CN113137951B - 一种地面沉降监测装置及其实施方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种地面沉降监测装置，包括：光纤传感解调装置放置在地面上；分布式光纤传感器，一端与所述光纤传感解调装置在需要测量时连接，另一端呈笔直的垂吊在钻孔内；光纤固定装置，若干所述光纤固定装置沿所述分布式光纤传感器的方向固定间隔设置；光纤夹具均匀穿设在所述分布式光纤传感器上，用于夹紧所述分布式光纤传感器，且每一个所述光纤夹具与每一个所述光纤固定装置转动连接；重锤固定在所述分布式光纤传感器的底端。本发明通过光纤夹具将分布式光纤传感器与地下深部岩土体固连在一起，以达到使分布式光纤传感器与岩土体协同变形的目的，进而通过分布式光纤传感器感测岩土体的不均匀沉降。

Description

一种地面沉降监测装置及其实施方法
技术领域
本发明涉及地面沉降监测装置技术领域，尤其涉及一种地面沉降监测装置及其实施方法。
背景技术
地面沉降是地球构造和人类工程活动共同作用造成的地面下陷现象，这对地表和地下构筑物的安全产生巨大的威胁，且该问题已经引起了国际社会的广泛关注。
人类工程活动导致的地面沉降主要包括过量开采地下水、油气资源、固体矿产等。对于沿海地区而言，地面沉降还可能会诱发海水倒灌，导致土地盐碱化，海港设施失效等严重后果。
在地面沉降的防治和研究中，一项重要的工作即为监测，其中大范围的监测手段包括GPS与合成孔径雷达技术；而对于局部的监测手段包括水准测量、基岩标和分层标。以上这些技术只能完成地表或较浅的松散层的沉降监测，而对于较深层岩土体进行分层沉降监测还没有较为合适的解决方案。
发明内容
本发明提供一种地面沉降监测装置及其实施方法，用来解决现有技术中无法对较深层岩土体进行监测的技术问题。
为解决上述问题，本发明提供一种地面沉降监测装置，包括：
光纤传感解调装置，放置在地面上；
分布式光纤传感器，一端与所述光纤传感解调装置在需要测量时连接，另一端呈笔直的垂吊在钻孔内；
光纤固定装置，若干所述光纤固定装置沿所述分布式光纤传感器的方向固定间隔设置；
光纤夹具，均匀穿设在所述分布式光纤传感器上，用于夹紧所述分布式光纤传感器，且每一个所述光纤夹具与每一个所述光纤固定装置转动连接；
重锤，固定在所述分布式光纤传感器的底端。
进一步的，所述光纤固定装置包括传力杆、电磁铁、永磁铁、拉伸弹簧和针板，两根所述传力杆转动安装在所述光纤夹具上，所述电磁铁安装在其中一根所述传力杆上，所述永磁铁安装在另一根所述传力杆上对应所述电磁铁位置，两根所述拉伸弹簧对称连接在两根所述传力杆上，所述针板安装在所述传力杆两端。
进一步的，所述光纤夹具的中心设有转动轴，两根所述传力杆均对称安装在所述转动轴上。
进一步的，每个所述光纤固定装置上的所述电磁铁均串联连接。
进一步的，所述光纤固定装置还包括电磁铁开关，所述电磁铁开关与所述电磁铁在需要测量时连接。
进一步的，所述针板靠近所述传力杆的一侧设有转动座，另一侧均匀布设有扎针，所述传力杆的端部安装在所述转动座内，所述扎针适于在所述传力杆旋转的作用下扎入所述钻孔的侧壁岩土体中。
进一步的，所述分布式光纤传感器包含用于测量应变的第一光纤传感单元和用于测量温度的第二光纤传感单元。
本发明还提供了一种地面沉降监测装置的实施方法，包括以下步骤：
S1:现场勘测：选择第四纪地层，深厚且分布广泛，具有典型的松散砂层和黏土层交替沉积的地点；
S2:选择钻孔：选择小于90mm的全取心钻钻进，并进行钻孔编录，根据土层的厚度设计孔深，以进入稳定的基岩层为佳；
S3:组装地面沉降监测装置：保持分布式光纤传感器的伸直状态，在所述分布式光纤传感器上每隔一定距离固定一个光纤固定装置；缓慢放至孔底，在所述分布式光纤传感器的底部悬挂重锤，使整个所述分布式光纤传感器呈笔直的垂吊状态；关闭电磁铁开关，在拉伸弹簧的作用下，传力杆绕自身中心旋转为张开状态；针板在所述传力杆旋转的作用下扎入土体，使所述分布式光纤传感器与土体紧密耦合；
S4:回填：采用细砂或者砾石或者膨润土有较大压缩系数且抗压强度与原状土的抗压强度相似的材料进行回填；
S5:测量：待钻孔内的土体稳定后，进行初次测量，采用光纤传感解调装置测量整个所述分布式光纤传感器的应变分布，进而通过数学积分计算出各区段的变形量。
进一步的，所述步骤S3中，所述每隔一定距离h的取值为0.45-0.55m。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
1、光纤具有小尺寸、耐腐蚀、抗干扰、数据容易获取的优点，能够适用于各种各样的地质环境，能够获得较稳定的数据。
2、钻孔孔口无需特殊保护，只需加盖板回填，将测量光纤接头引至安全区域即可，不影响现场施工。
3、采用传力杆的方案设计，使光纤与周围土体更易协调同步变形，因此能够准确测量土体各层的变形量，实现了土体分层沉降的准分布式观测，相较于传统测量技术，精细度更高。
4、采用压缩弹簧使光纤产生初始应变，有效避免了在土体压缩变形过程中相邻段光纤受扰变形影响土体压缩变形范围的判断，因此，不会出现假压缩沉降的现象，该技术可使测量结果更稳定可靠。
附图说明
图1为本发明实施例中土体分层沉降的光纤测量装置安装示意图；
图2为本发明实施例中光纤固定装置的结构示意图；
图3为本发明实施例中地面沉降监测装置的实施方法的流程示意图。
附图标记：
1-光纤传感解调设备；2-分布式光纤传感器；3-光纤夹具；4-传力杆；5-电磁铁；6-电磁铁开关；7-永磁铁；8-拉伸弹簧；9-针板；10-重锤。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
在地面沉降的防治和研究中，一项重要的工作即为监测。大范围的监测手段包括GPS与合成孔径雷达技术，局部的监测手段包括水准测量、基岩标和分层标。
然而，以上这些技术只能完成地表或较浅的松散层的沉降监测，而对于较深层岩土体进行分层沉降监测，目前还没有较为合适的解决方案。而分布式光纤传感器作为一种具有空间连续测量能力的传感器，可以感测沿光纤每一点的轴向应变，因此可以为岩土体的分层沉降监测提供支持。
为研究以上问题，如图1-2所示，本实施例提供一种地面沉降变形监测装置，包括光纤传感解调装置1、分布式光纤传感器2、光纤固定装置、光纤夹具3和重锤10，
光纤传感解调装置1，放置在地面上；
分布式光纤传感器2，其一端与光纤传感解调装置1在需要测量时连接，另一端呈笔直的垂吊在钻孔内；
光纤固定装置，若干个光纤固定装置沿分布式光纤传感器2的方向固定间隔设置；
光纤夹具3，均匀穿设在分布式光纤传感器2上，用于夹紧分布式光纤传感器2，且每一个光纤夹具3与每一个光纤固定装置转动连接；
重锤10，固定在分布式光纤传感器2的底端。
需要说明的是，本次试验地点可选择第四纪地层，地层不仅深厚且分布广泛，它具有典型的松散砂层和黏土层交替沉积的地点，例如长江下游的冲击平原。由于地下水过度开采，这些松软土层极易产生压密固结而引发地面沉降。
由此，通过多个光纤夹具3，将分布式光纤传感器2与地下深部岩土体固连在一起，以达到使分布式光纤传感器2与岩土体协同变形的目的，进而通过分布式光纤传感器2感测岩土体的不均匀沉降。
具体地，请参考图2所示，在本发明的实施例当中，光纤固定装置包括光纤夹具3、传力杆4、电磁铁5、永磁铁7、拉伸弹簧8和针板9，
其中，将两根传力杆4安装在光纤夹具3上，使传力杆4可以绕其中心转动，将电磁铁5安装在其中一根传力杆4上，永磁铁7安装在另一根传力杆4上对应电磁铁5的位置，随后将拉伸弹簧8两端分别连接在两根传力杆4上，就此，完成一个光纤固定装置的组装。
作为本实施例的最佳优选方式，拉伸弹簧8设置为两根，且每根拉伸弹簧8竖直连接在两根传力杆4的上下位置，两根拉伸弹簧8左右对称设置。
具体地，请参考图1、2所示，在本发明的实施例当中，光纤夹具3的中心设有转动轴，两根传力杆4均对称安装在转动轴上。由此，保证地面沉降监测装置受力平衡。
具体地，请参考图1、2所示，在本发明的实施例当中，每个光纤固定装置上的电磁铁5均串联连接。
由此，将所有光纤固定装置上的电磁铁5串联连接至电磁铁开关6，然后打开电磁铁开关6，使所有光纤固定装置上的两根传力杆4保持闭合状态(如图2所示状态)，此时电磁铁5与永磁铁7相互吸附在一起，针板9未扎入到岩土体中。
具体地，请参考图1所示，光纤固定装置还包括电磁铁开关6，电磁铁开关6与电磁铁5在需要测量时连接。由此，可通过操作电磁铁开关6，来控制电磁铁5工作，从而控制两根传力杆4保持闭合状态或者张开状态。
具体地，请参考图1所示，针板9靠近传力杆4的一侧设有转动座，另一侧均匀布设有扎针，传力杆4的端部安装在转动座内，扎针适于在传力杆4旋转的作用下扎入钻孔的侧壁岩土体中。
如图3所示，本发明的实施例还提供一种地面沉降监测装置的实施方法，所述方法包括如下步骤：
S1：现场勘测：
具体地，在本发明的实施例中，选择第四纪地层，深厚且分布广泛，具有典型的松散砂层和黏土层交替沉积的地点；
S2：选择钻孔：选择小于90mm的全取心钻钻进，并进行钻孔编录，根据土层的厚度设计孔深，以进入稳定的基岩层为佳；
具体地，根据现场勘测条件来选择钻孔，一般来说，钻孔孔径不宜过大，小口径更有利于试验装置与土体协同变形，因此宜选择小于90mm的全取心钻钻进，并进行钻孔编录，根据土层的厚度设计孔深，以进入稳定的基岩层为佳。
S3：组装地面沉降监测装置。
步骤S31：保持分布式光纤传感器2的伸直状态，在分布式光纤传感器2上每隔一定距离h固定一个光纤固定装置；
步骤S32：缓慢放至孔底，在分布式光纤传感器2的底部悬挂重锤10，使整个分布式光纤传感器2呈笔直的垂吊状态；
步骤S33：关闭电磁铁开关6，在拉伸弹簧8的作用下，传力杆4绕自身中心旋转为张开状态；
步骤S34：针板9在传力杆4旋转的作用下扎入土体，使分布式光纤传感器2与土体紧密耦合。
请参考图2所示，图2示出了光纤测量装置在钻孔内的安装状态。将分布式光纤传感器2平铺在工作台上，保持伸直状态，随后在分布式光纤传感器2上每隔一定的距离h固定一个光纤固定装置，安装完毕后，将所有光纤固定装置上的电磁铁5串联连接至电磁铁开关6；然后打开电磁铁开关6，使所有光纤固定装置上的两根传力杆4保持闭合状态(如图2所示状态)；最后将重锤10固定于分布式光纤传感器2的底端。
紧接着，将组装好的光纤测量整套设备缓慢放至钻孔底，底部通过悬挂重锤10，使整个分布式光纤传感器2呈笔直的垂吊状态，然后关闭电磁铁开关6，此刻电磁吸力消失，在拉伸弹簧8的作用下，传力杆4绕自身中心旋转为张开状态，针板9则在传力杆4旋转的作用下扎入土体，使分布式光纤传感器2与土体紧密耦合。
S4：采用细砂或其他有较大压缩系数且抗压强度与原状土的抗压强度相似的材料进行回填。由此，采用合适的材料将钻孔回填，并将分布式光纤传感器2接头做好保护措施。
S5：测量：待钻孔内的土体稳定后，进行初次测量，采用光纤传感解调装置1测量整个分布式光纤传感器2的应变分布，进而通过数学积分计算出各区段的变形量。
由此，可定期采用光纤传感解调装置1测量分布式光纤传感器2的应变状态，实验原理简单、高效快速，实验结果准确可靠。
具体地，在本发明的实施例中，在步骤S3中，每隔一定距离h的取值为0.45-0.55m。优选的，在本实施例中，根据孔深选择组装长度，距离h＝0.5m。
具体地，在本发明的实施例中，在步骤S4中，所述具有较大压缩系数且抗压强度与原状土的抗压强度相似的材料包括细砂、砾石和膨润土。
由此，采用细砂-砾石-膨润土进行配比，配比后的材料不仅具有较大压缩系数，而且抗压强度与原状土相似，通过回填钻孔，可使分布式光纤传感器2与土体紧密耦合。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种地面沉降监测装置，其特征在于，包括：
光纤传感解调装置(1)，放置在地面上；
分布式光纤传感器(2)，一端与所述光纤传感解调装置(1)在需要测量时连接，另一端呈笔直的垂吊在钻孔内；
光纤固定装置，若干所述光纤固定装置沿所述分布式光纤传感器(2)的方向固定间隔设置；
光纤夹具(3)，均匀穿设在所述分布式光纤传感器(2)上，用于夹紧所述分布式光纤传感器(2)，且每一个所述光纤夹具(3)与每一个所述光纤固定装置转动连接；
所述光纤固定装置包括传力杆(4)、电磁铁(5)、永磁铁(7)、拉伸弹簧(8)和针板(9)，两根所述传力杆(4)转动安装在所述光纤夹具(3)上，所述电磁铁(5)安装在其中一根所述传力杆(4)上，所述永磁铁(7)安装在另一根所述传力杆(4)上对应所述电磁铁(5)位置，两根所述拉伸弹簧(8)对称连接在两根所述传力杆(4)上，所述针板(9)安装在所述传力杆(4)两端；
重锤(10)，固定在所述分布式光纤传感器(2)的底端。
2.根据权利要求1所述的地面沉降监测装置，其特征在于，所述光纤夹具(3)的中心设有转动轴，两根所述传力杆(4)均对称安装在所述转动轴上。
3.根据权利要求2所述的地面沉降监测装置，其特征在于，每个所述光纤固定装置上的所述电磁铁(5)均串联连接。
4.根据权利要求3所述的地面沉降监测装置，其特征在于，所述光纤固定装置还包括电磁铁开关(6)，所述电磁铁开关(6)与所述电磁铁(5)在需要测量时连接。
5.根据权利要求4所述的地面沉降监测装置，其特征在于，所述针板(9)靠近所述传力杆(4)的一侧设有转动座，另一侧均匀布设有扎针，所述传力杆(4)的端部安装在所述转动座内，所述扎针适于在所述传力杆(4)旋转的作用下扎入所述钻孔的侧壁岩土体中。
6.根据权利要求1所述的地面沉降监测装置，其特征在于，所述分布式光纤传感器(2)包含用于测量应变的第一光纤传感单元和用于测量温度的第二光纤传感单元。
7.如权利要求1-6任一项所述的地面沉降监测装置的实施方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:现场勘测：选择第四纪地层，深厚且分布广泛，具有典型的松散砂层和黏土层交替沉积的地点；
S2:选择钻孔：选择小于90mm的全取心钻钻进，并进行钻孔编录，根据土层的厚度设计孔深，以进入稳定的基岩层为佳；
S3:组装地面沉降监测装置：保持分布式光纤传感器(2)的伸直状态，在所述分布式光纤传感器(2)上每隔一定距离h固定一个光纤固定装置；缓慢放至孔底，在所述分布式光纤传感器(2)的底部悬挂重锤(10)，使整个所述分布式光纤传感器(2)呈笔直的垂吊状态；关闭电磁铁开关(6)，在拉伸弹簧(8)的作用下，传力杆(4)绕自身中心旋转为张开状态；针板(9)在所述传力杆(4)旋转的作用下扎入土体，使所述分布式光纤传感器(2)与土体紧密耦合；
S4:回填：采用细砂或者砾石或者膨润土有较大压缩系数且抗压强度与原状土的抗压强度相似的材料进行回填；
S5:测量：待钻孔内的土体稳定后，进行初次测量，采用光纤传感解调装置(1)测量整个所述分布式光纤传感器(2)的应变分布，进而通过数学积分计算出各区段的变形量。
8.根据权利要求7所述的地面沉降监测装置的实施方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述每隔一定距离h的取值为0.45-0.55m。
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Soebowo Identification of Liquefaction Hazard in the Coastal Area of Merak-Anyer, Banten based on CPT and SPT Data

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