传感器；
105、水分传感器；
2、电缆；
3、数据处理装置；
4、接线盒；
5、电缆释放结构；
501、弹簧；
502、定滑轮；
6、拉力传感器；
7、固定桩。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供了一种土体形变监测装置，如图1所示，包括多个监测单元1、电缆2和数据处理装置3，其中，
多个监测单元1沿电缆2的延伸方向间隔设置在电缆2上；
如图2所示，监测单元1包括套管101、设置在套管101内的三轴加速度传感器102以及设置在套管101外的温度传感器103、应力传感器104和水分传感器105；
套管101套装在电缆2上且可沿电缆2的延伸方向滑动；
三轴加速度传感器102、温度传感器103、应力传感器104和水分传感器105与电缆2电连接；
数据处理装置3与电缆2电连接，被配置为根据三轴加速度传感器102、温度传感器103、应力传感器104和水分传感器105检测到的数据并进行处理，得到土体的实时运动数据、以及土体层内的温度、水分和应力变化数据。
以下就本发明实施例提供的土体形变监测装置的工作原理给予描述：
应用时，将土体形变监测装置穿过待测试的土体，如图3所示，将电缆2的自由端固定在固定桩7上，另一与数据处理装置3连接的端部设置在露出土体的位置。当土体冻胀等原因发生地质变形时，各监测单元1随着土体移动而在电缆2上滑动。由于土体的变形不规则，各监测单元1在发生位移时与水平方向的夹角也发生改变，如图3所示。数据处理装置3实时采集三轴加速度传感器102、温度传感器103、应力传感器104和水分传感器105检测的数据并进行处理，即可得到土体各处的实时运动数据、以及土体不同区域层内的温度、水分和应力的实时变化数据。
本发明实施例提供的土体形变监测装置，通过设置电缆2及在电缆2上设置多个监测单元1，当在土体发生形变时，监测单元1监测不同位置的土体的情况；通过设置监测单元1包括三轴加速度传感器102、温度传感器103应力传感器104及水分传感器105，从而可实时测得土体运动情况相关的数据、冻土层内的温度、水分以及受到的应力；通过设置监测单元1包括套管101，便于套管101在电缆2上滑动；通过设置数据处理装置3，从而可对各个监测单元1的传感器检测到的数据进行处理并得到土体的实时运动数据、以及土体层内的温度、水分和应力实时变化数据。由于监测单元1随土体的形变在电缆2上滑动，监测单元1内的各传感器不受土体形变的影响。本发明实施例提供的土体形变监测装置可得到土体各处的实时运动数据、以及土体不同区域层内的温度、水分和应力实时变化数据，通过这些温度、水分和应力的监测可以获得改变土体应力的各种诱发因素的监测，在进行土体形变预测时结果较准确。
本发明实施例中，三轴加速度传感器102、温度传感器103、应力传感器104和水分传感器105与电缆2连接，电缆2与数据处理装置3连接，从而电缆2可为三轴加速度传感器102、温度传感器103、应力传感器104、水分传感器105及数据处理装置3供电，且三轴加速度102、温度传感器103、应力传感器104和水分传感器105通过电缆2与数据处理装置3进行数据传输。
在本实施例中，数据处理装置3包括数据采集器和数据处理器，数据采集器用于采集三轴加速度传感器102、温度传感器103、应力传感器104和水分传感器105检测到的数据并发送至数据处理器，数据处理器用于接收数据采集器发送的数据并进行处理得到土体的实时运动数据、以及所述土体层内的温度、水分和应力的实时变化数据。其中，数据采集器可与电缆2连接，数据处理器可设置在远程监控中心处。为了便于数据处理器获取数据采集器采集的数据，数据采集器可通过手机网络数据传输模块或者工业以太网与数据处理器连接，从而数据处理器可以实时获取数据采集器采集得到的数据。
三轴加速度传感器102检测到的数据包括其对应的监测单元1沿三维立体空间的三个方向的实时加速度。相应的，数据处理装置3被进一步配置为根据接收的多个三轴加速度传感器102检测到的多个所述监测单元1沿三维立体空间的三个方向的加速度，得到每一个监测单元1与水平面的夹角，进而确定土体发生形变后每一个监测单元1的位置，从而确定电缆2的实时运动数据，也即土体的实时运动数据。
具体地，数据处理装置3根据接收的多个监测单元1沿三维立体空间的三个方向的实时加速度，通过进行积分可得到多个监测单元1的实时位移，进而可确定多个监测单元1与水平方向的夹角。根据多个监测单元1与水平方向的夹角及监测单元1的长度，确定每个监测单元1在水平方向及竖直方向的分量即可确定电缆2的形变情况。
如图4所示，在某一时刻，一个监测单元1与水平方向的夹角为θ1，另一检测单元1与水平方向的夹角为θ2。监测单元1的长度为L，可算出该时刻两个检测单元在水平方向上的分量分别为：
d1＝L*cosθ1 d2＝L*cosθ2
两个检测单元在竖直方向上的分量分别为：
h1＝L*cosθ1 h2＝L*cosθ2
分别计算出所有监测单元1在每一时刻的位置，通过连续积分即可得到所有的监测单元1的位置变化，从而确定土体的实时运动数据。
在本实施例中，为了使根据各监测单元1测得的数据得到的土体实时运动数据可靠，多个监测单元1在电缆2上均匀间隔设置，且相邻监测单元1的距离较小。
在土体发生变形时，电缆2随着土体发生形变，其各部分所受的应力必然增大，为了增加电缆2的强度，避免土体变形造成电缆2发生断裂，电缆2可为钢丝复合电缆。
为了便于三轴加速度传感器102、温度传感器103、应力传感器104和水分传感器105与电缆2的连接，如图2所示，土体形变监测装置还包括接线盒4，接线盒4位于套管101内，设置在电缆2上；接线盒4上的第一接线端子(图中未示出，位于接线盒4上)通过线缆与电缆2电连接。
为了便于套管101在电缆2上的滑动带动三轴加速度传感器102移动，如图2所示，三轴加速度传感器102通过线缆与接线盒4的第二接线端子(图中未示出，位于接线盒4上)连接，为了保证三轴加速度传感器102移动时不会断开与电缆2的连接，三轴加速度传感器102与第二接线端子之间的线缆的长度大于三轴加速度传感器102与第二接线端子之间的距离。具体地，三轴加速度传感器102与第二接线端子之间的线缆的长度可为套管101的长度的两倍。如此设置，当套管101带动三轴加速度传感器102运动时，三轴加速度传感器102与第二接线端子之间的线缆不会断裂，保证三轴加速度传感器102与电缆2的连接。
为了便于套管101在电缆2上的滑动带动温度传感器103移动，套管101上设置有第一通孔(图中未示出，位于温度传感器103处)，穿过第一通孔的线缆将温度传感器103与接线盒4的第三接线端子(图中未示出，位于接线盒4上)连接；温度传感器103与第三接线端子之间的线缆的长度大于温度传感器103与第三接线端子之间的距离。具体地，温度传感器103与第三接线端子之间的线缆的长度可为套管101的长度的两倍。如此设置，当套管101带动温度传感器103运动时，温度传感器103与第三接线端子之间的线缆不会断裂，保证温度传感器103与电缆2的连接。
为了便于套管101在电缆2上的滑动带动应力传感器104移动，套管101上设置有第二通孔(图中未示出，位于应力传感器104处)，穿过第二通孔的线缆将应力传感器104与接线盒4的第四接线端子(图中未示出，位于接线盒4上)连接；应力传感器104与第四接线端子之间的长度大于应力传感器104与第四接线端子之间的距离。如此设置，当套管101带动应力传感器104运动时，应力传感器104与第四接线端子之间的线缆不会断裂，保证应力传感器104与电缆2的连接。
为了便于套管101在电缆2上的滑动带动水分传感器105移动，套管101上设置有第三通孔(图中未示出，位于水分传感器105处)，穿过第三通孔的线缆将水分传感器105与接线盒4的第五接线端子(图中未示出，位于接线盒4上)连接；水分传感器105与第五接线端子之间的线缆的长度大于水分传感器105与第五接线端子之间的距离。如此设置，当套管101带动水分传感器105运动时，水分传感器105与第五接线端子之间的线缆不会断裂，保证水分传感器105与电缆2的连接。
在本实施例中，如图1所示，土体形变监测装置还包括拉力传感器6，设置在电缆2上，拉力传感器6与电缆2电连接。根据拉力传感器6测得的电缆2的拉力的变化情况，结合三轴加速度传感器102测得的数据，可以获得整个监测土体区域的形貌、线性尺度的伸长量及承受能力。
在本实施例中，土体形变监测装置还可包括电缆释放结构5。如图5所示，电缆释放结构5包括弹簧501和定滑轮502，弹簧501的一端固定，另一端与定滑轮502连接，电缆2的一端缠绕在定滑轮502上；电缆释放结构5被配置为当电缆2受到的拉力大于弹簧501的弹力时，定滑轮502转动，释放部分电缆2。电缆释放结构5可保证土体对各监测单元1的张力为一个稳定的数值，进而各监测单元1测得的数据为同一张力水平下的数据。
为了避免套管101和电缆2之间发生相对滑动时，造成各连接线缆与电缆2之间发生摩擦而将连接线缆拉断，套管101与电缆2之间可填充有油膏。油膏可起到润滑作用，减小各连接线缆与电缆2之间的摩擦。油膏可为耐低温、防水型油膏，起到防水、防冻的作用。
本发明实施例提供的土体监测装置可适用于滑坡、冻胀、融沉、采空沉降等地质灾害区域，用于监测土体的形变情况。
以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种土体形变监测装置，其特征在于，包括多个监测单元(1)、电缆(2)和数据处理装置(3)，其中，
所述多个监测单元(1)间隔设置在所述电缆(2)上；
所述监测单元(1)包括套管(101)、设置在所述套管(101)内的三轴加速度传感器(102)以及设置在所述套管(101)外的温度传感器(103)、应力传感器(104)和水分传感器(105)；
所述套管(101)套装在所述电缆(2)上，且可沿所述电缆(2)的延伸方向滑动，以使所述监测单元(1)可随土体的形变在所述电缆(2)上滑动；
所述三轴加速度传感器(102)、所述温度传感器(103)、所述应力传感器(104)和所述水分传感器(105)均通过线缆与所述电缆(2)的对应接线盒的对应接线端子电连接，并且对应传感器与对应接线端子之间的线缆长度大于对应传感器与对应接线端子之间的距离；
所述数据处理装置(3)与所述电缆(2)电连接，被配置为根据所述三轴加速度传感器(102)检测到的多个所述监测单元(1)沿三维立体空间的三个方向的实时加速度，得到每个所述监测单元(1)与水平面的夹角，进而根据所述多个监测单元(1)与水平方向的夹角及所述监测单元(1)的长度，确定每个所述监测单元(1)在水平方向及竖直方向的分量，以确定电缆(2)的形变，
所述数据处理装置(3)还被配置为根据所述温度传感器(103)、所述应力传感器(104)和所述水分传感器(105)检测到的数据，得到所述土体的实时运动数据、以及所述土体层内的温度、水分和应力的实时变化数据。
2.根据权利要求1所述的土体形变监测装置，其特征在于，所述数据处理装置(3)包括数据采集器和数据处理器，其中，所述数据采集器用于采集所述三轴加速度传感器(102)、所述温度传感器(103)、所述应力传感器(104)和所述水分传感器(105)检测到的数据并发送至所述数据处理器，所述数据处理器用于接收所述数据采集器发送的数据并进行处理得到所述土体的实时运动数据、以及所述土体层内的温度、水分和应力的实时变化数据。
3.根据权利要求1所述的土体形变监测装置，其特征在于，所述电缆(2)为钢丝复合电缆。
4.根据权利要求1所述的土体形变监测装置，其特征在于，所述装置还包括电缆释放结构(5)，所述电缆释放结构(5)包括弹簧(501)和定滑轮(502)，所述弹簧(501)的一端固定，另一端与所述定滑轮(502)连接，所述电缆(2)的一端缠绕在所述定滑轮(502)上；
所述电缆释放结构(5)被配置为当所述电缆(2)受到的拉力大于所述弹簧(501)的弹力时，所述定滑轮(502)转动，释放部分所述电缆(2)。
5.根据权利要求1-4任一项所述的土体形变监测装置，其特征在于，所述套管(101)与所述电缆(2)之间填充有耐低温、防水型油膏。
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