CN112880635A - 一种地基层水平向流变监测装置及监测方法 - Google Patents

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Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory Zhuhai
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Abstract

本发明公开了一种地基层水平向流变监测装置，其属于土体测量技术领域，其包括外壳、转动组件和测量组件。测量组件包括第一光纤引线和设置于第一光纤引线上的第一光纤传感器、第二光纤引线和设置于第二光纤引线上的第二光纤传感器。转动组件可转动地设置于外壳的容置腔内，其顶端封堵于与容置腔连通的上开口，测量组件置于容置腔内。第一光纤传感器用于测量转动前后第一光纤引线和第一光纤传感器的拉应变，第二光纤传感器用于测量转动前后第二光纤引线和第二光纤传感器的拉应变，以得到应变量和位移变化量，从而得到地基层土体的流动变形程度和方向。本发明还公开了一种监测方法，采用上述地基层水平向流变监测装置对地基层水平向流变进行监测。

Description

一种地基层水平向流变监测装置及监测方法
技术领域
本发明涉及土体测量技术领域，尤其涉及一种地基层水平向流变监测装置及监测方法。
背景技术
建筑物遭受破坏的原因之一在于地基沉降，造成地基沉降的原因有很多，如抽取地下水、排水固结、荷载作用下的压密和蠕变等。根据方向的不同，土体变形分为竖向的沉降变形和水平向的流动变形。竖向的沉降普遍存在于各类土体中，水平向的流动变形在含水率高、强度低和黏土颗粒丰富的地基层中较为常见。
确定地基竖向变形常规的方法是采用水准仪对地表高程进行测定，从而确定地基沉降量，但这种方法人力成本高，无法实施连续测试。为了弥补人工水准测量的不足，干涉合成孔径雷达技术(InSAR)近年来被采用，可实现对整个场地或区域的地表进行竖向变形测试。但是上述方式只能获得地表的沉降量，无获得地基层剖面上的变形分布，进而无法判断主要发生变形的地基层和变形的形式。
为了准确获得地基层变形剖面，测试者通过钻孔植入分布式光纤传感器进行测量，但这种方式只能测得地基层竖向的沉降变形，无法测试水平方向的流动变形，也无法判断水平方向的流动变形方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种地基层水平向流变监测装置，以实现对地基的水平向流变进行测试，以得出地基层水平向变形情况和流动变形方向。
如上构思，本发明所采用的技术方案是：
一种地基层水平向流变监测装置，包括：
外壳，内部具有容置腔，顶端设置有与所述容置腔连通的上开口；
转动组件，其包括叶片，所述转动组件可转动地设置于所述容置腔内，其顶端封堵于所述上开口，待监测地基层流动变形时，流动的土体能够推动所述叶片转动以使所述转动组件绕自身轴线相对所述外壳转动；
测量组件，置于所述容置腔内，所述测量组件包括：
光纤传感器，其包括第一光纤传感器和第二光纤传感器；
光纤引线，其包括第一光纤引线和第二光纤引线，所述第一光纤引线上设置有所述第一光纤传感器，其一端固定于所述转动组件的第一位点，另一端固定于所述外壳的第二位点，所述第一光纤传感器用于测量：所述转动组件转动前后，所述第一光纤引线和所述第一光纤传感器的拉应变的初始值和末态值；
所述第二光纤引线上设置有所述第二光纤传感器，其一端固定于所述转动组件的第三位点，另一端固定于所述外壳的第四位点，所述第二光纤传感器用于测量：所述转动组件转动前后，所述第二光纤引线和第二光纤传感器的拉应变的初始值和末态值；
所述第一位点与所述第三位点位于所述转动组件上同一侧，所述第二光纤引线与所述第一光纤引线呈钝角布置，所述第一光纤引线和\或所述第二光纤引线穿出所述外壳以与接收装置连接。
可选地，还包括弹性件，所述转动组件的底端通过所述弹性件连接于所述外壳的底部。
可选地，所述转动组件还包括上端盖和转轴，所述上端盖连接于所述转轴，且封堵于所述上开口，所述上端盖沿径向延伸设置有所述叶片。
可选地，所述转轴包括上径端和下径端，所述容置腔分为相连通的上腔室和下腔室，所述上径端容置于所述上腔室，并与所述上腔室的内壁围成环形空间，所述测量组件位于所述环形空间，所述下径端容置于所述下腔室，与所述下腔室的内壁之间填充有滚珠。
可选地，所述小径端的底部设置有挡板，所述挡板用于阻隔所述滚珠。
可选地，所述上端盖上开设有导线孔，所述第一光纤引线和\或所述第二光纤引线通过所述导线孔穿出。
可选地，所述上端盖与所述转轴通过螺杆连接。
可选地，所述外壳的底端开设有下开口，所述下开口与所述容置腔连通，所述外壳还包括底端盖，所述底端盖封堵于所述下开口。
可选地，还包括连接杆，所述转动组件和所述外壳沿自身轴线同时贯穿有中心孔，所述连接杆穿设于所述中心孔。
本发明的另一个目的在于提供一种地基层水平向流变监测方法，以监测土体水平向流动变形的程度和方向。
如上构思，本发明所采用的技术方案是：
一种地基层水平向流变监测方法，采用上述的地基层水平向流变监测装置，包括以下步骤：
S0、对地基层钻孔，将地基层水平向流变监测装置置于地基层内部；
S1、转动组件转动前，第一光纤传感器测量第一光纤引线和第一光纤传感器的拉应变的初始值；
第二光纤传感器测量第二光纤引线和第二光纤传感器的拉应变的初始值；
S2、土体流动并推动叶片转动，转动组件转动后，第一光纤传感器测量第一光纤引线和第一光纤传感器的拉应变的末态值，以得到应变量和位移变化量；
第二光纤传感器测量第二光纤引线和第二光纤传感器的拉应变的末态值，以得到应变量和位移变化量；
S3、第一光纤传感器和第二光纤传感器将信号传至接收装置，接收装置处理并获得地基层土体的流变程度及流变方向。
本发明的有益效果：
本发明提出了一种地基层水平向流变监测装置，转动组件可转动设置于容置腔内、测量组件位于容置腔内，且外壳的第一开口由转动组件的顶端封堵，从而使得转动组件和测量组件均得以保护；测试地基层土体流动变形时，流动的土体推动叶片转动，叶片带动转动组件转动，随着转动组件转动，第一光纤引线和第二光纤引线的拉应变改变，此时第一光纤传感器和第二光纤传感器分别测量第一光纤引线和第二光纤引线的拉应变和转动后的位移，根据转动前后拉应变的改变和位移变化，即可判断出土体的流动变形程度和方向。本发明还提出了一种监测方法，采用上述的地基层水平向流变监测装置。该地基层水平向流变监测装置使用时不需考虑气候条件的影响，无需取样，能够避免对土体结构的扰动破坏，不仅可用于实际工程中评价地基稳定性，还可用于室内模型试验中土层水平向流动变形的测试，适用范围广。
附图说明
图1是本发明实施例提供的地基层水平向流变监测装置的剖视图；
图2是本发明实施例提供的上端盖的俯视图；
图3是图1中B-B处的剖视图；
图4是图1中A-A处的剖视图；
图5是本发明实施例提供的监测方法的原理示意图。
图中：
1、外壳；2、转动组件；3、测量组件；4、滚珠；5、弹性件；6、螺杆；7、连接杆；8、中心孔；
11、底端盖；21、上端盖；22、叶片；23、转轴；24、挡板；
211、导线孔；311、第一光纤传感器；312、第二光纤传感器；321、第一光纤引线；322、第二光纤引线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定及限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定及限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一及第二特征直接接触，也可以包括第一及第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”及“上面”包括第一特征在第二特征正上方及斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”及“下面”包括第一特征在第二特征正下方及斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本实施例提供一种地基层水平向流变监测装置，如图1至图4所示，其包括外壳1、转动组件2和测量组件3。外壳1的内部具有容置腔，其顶端设置有与容置腔连通的上开口；转动组件2包括叶片22，转动组件2可转动地设置于容置腔内，其顶端封堵于上开口，待监测地基层流动变形时，流动的土体能够推动叶片22转动以使转动组件2绕自身轴线相对外壳1转动；测量组件3置于容置腔内，测量组件3包括光纤传感器和光纤引线，光纤传感器包括第一光纤传感器311和第二光纤传感器312，光纤引线包括第一光纤引线321和第二光纤引线322。
第一光纤引线321上设置有第一光纤传感器311，其一端固定于转动组件2的第一位点，另一端固定于外壳1的第二位点，第一光纤传感器311用于测量：转动组件2转动前后，第一光纤引线321和第一光纤传感器311的拉应变的初始值和末态值。第二光纤引线322上设置有第二光纤传感器312，其一端固定于转动组件2的第三位点，另一端固定于外壳1的第四位点，第二光纤传感器312用于测量：转动组件2转动前后，第二光纤引线322和第二光纤传感器312的拉应变的初始值和末态值。第一位点与第三位点位于转动组件2上同一侧，第二光纤引线322与第一光纤引线321呈钝角布置，第一光纤引线321和\或第二光纤引线322穿出外壳1以与接收装置连接。在本实施例中，第一光纤引线321和第二光纤引线322一体化连接，第一光纤传感器311和第二光纤传感器312的夹角约为120度，当然也可分成两段设置，夹角也不作具体限定。
本实施例提出的地基层水平向流变监测装置，转动组件2可转动设置于容置腔内、测量组件3位于容置腔内，且外壳1的第一开口由转动组件2的顶端封堵，从而使得转动组件2和测量组件3均得以保护；测试地基层土体流动变形时，流动的土体推动叶片22转动，叶片22带动转动组件2转动，随着转动组件2转动，第一光纤引线321和第二光纤引线322的拉应变改变，此时第一光纤传感器311和第二光纤传感器312分别测量第一光纤引线321和第二光纤引线322的拉应变和转动后的位移，根据转动前后拉应变的改变和位移变化，即可判断出土体的流动变形程度和方向。
该地基层水平向流变监测装置使用时，只需对地基钻孔，并将其置于孔内，即可监测深处的土体流动变形，使用时不需考虑气候条件的影响，无需取样，能够避免对土体结构的扰动破坏，不仅可用于实际工程中评价地基稳定性，还可用于室内模型试验中土层水平向流动变形的测试，适用范围广。
进一步地，转动组件2包括上端盖21和转轴23，上端盖21连接于上端盖21，且封堵于所述上开口，上端盖21沿径向延伸设置有叶片22。土体流动以带动叶片22旋转，上端盖21将力矩传递至转轴23，转轴23转动以牵动光纤引线，使得光纤引线发生位移和应变，从而将对土体水平向流变的监测转换为对转轴23运动的监测。在本实施例中，叶片22与上端盖21一体成型，第一位点和第三位点均位于转轴23上。
可选地，上端盖21与转轴23通过螺杆6连接，以方便拆装及收纳。
进一步地，上端盖21上开设有导线孔211，第一光纤引线321和\或第二光纤引线322固定于转轴23上的第一位点后穿设过导线孔211并伸出外壳1。在本实施例中，第二光纤引线322与第一光纤引线321为一体连接，故只需将第一光纤引线321通过导线孔211穿出即可，当两者独立分开设置时，第二光纤引线322与第一光纤引线321均通过导线孔211穿出。本实施例中的接收装置为光纤光栅解调仪，伸出的第一光纤引线321和\或第二光纤引线322连接光纤光栅解调仪，该光纤光栅解调仪用于发射激光并接受反射光谱，根据反射光谱确定光纤传感器发生的应变量，光纤光栅解调仪可参考现有技术。
在组装该监测装置时，且当安装光纤引线时，需对第一光纤引线321和第二光纤引线322预拉后再进行固定，预拉过程需要通过解调仪进行测试，将预拉量设置约为8000微应变。预拉后，光纤引线可通过固定胶固定于转动组件2和外壳1，第一光纤引线321的一端通过固定胶固定于外壳1，另一端经由转动组件2并通过固定胶固定其上后，穿设于导线孔211后伸出外壳1。为了避免第一光纤引线321在转动组件2转动时被拉断，利用固定胶将其与导线孔211之间的间隙封堵，已将其牢固固定于导线孔211。
当土体流动变形时，土体推动叶片22转动，叶片22推动转动组件2转动，转动组件2转动并牵动第一光纤引线321和第二光纤引线322，第一光纤引线321和第二光纤引线322中，一个受到的拉应变减小，相应地，另一个受到的拉应变增大，第一光纤传感器311测量第一光纤引线321的转动前后的位移和拉应变，第二光纤传感器312测量第二光纤引线322的转动前后的位移和拉应变，可得到转动组件2转动前后的位移改变量和转动方向，并将得到的数据经过公式推导，具体见推导过程，从而得到地基层土体的水平向流变的程度和方向。在本实施例中，光纤传感器为光纤光栅传感器，并通过光纤引线连接，当然还可以选择其他的装置，比如分布式光纤传感器，在此不再赘述。设置有两个光纤传感器，得以同步测量转动组件2的转动位移，避免了使用一个时易因意外而出现的测量不准确而无法参考判断其他的结果的问题，精确度高，使得监测结果可靠。
进一步地，转轴23包括上径端和下径端，容置腔分为相连通的上腔室和下腔室，上径端容置于上腔室，并与上腔室之间围成环形空间，测量组件3位于环形空间，下径端容置于下腔室，与下腔室的内壁之间填充有滚珠4，滚珠4用于减小转轴23与下腔室内壁之间的摩擦。此外，还可以在滚珠4的表面涂覆润滑油，以进一步地减小摩擦力。在本实施例中，上腔室的内径大于下腔室的内径，上腔室的底壁与下腔室的内壁形成台阶面，转轴23的上径端的外径大于下径端的外径，上径端的底面封堵于下腔室的上端开口，避免滚珠4误入上腔室。
进一步地，小径端的底部设置有挡板24，挡板24用于阻隔滚珠4。
可选地，该装置还包括弹性件5，转动组件2的底端通过弹性件5连接于外壳1的底部。弹性件5用于控制转轴23的转动力大小，防止安装及使用过程中转轴23转动量过大而拉断光纤引线。弹性件5优选为弹簧。
在本实施例中，外壳1的底端开设有下开口，下开口与容置腔连通，外壳1还包括底端盖11，底端盖11封堵于下开口。设置下开口，便于该监测装置的拆装、实时查看外壳1内部的情况。
可选地，该装置还包括连接杆7，转动组件2和外壳1沿自身轴线同时贯穿有中心孔8，连接杆7穿设于中心孔8。在本实施例中，连接杆7同时穿设于上端盖21、转轴23、弹簧的内部和底端盖11，该连接杆7优选为钢丝绳，可从上至下依次穿设多个该监测装置，从而可对不同深度的土层进行测量。
本实施例还提供一种地基层水平向流变监测方法，采用上述的地基层水平向流变监测装置，包括以下步骤：
S0、对地基层钻孔，将地基层水平向流变监测装置置于地基层内部；
S1、转动组件转动前，第一光纤传感器311测量第一光纤引线321和第一光纤传感器311的拉应变的初始值；
第二光纤传感器312测量第二光纤引线322和第二光纤传感器312的拉应变的初始值；
S2、土体流动并推动叶片22转动，转动组件转动后，第一光纤传感器311测量第一光纤引线321和第一光纤传感器311的拉应变的末态值，以得到应变量和位移变化量；
第二光纤传感器312测量第二光纤引线322和第二光纤传感器312的拉应变的末态值，以得到应变量和位移变化量；
S3、第一光纤传感器311和第二光纤传感器312将信号传至接收装置，接收装置处理并获得地基层土体的流变程度及流变方向。
通过该方法，根据得到的位移变化量和应变量，能够测得转动组件2的转动情况，从而获得地基层土体的水平向流动变形情况。将本实施例中地基软弱夹层水平向流动位移与光纤传感器所测结果的理论关系推导过程阐述如下：
假设土体能与叶片22同步变形，将土体简化为刚体，不考虑土体遇到叶片22的变形，忽略外壳1的厚度。
如图5所示，设土体变形水平向位移为ssoil，土体位移与叶片22的锐夹角为β，叶片22长度为d，叶片22在土体推动作用下转过的角度为θ，外壳1的内径为R，转轴23上径端半径为r，容置腔内的第一光纤传感器311和第一光纤引线321(或第二光纤传感器312和第二光纤引线322)长度和为l，则根据土体与叶片22变形协同机理，在叶片22形心位置处，垂直于叶片22方向的转动位移svane可表示为：
svane＝ssoilsinβ (1)
由于该装置所测转动为微小变形，当θ非常小时，可将其表示为：
Figure BDA0002900302350000101
转轴23上径端固定光纤传感器处的第二位点转过的线位移可表示为：
Figure BDA0002900302350000111
由于第一光纤引线321(第二光纤引线322)与转轴23上径端相切，因此，转轴23上径端的第二位点的线位移与第一光纤传感器311和第一光纤引线321(或第二光纤传感器312和第二光纤引线322)的位移变化量相等。据此，第一光纤传感器311和第一光纤引线321(或第二光纤传感器312和第二光纤引线322)的应变量ε都可表示为：
Figure BDA0002900302350000112
由于光纤传感器只能测试拉应变，无法直接测试压应变。在实际应用过程中，需先将光纤传感器进行预拉，通过预拉量的松弛来反推压缩。假设第一光纤引线321和第一光纤传感器311在安装过程一起被拉伸了ε0的应变量，第二光纤引线322和第二光纤传感器312一起被拉伸了ε0的应变量，土体流动带动第一光纤引线321和第一光纤传感器311一起继续被拉伸，而使第二光纤引线322和第二光纤传感器312一起相对被压缩，则变形后利用光纤解调仪实时测量第一光纤传感器311和第一光纤引线311的应变值ε1为：
Figure BDA0002900302350000113
第二光纤传感器312和第二光纤引线322的应变值ε2为：
Figure BDA0002900302350000114
通过式(5)和(6)可知，虽然容置腔内只安装一个光纤传感器也能测得土体变形，但是可靠性和成活度都没有利用两个光纤传感器测量得到的精确度高。相比设置一个光纤传感器，两个光纤传感器大大提升了整个测试装置的成活率，即便其中一个光纤传感器无法正常工作，另一个光纤传感器也可实现测试功能。此外，两个光纤传感器测量的应变量在土体变形过程中一增一减，可同步证明土体的水平流动的方向。在布设装置过程中，叶片22的朝向及第一光纤传感器311和第二光纤传感器312的位置方向改变均通过转动连接杆7进行确定，据此，可通过式(5)和(6)判断土体水平向变形方向。在式(5)和(6)中，除β外其他参数均已知，β具有随机性，因此，通过第一光纤传感器311和第二光纤传感器312的变形可判断叶片22转动后的基本方位，但是无法判读具体方向，即无法直接获得β的大小。
以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理及特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神及范围的前提下，本发明还有各种变化及改变，这些变化及改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种地基层水平向流变监测装置，其特征在于，包括：
外壳(1)，内部具有容置腔，顶端设置有与所述容置腔连通的上开口；
转动组件(2)，其包括叶片(22)，所述转动组件(2)可转动地设置于所述容置腔内，其顶端封堵于所述上开口，待监测地基层流动变形时，流动的土体能够推动所述叶片(22)转动以使所述转动组件(2)绕自身轴线相对所述外壳(1)转动；
测量组件(3)，置于所述容置腔内，所述测量组件(3)包括：
光纤传感器，其包括第一光纤传感器(311)和第二光纤传感器(312)；
光纤引线，其包括第一光纤引线(321)和第二光纤引线(322)，所述第一光纤引线(321)上设置有所述第一光纤传感器(311)，其一端固定于所述转动组件(2)的第一位点，另一端固定于所述外壳(1)的第二位点，所述第一光纤传感器(311)用于测量：所述转动组件(2)转动前后，所述第一光纤引线(321)和所述第一光纤传感器(311)的拉应变的初始值和末态值；
所述第二光纤引线(322)上设置有所述第二光纤传感器(312)，其一端固定于所述转动组件(2)的第三位点，另一端固定于所述外壳(1)的第四位点，所述第二光纤传感器(312)用于测量：所述转动组件(2)转动前后，所述第二光纤引线(322)和第二光纤传感器(312)的拉应变的初始值和末态值；
所述第一位点与所述第三位点位于所述转动组件(2)上同一侧，所述第二光纤引线(322)与所述第一光纤引线(321)呈钝角布置，所述第一光纤引线(321)和\或所述第二光纤引线(322)穿出所述外壳(1)以与接收装置连接。
2.根据权利要求1所述的地基层水平向流变监测装置，其特征在于，还包括弹性件(5)，所述转动组件(2)的底端通过所述弹性件(5)连接于所述外壳(1)的底部。
3.根据权利要求1所述的地基层水平向流变监测装置，其特征在于，所述转动组件(2)还包括上端盖(21)和转轴(23)，所述上端盖(21)连接于所述转轴(23)，且封堵于所述上开口，所述上端盖(21)沿径向延伸设置有所述叶片(22)。
4.根据权利要求3所述的地基层水平向流变监测装置，其特征在于，所述转轴(23)包括上径端和下径端，所述容置腔分为相连通的上腔室和下腔室，所述上径端容置于所述上腔室，并与所述上腔室的内壁围成环形空间，所述测量组件(3)位于所述环形空间，所述下径端容置于所述下腔室，与所述下腔室的内壁之间填充有滚珠(4)。
5.根据权利要求4所述的地基层水平向流变监测装置，其特征在于，所述小径端的底部设置有挡板(24)，所述挡板(24)用于阻隔所述滚珠(4)。
6.根据权利要求3所述的地基层水平向流变监测装置，其特征在于，所述上端盖(21)上开设有导线孔(211)，所述第一光纤引线(321)和\或所述第二光纤引线(322)通过所述导线孔(211)穿出。
7.根据权利要求3所述的地基层水平向流变监测装置，其特征在于，所述上端盖(21)与所述转轴(23)通过螺杆(6)连接。
8.根据权利要求1-7任一项所述的地基层水平向流变监测装置，其特征在于，所述外壳(1)的底端开设有下开口，所述下开口与所述容置腔连通，所述外壳(1)还包括底端盖(11)，所述底端盖(11)封堵于所述下开口。
9.根据权利要求1-7任一项所述的地基层水平向流变监测装置，其特征在于，还包括连接杆(7)，所述转动组件(2)和所述外壳(1)沿自身轴线同时贯穿有中心孔(8)，所述连接杆(7)穿设于所述中心孔(8)。
10.一种地基层水平向流变监测方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的地基层水平向流变监测装置，包括以下步骤：
S0、对地基层钻孔，将地基层水平向流变监测装置置于地基层内部；
S1、转动组件(2)转动前，第一光纤传感器(311)测量第一光纤引线(321)和第一光纤传感器(311)的拉应变的初始值；
第二光纤传感器(312)测量第二光纤引线(322)和第二光纤传感器(312)的拉应变的初始值；
S2、土体流动并推动叶片(22)转动，转动组件(2)转动后，第一光纤传感器(311)测量第一光纤引线(321)和第一光纤传感器(311)的拉应变的末态值，以得到应变量和位移变化量；
第二光纤传感器(312)测量第二光纤引线(322)和第二光纤传感器(312)的拉应变的末态值，以得到应变量和位移变化量；
S3、第一光纤传感器(311)和第二光纤传感器(312)将信号传至接收装置，接收装置处理并获得地基层土体的流变程度及流变方向。
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