CN112942296B - 一种地基沉降监测仪及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地基沉降监测仪，包括多个水平设置的沉降监测单元、基座及测量电路；每一沉降监测单元包括外管、内管和六轴陀螺仪，外管设有外导轨凹槽，内管设有内导轨凹槽，内管插入外管内可相对滑动，且内导轨凹槽卡入外导轨凹槽内，六轴陀螺仪设置于内管轴线，外管的端部和内管的端部其中之一设有万向球头、另一设有万向接头；基座固定于地基上，所有沉降监测单元依次首尾连接，位于一端的沉降监测单元与基座固定连接；测量电路分别连接各六轴陀螺仪，获取每一沉降监测单元的俯仰角和航向角、计算每一沉降监测单元的位移量和地基沉降位移。本发明的有益效果：可以获得平面上连续的地基沉降变形监测数据，在开挖受限的条件下直接铺设使用。

Description

一种地基沉降监测仪及监测方法

技术领域

本发明涉及土木工程地基变形监测技术领域，尤其涉及一种地基沉降监测仪及监测方法。

背景技术

地基变形监测是获取建(构)筑物地基健康状况的重要手段，是工程建筑寿命全周期监测的重要组成部分。地基沉降监测是地基变形监测的核心内容之一，是考察地基在自身重力、基础荷载以及外部因素作用下，地基岩土体变形变化特征的主要手段。地基沉降监测是分析地基变形层位和变形机理的重要过程，对地基沉降变形观测和研究具有关键作用。

地基沉降监测目前主要使用分层沉降仪，其方法是在地基施工过程中预埋导管或利用钻机在地基中钻进至预定深度；将分层沉降仪支撑脚用可溶解绳索捆扎，按照设计要求下放至导管或钻孔中；注水将绳索溶解，使沉降仪支撑脚固定在地基上；标定孔口高度，用干净的细沙回填导管或钻孔；获取沉降仪竖直方向的变形信息，得到地基不同深度部位岩土体的沉降量。

现有的分层沉降仪存在以下几点问题：①分层沉降仪需要对地基开挖，对于有开挖限制的地基无法应用。②分层沉降仪是在选定的若干点位进行监测，在空间上是不连续的，无法获取平面上连续的沉降观测数据。③分层沉降仪最长拉杆的拉伸量是整个地基观测深度的变形量，但受其量程限制，可允许观测的变形量较小，一般为20-30cm。

发明内容

有鉴于此，为了解决目前地基沉降监测采用分层沉降仪存在的上述问题，本发明的实施例提供了一种地基沉降监测仪。

本发明的实施例提供一种地基沉降监测仪，包括多个水平设置的沉降监测单元、基座及测量电路；

每一所述沉降监测单元包括外管、内管和六轴陀螺仪，所述外管管壁设有多道外导轨凹槽，所述内管管壁设有多道内导轨凹槽，所述内管插入所述外管内，且每一所述内导轨凹槽卡入一所述外导轨凹槽内，使所述内管和所述外管可相对滑动，所述六轴陀螺仪设置于所述内管内部且位于其轴线上，所述外管的端部和所述内管的端部其中之一设有万向球头、另一设有万向接头；

所述基座固定设置于地基上，所有沉降监测单元依次首尾连接，任意相邻两所述沉降监测单元之间通过万向球头和万向接头连接，位于一端的所述沉降监测单元与所述基座固定连接；

所述测量电路分别连接各所述沉降监测单元的六轴陀螺仪，用于获取每一所述沉降监测单元的俯仰角和航向角、根据几何关系计算每一所述沉降监测单元的位移量、并对各所述沉降监测单元的位移量求和计算出地基沉降位移。

进一步地，还包括计算机，所述计算机连接所述测量电路，所述计算机用于获取地基沉降位移并与预设的沉降阈值进行比较，在地基沉降位移大于预设的沉降阈值时发出警报。

进一步地，所述外导轨凹槽的数量为两个，两所述外导轨凹槽相对所述外管的轴线对称；所述内导轨凹槽的数量为两个，两所述内导轨凹槽相对所述内管的轴线对称。

进一步地，所述沉降监测单元外部包裹有编织网管。

进一步地，所述万向球头上套设有空心螺帽，所述万向接头端部设有螺纹接头，所述万向球头通过所述空心螺帽与所述万向接头的螺纹接头连接。

进一步地，所述基座上设有多个固定螺栓孔，并通过螺栓与所述固定螺栓孔固定于地基上，所述基座上还设有万向接头，所述万向接头与一所述沉降监测单元的万向球头连接。

本发明的实施例还提供了一种地基沉降监测方法，使用上述的地基沉降监测仪，且包括以下步骤：

S1布设所述基座和和所述沉降监测单元，具体为：将所述基座固定于地基上的不变形点位处，依次连接各所述沉降监测单元，使各所述沉降监测单元保持水平，并将位于一端的所述沉降监测单元与所述基座固定连接；

S2地基发生沉降变形使各所述沉降监测单元倾斜，每一所述沉降监测单元的外管和内管之间发生相对滑动，所述六轴陀螺仪探测到每一所述沉降监测单元的俯仰角和航向角，并以数字信号的方式输出至所述测量电路；

S3所述测量电路获取每一所述沉降监测单元的俯仰角和航向角、根据几何关系计算每一所述沉降监测单元的位移量、并对各所述沉降监测单元的位移量求和计算出地基沉降位移，具体为：

对所述沉降监测单元进行编号，最接近所述沉降监测仪基座的所述沉降监测单元编号为1，向外依次递增n，n为所述沉降监测单元的个数，建立以所述沉降监测单元的右手坐标系，定义沉降监测单元i中六轴陀螺仪输出的俯仰角为α_i，输出的航向角为β_i；

定义地基竖直方向位移为Δz，水平方向位移为Δh，合位移为Δ；

定义每一所述沉降监测单元远离基座的一端为末端，每一所述沉降监测单元的末端位移量的计算方法具体为：

对于所述沉降监测单元i由几何关系可知：

Δz_＝l×tanα_i；

Δh_i＝l×tanβ_i；

式中：

Δz_i为沉降监测单元i末端的竖直位移量；

Δh_i为沉降监测单元i末端的水平位移量；

Δ_i为沉降监测单元i末端的总位移量；

l为沉降监测单元长度；

地基的沉降位移由对每个沉降监测单元的位移求和得到，公式如下：

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

(1)本发明的一种地基沉降监测仪及其监测方法，各沉降监测单元沿着水平方向连续布设，可以获得平面上连续的地基沉降变形监测数据。

(2)对于已建成的建(构)筑物可直接铺设使用该地基沉降仪进行地基表层沉降的测量，可应用于限制开挖(或钻孔)地基的沉降监测。

(3)采用多个沉降监测单元，对于地基沉降监测的量程大于现有的分层沉降仪。

(4)可预设地基沉降阈值，当地基沉降达到阈值时，智能触发沉降预警，向决策部门和地基变形影响范围内人员提供预警信息。

(5)采用自动化、智能化电子监测设备，实现地基沉降量的自动监测，减少人员的工作量，提高预警效率。

附图说明

图1是本发明一种地基沉降监测仪的沉降监测单元的结构示意图；

图2是图1中外管2的结构示意图；

图3是图2中外管2的截面示意图；

图4是图2中空心螺帽9的结构示意图；

图5是图1中内管3的结构示意图；

图6是图5中内管3的截面示意图；

图7是本发明一种地基沉降监测仪的基座的俯视图；

图8是本发明一种地基沉降监测仪的基座的主视图；

图9是六轴陀螺仪以沉降监测单元轴线远离沉降监测仪基座方向为Y轴正方向建立的右手坐标系示意图。

图中：1-沉降监测单元、2-外管、3-内管、4-外导轨凹槽、5-内导轨凹槽、6-六轴陀螺仪、7-万向球头、8-万向接头、9-空心螺帽、10-螺纹接头、11-基座、12-固定螺栓孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种地基沉降监测仪，主要适用于大开挖分层回填地基以及限制开挖(或钻孔)地基的沉降监测，其具体包括多个水平设置的沉降监测单元1、基座11及测量电路。

请参考图2、3、5和6，每一所述沉降监测单元包括外管2、内管3和六轴陀螺仪6。这里所述外管2和内管3均为圆筒结构，所述外管2的内径与所述内管3的外径近似相同。所述外管2一端开口、另一端封闭；同样的所述内管3一端开口，另一端封闭。所述外管2管壁设有多道外导轨凹槽4，所述内管3管壁设有多道内导轨凹槽5，所述内管3的开口端插入所述外管2的开口端内，且每一所述内导轨凹槽5卡入一所述外导轨凹槽4内，使所述内管3和所述外管2可相对滑动。

在所述内导轨凹槽5卡入所述外导轨凹槽4内，依靠所述外导轨凹槽4对所述内导轨凹槽5的约束作用，所述内管3仅能沿着所述外导轨凹槽4轴向滑动。因此所述外导轨凹槽4和所述内导轨凹槽5的截面形状可以有多种选择，只要能起到约束和导向作用即可，这里所述外导轨凹槽4和所述内导轨凹槽5的截面形状均为半圆形。

同时所述外导轨凹槽4和所述内导轨凹槽5的数量应保持一致，其位置一一对应。可以理解的，为保证所述外导轨凹槽4和所述内导轨凹槽5之间可稳定相对滑动，所述外导轨凹槽4和所述内导轨凹槽5的数量均应至少设置为两个。在本实施例中所述外导轨凹槽4的数量为两个，两所述外导轨凹槽4相对所述外管2的轴线对称；所述内导轨凹槽5的数量为两个，两所述内导轨凹槽5相对所述内管3的轴线对称。

所述六轴陀螺仪6用于测量所述沉降监测单元1的俯仰角和航向角数据，具体的，所述六轴陀螺仪6设置于所述内管3内部且位于其轴线上，优选的所述六轴陀螺仪6设置于所述内管3轴线的中点处。

请参考图1、2、4和5，所述外管2的端部和所述内管3的端部其中之一设有万向球头7、另一设有万向接头8。即在所述沉降监测单元1的一端设置万向球头7、另一端设置万向接头8，用于两所述沉降监测单元1之间连接。这里所述万向球头7与所述外管2封闭端焊接连接并向所述外管2封闭端的外侧延伸，所述万向接头8与所述内管3封闭端焊接连接并向所述内管3封闭端的外侧延伸。

所述万向球头7上套设有空心螺帽9，所述空心螺帽9设置于所述万向球头7与所述外管2封闭端之间，所述万向接头8端部设有螺纹接头10，所述万向球头7通过所述空心螺帽9与所述万向接头8的螺纹接头10连接。

请参考图7和8，所述基座11固定设置于地基上，一般固定于地基上的不变形点位处。所有沉降监测单元1水平设置并依次首尾连接，任意相邻两所述沉降监测单元1之间通过万向球头7和万向接头8连接，位于一端的所述沉降监测单元1与所述基座11固定连接。同时可以在所述沉降监测单元1外部包裹编织网管，通过所述编织网管对所述沉降监测单元1进行保护。

所述基座11的作用仅仅是对各所述沉降监测单元1提供支撑点，因此可以设置为多种形式，在本实施例中所述基座11上设有多个固定螺栓孔12，并通过螺栓与所述固定螺栓孔12固定于地基上，所述基座11上还设有万向接头8，所述万向接头8与一所述沉降监测单元1的万向球头7连接。

所述测量电路分别连接各所述沉降监测单元1的六轴陀螺仪6，用于获取每一所述沉降监测单元1的俯仰角和航向角、根据几何关系计算每一所述沉降监测单元1的位移量、并对各所述沉降监测单元1的位移量求和计算出地基沉降位移。

本发明的实施例中的地基沉降监测仪还可以设置计算机，所述计算机连接所述测量电路，所述测量电路会检测到的地基沉降位移的数字信号输入所述计算机，所述计算机计算获得地基的沉降情况，并通过人机交互界面进行展示；比较地基沉降位移与预设的沉降阈值，当沉降量到达预设的沉降阈值时，则发出预警。

另外，本发明的实施例还提供了一种地基沉降监测方法，使用上述的地基沉降监测仪，且包括以下步骤：

S1根据建(构)筑物地基监测设计方案，布设所述基座11和和各所述沉降监测单元1，具体为：将所述基座11固定于地基上的不变形点位处，依次连接各所述沉降监测单元1，使各所述沉降监测单元1保持水平，并将位于一端的所述沉降监测单元1与所述基座11固定连接，将各所述六轴陀螺仪6数据归零；

S2地基发生沉降变形使各所述沉降监测单元1倾斜，每一所述沉降监测单元1的外管2和内管3之间发生相对滑动。以所述沉降监测单元1远离所述基座11端的轴线方向为Y轴正方向建立右手坐标系，所述六轴陀螺仪6可实时记录各正交方向的旋转角度，所述六轴陀螺仪6探测到每一所述沉降监测单元1的俯仰角和航向角，并以数字信号的方式输出至所述测量电路；

S3所述测量电路获取每一所述沉降监测单元1的俯仰角和航向角、根据几何关系计算每一所述沉降监测单元1的位移量、并对各所述沉降监测单元1的位移量求和计算出地基沉降位移，具体为：

请参考图9，对所述沉降监测单元1进行编号，最接近所述基座11的所述沉降监测单元1编号为1，向外依次递增n，n为所述沉降监测单元1的个数，建立以所述沉降监测单元1的右手坐标系，定义沉降监测单元i中六轴陀螺仪输出的俯仰角为α_i，输出的航向角为β_i；

定义地基竖直方向位移为Δz，水平方向位移为Δh，合位移为Δ；

定义每一所述沉降监测单元1远离基座11的一端为末端，每一所述沉降监测单元1的末端位移量的计算方法具体为：

对于所述沉降监测单元i由几何关系可知：

Δz_i＝l×tanα_i；

Δh_i＝l×tanβ_i；

式中：

Δz_i为沉降监测单元i末端的竖直位移量；

Δh_i为沉降监测单元i末端的水平位移量；

Δ_i为沉降监测单元i末端的总位移量；

l为沉降监测单元1长度，各所述沉降监测单元1的长度一般设置为相同，长度一般设置为1m左右；

地基的沉降位移由对每个沉降监测单元1的位移求和得到，公式如下：

需要说明的是，当所述基座11无法安装在稳定的岩土体上时，也可以安装在建(构)筑物基础上，测量地基的相对沉降量。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种地基沉降监测仪，其特征在于：包括多个水平设置的沉降监测单元、基座及测量电路；

每一所述沉降监测单元包括外管、内管和六轴陀螺仪，所述外管管壁设有多道外导轨凹槽，所述内管管壁设有多道内导轨凹槽，所述内管插入所述外管内，且每一所述内导轨凹槽卡入一所述外导轨凹槽内，使所述内管和所述外管可相对滑动，所述六轴陀螺仪设置于所述内管内部且位于其轴线上，所述外管的端部和所述内管的端部其中之一设有万向球头、另一设有万向接头；

所述基座固定设置于地基上，所有沉降监测单元依次首尾连接，任意相邻两所述沉降监测单元之间通过万向球头和万向接头连接，位于一端的所述沉降监测单元与所述基座通过万向球头和万向接头连接；

所述测量电路分别连接各所述沉降监测单元的六轴陀螺仪，用于获取每一所述沉降监测单元的俯仰角和航向角、根据几何关系计算每一所述沉降监测单元的位移量、并对各所述沉降监测单元的位移量求和计算出地基沉降位移。

2.如权利要求1所述的一种地基沉降监测仪，其特征在于：还包括计算机，所述计算机连接所述测量电路，所述计算机用于获取地基沉降位移并与预设的沉降阈值进行比较，在地基沉降位移大于预设的沉降阈值时发出警报。

3.如权利要求1所述的一种地基沉降监测仪，其特征在于：所述外导轨凹槽的数量为两个，两所述外导轨凹槽相对所述外管的轴线对称；所述内导轨凹槽的数量为两个，两所述内导轨凹槽相对所述内管的轴线对称。

4.如权利要求1所述的一种地基沉降监测仪，其特征在于：所述沉降监测单元外部包裹有编织网管。

5.如权利要求1所述的一种地基沉降监测仪，其特征在于：所述万向球头上套设有空心螺帽，所述万向接头端部设有螺纹接头，所述万向球头通过所述空心螺帽与所述万向接头的螺纹接头连接。

6.如权利要求1所述的一种地基沉降监测仪，其特征在于：所述基座上设有多个固定螺栓孔，并通过螺栓与所述固定螺栓孔固定于地基上，所述基座上还设有万向接头，所述万向接头与一所述沉降监测单元的万向球头连接。

7.一种地基沉降监测方法，其特征在于：使用如权利要求1～6中任意一项所述的一种地基沉降监测仪，且包括以下步骤：

S1布设所述基座和所述沉降监测单元，具体为：将所述基座固定于地基上的不变形点位处，依次连接各所述沉降监测单元，使各所述沉降监测单元保持水平，并将位于一端的所述沉降监测单元与所述基座通过万向球头和万向接头连接；

S2地基发生沉降变形使各所述沉降监测单元倾斜，每一所述沉降监测单元的外管和内管之间发生相对滑动，所述六轴陀螺仪探测到每一所述沉降监测单元的俯仰角和航向角，并以数字信号的方式输出至所述测量电路；

S3所述测量电路获取每一所述沉降监测单元的俯仰角和航向角、根据几何关系计算每一所述沉降监测单元的位移量、并对各所述沉降监测单元的位移量求和计算出地基沉降位移，具体为：

对所述沉降监测单元进行编号，最接近所述沉降监测仪基座的所述沉降监测单元编号为1，向外依次递增n，n为所述沉降监测单元的个数，建立以所述沉降监测单元的右手坐标系，定义沉降监测单元i中六轴陀螺仪输出的俯仰角为α_i，输出的航向角为β_i；

定义地基竖直方向位移为Δz，水平方向位移为Δh，合位移为Δ；

定义每一所述沉降监测单元远离基座的一端为末端，每一所述沉降监测单元的末端位移量的计算方法具体为：

对于所述沉降监测单元i由几何关系可知：

Δz_i＝l×tanα_i；

Δh_i＝l×tanβ_i；

式中：

Δz_i为沉降监测单元i末端的竖直位移量；

Δh_i为沉降监测单元i末端的水平位移量；

Δ_i为沉降监测单元i末端的总位移量；

l为沉降监测单元长度；

地基的沉降位移由对每个沉降监测单元的位移求和得到，公式如下：

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