CN110530310A - 一种深层位移监测装置及方法 - Google Patents

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黄海峰
骆俊晖
刘先林
米德才
叶琼瑶
李敦仁
唐正辉
徐龙旺
孙冠华
吕玺琳
黄泽斌
陈川
李世明
邓胜强
李明智
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Abstract

本发明公开了针对边坡、基坑工程的一种深层位移监测装置及方法，包括测斜管、探头，探头设有导轮，测斜管内壁设有导槽，导轮与导槽相匹配，测量时导轮沿着导槽在测斜管内上下移动，其特征在于：还包括角度测量仪表，角度测量仪表用于测量测斜管在监测过程中所产生的绕着自身轴线的水平方向的扭转角度。所述角度测量仪表为指南针仪表，指南针仪表与探头绕着测斜管的轴线进行相同角速度的扭转。通过获取测斜管的水平扭转角度，修正测斜管出现水平扭转情况下的坡体的水平位移，得到水平位移修正值，本发明消除由于测斜管在周围土层的较大重力下产生的脱节、扭转对深层边坡、基坑测斜的监测数据准确性所造成的影响，减少监测误差，及时修正监测数据，为边坡、基坑的水平位移监测提供更精确及时的数据。

Description

一种深层位移监测装置及方法
技术领域
本发明属于边坡、基坑工程水平位移监测领域，尤其涉及到一种适用深层滑坡水平位移检测及误差修正的深层位移监测装置及方法。
背景技术
众所周知，边坡、基坑工程中，边坡深部变形规律是评价边坡稳定的重要指标。现阶段边坡、基坑的水平位移监测，总体可分为表面观测及深部观测两类，其中后者采用在边坡上垂直钻孔并安装测斜装置的方式进行，对表面及深部水平位移的反馈准确性均较高，也是最为常见及可靠的选择。
然而，进行边坡、基坑深部位移监测时，特别是深层和极深层滑坡测斜过程中，由于位置较深，测斜管在周围土层的较大重力下容易发生脱节、卡住情况，引起扭转，由于测斜管的扭转，从而对基于测斜管内壁进行测量所得的深层滑坡测斜的监测数据的准确性产生影响，监测数据的不准确导致工程监测数据不准确，预警出现误报，如果预警提前，将影响施工，如果预警延后，则没有充足的时间阻止工程危害的发生。边坡、基坑深部位移监测时，需要精确获取监测数据，及时进行误差修正，因此在工程建设中迫切需要一种深层滑坡测斜管监测的修正技术以提高监测精度，为边坡、基坑工程失稳进行及时有效预警，具有深远的社会意义与经济意义。
发明内容
本技术方案的目的在于克服现有技术的不足，提供一种边坡、基坑深层位移监测设备及方法，消除由于测斜管在周围土层的较大重力下产生的脱节、扭转对深层边坡、基坑测斜的监测数据准确性所造成的影响，及时修正监测数据，为边坡、基坑工程的水平位移监测提供更精确及时的数据。
本技术方案如下：
一种深层位移监测装置，包括测斜管、探头，所述探头设有导轮，所述测斜管内壁设有导槽，所述导轮与所述导槽相匹配，测量时所述导轮沿着所述导槽在测斜管内上下移动，其特征在于：还包括角度测量仪表，所述角度测量仪表用于测量所述测斜管在监测过程中所产生的绕着自身轴线的水平方向的扭转角度。
进一步地，所述角度测量仪表为陀螺仪。
进一步地，所述角度测量仪表为指南针仪表，所述指南针仪表与所述探头绕着所述测斜管的轴线进行相同角速度的扭转。
进一步地，所述指南针仪表设置在与所述探头的轴线相垂直的平面上。
进一步地，所述指南针仪表与所述探头设有连接结构，连接结构一端与探头固定连接，另一端与指南针仪表固定连接。
进一步地，所述连接结构为指南针仪表安装架，指南针仪表通过指南针安装支架与探头刚性连接成一体，指南针仪表安装架一端与探头的端部或者杆身固定连接，另一端与指南针仪表固定连接。
进一步地，所述指南针仪表上方安装有摄像头，用于记录监测过程中指南针仪表中的指南针偏转的角度。
进一步地，还包括摄像头支架，所述摄像头通过摄像头支架固定在指南针仪表的上方，所述摄像头支架与探头的端部或者杆身固定连接
综上，摄像头安装方式包括如下：1)安装在探头的头部端面，连接方式包括螺纹连接或者卡扣连接。2)通过摄像头安装支架与探头连接；
进一步地，所述摄像头支架与指南针安装支架固定连接。
进一步地，还包括显示器，所述摄像头的输出端与显示器输入端通过数据线连接，显示器实时监测指南针的偏转角度。另一种方案，所述摄像头与所述显示器无线传输数据。
一种深层位移监测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤(1)：在边坡、基坑中安装测斜管，对测斜管周围空隙进行回填；
步骤(2)：设测斜管的端面为XY平面，相对导槽的中心线aa＇为X轴，与X轴垂直的中心线bb＇为Y轴，测斜管的深度方向为Z轴，探头伸进测斜管底部，沿着Z轴方向自下而上的顺序进行测量，在不同的深度获得不同深度Hi下的相对于Z轴的倾斜角度βi，通过公式Li＝Hi*tanβi计算得到任意深度位置处的坡体的水平位移Li，通过以下求和公式(1)计算得到土体的水平位移L；
其中倾斜角度βi的取值范围为0°至45°之间；
步骤(3)：获取测斜管的XY平面的扭转角度αi，并通过公式(2)得到测斜管出现水平扭转情况下土体的修正水平位移L＇；
其中扭转角度αi的取值范围为0°至45°之间。
本技术方案的监测方法的步骤流程图如图1所示。本技术方案的实现原理如下：
一、计算方法公式的推导
如图2所示，水平位移L与深度H和倾斜角度β存在关系式L＝H*tanβ。设L5位置处的距离孔底的高度H，测得的倾斜角度β5，则L5＝H*tanβ5，L4位置处测的角度偏移量为β4，则L4＝H0*tanβ4，使用上述方法中的求和公式(1)分别计算测斜管不同深度Hi位置处的水平位移L，得到图示拟合的变形曲线(图2中的引标2)。对比初始的基准轴线(图2中的引标1)，显示地层所发生的侧向偏移的变化运动。
在正常情况下，测斜管的导槽在同一条直线上，测斜管受力后均是往滑动方向弯曲的，图4显示为正常情况的变形曲线，图5为发生扭转情况的测斜管的变形曲线，被扭转过的测斜管的导槽并未在同一直线上，变形曲线的方向也会比较凌乱。图6为发生脱节情况的测斜管的变形曲线，脱节的测斜管可能是由螺丝松动或滑坡体滑动扭转造成的，也可能两种情况兼而有之。测斜仪探头的导轮在脱节的位置容易出轨至另一条轨道，这就极有可能造成变形数据的反转，表现在测斜曲线上则是反向及大褶皱。
在测斜管出现扭转或者脱节的情况下，如何修正土体的水平位移L是本技术方案解决的技术问题。
由于监测过程中，探头上的导轮与测斜管上的导槽互相匹配，因此测斜管的扭转角度等于探头的扭转角度。由于指南针仪表能够实现与探头相同角速度的转动，那么指南针仪表的扭转角度等于测斜管的扭转角度。由于指南针的指针方向是固定不变，那么指南针仪表的扭转角度又等于指南针的偏转角度。上述的相等关系具体描述如下：如图8所示，设探头的导轮中心连线为cc＇，测斜管的导槽的中心连线为bb＇，指南针仪表的南北指向刻度连线SN，指南针的指向轴线与指南针仪表的南北指向SN刻度连线之间夹角为γ，测斜管在监测时产生水平扭转的角度为α。由于导轮与导槽互相匹配，导轮中心连线cc＇与导槽的中心连线bb＇重回。假设本装置探头进入测斜管测量前，探头两个导轮中心连线cc＇与指南针仪表中的南北指向SN刻度连线是重合或者平行。当埋设于岩层中的测斜管处于正常无水平扭转的情况下，假如指南针的指向轴线与指南针的南北指向SN刻度连线之间的夹角γ为初始值γ0，当测斜管在受力情况下发生扭转，那么测斜管上的导槽带动探头上的导轮同时发生扭转。导轮中心连线cc＇与导槽的中心连线bb＇同时发生转动，由于指南针仪表的外壳与所述两个导轮之间设有连接结构，指南针仪表与导轮实现相同角速度的转动，但指南针的指针方向是固定不变的，指南针的指向轴线与指南针仪表中的南北指向刻度SN连线之间的夹角随着测斜管的扭转变化为γ1，它们之间的夹角γ的变化值γ1－γ0即指南针的偏转角度等于测斜管的扭转角度α。综上所述，根据指南针的偏转角度与测斜管的扭转角度的相等关系，通过摄像头获取指南针的偏转角度γ的大小，从而得到测斜管的扭转角度α，通过计算修正原有的水平位移L，得出在测斜管出现水平扭转情况下的坡体的水平位移修正值L＇。
二、公式中有关数据的获取方法：
1、上述监测方法中的公式(1)中深度Hi和倾斜角度βi由探头获得。
探头获取深度Hi和倾斜角度βi属于现有技术，探头的倾斜度由两支受力平衡的伺服加速度计测量所得。一支加速度计测量测斜管导槽纵向位置，即探头上导轮所在平面的倾斜度。另一支加速度计测量垂直于导轮平面的倾斜角度。探头所获取的深度Hi和倾斜角度βi通过数据电缆或者无线信号进行传输到相关终端，终端可以是数据采集仪或者手持式终端。
2、上述监测方法中的公式(2)中扭转角度βi由角度测量仪获得。
扭转角度βi如何获取，是本技术方案的解决问题，本技术方案通过安装在指南针上方的摄像头获取的指南针偏转的角度即是扭转角度αi
摄像头对准指南针仪表，通过摄像头获取的指南针偏转角度γ即是扭转角度αi；在测斜管内槽对准滑动方向的情况下，指南针偏转的角度超过45°，导槽连线没有严格的指向滑坡的滑动方向，造成测斜曲线的反向，那么测斜数据将需做反向处理修正。所谓的反向处理即是假如曲线变化指向没有指向滑动方向，那么使曲线变化做180°反向。同时，摄像头对准测斜管内壁的各个方向、上下测斜管的接头部位，通过显示器实时观察导轮及导槽完好情况并判断出导轮脱离导槽的具体深度位置，脱离导槽之后的测斜数据做反向处理修正。
本技术方案的有益效果如下：进行边坡深部位移监测时，特别是深层和极深层滑坡测斜过程中，由于滑坡较深，测斜管在周围土层的较大重力下容易发生脱节、卡住情况，引起扭转，由于测斜管的扭转，从而对基于测斜管内壁进行测量所得的深层滑坡测斜的监测数据的准确性产生影响。
(1)本边坡、基坑深层位移监测设备及方法考虑了在测斜管出现脱节、扭转情况下，如何及时修正水平位移L，减少测斜仪监测误差，提高测量精度，实现坡体的水平位移的监测实时性和可视化。本技术方案巧妙利用指南针的指针方向固定不变的特性，通过连接结构，实现指南针的偏转方向等于测斜管的扭转方向。从而得到测斜管的扭转角度，通过计算修正原有的水平位移L，得出在测斜管出现水平扭转情况下的坡体的水平位移修正值L＇。
(2)通过在指南针上方设置摄像头，实时获取指南针的偏转角度以及观察导轮及导槽完好情况，并判断出导轮出轨的具体位置，脱轨之后的数据可以做反向处理进行修正，提高测量精度，提高监测的可视化。
本技术方案消除由于测斜管在周围土层的较大重力下产生的脱节、扭转对深层滑坡测斜的监测数据准确性所造成的影响，减少监测误差，及时修正监测数据，为边坡、基坑的水平位移监测提供更精确及时的数据。同时，本技术方案方法巧妙简单，易于实现操作。
附图说明
图1本技术方案的监测方法步骤流程图。
图2本技术方案的水平位移L计算公式的原理图。
图3测斜管发生水平扭转时导致水平位移的变化。
图4正常无扭转情况下的监测所得的变形曲线图。
图5测斜管发生扭转时的监测所得的变形曲线图。
图6测斜管发生脱节和扭转和时的监测所得的变形曲线图。
图7一种深层位移监测装置的优先方案的立体图。
图8一种深层位移监测装置的优先方案的俯视图。
图9一种深层位移监测装置的优选方案的侧面投影图。
图10一种深层位移监测装置的优选方案之二。
图中：1-基准轴线，2-变形曲线，3-测斜管，4-测斜管轴线，5-导槽，6-指南针仪表，7-指南针，8-摄像头，9-探头，10-导轮，11-探头杆身，12-探头端部，13-摄像头支架，14-指南针安装架，15-指南针仪表的南北指向刻度SN连线，16-摄像头数据线，17-电缆，18-边坡、基坑，19-指南针的指向轴线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施方式，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
如图7～图9所示，一种深层位移监测装置，包括测斜管(3)、探头(9)，所述探头(9)设有导轮(10)，所述测斜管内壁设有导槽(5)，所述导轮(10)与所述导槽(5)相匹配，测量时所述导轮(10)沿着所述导槽(5)在测斜管(3)内上下移动，装置还包括指南针仪表(6)，所述指南针仪表(6)用于测量所述测斜管(3)所产生的绕着自身轴线(4)的水平方向的扭转角度。
所述指南针仪表(6)设置在与所述探头(9)的轴线相垂直的平面上。
所述指南针仪表(6)与所述探头(9)设有连接结构，指南针仪表(6)通过指南针安装支架(14)与探头(9)刚性连接成一体，指南针仪表安装架(14)一端与探头的杆身(11)固定连接，另一端与指南针仪表(6)固定连接。所述指南针仪表(6)上方安装有摄像头(16)，用于记录监测过程中指南针仪表(6)中的指南针(7)偏转的角度。所述摄像头(16)通过摄像头支架(13)固定在指南针仪表(6)的上方，所述摄像头支架(13)与指南针安装支架(14)固定连接。
还包括显示器，所述摄像头的输出端与显示器输入端通过数据线(16)连接，显示器实时监测指南针(7)的偏转角度。
图10显示一种深层位移监测装置的优选方案之二，摄像头安装在探头的头部端面，通过螺纹或者卡扣连接。指南针与探头的端面固定连接成一体。
本技术方案一种深层位移监测装置实施监测时，具体使用步骤如下：
第一步，在边坡、基坑中安装测斜管，包括如下步骤：
(1)钻孔：钻机就位后，对滑坡关键点位置采用钻孔方式成孔，严格控制钻头垂直度。
(2)下管：测斜管安装前先进行预接。将相邻两管用接头紧密联接，联接时应使导槽严格对正，不得偏扭。以保证正式安装时相邻的测斜管的导槽不产生错位，使探头在导槽内滑动畅通无阻。
(3)灌浆回填：选择回填材料对测斜管周围的环形空隙进行填充。
第二步，探头通过设置在头上的导轮滑入测斜管的导槽进入测斜管进行测量，记录监测数据，得到水平位移修正值L＇和修正的变形曲线。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性的前提下，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种深层位移监测装置，包括测斜管、探头，所述探头设有导轮，所述测斜管内壁设有导槽，所述导轮与所述导槽相匹配，测量时所述导轮沿着所述导槽在测斜管内上下移动，其特征在于：还包括角度测量仪表，所述角度测量仪表用于测量所述测斜管在监测过程中所产生的绕着自身轴线的水平方向的扭转角度。
2.根据权利要求1所述的深层位移监测装置，所述角度测量仪表为指南针仪表，所述指南针仪表与所述探头绕着所述测斜管的轴线进行相同角速度的扭转。
3.根据权利要求2所述的深层位移监测装置，所述指南针仪表与所述探头设有连接结构，连接结构一端与探头固定连接，另一端与指南针仪表固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种深层位移监测装置，其特征在于:所述连接结构为指南针仪表安装支架，指南针仪表通过指南针安装支架与探头刚性连接成一体，指南针仪表安装架一端与探头的端部或者杆身固定连接，另一端与指南针仪表固定连接。
5.根据权利要求2所述的一种深层位移监测装置，其特征在于:所述指南针仪表上方安装有摄像头，用于记录监测过程中指南针仪表中的指南针偏转的角度。
6.根据权利要求5所述的一种深层位移监测装置，其特征在于:还包括摄像头支架，所述摄像头通过摄像头支架固定在指南针仪表的上方，所述摄像头支架与探头的端部或者杆身固定连接。
7.根据权利要求5所述的一种深层位移监测装置，其特征在于：还包括显示器，所述摄像头的输出端与显示器输入端通过数据线连接，显示器实时监测指南针的偏转角度。
8.根据权利要求7所述的一种深层位移监测装置，其特征在于：所述摄像头与所述显示器无线传输数据。
9.根据权利要求1所述的深层位移监测装置，所述角度测量仪表为陀螺仪。
10.一种深层位移监测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤(1)：在边坡、基坑中安装测斜管，对测斜管周围的空隙进行回填；
步骤(2)：设测斜管的端面为XY平面，相对导槽的中心线aa＇为X轴，与X轴垂直的中心线bb＇为Y轴，测斜管的深度方向为Z轴，探头伸进测斜管底部，沿着Z轴方向自下而上的顺序进行测量，在不同的深度获得不同深度Hi下的相对于Z轴的倾斜角度βi，通过公式Li＝Hi*tanβi计算得到任意深度位置处的坡体的水平位移Li，通过以下公式(1)计算得到土体的水平位移L；
其中倾斜角度βi的取值范围为0°至45°之间；
步骤(3):获取测斜管的XY平面的扭转角度αi，并通过公式(2)得到测斜管出现水平扭转情况下土体的修正水平位移L＇；
其中扭转角度αi的取值范围为0°至45°之间。
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