CN111121719B - 一种基于形状记忆材料的岩土工程测斜方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于形状记忆材料的岩土工程测斜方法及装置，属于岩土工程监测技术领域，主要利用形状记忆材料在特定的赋形条件下的形状记忆效应，将由形状记忆材料制作的测条放入测斜管中，确保其能与周围岩土体能够发生协同自由变形，施加赋形条件使其完成变形记录工作，撤除赋形条件待其恢复至常规状态时将测条抽取出来，重新施加赋形条件对所记忆形状对照刻度直接读取变形数值。该方法能够大幅减少监测作业工作量；有效满足岩土工程大变形监测需求。该测斜装置包括驱动部、测斜管、赋形条件控制模块，测条由形状记忆材料制作而成，测条包裹在芯管当中，芯管能够对测条的赋形条件进行调节，芯管内置于测斜管内且与测斜管发生同步变形。

Description

一种基于形状记忆材料的岩土工程测斜方法及装置

技术领域

本发明涉及岩土工程监测技术领域，特别涉及一种基于形状记忆材料的岩土工程测斜方法及装置。

背景技术

测斜技术广泛应用于基坑、桩基、边坡等岩土工程，为施工安全管理、质量控制及周边环境保护提供有力的监测依据和技术支撑。目前，岩土工程水平位移监测通常采用的是滑动式测斜仪，该类测斜仪主要由测斜管、探头、电缆和主机四部分组成。

滑动式测斜仪的工作原理：工程应用时，首先在土体（桩体、墙体）中预埋测斜管，土体（桩体、墙体）发生变形后，整个测斜管也产生相应变形，通过分段量测器轴线与铅垂线之间的夹角变化量，按测点的分段长度分别求出不同高程处的水平位移增量，从测斜管底部测点开始逐步累加可以得出不同高程处的水平位移，最终形成侧向变形近似曲线（折线拟合）。然而，在实际的工程应用过程中，该类滑动式测斜仪的一直存在一些难以避免的问题：

1、工作量大；数据采集费时费力，单个测孔一般每间隔0.5m或者1.0m（受传感器测头长度的限制）采集一个数据，同时由于传感器测头偏置误差以及零点漂移误差的存在，单个测孔单次数据需要采集正测和反测两组数据用于误差消除。

2、量程受限：若岩土体产生较大变形，测斜管随同产生过大曲率，造成传感器测头无法自由通行，导致测斜孔发生“剪断”，目前虽然可以通过增加测斜管内径来减少测管被“剪断”的几率，但增加测孔内径同样会对原状地层产生“加固效应”或对桩基、围护结构造成更大的“缺陷”，产生不必要的影响，使得监测发生失真。

3、故障率高：测斜管极易被施工现场杂物堵塞或破坏，导槽极易受泥沙、粉尘、水蒸气等组合影响发生堵塞导致导轮滑行受限，而这些故障一旦出现便难于排查，甚至造成测斜管直接报废。

4、误差因素众多：测斜仪本身就存在偏置误差、零点漂移误差和旋转误差三种仪器误差；测斜导管制造和安装过程中会产生导管扭曲误差；观测过程中，由于仪器系统受环境温度和湿度影响会产生环境误差；由于观测者的技术能力、工作习惯及责任心等原因造成其不能正确操作仪器、观测有误、读错数、记错值则会产生人为误差；在数据处理过程中，由于计算的基准值和假定不动点选择不当会产生计算误差，等等。

5、数据离散非连续：属于等间距离散化增量法测量，测头的长度决定了监测数据的离散度，不能精确完整描述地层变形特性。

6、测斜方向单一：目前普遍只能测两个方向上的位移曲线，属于平面内测量，对于狭长基坑等具有明显平面变形特的情况适用，但对于复杂情况下岩土体真三维水平位移特性缺乏监测能力；

7、自动化程度低；受限于该监测方法使用过程中人为因素过多、意外因素过多，基于该方法的自动化测斜的实现存在一定的困难。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于形状记忆材料的岩土工程测斜方法及装置，利用形状记忆材料在特定的赋型条件下的形状记忆效应，将形状记忆材料制作的测条放置入测斜管中，确保其能与周围岩土体能够发生协同自由变形，对记忆形状对照刻度直接读取变形数值。该方法能够大幅减少监测作业工作量；有效满足岩土工程大变形监测需求；操作流程简便，易于实现标准化、规范化，更加易于实现半自动化乃至自动化监测。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于形状记忆材料的岩土工程测斜方法，包括：

步骤一：在岩土工程预定位置处钻孔掘削并对测斜管进行下放安装，所述测斜管内设有芯管，所述芯管内包裹测条，所述测条由形状记忆材料制作而成，所述测斜管、芯管、测条将随土体发生一致共同变位；

步骤二：将所述测斜管与赋形条件控制模块以及驱动部进行组装，所述赋形条件控制模块通过芯管对测条进行赋形条件施加，所述驱动部为测条张拉赋形提供动力；

步骤三：整个监测作业开展前，预先对所述测条初始自由舒张状态下所处的初始条件进行标定并记录；

步骤四：单次测斜作业过程中，通过赋形条件控制模块对所述芯管进行赋形条件施加，通过驱动部对所述测条在当前赋形条件下进行塑形，完成变形记忆存储；

步骤五：单次测斜作业完成后，通过赋形条件控制模块对所述芯管进行初始条件施加，使所述测条回到初始自由舒张状态，并将其随所述芯管从所述测斜管中一同抽取出来；

步骤六：测斜数据读取阶段，将所述测条置于刻度板上，通过赋形条件控制模块对所述测条进行赋形条件施加，使其自由恢复至步骤四中所存储的记忆形状；对记忆形状对照刻度直接读取变形数值。

与现有技术相比，本发明有益的技术效果如下：

（1）本发明提供的基于形状记忆材料的岩土工程测斜方法，能够大幅减少监测作业工作量；有效满足岩土工程大变形监测需求；充分降低监测作业的故障率且易于维护；大幅减少误差来源，且本方法属于直接测量，未引入其他物理量的换算误差，具有更高的监测精度；对深层土体的水平位移描述连续完整，可直接形成更高精度的完整侧向变形曲线；基于该方法可实现三维深层岩土体变形测量；该方法操作流程简便，易于实现标准化、规范化，更加易于实现半自动化乃至自动化监测。

（2）本发明提供的基于形状记忆材料的岩土工程测斜装置，简单合理，操作简便，制作运行成本低，自动化程度高，具有较好的推广价值。

进一步地，还包括：

第一步 监测作业开展前，预先对所述测条初始自由舒张状态下所处的初始温度条件T₀进行标定并记录；

第二步 通过所述温度控制模块对所述温控仓进行赋形温度条件T_m施加，通过所述张拉赋形控制模块结合所述以及驱动部对所述测条在当前赋形温度条件T_m下进行塑形，完成变形记忆存储；

第三步 通过所述温度控制模块对所述芯管进行初始温度条件T₀施加，使所述测条回到初始自由舒张状态，并通过所述测条置换控制模块将所述测条从所述测斜管中抽取出来；

第四步 将所述测条置于水平量测台面上，通过所述温度控制模块对所述测条进行赋形温度条件T_m施加，使其自由恢复至所述步骤三中所存储的记忆形状。

进一步地，还包括测条自动化置换方法，该测条自动化置换方法包括：

所述驱动部提供动力、所述线仓A/B分别用于释放/收纳测条线圈，所述测斜管底部设置转向滑轮，所述测条置换模块控制所述测条从线仓A逐渐释放经由所述测斜管上端设置的导向滑轮进入测条腔仓，到达所述测斜管底部通过转向滑轮进入另一测条腔抵达管口导向滑轮最终由线仓B通过电机驱动收纳。

本发明还提供了一种基于形状记忆材料的岩土工程测斜装置，包括：测条、测斜管、赋形条件控制模块、驱动部、支架，所述测条采用热敏性形状记忆材料制作而成，所述测斜管内壁设置温控仓，所述温控仓内设有测条腔，所述测条腔用以安置所述测条；所述赋形条件控制模块包括温度控制模块、张拉赋形控制模块以及测条置换控制模块，所述温控仓的温度由温度控制模块控制，所述测条的张拉赋形操作由所述驱动部提供动力，由所述张拉赋形控制模块控制塑形力的大小；还包括支架，所述支架用以测斜管、赋形控制模块、驱动部的组合安装，所述支架设有套筒用以支架与测斜管之间的定位组合安装；所述支架包括线仓A、线仓B；所述测条的自动化置换由驱动部提供动力，通过测条置换控制模块控制线仓A放线、线仓B收线。

进一步地，还包括转向滑轮和导向滑轮，所述转向滑轮呈正交布置于所述测斜管底部，所述导向滑轮呈正交布置于所述测斜管口部，所述测条腔呈正交布置于所述测斜管内壁，其中一个完整的测条释放/回收机构通过两个线仓、两个口部导向滑轮、两个测条腔、一个底部转向滑轮协同完成。

进一步地，还包括支架，所述支架用于搭载测条置换控制模块、驱动部，使用过程中利用支架中间的套筒与测斜管安装定位在一起，通过底座固定于地面上。

进一步地，还包括套筒，所述套筒位于支架中心，所述套筒的内径略大于测斜管外径，用于支架及外置设备的定位与安装。

附图说明

图1是本发明一实施例中基于形状记忆材料的岩土工程测斜方法的流程示意图；

图2是本发明一实施例中基于形状记忆材料的岩土工程测斜装置的总体结构示意图；

图3是本发明一实施例中基于形状记忆材料的岩土工程测斜装置中测斜管管节示意图；

图4是图3的Ⅰ-Ⅰ剖视图；

图5是本发明一实施例中基于形状记忆材料的岩土工程测斜装置中测斜管管尾示意图；

图6是图5的Ⅱ-Ⅱ剖视图；

图7是图5的Ⅲ-Ⅲ剖视图。

图中：

11-电机，12-转向滑轮，13-线仓；20-测斜管，21-外管，22-温控仓，23-测条腔，24-芯管；30-温度控制模块；40-支架；50-套筒；60-底座。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的基于形状记忆材料的岩土工程测斜方法及装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。为叙述方便，下文中所述的“上”、“下”与附图的上、下的方向一致，但这不能成为本发明技术方案的限制。

本发明工艺原理：利用形状记忆材料在特定的赋型条件下的形状记忆效应，将形状记忆材料制作的测条放置入测斜管中，确保其能与周围岩土体能够发生协同自由变形；每次监测操作之前先进行初始条件标定；通过调节测条自身状态使其满足赋型条件，在赋型条件下对测条进行塑型（零应变能状态下变形已不再产生回复），从而完成对岩土体的变形存储；调节测条自身状态使其重新回到初始条件，任其回复到自由变形状态（应变能完全释放）；将自由状态下的测条从测斜管中抽取出来，在刻度板上重新对其施加赋型条件，任其恢复至该条件下的记忆形状；对记忆形状对照刻度直接读取变形数值。

该测斜技术可以广泛应用于基坑、桩基、边坡等岩土工程，此处仅以基坑开挖支护结构深层水平位移监测为例，采用热致型形状记忆材料的形状记忆性能加以说明。

实施例一

下面结合图1至图7，详细说明本发明的基于形状记忆材料的岩土工程测斜方法及装置。

请参考图2至图7， 一种基于形状记忆材料的岩土工程测斜装置，包括测条、芯管24、测斜管20、赋形条件控制模块30、驱动部，测斜管20于监测工作开展前预先埋入地层，测斜管20内壁设置温控仓22，温控仓22内设有测条腔23，测条腔23用以安置由形状记忆材料制作而成的测条。测条包裹在芯管24当中，芯管24能够对测条的赋形条件进行调节，芯管24内置于测斜管20内且与测斜管20发生同步变形，测斜管20与周围岩土体发生协同自由变形。赋形条件控制模块30包括温度控制模块、张拉赋形控制模块以及测条置换控制模块，温控仓22的温度由温度控制模块控制，测条的张拉赋形操作由驱动部提供动力，由张拉赋形控制模块控制塑形力的大小；测条的自动化置换由驱动部提供动力，通过测条置换控制模块控制线仓11释放/收纳测条，其中线仓A放线、线仓B收线。

具体来说，本发明提供的基于形状记忆材料的岩土工程测斜装置，能够大幅减少监测作业工作量；有效满足岩土工程大变形监测需求；充分降低监测作业的故障率且易于维护；大幅减少误差来源，且本方法属于直接测量，未引入其他物理量的换算误差，具有更高的监测精度；对深层土体的水平位移描述连续完整，可直接形成更高精度的完整侧向变形曲线；基于该方法可实现三维深层岩土体变形测量；该方法操作流程简便，易于实现标准化、规范化，更加易于实现半自动化乃至自动化监测。

在本实施例中，更优选地，驱动部包括电机11和配合设置的转向滑轮12、滑轮线，电机11带动滑轮线牵引测斜管20作竖向运动。当然，滑轮线放置于线仓13内。考虑到土体变形量是通过将自由状态下的测条从测斜管20中抽出来，并在刻度板上重新对其施加赋形条件，任其恢复至该条件下的记忆形状；对记忆形状对照刻度直接读取变形数值；因而需要通过电机11牵引转向滑轮12，在滑轮线的作用下带动测斜管20向上或者向下运动。这样，也方便更换测条。

在本实施例中，更优选地，测条置换控制过程为驱动部提供动力、线仓分别用于释放/收纳测条线圈，于测斜管20底部设置转向滑轮12，测条从线仓A逐渐释放经由测斜管上端设置的导向滑轮12进入测条腔23，到达测斜管20底部通过转向滑轮12进入另一测条腔23抵达管口导向滑轮12最终由线仓B通过电机11驱动收纳。

在本实施例中，更优选地，转向滑轮12呈正交布置于测斜管20底部，导向滑轮12呈正交布置于测斜管20口部，测条腔23呈正交布置于测斜管20内壁，其中一个完整的测条释放/回收机构需要两个线仓13、两个口部导向滑轮12、两个测条腔23、一个底部转向滑轮12。

在本实施例中，更优选地，支架40用于搭载控制模块30、驱动部11，使用过程中利用支架40中间的套筒50与测斜管20安装定位在一起，通过底座60固定于地面上。

在本实施例中，更优选地，套筒50位于支架40中心其内径略大于测斜管20外径，用于支架50及外置设备的定位与安装。

请继续参考图1至图7，本发明还提供了一种基于形状记忆材料的岩土工程测斜方法，该测斜方法包括：

步骤一：在岩土工程预定位置处钻孔掘削并对测斜管20进行下放安装，测斜管20内设有芯管24，芯管24内包裹测条，测条由形状记忆材料制作而成，测斜管20、芯管24、测条将随土体发生一致共同变位；

步骤二：将测斜管20与赋形条件控制模块以及驱动部进行组装，赋形条件控制模块通过芯管24对测条进行赋形条件施加，驱动部为测条张拉赋形提供动力；

步骤三：整个监测作业开展前，预先对测条初始自由舒张状态下所处的初始条件进行标定并记录；

步骤四：单次测斜作业过程中，通过赋形条件控制模块对芯管24进行赋形条件施加，通过驱动部对测条在当前赋形条件下进行塑形，完成变形记忆存储；

步骤五：单次测斜作业完成后，通过赋形条件控制模块对芯管24进行初始条件施加，使测条回到初始自由舒张状态，并将其随芯管24从测斜管20中一同抽取出来；

步骤六：测斜数据读取阶段，将测条置于刻度板上，通过赋形条件控制模块对测条进行赋形条件施加，使其自由恢复至步骤四中所存储的记忆形状；对记忆形状对照刻度直接读取变形数值。

在本实施例中，更优选地，还包括：

第一步，监测工作开展前，预先对测条初始自由舒张状态下所处的初始温度条件T₀进行标定并记录；

第二步 利用温度控制模块30对温控仓进行赋形温度条件T_m施加，通过张拉赋形控制模块结合以及驱动部对测条在当前赋形温度条件T_m下进行塑形，完成形状记忆存储;

第三步 温度控制模块对芯管24进行初始温度条件T₀施加，使测条回到初始自由舒张状态，并通过测条置换控制模块将测条从测斜管20中抽取出来；

第四步 将测条置于水平量测台面上，通过温度控制模块对测条进行赋形温度条件T_m施加，使其自由恢复至与土体同步变形时所存储的记忆形状。

在本实施例中，更优选地，测条自动化置换方法包括：

驱动部提供动力、线仓A/B分别用于释放/收纳测条线圈，测斜管20底部设置转向滑轮12，测条置换模块控制测条从线仓A逐渐释放经由测斜管20上端设置的导向滑轮进入测条腔23（即芯管24），到达测斜管20底部通过转向滑轮12进入另一测条腔23抵达管口导向滑轮最终由线仓B通过电机11驱动收纳。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于形状记忆材料的岩土工程测斜方法，其特征在于，包括：

步骤一：在岩土工程预定位置处钻孔掘削并对测斜管进行下放安装，所述测斜管内设有芯管，所述芯管内包裹测条，所述测条由形状记忆材料制作而成，所述测斜管、芯管、测条将随土体发生一致共同变位；

步骤二：将所述测斜管与赋形条件控制模块以及驱动部进行组装，所述赋形条件控制模块通过芯管对测条进行赋形条件施加，所述驱动部为测条张拉赋形提供动力；

步骤三：整个监测作业开展前，预先对所述测条初始自由舒张状态下所处的初始条件进行标定并记录；

步骤四：单次测斜作业过程中，通过赋形条件控制模块对所述芯管进行赋形条件施加，通过驱动部对所述测条在当前赋形条件下进行塑形，完成变形记忆存储；

步骤五：单次测斜作业完成后，通过赋形条件控制模块对所述芯管进行初始条件施加，使所述测条回到初始自由舒张状态，并将其随所述芯管从所述测斜管中一同抽取出来；

步骤六：测斜数据读取阶段，将所述测条置于刻度板上，通过赋形条件控制模块对所述测条进行赋形条件施加，使其自由恢复至步骤四中所存储的记忆形状；对记忆形状对照刻度直接读取变形数值；

还包括测条自动化置换方法，该测条自动化置换方法包括驱动部提供动力、线仓A/B分别用于释放/收纳测条线圈，测斜管底部设置转向滑轮，测条置换模块控制所述测条从线仓A逐渐释放经由所述测斜管上端设置的导向滑轮进入测条腔，到达所述测斜管底部通过转向滑轮进入另一测条腔抵达管口导向滑轮最终由线仓B通过电机驱动收纳。

2.根据权利要求1所述的测斜方法，其特征在于，还包括：

第一步 监测作业开展前，预先对所述测条初始自由舒张状态下所处的初始温度条件T₀进行标定并记录；

第二步 通过温度控制模块对温控仓进行赋形温度条件T_m施加，通过张拉赋形控制模块以及驱动部对所述测条在当前赋形温度条件T_m下进行塑形，完成变形记忆存储；

第三步 通过温度控制模块对所述芯管进行初始温度条件T₀施加，使所述测条回到初始自由舒张状态，并通过测条置换控制模块将所述测条从所述测斜管中抽取出来；

第四步 将所述测条置于水平量测台面上，通过温度控制模块对所述测条进行赋形温度条件T_m施加，使其自由恢复至所述步骤三中所存储的记忆形状。

3.一种基于形状记忆材料的岩土工程测斜方法的装置，其特征在于，包括：测条、测斜管、赋形条件控制模块、驱动部、支架，所述测条采用热敏性形状记忆材料制作而成，所述测斜管内壁设置温控仓，所述温控仓内设有测条腔，所述测条腔用以安置所述测条；所述赋形条件控制模块包括温度控制模块、张拉赋形控制模块以及测条置换控制模块，所述温控仓的温度由温度控制模块控制，所述测条的张拉赋形操作由所述驱动部提供动力，由所述张拉赋形控制模块控制塑形力的大小；还包括支架，所述支架用以测斜管、赋形控制模块、驱动部的组合安装，所述支架设有套筒用以支架与测斜管之间的定位组合安装；所述支架包括线仓A、线仓B；所述测条的自动化置换由驱动部提供动力，通过测条置换控制模块控制线仓A放线、线仓B收线。

4.根据权利要求3所述的基于形状记忆材料的岩土工程测斜方法的装置，其特征在于，还包括转向滑轮和导向滑轮，所述转向滑轮呈正交布置于所述测斜管底部，所述导向滑轮呈正交布置于所述测斜管口部，所述测条腔呈正交布置于所述测斜管内壁，其中一个完整的测条释放/回收机构通过两个线仓、两个口部导向滑轮、两个测条腔、一个底部转向滑轮协同完成。

5.根据权利要求3所述的基于形状记忆材料的岩土工程测斜方法的装置，其特征在于，还包括支架，所述支架用于搭载测条置换控制模块、驱动部，使用过程中利用支架中间的套筒与测斜管安装定位在一起，通过底座固定于地面上。

6.根据权利要求5所述的基于形状记忆材料的岩土工程测斜方法的装置，其特征在于，还包括套筒，所述套筒位于所述支架中心，所述套筒的内径略大于测斜管外径，用于支架及外置设备的定位与安装。

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