CN112195903B - 一种测量岩土层沉降的装置、方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种测量岩土层沉降的装置，其包括监测井筒、沉降环和感应磁珠。本发明还提供了一种测量岩土层沉降的方法。本发明的方法可用于监测不同深度岩土层沉降，其克服了现有技术中必须人工放线、读数、记录的繁琐程序，可供技术人员进行快速测沉操作，简单、方便，且其可有效规避监测井筒变形引起的测量数据准确度低等实际问题。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程、地下工程和地表修复工程等涉及土壤扰动工程的沉降监测设备领域，具体涉及一种用于测量岩土层沉降的装置、一种测量岩土层沉降的方法及其应用。
背景技术
岩土体由于自然沉积或外部扰动会发生不同形式的变形，自然界和工程界最常见的岩土体变形为在重力方向发生的竖向挤压变形——沉降。过度抽取地下水、采掘固体矿产、开采石油(天然气)、抽汲卤水、高层建筑物的重压、低载荷持续作用下的影响以及地下施工等都可能引起地面沉降。
沉降会对人类社会活动造成很大影响，如：
(1)危及建筑物的安全。使建筑物产生裂缝，甚至局部构件断裂；
(2)破坏城市给水、供气等市政设施；
(3)使城市御洪能力下降，加剧洪涝灾害，出现严重的水患威胁；
(4)造成海潮泛滥及海水入侵地下水，导致土地盐碱化；
(5)造成路面高低不平，影响交通运输。
因此，充分认识岩土体的沉降是工程安全领域的重要工作。目前监测沉降的主要方法有两类：
其一是在地表设置监测点，通过不同时间的高精度高程测绘监测地表沉降，该类方法常用于城市等需对地表沉降进行控制和规划的地区，缺点是无法获知地表以下不同层位的沉降情况；
其二是在预先置有不同孔深感应装置的沉降监测钻孔，通过下放带有磁性探头的刻度软尺与不同层深感应装置产生电信号并读取刻度来测量不同层位的沉降，该类方法常用于水坝坝体、矿山开发和科学研究等需要监测不同层深沉降规律的场景，缺点是监测井易受岩土体剪切拉伸等力学作用而发生弯曲、拉伸和破断等严重影响测量准确度的情况。
现有技术中所用测量不同层深岩土体的装置多是由含有刻度软尺、不锈钢磁性探头、声光指示器电路及平尺卷轴等组成，配合监测钻孔使用。当探头接近预先安装于监测钻孔的磁性沉降环的区域时，将感应到磁信号并通过导线传递至卷轴内的声光指示器发出指示。此类装置存在测线弯曲导致读数与实际距离不同、长期使用测线拉抻变长、往复收放卷尺操作复杂、针对矿区观测点位密集时耗时耗力等实际问题。
因此，急切需要一种简单、方便、准确度高的岩土层沉降测量方法。
发明内容
鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种用于测量岩土层特别是矿区岩土层沉降的装置，进而提出一种测量岩土层沉降的方法及其应用。本发明提供的方法可用于监测不同深度岩土层沉降，可供技术人员进行快速测沉操作，简单、方便，且其在结合地表监测点技术的条件下，可有效规避监测井变形引起的测量数据准确度低等实际问题。
为此，在第一个方面，本发明提供了一种测量岩土层沉降的装置，其包括监测井筒、沉降环和感应磁珠，
其中，所述监测井筒为圆柱形空心管；
所述沉降环为带有磁性的空心环，所述沉降环套设于所述监测井筒之外；
所述沉降环包括地表定点沉降环和至少一个监测沉降环，所述地表定点沉降环位于所述监测沉降环之上；
所述感应磁珠为带有磁性的固体。
根据本发明，当带有磁性的感应磁珠通过带有磁性的沉降环时，会激发感应磁珠和/或沉降环产生信号。
根据本发明的一些实施方式，所述沉降环内设有功能模块，所述功能模块包括感应信号传感模块。
根据本发明的一些实施方式，当带有磁性的感应磁珠通过带有磁性的沉降环时，会激发沉降环中的感应信号传感模块产生电信号。
根据本发明的一些实施方式，所述功能模块还包括电池组模块和数据记录存储模块。所述功能模块对称分布在沉降环内，同时兼顾均匀配重作用。在一些实施例中，所述功能模块包括感应信号模块、数据记录模块和两个电池组模块，其中，感应信号模块和数据记录存储模块对称分布，两个电池组模块分别对称分布于沉降环两侧。
本发明中，“电池组模块”用于给所述沉降环供电；“感应信号模块”可以被激发产生并传输电信号；“数据记录存储模块”对传递的信号信息进行收集并存储。
根据本发明的一些实施方式，地表定点沉降环内的功能模块还包括数据传输模块。
根据本发明的一些实施方式，所述数据传输模块包含数据存储芯片和GPRS模块的上位机电路板。
根据本发明，“数据传输模块”可将测得的数据远程传输至读取终端，也可相应配备开放式数据读取接口，通过配套的数据读取器读取测得的沉降数据。
根据本发明的一些实施方式，相邻的沉降环之间连有导线。
根据本发明的一些实施方式，所述监测井筒为抗变形材料，在一些实施例中，所述监测井筒为塑料材质。
根据本发明的一些实施方式，所述地表定点沉降环固定在监测井筒顶端。
根据本发明，所述监测沉降环套设于监测井筒之外，可根据需要固定于监测井筒或者被解除固定，解除固定后，其在外力作用下可相对于监测井筒发生移动。
根据本发明的一些实施方式，监测井筒上有用来固定监测沉降环的托槽，该托槽给予监测沉降环的力略大于沉降环的重力，当岩土层沉降带动监测沉降环位移时，监测沉降环将滑出托槽随岩土层下移。该托槽可根据测定不同岩土层的层深而移动、固定于监测井筒相应位置，也可以是监测井筒筒壁上的凹槽。
根据本发明的一些实施方式，所述监测井筒包括监测区和感应磁珠落存区，其中，感应磁珠落存区位于监测区下部。
根据本发明的一些实施方式，所述监测沉降环位于监测井筒的监测区。
本发明中，感应磁珠落存区用于存储落入其中的感应磁珠。根据本发明的一些实施方式，所述感应磁珠落存区底部为锥形密封头。
根据本发明，所述监测沉降环的数目根据所测定的不同深度的岩土层沉降的实际需要决定。
根据本发明的一些实施方式，所述沉降环还包括底部定点沉降环。
根据本发明的一些实施方式，所述底部定点沉降环固定于感应磁珠落存区上部与监测区相接处。
根据本发明的一些实施方式，感应信号通过相邻的沉降环之间连接的导线逐个由下部沉降环向上传输直至地表定点沉降环。
根据本发明的一些实施方式，所述装置还包括监测探头。
本发明中，“监测探头”为本领域常用的电磁沉降仪探测端头，在一些实施例中，包括刻度软尺、磁性探头和探头保护体。在另一些实施例中，所述刻度软尺内带有导线。所述刻度软尺实现数据传输功能和向所述磁性探头供电，所述磁性探头在监测井筒内到达沉降环位置时会激发感应电路产生电信号并通过刻度软尺传输至地表技术人员操作端以备记录。
在第二个方面，本发明提供了一种测量岩土层沉降的方法，其包括以下步骤：
(1)使本发明第一个方面所述装置的监测沉降环固定于监测井筒监测区的预置位置；
(2)将固定有沉降环的监测井筒放入钻孔，回填监测井筒与钻孔的缝隙部分；
(3)使感应磁珠自监测井筒的顶端自然下落，当其处于地表定点沉降环位置时开始计时；
(4)当感应磁珠经过监测沉降环时，产生信号，记录时间，得到感应磁珠从地表定点沉降环到监测沉降环所用的时间T1，此时监测沉降环相对于地表定点沉降环的距离为
(5)使监测沉降环解除固定，当岩土层发生沉降时，监测沉降环随着岩土层的移动相应下移，重复步骤(3)和(4)，得到感应磁珠从地表定点沉降环到监测沉降环所用的时间T2，此时监测沉降环相对于地表定点沉降环的距离为
则岩土层的沉降距离H`＝H2-H1。
根据本发明，所述预制位置根据所需测定的岩土层沉降的深度决定。
根据本发明的一些实施方式，可以通过感应磁珠下落的方法测定计算监测沉降环相对于底部定点沉降环的距离变化来核对所得各岩土层沉降距离结果，还可以得到该测定区域整体的沉降变化。
根据本发明的一些实施方式，在步骤(3)中，感应磁珠处于地表定点沉降环位置时，地表定点沉降环内的功能模块会自动开始测量记录程序。
根据本发明的一些实施方式，在步骤(4)中，当感应磁珠经过监测沉降环时激发监测沉降环的感应信号传感模块产生信号并传输至地表定点沉降环，得到感应磁珠经过监测沉降环时所用时间。
根据本发明的一些实施方式，通过感应磁珠每经过一个监测沉降环产生信号来测定各岩土层沉降距离。
根据本发明的一些实施方式，测量岩土层沉降的方法的步骤还包括：通过在监测井筒中下放监测探头来探测监测沉降环高程位置，以核对步骤(5)中所得沉降距离。
根据本发明的一些实施方式，可通过感应磁珠所测数据和监测探头所测数据核算监测井筒竖直方向发生形变量和沉降环的实际位置。
根据本发明的一些实施方式，通过感应磁珠和监测探头经过底部定点沉降环的时间，计算底部定点沉降环与地表定点沉降环的距离，与初始距离比较，核算监测井筒竖直方向发生形变量。
根据本发明，所述监测探头测量沉降环沉降的方法可采用本领域公知的利用沉降环和电磁沉降仪测量岩土层沉降的方法，具体的例子如：下放监测探头，当其在监测井筒内到达监测沉降环位置时会激发磁性探头产生信号，并通过刻度软尺内导线传输至地表技术人员工作端，工作人员根据得到信号记录刻度值，得到监测沉降环高程。
根据本发明的一些实施方式，当监测探头所测数据与感应磁珠所测数据有差异时，特别是当监测探头所测数据小于感应磁珠所测数据时，以感应磁珠所测数据为准。例如，当监测探头由于弯曲或变形等原因导致拉伸，会导致测得的距离比实际距离小，此时则以感应磁珠所测得数据为准。
在第三个方面，本发明提供了一种如本发明第一方面所述的装置和/或如本发明第二方面所述的方法在测量岩土层沉降尤其是矿区岩土层沉降中的应用。
本发明的有益效果：
1.通过采用自由落体坠入感应磁珠的方式，克服了现有技术中必须人工放线、读数、记录的繁琐程序，简单、方便，能快速测定岩土层沉降。
2.通过获取时间变量的方式，解决了传统测量仪器刻度测量存在的操作复杂问题。
3.通过几种测定法相结合验证的方式，提高了数据准确度。
附图说明
图1为根据本发明实施例的测量岩土层沉降的装置示意图。
图2为根据本发明实施例的测量岩土层沉降的装置俯视图。
图3为根据本发明实施例的沉降环连接示意图。
图4为根据本发明实施例的监测探头和感应磁珠示意图。
其中：1、监测井筒，2、沉降环，3、监测探头，4、感应磁珠，101、监测区，102、感应磁珠落存区，201、地表定点沉降环，202、监测沉降环，203、监测沉降环，204、底部定点沉降环，205、功能模块，206、导线，301、刻度软尺，302、探头保护体，303、磁性探头，H1、监测沉降环距离地表定点沉降环的初始距离，H2、监测沉降环沉降后距离地表沉降环的距离，H`、监测沉降环的沉降距离。
具体实施方式
为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例来详细说明本发明，该实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。
如图1-4所示，本发明实施例提供的测量岩土层沉降的装置包括监测井筒(1)、沉降环(2)、监测探头(3)和感应磁珠(4)，所述沉降环(2)包括地表定点沉降环(201)、监测沉降环(202、203)和底部定点沉降环(204)，相邻的沉降环之间连有导线(206)且所述沉降环内设有功能模块(205)；所述监测井筒(1)包括监测区(101)和感应磁珠落存区(102)
所述地表定点沉降环(201)固定在所述监测井筒(1)的顶端，所述底部定点沉降环(204)固定于感应磁珠落存区(102)上部与监测区(101)相接处，所述监测沉降环(202、203)位于所述监测井筒的监测区(101)。
所述监测探头(3)包括刻度软尺(301)、探头保护体(302)和磁性探头(303)。
实施例1
通过如下步骤测定岩土层沉降距离：
(1)将监测沉降环(202)固定在125m长(201至204的距离)的监测井筒上预置位置的凹槽；该凹槽给予监测沉降环的力略大于监测沉降环的重力，当岩土层沉降带动监测沉降环位移时，监测沉降环将滑出凹槽随岩土层下沉；
(2)将固定有沉降环的监测井筒置入钻孔，回填监测井筒与钻孔的缝隙部分；
(3)将感应磁珠(4)置于地表定点沉降环(201)所处监测井筒(1)的中心，沉降环内的功能模块(205)会自动开始测量记录程序，自然放开感应磁珠(4)；
(4)感应磁珠(4)自然下落，经过监测沉降环(202)时落下高度为H1(H1为监测沉降环202与地表定点沉降环201的距离)，时间为T1＝2s，此时
(5)监测沉降环(202)随着岩土层发生沉降，落下高度为H2(H2为监测沉降环202发生沉降后与地表定点沉降环201的距离)，时间为T2＝2.41s；此时
沉降距离H`＝H2-H1＝9.04m；
(6)在监测井筒(1)中下放监测探头(3)，当监测探头(3)在监测井筒内到达监测沉降环(202)位置时会激发磁性探头(303)产生信号，并通过刻度软尺(301)传输至地表技术人员工作端，工作人员根据得到信号记录刻度值，得到监测沉降环高程信息。分别测定沉降前后监测沉降环高程信息，测得沉降距离为9.04m。
结果：感应磁珠和监测探头所测沉降距离相等，为9.04m。
实施例2
步骤同实施例1，不同之处仅在于测定感应磁珠和监测探头经过底部定点沉降环(201)时的时间和底部定点沉降环(201)与地表定点沉降环的距离。
感应磁珠(4)初始经过底部定点沉降环(204)时时间为5s，监测探头(3)测得204高程信息为125m。
测得沉降后感应磁珠(4)经过底部定点沉降环(204)的时间为5.2s，监测探头(3)测得204的高程信息为135.2m。
感应磁珠和监测探头测得结果一致，底部定点沉降环和地表定点沉降环的距离沉降前为125m，沉降后为135.2m，可知监测井筒发生了竖直方向的形变。
实施例3
步骤同实施例1，不同之处在于仅测定沉降前感应磁珠和监测探头经过底部定点沉降环(204)时的时间从而测定底部定点沉降环(204)与地表定点沉降环(201)的初始距离。
测得感应磁珠(4)经过底部定点沉降环的时间为5s，计算底部定点沉降环(204)距离地表定点沉降环(201)为125m。用监测探头测得底部定点沉降环(204)距离地表定点沉降环(201)为115m。
结果用监测探头测得的底部定点沉降环(204)和地表定点沉降环(201)的距离明显小于感应磁珠所测结果。由于监测探头的带刻度软尺弯曲或变形等原因导致拉伸，导致测量结果小于感应磁珠所测结果，此时以感应磁珠所测结果为准。
虽然本发明已作了详细描述，但对本领域技术人员来说，在本发明精神和范围内的修改将是显而易见的。此外，应当理解的是，本发明记载的各方面、具体实施方式的各部分和列举的各种特征可被组合或全部或部分互换。此外，本领域技术人员将会理解，前面的描述仅是示例的方式，并不旨在限制本发明。
Claims (12)
1.一种测量岩土层沉降的装置，其特征在于，包括监测井筒、沉降环和感应磁珠，其中，所述监测井筒为圆柱形空心管；
所述沉降环为带有磁性的空心环，所述沉降环套设于所述监测井筒之外；
所述沉降环包括地表定点沉降环和至少一个监测沉降环，所述地表定点沉降环位于所述监测沉降环之上；
所述感应磁珠为带有磁性的固体；
所述沉降环内设有功能模块，所述功能模块包括感应信号传感模块；
所述监测井筒包括监测区和感应磁珠落存区，其中，感应磁珠落存区位于监测区下部，所述监测沉降环位于所述监测区；
所述沉降环还包括底部定点沉降环，所述底部定点沉降环固定于感应磁珠落存区上部与监测区相接处。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述功能模块还包括电池组模块和数据记录存储模块。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，地表定点沉降环内的功能模块还包括数据传输模块。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述地表定点沉降环固定在所述监测井筒顶端；所述监测沉降环可固定于监测井筒或者被解除固定，解除固定后，监测沉降环可相对于监测井筒发生移动。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述感应磁珠落存区底部为锥形密封头。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括监测探头，所述监测探头包括刻度软尺、磁性探头和探头保护体。
7.一种测量岩土层沉降的方法，其包括以下步骤：
(1)使权利要求1-6中任一项所述装置的监测沉降环固定于监测井筒监测区的预置位置；
(2)将固定有沉降环的监测井筒放入钻孔，回填监测井筒与钻孔的缝隙部分；
(3)使感应磁珠自监测井筒的顶端自然下落，当其处于地表定点沉降环位置时开始计时；
(4)当感应磁珠经过监测沉降环时，产生信号，记录时间，得到感应磁珠从地表定点沉降环到监测沉降环所用的时间T1，此时监测沉降环相对于地表定点沉降环的距离为
(5)使监测沉降环解除固定，当岩土层发生沉降时，监测沉降环随着岩土层的移动相应下移，重复步骤(3)和(4)，得到感应磁珠从地表定点沉降环到监测沉降环所用的时间T2，此时监测沉降环相对于地表定点沉降环的距离为
则岩土层的沉降距离H`＝H2-H1；
通过感应磁珠下落的方法测定计算监测沉降环相对于底部定点沉降环的距离变化来核对测得的岩土层沉降距离结果和得到该测定区域整体沉降变化。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，感应磁珠处于地表定点沉降环位置时，地表定点沉降环内的功能模块会自动开始测量记录程序；和/或，步骤(4)中，当感应磁珠经过监测沉降环时激发监测沉降环的感应信号传感模块产生信号并传输至地表定点沉降环，得到感应磁珠经过监测沉降环时所用时间。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，通过感应磁珠每经过一个监测沉降环产生信号来测定各岩土层沉降距离。
10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：通过在监测井筒中下放监测探头来探测监测沉降环高程位置，以核对步骤(5)中所得沉降距离；和/或通过感应磁珠所测数据和监测探头所测数据核算监测井筒竖直方向发生形变量和沉降环的实际位置。
11.一种如权利要求1-6中任一项所述的装置在测量岩土层沉降中的应用。
12.一种如权利要求1-6中任一项所述的装置或如权利要求7或8所述的方法在测量矿区岩土层沉降中的应用。
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