CN110172959B - 一种原位土体分层沉降监测装置及方法 - Google Patents

一种原位土体分层沉降监测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种原位土体分层沉降监测装置及方法，该装置包括设置在探井顶部的圆形基座和多个沉降监测装置，每个所述沉降监测装置均包括锚固机构、沉降传递机构和沉降测量机构，所述锚固机构包括圆形底座和多个钢钉，所述沉降传递机构包括测绳、伸缩管和护管，所述沉降测量机构包括立柱、滑轮机构、测量尺和配重砝码；该方法包括以下步骤：一、沉降监测装置的安装；二、回填夯实；三、沉降测量机构的固定和调节；四、分层沉降监测及数据处理。本发明设计合理且成本低，省时，省力，安装方便，实现原位土体不同深度的土体变形监测，实用性强。

Description

一种原位土体分层沉降监测装置及方法
技术领域
本发明属于岩土工程测试技术领域，尤其是涉及一种原位土体分层沉降监测装置及方法。
背景技术
岩土地基的分层沉降监测是岩土工程监测的重要内容。常用于判断各土层的工程特性是否满足设计要求，作为控制施工进度、判断地基稳定状态和评价地基处理效果的重要依据。目前原位土体分层沉降主要采用在原位土体内部埋设分层标进行观测，该方法是根据工程实际需求将分层标埋设于某原位土层中，测量其下土体沉降，其中标底埋设在被测深度土层中，通过标杆将被测土层的沉降变化引至地面采用水准高程测量方法进行测量，该方法在具体实施时存在三个方面的问题：(1)现场分层沉降标为多个，每个沉降标埋设在不同的钻孔中，钻孔间往往存在着较大距离，沉降标得到的分层沉降数据为不同位置沉降标沉降数据的差值，并不能反映某一监测点垂直方向上的连续分层沉降数据；(2)沉降标埋设后回填钻孔成为水分下渗的通道，水分极易沿钻孔下渗，造成土体的加速沉降，无法反应原位土体自然入渗状况下的沉降规律；(3)沉降标的分散埋设同样给数据采集工作带来麻烦，技术人员的工作量较大。亟需开发一种设计合理且试验准确便捷，省时、省力，花费小的原位土体分层沉降监测装置及方法，以增大其适用性和准确性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种原位土体分层沉降监测装置，其设计合理且成本低，省时，省力，安装方便，实现原位土体不同深度的土体变形监测，实用性强。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种原位土体分层沉降监测装置，其特征在于：包括设置在探井顶部的圆形基座和多个沿圆形基座圆周方向均匀布设且对原位土体不同深度沉降进行监测的沉降监测装置，所述探井的顶部和原位土体地表齐平，多个所述沉降监测装置均相同，每个所述沉降监测装置均包括伸入探井且插入原位土体内的锚固机构、与所述锚固机构连接的沉降传递机构和与所述沉降传递机构连接的沉降测量机构，所述锚固机构包括圆形底座和多个设置在圆形底座一侧且用于插入原位土体内的钢钉，所述沉降传递机构包括一端与圆形底座固定连接的测绳、套设在测绳外的伸缩管和连接在伸缩管上端且套装在测绳外的护管，所述护管的顶端伸出圆形基座顶部；所述沉降测量机构包括安装在圆形基座上的立柱、安装在立柱顶端且供测绳绕过的滑轮机构和安装在立柱中部的测量尺，以及与测绳绕过所述滑轮机构的另一端固定连接的配重砝码，所述测量尺上套设有能沿测量尺长度方向移动的滑移块，所述滑移块上设置有伸出臂，所述伸出臂与自然下垂的测绳固定连接，所述圆形基座上安装多个地表沉降标。
上述的一种原位土体分层沉降监测装置，其特征在于：多个所述沉降监测装置中的锚固机构分别锚固在不同深度的原位土体层中，相邻两个沉降监测装置中的圆形底座的竖直间距大于0.5m；
所述立柱上设置有第一测尺固定杆和与第一测尺固定杆呈平行布设的第二测尺固定杆，所述测量尺的两端分别安装在第一测尺固定杆和第二测尺固定杆上，所述第一测尺固定杆和第二测尺固定杆均包括U形杆体和设置在U形杆体一端且能套装在立柱上的管夹块，所述U形杆体上设置有腰形孔，所述U形杆体形成供第一测尺固定杆和第二测尺固定杆安装的U形凹槽，所述管夹块的开口部穿设有锁紧螺栓；所述立柱的底端设置有法兰盘底座，所述圆形基座上沿圆周方向均布多个供法兰盘底座安装的预埋螺栓。
上述的一种原位土体分层沉降监测装置，其特征在于：所述滑轮机构包括设置在立柱顶部的导向杆、安装在导向杆一端的第一滑轮和安装在导向杆另一端的第二滑轮，所述立柱顶部设置有供导向杆安装的限位机构，所述限位机构包括上下呈对称布设的限位板，所述限位板包括夹板和位于夹板中部且供导向杆夹装的弧形夹槽，所述夹板上设置有紧固螺栓安装孔，所述测绳的另一端依次绕过第一滑轮和第二滑轮与配重砝码连接。
上述的一种原位土体分层沉降监测装置，其特征在于：所述圆形底座上设置有圆柱接头，所述圆柱接头上设置有吊环螺丝，所述测绳的一端通过卡扣与所述吊环螺丝固定连接；
所述伸缩管的一端和圆柱接头通过第一喉箍固定连接，所述伸缩管的另一端和护管通过第二喉箍固定连接。
同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理且施工便捷的原位土体分层沉降监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、沉降监测装置的安装：
步骤101、在待测的原位土体底层中开挖探井；其中，探井的顶面与地表齐平；
步骤102、在沿探井内壁竖直方向间隔设置多个沉降观测点；其中，相邻两个沉降观测点的竖直间距大于0.5m；
步骤103、在沉降观测点处开挖圆形安装孔，并在圆形安装孔上方开挖圆弧形管槽；其中，所述圆弧形管槽沿探井内壁竖直方向；
步骤104、在圆弧形管槽填充防水材料，形成防水区域；其中，防水区域与圆形安装孔之间设置有伸缩管间隙；
步骤105、将所述锚固机构与所述沉降传递机构固定连接；
步骤106、将锚固机构吊放至探井内沉降观测点，待锚固机构稳定不摆动时，将锚固机构安装在沉降观测点处，同时，将伸缩管安装在伸缩管间隙内，将护管压入已填充防水材料的圆弧形管槽中；并沿护管长度方向间隔布设管卡插入原位土体内固定护管；其中，所述锚固机构的钢钉插入原位土体内，所述圆形底座安装在圆形安装孔内，且所述圆形底座的外表面不超过探井内侧壁；
步骤107、多次重复步骤103至步骤106，完成多个沉降监测装置的安装，并按照沉降观测点的深度从小到大分别记作第一个观测点、第二个观测点、...、第i个观测点、...、第n个观测点，同时，多个沉降监测装置分别记作第一个沉降监测装置、第二个沉降监测装置、...、第i个沉降监测装置、...、第n个沉降监测装置；n为沉降监测装置的数量，i和n均为正整数，1≤i≤n，n不小于3；
步骤二、回填夯实：
沿探井深度方向由下至上分层回填夯实处理，直至与探井顶面相齐平；其中，相邻两个回填层中摊铺防水材料干粉；
步骤三、沉降测量机构的固定和调节：
步骤301、将立柱安装在圆形基座上，使立柱与圆形基座呈垂直布设；
步骤302、调节导向杆使第一滑轮靠近护管的边缘的竖向切线与护管的中心重合；
步骤303、将测绳的伸出端依次绕过第一滑轮和第二滑轮与配重砝码连接；其中，护管内测绳与护管的中心线重合；
步骤304、调节测量尺距离立柱的间距，以使测量尺上的伸出臂与自然下垂的测绳贴合；然后将与伸出臂固定连接的滑移块移动至测量尺中部，并将伸出臂与测绳用卡扣固定；
步骤四、分层沉降监测及数据处理：
步骤401、在圆形基座上安装多个地表沉降标；
步骤402、初始监测时，获取多个沉降监测装置中测量尺的初始刻度值；并将第一个沉降监测装置中测量尺的初始刻度值记作L1(0),第二个沉降监测装置中测量尺的初始刻度值记作L2(0),第i个沉降监测装置中测量尺的初始刻度值记作Li(0),第n个沉降监测装置中测量尺的初始刻度值记作Ln(0)；
步骤403、采用水准仪观测多个所述地表沉降标的初始高程，并将第q个地表沉降标的初始高程记作lq(0)；根据公式得到地表的初始高程平均值lc(0)；其中，p表示地表沉降标的总数，q和p均为正整数，1≤q≤p，p不小于3；
步骤404、第j个测量周期时，获取多个沉降监测装置中测量尺的刻度值；并将第j个测量周期时第一个沉降监测装置中测量尺的刻度值记作L1(j),第j个测量周期时第二个沉降监测装置中测量尺的刻度值记作L2(j),第j个测量周期时第i个沉降监测装置中测量尺的刻度值记作Li(j),第j个测量周期时第n个沉降监测装置中测量尺的刻度值记作Ln(j)；其中，1≤j≤m，j和m均为正整数，m不小于3，m表示测量周期的数量；
步骤405、第j个测量周期时，采用水准仪观测多个所述地表沉降标的高程，并将第j个测量周期时第q个地表沉降标的高程记作lq(j)；根据公式得到第j个测量周期时地表的平均高程lz(j)；根据公式hd(j)＝lz(j)-lc(0)，得到第j个测量周期时的地表沉降量平均值hd(j)；
步骤406、根据公式hi(j)＝|Li(j)-Li(0)|，得到第j个测量周期时第i个观测点至地表土层之间的沉降量hi(j)；根据公式h′i(j)＝hd(j)-hi(j)，得到第j个测量周期时第i个观测点的绝对沉降量h′i(j)；
步骤406、多次重复步骤405，得到第j个测量周期时n个观测点的绝对沉降量。
上述的方法，其特征在于：步骤四中分层沉降监测及数据处理，之后，获取分层沉降监测速率的具体过程如下：
步骤501、将m个测量周期时获取的第i个观测点的绝对沉降量分别记作h′i(1)，h′i(2)，...，h′i(j)，...，h′i(m)，以测量周期为横坐标，以第i个观测点的绝对沉降量为纵坐标，拟合得到第i个观测点的沉降变化曲线，并获取第i个观测点的沉降变化速率；其中，所述测量周期大于7天；
步骤502、多次重复步骤501，得到n个观测点的沉降变化速率，并按照从小到大排列获取最大沉降变化速率。
上述的方法，其特征在于：步骤四中分层沉降监测及数据处理之后，根据公式h′i,i+1(j)＝h′i+1(j)-h′i(j)，得到第j个测量周期时第i个观测点和第i+1个观测点之间的沉降量。
上述的方法，其特征在于：步骤二中回填夯实的具体过程如下：
步骤201、回填开挖的土，形成一层下填土层，并进行夯实达到设定的第一夯实次数；其中，下填土层的厚度为1m～1.5m；
步骤202、在下填土层的表面摊铺防水材料干粉，形成一层下干粉防水层；其中，下干粉防水层的厚度为0.05m～0.1m；
步骤203、沿探井深度方向由下至上多次重复步骤201和步骤202，形成下部填土层；其中，下部填土层的表面距离探井顶面的间距为2m～2.5m；
步骤204、在下部填土层表面上回填开挖的土，形成一层上填土层，并进行夯实达到第二夯实次数；其中，上填土层的厚度为0.3m～0.5m；
步骤205、在上填土层的表面摊铺防水材料干粉，形成一层上干粉防水层；其中，上干粉防水层的厚度为0.05m～0.1m；
步骤206、沿探井深度方向由下至上多次重复步骤205和步骤206，形成上部填土层；其中，上部填土层的表面与探井顶面相齐平。
上述的方法，其特征在于：步骤二中回填夯实的夯实次数的获取，具体过程如下：
步骤A、采用烘干法对原位土体进行检测，得到原位土体的质量含水率w；
步骤B、采用环刀法，根据公式得到原位土体的干密度ρy；其中，m1表示环刀质量，m2表示环刀和原位土体土样的总质量，V表示环刀的体积；
步骤C、将开挖的土回填至第一实验填土层并夯实，直至达到夯实次数r(k)，形成第k个回填层；其中，第一实验填土层与下填土层的厚度相同，k为正整数，且k≥1；
步骤D、并按照步骤A和步骤B所述的方法，对第k个回填层进行检测，得到第k个回填层的干密度，并记作ρt(k)；
步骤E、判断ρy≤ρt(k)≤1.1ρy是否成立，当ρy≤ρt(k)≤1.1ρy成立，则夯实次数r(k)为设定的第一夯实次数；否则，执行步骤F；
步骤F、将开挖的土回填至第一实验填土层并夯实，直至达到下一个夯实次数r(k+1)，形成第k+1个回填层，并重复步骤D和步骤E进行判断，直至获取设定的第一夯实次数；其中，r(k+1)＝r(k)+1，r(k+1)和r(k)均为正整数，r(k)≥1；
步骤G、按照步骤C至步骤F所述的方法，开挖的土回填至第二实验填土层，获取设定的第二夯实次数；其中，第二实验填土层与上填土层的厚度相同。
上述的方法，其特征在于：步骤104中所述防水材料由膨润土、水泥和水组成，步骤104中所述防水材料由膨润土、水泥和水组成，膨润土、水泥和水的质量比为(6～7)：(2～3):(12～16)；
步骤二中所述防水材料干粉由膨润土和水泥组成，且膨润土和水泥的质量比为(6～7)：(2～3)。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、所采用的原位土体分层沉降监测装置结构简单、设计合理且安装布设简便，投入成本较低，可集中对原位土体内部不同深度的变形进行监测，避免传统方法在钻孔内分散式安装仪器和采集数据的不便，减少工作量，采集便捷，扩大了应用范围、提高了监测精度。
2、本发明所采用的沉降传递机构中包括伸缩管、护管和测绳，设置护管和锚固机构之间设置伸缩管为土层沉降预留一定的空间，避免护管对锚固机构产生挤压影响测量精度；设置护管，是为了形成容纳测绳的空腔，避免了测绳与土体之间的摩擦，确保测绳能在锚固机构的带动下自由移动，从而将锚固机构的移动传递至沉降测量机构，便于沉降的检测，结构简单。
3、本发明所采用的测绳与沉降测量机构固定连接，测绳能在锚固机构的带动下自由移动，带动滑移块沿测量尺上下移动，从而传递不同深度的地层变形，实现了沉降变形采集与沉降测量机构的空间分离，可进行沉降变形过程的持续监测，提高了监测工作的安全性和监测精度。
4、本发明所采用的锚固机构包括钢钉和圆形底座，一方面，是为了有效地锚固在原位土体不同深度处内，与原位土体紧密接触并产生协调变形，实现和原位土体层的同步沉降，结果更具代表性；另一方面，是为了便于安装，减少锚固机构的固定，安装简便。
5、本发明采用多个沉降监测装置独立采集原位土体分层变形，避免了各层位变形之间的互相干扰，监测结果更精准，且能反映监测点垂直方向上的连续分层沉降数据。
6、本发明原位土体分层沉降监测方法步骤简单、实现方便且操作简便，首先沉降监测装置的安装，之后，回填夯实，以能有效地反应原位土体在水分自然入渗状况下的沉降规律，然后，沉降测量机构的固定和调节，以确保第一滑轮靠近护管的边缘与护管，确保测绳垂直；最后，进行分层沉降监测及数据处理，获取各个观测点绝对沉降量，从而获取不同深度的土体沉降变形监测，且测量精度高。
7、通过在多个沉降观测点埋设锚固机构，且锚固机构埋设操作过程简便，安装速度快，通过设置多个锚固机构，实现对沉降观测点位置的监测，满足分层沉降监测需求。
8、通过沿探井深度方向由下至上分层回填夯实处理，并在相邻两个回填层中摊铺防水材料干粉，来防止地表水分直接顺探井下渗，避免水分随回填层下渗造成原位土体的沉降加快，从而能有效地反应原位土体在水分自然入渗状况下的沉降规律。
综上所述，本发明设计合理且成本低，省时，省力，安装方便，实现原位土体不同深度的土体变形监测，实用性强。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明原位土体分层沉降监测装置的结构示意图。
图2为本发明原位土体分层沉降监测装置沉降测量机构的结构示意图。
图3为本发明原位土体分层沉降监测装置锚固机构的结构示意图。
图4为图3除去伸缩管后的结构示意图。
图5为本发明原位土体分层沉降监测装置限位机构的结构示意图。
图6为本发明原位土体分层沉降监测装置第一测尺固定杆和第二测尺固定杆的结构示意图。
图7为图6的俯视图。
图8为本发明原位土体分层沉降监测装置圆形底座、测绳和护管的位置示意图。
图9为本发明原位土体分层沉降监测方法的流程框图。
附图标记说明:
1-1—圆形底座； 1-2—钢钉； 1-3—圆柱接头；
1-4—吊环螺丝； 2-1—测绳； 2-1-1—卡扣；
2-2—伸缩管； 2-2-1—第一喉箍； 2-2-2—第二喉箍；
2-3—护管； 3-1—法兰盘底座； 3-2—立柱；
3-3—限位板； 3-3-1—夹板； 3-3-2—弧形夹槽；
3-4—第一滑轮； 3-5—第二滑轮； 3-6—导向杆；
3-7—第一测尺固定杆； 3-7-1—U形杆体； 3-7-2—腰形孔；
3-7-3—锁紧螺栓； 3-7-4—管夹块； 3-7-5—U形凹槽；
3-8—测量尺； 3-9—第二测尺固定杆；
3-10—伸出臂； 3-11—滑移块； 3-12—配重砝码；
4—圆形基座； 5—地表沉降标； 6—探井；
7—预埋螺栓。
具体实施方式
如图1、图2、图3和图4所示的一种原位土体分层沉降监测装置，包括设置在探井6顶部的圆形基座4和多个沿圆形基座4圆周方向均匀布设且对原位土体不同深度沉降进行监测的沉降监测装置，所述探井6的顶部和原位土体地表齐平，多个所述沉降监测装置均相同，每个所述沉降监测装置均包括伸入探井6且插入原位土体内的锚固机构、与所述锚固机构连接的沉降传递机构和与所述沉降传递机构连接的沉降测量机构，所述锚固机构包括圆形底座1-1和多个设置在圆形底座1-1一侧且用于插入原位土体内的钢钉1-2，所述沉降传递机构包括一端与圆形底座1-1固定连接的测绳2-1、套设在测绳2-1外的伸缩管2-2和连接在伸缩管2-2上端且套装在测绳2-1外的护管2-3，所述护管2-3的顶端伸出圆形基座4顶部；所述沉降测量机构包括安装在圆形基座4上的立柱3-2、安装在立柱3-2顶端且供测绳2-1绕过的滑轮机构和安装在立柱3-2中部的测量尺3-8，以及与测绳2-1绕过所述滑轮机构的另一端固定连接的配重砝码3-12，所述测量尺3-8上套设有能沿测量尺3-8长度方向移动的滑移块3-11，所述滑移块3-11上设置有伸出臂3-10，所述伸出臂3-10与自然下垂的测绳2-1固定连接，所述圆形基座4上安装多个地表沉降标5。
如图6和图7所示，本实施例中，多个所述沉降监测装置中的锚固机构分别锚固在不同深度的原位土体层中，相邻两个沉降监测装置中的圆形底座1-1的竖直间距大于0.5m；
所述立柱3-2上设置有第一测尺固定杆3-7和与第一测尺固定杆3-7呈平行布设的第二测尺固定杆3-9，所述测量尺3-8的两端分别安装在第一测尺固定杆3-7和第二测尺固定杆3-9上，所述第一测尺固定杆3-7和第二测尺固定杆3-9均包括U形杆体3-7-1和设置在U形杆体3-7-1一端且能套装在立柱3-2上的管夹块3-7-4，所述U形杆体3-7-1上设置有腰形孔3-7-2，所述U形杆体3-7-1形成供第一测尺固定杆3-7和第二测尺固定杆3-9安装的U形凹槽3-7-5，所述管夹块3-7-4的开口部穿设有锁紧螺栓3-7-3。
如图8所示，本实施例中，所述立柱3-2的底端设置有法兰盘底座3-1，所述圆形基座4上沿圆周方向均布多个供法兰盘底座3-1安装的预埋螺栓7。
如图5所示，本实施例中，所述滑轮机构包括设置在立柱3-2顶部的导向杆3-6、安装在导向杆3-6一端的第一滑轮3-4和安装在导向杆3-6另一端的第二滑轮3-5，所述立柱3-2顶部设置有供导向杆3-6安装的限位机构，所述限位机构包括上下呈对称布设的限位板3-3，所述限位板3-3包括夹板3-3-1和位于夹板3-3-1中部且供导向杆3-6夹装的弧形夹槽3-3-2，所述夹板3-3-1上设置有紧固螺栓安装孔，所述测绳2-1的另一端依次绕过第一滑轮3-4和第二滑轮3-5与配重砝码3-12连接。
本实施例中，所述圆形底座1-1上设置有圆柱接头1-3，所述圆柱接头1-3上设置有吊环螺丝1-4，所述测绳2-1的一端通过卡扣2-1-1与所述吊环螺丝1-4固定连接；
所述伸缩管2-2的一端和圆柱接头1-3通过第一喉箍2-2-1固定连接，所述伸缩管2-2的另一端和护管2-3通过第二喉箍2-2-2固定连接。
本实施例中，需要说明的是，伸缩管2-2的中心、护管2-3的中心和位于第一滑轮3-4一侧的测绳2-1的中心位于同一竖线上。
本实施例中，具体实施时，锚固机构、沉降传递机构和沉降测量机构可拆卸连接，第一，是为了便于拆卸沉降测量机构，便于锚固机构和沉降传递机构安装至沉降监测点；第二，是为了根据监测需求进行调整，以适应不同深度监测要求；第三，是为了便于调节测绳2-1的垂直状态，避免测绳2-1带来误差，提高了测试的精度。
本实施例中，锚固机构的设置，一方面，是为了有效地锚固在原位土体不同深度处内，与原位土体紧密接触并产生协调变形，实现和原位土体层的同步沉降，结果更具代表性；另一方面，是为了便于安装，减少锚固机构的固定，安装简便。
本实施例中，圆形底座1-1的设置，第一，是为了便于多个钢钉1-2的安装，减少安装时与原位土体的接触面积，从而便于锚固机构的锚固；第二，是为了便于圆柱接头1-3的安装，从而便于与测绳2-1固定连接；第三，是为了施加外力至圆形底座1-1进行锚固，以使圆形底座1-1的四周受力均匀，避免施加外力锚固时，造成探井6内壁的破碎。
本实施例中，护管2-3和锚固机构之间设置伸缩管2-2，是为了给沉降预留一定的变形量，避免护管2-3对锚固机构产生挤压影响监测精度。
本实施例中，护管2-3的设置，是为了形成容纳测绳2-1的空腔，避免与土体之间的摩擦，确保测绳2-1能在锚固机构的带动下自由移动，从而将锚固机构的移动传递至沉降测量机构，便于沉降的检测，结构简单。
本实施例中，测绳2-1的设置，且测绳2-1与沉降测量机构固定连接，以使测绳2-1在锚固机构的带动下自由移动时，带动滑移块3-11沿测量尺3-8上下移动，从而实现传递地层变形，实现了沉降变形与沉降测量机构的空间分离，可进行沉降变形过程的持续监测，提高了监测工作的安全性和监测精度。
本实施例中，伸出臂3-10的设置，第一，是为了在测绳2-1自然下垂状态下与伸出臂3-10固定连接，实现沉降变形量的传递；第二，是为了与滑移块3-11的连接，将测绳2-1的移动传递至滑移块3-11的移动，带动滑移块3-11沿测量尺3-8长度方向移动，从而实现沉降测量值的获取。
本实施例中，配重砝码3-12的设置，是为了给测绳2-1提供一定的拉力，使测绳2-1保持自然下垂，并克服测绳2-1与护管2-3之间的摩擦，将测绳2-1的变化量传递至沉降测量机构。
本实施例中，第一滑轮3-4和第二滑轮3-5的设置，是为了在测绳2-1移动过程中，减少测绳2-1的摩擦力，并起导向作用。
本实施例中，立柱3-2的顶部设置限位机构的目的，第一，是为了对导向杆3-6进行夹装，便于第一滑轮3-4和第二滑轮3-5在导向杆3-6两端的布设；第二，是为了调节导向杆3-6的位置，以使第一滑轮3-4靠近护管2-3的边缘的竖向切线与护管2-3的中心重合，确保护管2-3内测绳2-1与护管2-3的中心线重合。
本实施例中，第一测尺固定杆3-7和第二测尺固定杆3-9的设置，第一，是为了能安装在立柱3-1上，第二，是为了测量尺3-8的安装；且第一测尺固定杆3-7和第二测尺固定杆3-9上设置有腰形孔3-7-2，从而使测量尺3-8能沿腰形孔3-7-2长度方向移动，调节测量尺3-8与测绳2-1的间距，便于测量尺3-8上的伸出臂3-10与测绳2-1固定连接。
如图9所示的一种原位土体分层沉降监测方法，包括以下步骤：
步骤一、沉降监测装置的安装：
步骤101、在待测的原位土体底层中开挖探井6；其中，探井6的顶面与地表齐平；
步骤102、在沿探井6内壁竖直方向间隔设置多个沉降观测点；其中，相邻两个沉降观测点的竖直间距大于0.5m；
步骤103、在沉降观测点处开挖圆形安装孔，并在圆形安装孔上方开挖圆弧形管槽；其中，所述圆弧形管槽沿探井6内壁竖直方向；
步骤104、在圆弧形管槽填充防水材料，形成防水区域；其中，防水区域与圆形安装孔之间设置有伸缩管间隙；
步骤105、将所述锚固机构与所述沉降传递机构固定连接；
步骤106、将锚固机构吊放至探井6内沉降观测点，待锚固机构稳定不摆动时，将锚固机构安装在沉降观测点处，同时，将伸缩管2-2安装在伸缩管间隙内，将护管2-3压入已填充防水材料的圆弧形管槽中；并沿护管2-3长度方向间隔布设管卡插入原位土体内固定护管2-3；其中，所述锚固机构的钢钉1-2插入原位土体内，所述圆形底座1-1安装在圆形安装孔内，且所述圆形底座1-1的外表面不超过探井6内侧壁；
步骤107、多次重复步骤103至步骤106，完成多个沉降监测装置的安装，并按照沉降观测点的深度从小到大分别记作第一个观测点、第二个观测点、...、第i个观测点、...、第n个观测点，同时，多个沉降监测装置分别记作第一个沉降监测装置、第二个沉降监测装置、...、第i个沉降监测装置、...、第n个沉降监测装置；n为沉降监测装置的数量，i和n均为正整数，1≤i≤n，n不小于3；
步骤二、回填夯实：
沿探井6深度方向由下至上分层回填夯实处理，直至与探井6顶面相齐平；其中，相邻两个回填层中摊铺防水材料干粉；
步骤三、沉降测量机构的固定和调节：
步骤301、将立柱3-2底端的法兰盘底座3-1安装在圆形基座4上的预埋螺栓7上，使立柱3-2与圆形基座4呈垂直布设；
步骤302、打开限位板3-3，调节导向杆3-6，使第一滑轮3-4靠近护管2-3的边缘的竖向切线与护管2-3的中心重合；之后，通过固定限位板3-3而固定导向杆3-6；
步骤303、将测绳2-1的伸出端依次绕过第一滑轮3-4和第二滑轮3-5与配重砝码3-12连接；其中，护管2-3内测绳2-1与护管2-3的中心线重合；
步骤304、调节测量尺3-8距离立柱3-2的间距，以使测量尺3-8上的伸出臂3-10与自然下垂的测绳2-1贴合；然后将与伸出臂3-10固定连接的滑移块3-11移动至测量尺3-8中部，并将伸出臂3-10与测绳2-1用卡扣固定；
步骤四、分层沉降监测及数据处理：
步骤401、在圆形基座4上安装多个地表沉降标5；
步骤402、初始监测时，获取多个沉降监测装置中测量尺3-8的初始刻度值；并将第一个沉降监测装置中测量尺3-8的初始刻度值记作L1(0),第二个沉降监测装置中测量尺3-8的初始刻度值记作L2(0),第i个沉降监测装置中测量尺3-8的初始刻度值记作Li(0),第n个沉降监测装置中测量尺3-8的初始刻度值记作Ln(0)；
步骤403、采用水准仪观测多个所述地表沉降标5的初始高程，并将第q个地表沉降标5的初始高程记作lq(0)；根据公式得到地表的初始高程平均值lc(0)；其中，p表示地表沉降标5的总数，q和p均为正整数，1≤q≤p，p不小于3；
步骤404、第j个测量周期时，获取多个沉降监测装置中测量尺3-8的刻度值；并将第j个测量周期时第一个沉降监测装置中测量尺3-8的刻度值记作L1(j),第j个测量周期时第二个沉降监测装置中测量尺3-8的刻度值记作L2(j),第j个测量周期时第i个沉降监测装置中测量尺3-8的刻度值记作Li(j),第j个测量周期时第n个沉降监测装置中测量尺3-8的刻度值记作Ln(j)；其中，1≤j≤m，j和m均为正整数，m不小于3，m表示测量周期的数量；
步骤405、第j个测量周期时，采用水准仪观测多个所述地表沉降标5的高程，并将第j个测量周期时第q个地表沉降标5的高程记作lq(j)；根据公式得到第j个测量周期时地表的平均高程lz(j)；根据公式hd(j)＝lz(j)-lc(0)，得到第j个测量周期时的地表沉降量平均值hd(j)；
步骤406、根据公式hi(j)＝|Li(j)-Li(0)|，得到第j个测量周期时第i个观测点至地表土层之间的沉降量；根据公式h′i(j)＝hd(j)-hi(j)，得到第j个测量周期时第i个观测点的绝对沉降量；
步骤406、多次重复步骤405，得到第j个测量周期时n个观测点的绝对沉降量。
本实施例中，步骤四中分层沉降监测及数据处理，之后，获取分层沉降监测速率的具体过程如下：
步骤501、将m个测量周期时获取的第i个观测点的绝对沉降量分别记作h′i(1)，h′i(2)，...，h′i(j)，...，h′m(j)，以测量周期为横坐标，以第i个观测点的绝对沉降量为纵坐标，拟合得到第i个观测点的沉降变化曲线，并获取第i个观测点的沉降变化速率；其中，所述测量周期大于7天；
步骤502、多次重复步骤501，得到n个观测点的沉降变化速率，并按照从小到大排列获取最大沉降变化速率。
本实施例中，步骤四中分层沉降监测及数据处理之后，根据公式h′i,i+1(j)＝h′i+1(j)-h′i(j)，得到第j个测量周期时第i个观测点和第i+1个观测点之间的沉降量。
本实施例中，步骤二中回填夯实的具体过程如下：
步骤201、回填开挖的土，形成一层下填土层，并进行夯实达到设定的第一夯实次数；其中，下填土层的厚度为1m～1.5m；
步骤202、在下填土层的表面摊铺防水材料干粉，形成一层下干粉防水层；其中，下干粉防水层的厚度为0.05m～0.1m；
步骤203、沿探井6深度方向由下至上多次重复步骤201和步骤202，形成下部填土层；其中，下部填土层的表面距离探井6顶面的间距为2m～2.5m；
步骤204、在下部填土层表面上回填开挖的土，形成一层上填土层，并进行夯实达到第二夯实次数；其中，上填土层的厚度为0.3m～0.5m；
步骤205、在上填土层的表面摊铺防水材料干粉，形成一层上干粉防水层；其中，上干粉防水层的厚度为0.05m～0.1m；
步骤206、沿探井6深度方向由下至上多次重复步骤205和步骤206，形成上部填土层；其中，上部填土层的表面与探井6顶面相齐平。
本实施例中，步骤二中回填夯实的夯实次数的获取，具体过程如下：
步骤A、采用烘干法对原位土体进行检测，得到原位土体的质量含水率w；
步骤B、采用环刀法，根据公式得到原位土体的干密度ρy；其中，m1表示环刀质量，m2表示环刀和原位土体土样的总质量，V表示环刀的体积；
步骤C、将开挖的土回填至第一实验填土层并夯实，直至达到夯实次数r(k)，形成第k个回填层；其中，第一实验填土层与下填土层的厚度相同，k为正整数，且k≥1；
步骤D、并按照步骤A和步骤B所述的方法，对第k个回填层进行检测，得到第k个回填层的干密度，并记作ρt(k)；
步骤E、判断ρy≤ρt(k)≤1.1ρy是否成立，当ρy≤ρt(k)≤1.1ρy成立，则夯实次数r(k)为设定的第一夯实次数；否则，执行步骤F；
步骤F、将开挖的土回填至第一实验填土层并夯实，直至达到下一个夯实次数r(k+1)，形成第k+1个回填层，并重复步骤D和步骤E进行判断，直至获取设定的第一夯实次数；其中，r(k+1)＝r(k)+1，r(k+1)和r(k)均为正整数，r(k)≥1；
步骤G、按照步骤C至步骤F，开挖的土回填至第二实验填土层，获取设定的第二夯实次数；其中，第二实验填土层与上填土层的厚度相同；
本实施例中，步骤104中所述防水材料由膨润土、水泥和水组成，膨润土、水泥和水的质量比为(6～7)：(2～3):(12～16)；
步骤二中所述防水材料干粉由膨润土和水泥组成，且膨润土和水泥的质量比为(6～7)：(2～3)。
本实施例中，需要说明的是，原位土体的干密度ρy和第k个回填层的干密度的单位均为g/cm3，环刀的质量m1和环刀和原位土体土样的总质量m2的单位均为g，环刀的体积V的单位cm3。
本实施例中，多个沉降监测装置沿探井6竖直方向间隔布设，横向间距较小，有效能反映监测点垂直方向上的连续分层沉降数据。
本实施例中，具体实施时，可以将测量尺3-8更换为杆式位移计进行沉降数据采集，实现数据的自动采集。
本实施例中，通过在多个沉降观测点埋设锚固机构，且锚固机构埋设操作过程简便，且锚固机构的安装速度快，通过设置多个锚固机构，实现对沉降观测点位置的检测，满足分层沉降监测需求。
本实施例中，通过沿探井深度方向由下至上分层回填夯实处理，并在相邻两个回填层中摊铺防水材料干粉，来防止地表水分直接顺探井下渗，避免水分随回填层下渗造成原位土体的沉降加快，从而能有效地反应原位土体在水分自然入渗状况下的沉降规律。
综上所述，本发明设计合理且成本低，省时，省力，安装方便，实现原位土体不同深度的土体变形监测，实用性强。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种原位土体分层沉降监测装置，其特征在于:包括设置在探井(6)顶部的圆形基座(4)和多个沿圆形基座(4)圆周方向均匀布设且对原位土体不同深度沉降进行监测的沉降监测装置，所述探井(6)的顶部和原位土体地表齐平，多个所述沉降监测装置均相同，每个所述沉降监测装置均包括伸入探井(6)且插入原位土体内的锚固机构、与所述锚固机构连接的沉降传递机构和与所述沉降传递机构连接的沉降测量机构，所述锚固机构包括圆形底座(1-1)和多个设置在圆形底座(1-1)一侧且用于插入原位土体内的钢钉(1-2)，所述沉降传递机构包括一端与圆形底座(1-1)固定连接的测绳(2-1)、套设在测绳(2-1)外的伸缩管(2-2)和连接在伸缩管(2-2)上端且套装在测绳(2-1)外的护管(2-3)，所述护管(2-3)的顶端伸出圆形基座(4)顶部；所述沉降测量机构包括安装在圆形基座(4)上的立柱(3-2)、安装在立柱(3-2)顶端且供测绳(2-1)绕过的滑轮机构和安装在立柱(3-2)中部的测量尺(3-8)，以及与测绳(2-1)绕过所述滑轮机构的另一端固定连接的配重砝码(3-12)，所述测量尺(3-8)上套设有能沿测量尺(3-8)长度方向移动的滑移块(3-11)，所述滑移块(3-11)上设置有伸出臂(3-10)，所述伸出臂(3-10)与自然下垂的测绳(2-1)固定连接，所述圆形基座(4)上安装多个地表沉降标(5)；
多个所述沉降监测装置中的锚固机构分别锚固在不同深度的原位土体层中，相邻两个沉降监测装置中的圆形底座(1-1)的竖直间距大于0.5m；
所述立柱(3-2)上设置有第一测尺固定杆(3-7)和与第一测尺固定杆(3-7)呈平行布设的第二测尺固定杆(3-9)，所述测量尺(3-8)的两端分别安装在第一测尺固定杆(3-7)和第二测尺固定杆(3-9)上，所述第一测尺固定杆(3-7)和第二测尺固定杆(3-9)均包括U形杆体(3-7-1)和设置在U形杆体(3-7-1)一端且能套装在立柱(3-2)上的管夹块(3-7-4)，所述U形杆体(3-7-1)上设置有腰形孔(3-7-2)，所述U形杆体(3-7-1)形成供第一测尺固定杆(3-7)和第二测尺固定杆(3-9)安装的U形凹槽(3-7-5)，所述管夹块(3-7-4)的开口部穿设有锁紧螺栓(3-7-3)；
所述立柱(3-2)的底端设置有法兰盘底座(3-1)，所述圆形基座(4)上沿圆周方向均布多个供法兰盘底座(3-1)安装的预埋螺栓(7)；
所述滑轮机构包括设置在立柱(3-2)顶部的导向杆(3-6)、安装在导向杆(3-6)一端的第一滑轮(3-4)和安装在导向杆(3-6)另一端的第二滑轮(3-5)，所述立柱(3-2)顶部设置有供导向杆(3-6)安装的限位机构，所述限位机构包括上下呈对称布设的限位板(3-3)，所述限位板(3-3)包括夹板(3-3-1)和位于夹板(3-3-1)中部且供导向杆(3-6)夹装的弧形夹槽(3-3-2)，所述夹板(3-3-1)上设置有紧固螺栓安装孔，所述测绳(2-1)的另一端依次绕过第一滑轮(3-4)和第二滑轮(3-5)与配重砝码(3-12)连接。
2.按照权利要求1所述的一种原位土体分层沉降监测装置，其特征在于：所述圆形底座(1-1)上设置有圆柱接头(1-3)，所述圆柱接头(1-3)上设置有吊环螺丝(1-4)，所述测绳(2-1)的一端通过卡扣(2-1-1)与所述吊环螺丝(1-4)固定连接；
所述伸缩管(2-2)的一端和圆柱接头(1-3)通过第一喉箍(2-2-1)固定连接，所述伸缩管(2-2)的另一端和护管(2-3)通过第二喉箍(2-2-2)固定连接。
3.一种利用如权利要求1所述监测装置进行原位土体分层沉降监测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、沉降监测装置的安装：
步骤101、在待测的原位土体底层中开挖探井(6)；其中，探井(6)的顶面与地表齐平；
步骤102、在沿探井(6)内壁竖直方向间隔设置多个沉降观测点；其中，相邻两个沉降观测点的竖直间距大于0.5m；
步骤103、在沉降观测点处开挖圆形安装孔，并在圆形安装孔上方开挖圆弧形管槽；其中，所述圆弧形管槽沿探井(6)内壁竖直方向；
步骤104、在圆弧形管槽填充防水材料，形成防水区域；其中，防水区域与圆形安装孔之间设置有伸缩管间隙；
步骤105、将所述锚固机构与所述沉降传递机构固定连接；
步骤106、将锚固机构吊放至探井(6)内沉降观测点，待锚固机构稳定不摆动时，将锚固机构安装在沉降观测点处，同时，将伸缩管(2-2)安装在伸缩管间隙内，将护管(2-3)压入已填充防水材料的圆弧形管槽中；并沿护管(2-3)长度方向间隔布设管卡插入原位土体内固定护管(2-3)；其中，所述锚固机构的钢钉(1-2)插入原位土体内，所述圆形底座(1-1)安装在圆形安装孔内，且所述圆形底座(1-1)的外表面不超过探井(6)内侧壁；
步骤107、多次重复步骤103至步骤106，完成多个沉降监测装置的安装，并按照沉降观测点的深度从小到大分别记作第一个观测点、第二个观测点、...、第i个观测点、...、第n个观测点，同时，多个沉降监测装置分别记作第一个沉降监测装置、第二个沉降监测装置、...、第i个沉降监测装置、...、第n个沉降监测装置；n为沉降监测装置的数量，i和n均为正整数，1≤i≤n，n不小于3；
步骤二、回填夯实：
沿探井(6)深度方向由下至上分层回填夯实处理，直至与探井(6)顶面相齐平；其中，相邻两个回填层中摊铺防水材料干粉；
步骤三、沉降测量机构的固定和调节：
步骤301、将立柱(3-2)安装在圆形基座(4)上，使立柱(3-2)与圆形基座(4)呈垂直布设；
步骤302、调节导向杆(3-6)使第一滑轮(3-4)靠近护管(2-3)的边缘的竖向切线与护管(2-3)的中心重合；
步骤303、将测绳(2-1)的伸出端依次绕过第一滑轮(3-4)和第二滑轮(3-5)与配重砝码(3-12)连接；其中，护管(2-3)内测绳(2-1)与护管(2-3)的中心线重合；
步骤304、调节测量尺(3-8)距离立柱(3-2)的间距，以使测量尺(3-8)上的伸出臂(3-10)与自然下垂的测绳(2-1)贴合；然后将与伸出臂(3-10)固定连接的滑移块(3-11)移动至测量尺(3-8)中部，并将伸出臂(3-10)与测绳(2-1)用卡扣固定；
步骤四、分层沉降监测及数据处理：
步骤401、在圆形基座(4)上安装多个地表沉降标(5)；
步骤402、初始监测时，获取多个沉降监测装置中测量尺(3-8)的初始刻度值；并将第一个沉降监测装置中测量尺(3-8)的初始刻度值记作L1(0),第二个沉降监测装置中测量尺(3-8)的初始刻度值记作L2(0),第i个沉降监测装置中测量尺(3-8)的初始刻度值记作Li(0),第n个沉降监测装置中测量尺(3-8)的初始刻度值记作Ln(0)；
步骤403、采用水准仪观测多个所述地表沉降标(5)的初始高程，并将第q个地表沉降标(5)的初始高程记作lq(0)；根据公式得到地表的初始高程平均值lc(0)；其中，p表示地表沉降标(5)的总数，q和p均为正整数，1≤q≤p，p不小于3；
步骤404、第j个测量周期时，获取多个沉降监测装置中测量尺(3-8)的刻度值；并将第j个测量周期时第一个沉降监测装置中测量尺(3-8)的刻度值记作L1(j),第j个测量周期时第二个沉降监测装置中测量尺(3-8)的刻度值记作L2(j),第j个测量周期时第i个沉降监测装置中测量尺(3-8)的刻度值记作Li(j),第j个测量周期时第n个沉降监测装置中测量尺(3-8)的刻度值记作Ln(j)；其中，1≤j≤m，j和m均为正整数，m不小于3，m表示测量周期的数量；
步骤405、第j个测量周期时，采用水准仪观测多个所述地表沉降标(5)的高程，并将第j个测量周期时第q个地表沉降标(5)的高程记作lq(j)；根据公式得到第j个测量周期时地表的平均高程lz(j)；根据公式hd(j)＝lz(j)-lc(0)，得到第j个测量周期时的地表沉降量平均值hd(j)；
步骤406、根据公式hi(j)＝|Li(j)-Li(0)|，得到第j个测量周期时第i个观测点至地表土层之间的沉降量hi(j)；根据公式h′i(j)＝hd(j)-hi(j)，得到第j个测量周期时第i个观测点的绝对沉降量h′i(j)；
步骤406、多次重复步骤405，得到第j个测量周期时n个观测点的绝对沉降量。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤四中分层沉降监测及数据处理，之后，获取分层沉降监测速率的具体过程如下：
步骤501、将m个测量周期时获取的第i个观测点的绝对沉降量分别记作h′i(1)，h′i(2)，...，h′i(j)，...，h′i(m)，以测量周期为横坐标，以第i个观测点的绝对沉降量为纵坐标，拟合得到第i个观测点的沉降变化曲线，并获取第i个观测点的沉降变化速率；其中，所述测量周期大于7天；
步骤502、多次重复步骤501，得到n个观测点的沉降变化速率，并按照从小到大排列获取最大沉降变化速率。
5.按照权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤四中分层沉降监测及数据处理之后，根据公式h′i,i+1(j)＝h′i+1(j)-h′i(j)，得到第j个测量周期时第i个观测点和第i+1个观测点之间的沉降量。
6.按照权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤二中回填夯实的具体过程如下：
步骤201、回填开挖的土，形成一层下填土层，并进行夯实达到设定的第一夯实次数；其中，下填土层的厚度为1m～1.5m；
步骤202、在下填土层的表面摊铺防水材料干粉，形成一层下干粉防水层；其中，下干粉防水层的厚度为0.05m～0.1m；
步骤203、沿探井(6)深度方向由下至上多次重复步骤201和步骤202，形成下部填土层；其中，下部填土层的表面距离探井(6)顶面的间距为2m～2.5m；
步骤204、在下部填土层表面上回填开挖的土，形成一层上填土层，并进行夯实达到第二夯实次数；其中，上填土层的厚度为0.3m～0.5m；
步骤205、在上填土层的表面摊铺防水材料干粉，形成一层上干粉防水层；其中，上干粉防水层的厚度为0.05m～0.1m；
步骤206、沿探井(6)深度方向由下至上多次重复步骤205和步骤206，形成上部填土层；其中，上部填土层的表面与探井(6)顶面相齐平。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤二中回填夯实的夯实次数的获取，具体过程如下：
步骤A、采用烘干法对原位土体进行检测，得到原位土体的质量含水率w；
步骤B、采用环刀法，根据公式得到原位土体的干密度ρy；其中，m1表示环刀质量，m2表示环刀和原位土体土样的总质量，V表示环刀的体积；
步骤C、将开挖的土回填至第一实验填土层并夯实，直至达到夯实次数r(k)，形成第k个回填层；其中，第一实验填土层与下填土层的厚度相同，k为正整数，且k≥1；
步骤D、并按照步骤A和步骤B所述的方法，对第k个回填层进行检测，得到第k个回填层的干密度，并记作ρt(k)；
步骤E、判断ρy≤ρt(k)≤1.1ρy是否成立，当ρy≤ρt(k)≤1.1ρy成立，则夯实次数r(k)为设定的第一夯实次数；否则，执行步骤F；
步骤F、将开挖的土回填至第一实验填土层并夯实，直至达到下一个夯实次数r(k+1)，形成第k+1个回填层，并重复步骤D和步骤E进行判断，直至获取设定的第一夯实次数；其中，r(k+1)＝r(k)+1，r(k+1)和r(k)均为正整数，r(k)≥1；
步骤G、按照步骤C至步骤F所述的方法，开挖的土回填至第二实验填土层，获取设定的第二夯实次数；其中，第二实验填土层与上填土层的厚度相同。
8.按照权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤104中所述防水材料由膨润土、水泥和水组成，且膨润土、水泥和水的质量比为(6～7)：(2～3):(12～16)；
步骤二中所述防水材料干粉由膨润土和水泥组成，且膨润土和水泥的质量比为(6～7)：(2～3)。
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