CN114062650B - 一种回填土状况监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

一种回填土状况监测装置及其监测方法，属于房屋建筑工程技术领域，改变目前建筑物地基发生破坏后才查找原因的被动状态，空心固定球固定安装在空心基座侧壁的下部，空心活动球设置于空心固定球的内部，空心活动球的侧壁上设置有内渗水孔，空心固定球的侧壁中沿赤道方向设置线圈A，空心固定球的外表面上根据需要贴附若干压力检测应变片，在空心固定球的侧壁上等圆心角位置处设置若干外渗水孔，外渗水孔的外端端口位置处设置滤布，驱动装置驱动空心活动球相对于空心固定球的沿赤道方向顺时针或者逆时针做旋转运动，使外渗水孔与内渗水孔沿轴线方向对齐或者错位。本发明具有预警功能，预知土壤湿度及地下水位情况，尽早采取措施，消除安全隐患。

Description

一种回填土状况监测装置及其监测方法

技术领域

本发明属于房屋建筑工程技术领域，具体涉及一种回填土状况监测装置及其监测方法。

背景技术

土壤含水率增大是导致土壤特别是湿陷性黄土变形的重要原因，土壤变形会造成建筑物的不均匀沉降。目前，现有情况是不设置回填土状况预置监测装置，建筑物出现不均匀沉降、变形后，才开始查找原因，对回填土进行勘察。为了解回填土状况，常用方法是钻孔取样、打探井等，这些方法是在建筑物已经发生沉降变形、造成破坏的情况下才采取的被动措施，采用这种方法查找建筑物沉降的原因需要一定时间，而且建筑物的修复、地基的加固也需要花费相当的费用和时间。

发明内容

本发明是一种针对土壤湿度、地下水位及回填土变形进行监测的装置及其监测方法，具有预警作用，目的是监测含水率等导致回填土变形的主要因素，改变目前建筑物地基变形导致建筑物不均匀沉降、发生破坏后才查找原因的被动状态。

本发明通过以下技术方案予以实现。

一种回填土状况监测装置，它包括空心基座、空心固定球、空心活动球和驱动装置，其中：

所述空心基座侧壁的下部设置有接口，空心固定球的侧壁上设置有接头，接头的轴线方向与空心固定球的直径方向重合，接头插装于接口中并与接口固定连接，空心固定球的侧壁中沿赤道方向设置线圈A，线圈A通电后空心固定球中产生垂直于赤道平面的磁场，空心固定球的外表面上根据需要贴附若干压力检测应变片，在空心固定球的侧壁上等圆心角位置处设置若干外渗水孔，并且外渗水孔的轴线方向均指向空心固定球的球心，外渗水孔的外端端口位置处设置滤布；

所述空心活动球设置于空心固定球的内部，空心活动球的底部填充轻质微球，与所述接口位置相对应的空心活动球的侧壁上沿水平方向设置弧形导槽，空心活动球的侧壁上设置有内渗水孔；

支撑杆的轴线方向与接口的轴线方向共线，支撑杆的一端固定安装在空心基座空腔的内壁上，支撑杆的另一端依次贯穿接头、弧形导槽并延伸至空心活动球的心部，支撑杆自由端的端部固定安装微型摄像头和激光测距仪，支撑杆的心部设置有导线过孔；

所述驱动装置固定安装在空心活动球的内壁上，并且驱动装置位于赤道平面上，驱动装置包括矩形线圈固定框、线圈Ⅰ、线圈Ⅱ、线圈Ⅲ和线圈Ⅳ，线圈Ⅰ、线圈Ⅱ、线圈Ⅲ和线圈Ⅳ分别设置于矩形线圈固定框的四条边框上，并且安装线圈Ⅰ的边框设置于支撑杆中，安装线圈Ⅰ的边框与相邻的边框柔性连接，安装线圈Ⅳ的边框与安装线圈Ⅰ的边框相对设置，安装线圈Ⅳ的边框与空心活动球的内壁固定连接，线圈Ⅰ、线圈Ⅱ、线圈Ⅲ和线圈Ⅳ依次串联，驱动装置驱动空心活动球相对于空心固定球的沿赤道方向顺时针或者逆时针做旋转运动，使外渗水孔与内渗水孔沿轴线方向对齐或者错位。

进一步地，所述空心固定球的壁厚大于空心活动球的壁厚。

进一步地，所述空心基座为空心立柱、空心墙壁或者空心基座侧壁。

进一步地，所述线圈A的两端由空心基座延伸至土体状况监测装置的外部并与电源的正负极电连接；

所述压力检测应变片的信号线、微型摄像头的信号线和激光测距仪的信号线由空心基座延伸至土体状况监测装置的外部并与对应的信号接收仪器电连接。

进一步地，所述电源为变压电源，电压均匀增大或者减小。

进一步地，所述支撑杆的材质为绝缘材料。

一种回填土状况监测装置的监测方法，包括以下步骤：

S1、首先，将空心基座固定安装在模板内侧壁的下部；然后，将空心基座与模板预埋到地下混凝土构件的内侧；最后，将空心固定球安装在空心基座上，空心固定球不会随着回填土的沉降而沉降，空心固定球中的数据线通过空心基座与外部设备连接；

S2、打开外部电源，线圈A中产生顺时针方向的电流，并且空心固定球中产生垂直于赤道平面向下的磁场；

S3、均匀增加外部电源的电压，线圈A中的电流随之均匀增加，空心固定球中磁通量随之均匀增加，穿过矩形线圈固定框的磁通量随之均匀增加，在矩形线圈固定框中产生逆时针方向的感应电流，感应电流产生的感应磁场与线圈A产生的感应磁场的方向相反；

由于线圈Ⅰ设置于支撑杆中，所以线圈Ⅰ不受磁场作用而不产生安培力；线圈Ⅱ与线圈Ⅲ受磁场作用后产生的安培力方向相反，相互抵消；线圈Ⅳ受磁场作用后产生垂直于安装线圈Ⅳ的边框的安培力，线圈Ⅳ产生的安培力沿切线方向的分力驱动装置驱动空心活动球相对于空心固定球的沿赤道方向顺时针做旋转运动，使外渗水孔与内渗水孔沿轴线方向对齐；

S4、断开外部电源，回填土中的水依次由外渗水孔、内渗水孔进入空心活动球，空心活动球中的轻质微球悬浮于水面，激光测距仪与微型摄像头配合，确定空心活动球中水位情况；

S5、如空心活动球中未渗入水，则再次打开外部电源，外部电源的正负极反向接入线圈A，步骤S3中驱动装置驱动空心活动球相对于空心固定球的沿赤道方向逆时针做旋转运动，使外渗水孔与内渗水孔沿轴线方向错位，外渗水孔关闭，空心活动球相对于空心固定球恢复至初始位置，重复上述步骤S1~S4。

进一步地，在所述步骤S1中，所述地下混凝土构件为混凝土柱、混凝土墙壁或混凝土基础。

本发明所达到的有益效果是：本发明具有预警功能，在建筑物完工之前设置。将本装置预置在建筑物回填土内，用来监测土壤湿度、地下水位及回填土变形情况，这样在建筑物发生沉降变形之前就可以预知土壤湿度及地下水位情况，在建筑物发生沉降变形之后采集土壤湿度、温度及地下水位等相关数据，尽早采取措施，消除安全隐患。

附图说明

图1为本发明初始状态赤道平面剖视结构示意图；

图2为驱动装置驱动驱动空心活动球相对于空心固定球转动状态赤道平面剖视结构示意图，图中实心箭头表示电流方向，空心箭头表示受力方向。

图中，1为空心基座，2为接头，3为空心固定球，4为滤布，5为外渗水孔，6为线圈A，7为压力检测应变片，8为空心活动球，9为内渗水孔，10为支撑杆，11为微型摄像头，12为线圈Ⅰ，13为线圈Ⅱ，14为线圈Ⅲ，15为线圈Ⅳ，16为矩形线圈固定框，17为弧形导槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示的一种回填土状况监测装置，它包括空心基座1、空心固定球3、空心活动球8和驱动装置，在本实施例中所述空心基座1为空心立柱，

所述空心基座1侧壁的下部设置有接口，空心固定球3的侧壁上设置有接头2，接头2的轴线方向与空心固定球3的直径方向重合，接头2插装于接口中并与接口固定连接，空心固定球3的侧壁中沿赤道方向设置线圈A6，线圈A6通电后空心固定球3中产生垂直于赤道平面的磁场，空心固定球3的外表面上根据需要贴附若干压力检测应变片7用来测压强，在空心固定球3的侧壁上等圆心角位置处设置若干外渗水孔5，并且外渗水孔5的轴线方向均指向空心固定球3的球心，外渗水孔5的外端端口位置处设置滤布4，滤布4的作用是防止泥沙等物质进入装置内；

所述空心活动球8设置于空心固定球3的内部，空心活动球8的底部填充轻质微球，与所述接口位置相对应的空心活动球8的侧壁上沿水平方向设置弧形导槽17，空心活动球8的侧壁上设置有内渗水孔9；

支撑杆10的轴线方向与接口的轴线方向共线，支撑杆10的一端固定安装在空心基座1的内壁上，支撑杆10的另一端依次贯穿接头2、弧形导槽17并延伸至空心活动球8的心部，支撑杆10自由端的端部固定安装微型摄像头11和激光测距仪，支撑杆10的心部设置有导线过孔；

所述驱动装置固定安装在空心活动球8的内壁上，并且驱动装置位于赤道平面上，驱动装置包括矩形线圈固定框16、线圈Ⅰ12、线圈Ⅱ13、线圈Ⅲ14和线圈Ⅳ15，线圈Ⅰ12、线圈Ⅱ13、线圈Ⅲ14和线圈Ⅳ15分别设置于矩形线圈固定框16的四条边框上，并且安装线圈Ⅰ12的边框设置于支撑杆10中，安装线圈Ⅰ12的边框与相邻的边框柔性连接，安装线圈Ⅳ15的边框与安装线圈Ⅰ12的边框相对设置，安装线圈Ⅳ15的边框与空心活动球8的内壁固定连接，线圈Ⅰ12、线圈Ⅱ13、线圈Ⅲ14和线圈Ⅳ15依次串联，驱动装置驱动空心活动球8相对于空心固定球3的沿赤道方向顺时针或者逆时针做旋转运动，使外渗水孔5与内渗水孔9沿轴线方向对齐或者错位。

进一步地，所述空心固定球3的壁厚大于空心活动球8的壁厚。

进一步地，所述线圈A6的两端由空心基座1延伸至土体状况监测装置的外部并与电源的正负极电连接；

所述压力检测应变片7的信号线、微型摄像头11的信号线和激光测距仪的信号线由空心基座1延伸至土体状况监测装置的外部并与对应的信号接收仪器电连接。

进一步地，所述电源为变压电源，电压均匀增大或者减小。

进一步地，所述支撑杆10的材质为绝缘材料。

一种回填土状况监测装置的监测方法，包括以下步骤：

S1、如图1所示，首先，将空心基座1固定安装在模板内侧壁的下部；然后，将空心基座1与模板预埋到地下混凝土构件的内侧；最后，将空心固定球3安装在空心基座1上，空心固定球3不会随着回填土的沉降而沉降，空心固定球3中的数据线通过空心基座1与外部设备连接；

S2、如图2所示，打开外部电源，线圈A6中产生顺时针方向的电流，并且空心固定球3中产生垂直于赤道平面向下的磁场；

根据安培定则：让右手弯曲的四指与环形电流的方向一致,伸直的拇指所指的方向就是环形导线轴线上磁感线的方向。

S3、均匀增加外部电源的电压，线圈A6中的电流随之均匀增加，根据互感电动势：

在法拉第的实验中 两个线圈之间并没有导线相连，但当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势；

空心固定球3中磁通量随之均匀增加，穿过矩形线圈固定框16的磁通量随之均匀增加，根据楞次定律：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，在矩形线圈固定框16中产生逆时针方向的感应电流，感应电流产生的感应磁场与线圈A6产生的感应磁场的方向相反，这也符合楞次定律；

由于线圈Ⅰ12设置于支撑杆10中，所以线圈Ⅰ12不受磁场作用而不产生安培力，是为了矩形线圈固定框16产生的感应电流不会流出矩形线圈固定框16，在矩形线圈固定框16内形成回路；根据通电导线在磁场中受力方向的左手定则：伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内：让磁感线从掌心进入，并使四指指向电流的方向,这时拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向。根据左手定则，线圈Ⅱ13与线圈Ⅲ14受磁场作用后产生的安培力方向相反，相互抵消；线圈Ⅳ15受磁场作用后产生垂直于安装线圈Ⅳ15的边框的安培力，线圈Ⅳ15产生的安培力沿切线方向的分力驱动装置驱动空心活动球8相对于空心固定球3的沿赤道方向顺时针做旋转运动，使外渗水孔5与内渗水孔9沿轴线方向对齐；

S4、断开外部电源，回填土中的水依次由外渗水孔5、内渗水孔9进入空心活动球8，空心活动球8中的轻质微球悬浮于水面，激光测距仪与微型摄像头11配合，确定空心活动球8中水位情况；

S5、如空心活动球8中未渗入水，则再次打开外部电源，外部电源的正负极反向接入线圈A6，步骤S3中驱动装置驱动空心活动球8相对于空心固定球3的沿赤道方向逆时针做旋转运动，使外渗水孔5与内渗水孔9沿轴线方向错位，外渗水孔5关闭，空心活动球8相对于空心固定球3恢复至初始位置，重复上述步骤S1~S4。

本发明是一种预置装置，具有预警显示功能，可非破坏性获取回填土信息。本发明科学合理、操作简便、成本低、易推广。

上面结合实施例对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，依然可以对实施方式进行更改，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 (8)

1.一种回填土状况监测装置，它包括空心基座（1）、空心固定球（3）、空心活动球（8）和驱动装置，其特征在于：

所述空心基座（1）侧壁的下部设置有接口，空心固定球（3）的侧壁上设置有接头（2），接头（2）的轴线方向与空心固定球（3）的直径方向重合，接头（2）插装于接口中并与接口固定连接，空心固定球（3）的侧壁中沿赤道方向设置线圈A（6），线圈A（6）通电后空心固定球（3）中产生垂直于赤道平面的磁场，空心固定球（3）的外表面上根据需要贴附若干压力检测应变片（7），在空心固定球（3）的侧壁上等圆心角位置处设置若干外渗水孔（5），并且外渗水孔（5）的轴线方向均指向空心固定球（3）的球心，外渗水孔（5）的外端端口位置处设置滤布（4）；

所述空心活动球（8）设置于空心固定球（3）的内部，空心活动球（8）的底部填充轻质微球，与所述接口位置相对应的空心活动球（8）的侧壁上沿水平方向设置弧形导槽（17），空心活动球（8）的侧壁上设置有内渗水孔（9）；

支撑杆（10）的轴线方向与接口的轴线方向共线，支撑杆（10）的一端固定安装在空心基座（1）空腔的内壁上，支撑杆（10）的另一端依次贯穿接头（2）、弧形导槽（17）并延伸至空心活动球（8）的心部，支撑杆（10）自由端的端部固定安装微型摄像头（11）和激光测距仪，支撑杆（10）的心部设置有导线过孔；

所述驱动装置固定安装在空心活动球（8）的内壁上，并且驱动装置位于赤道平面上，驱动装置包括矩形线圈固定框（16）、线圈Ⅰ（12）、线圈Ⅱ（13）、线圈Ⅲ（14）和线圈Ⅳ（15），线圈Ⅰ（12）、线圈Ⅱ（13）、线圈Ⅲ（14）和线圈Ⅳ（15）分别设置于矩形线圈固定框（16）的四条边框上，并且安装线圈Ⅰ（12）的边框设置于支撑杆（10）中，安装线圈Ⅰ（12）的边框与相邻的边框柔性连接，安装线圈Ⅳ（15）的边框与安装线圈Ⅰ（12）的边框相对设置，安装线圈Ⅳ（15）的边框与空心活动球（8）的内壁固定连接，线圈Ⅱ（13）与线圈Ⅲ（14）受磁场作用后产生的安培力方向相反，相互抵消，线圈Ⅰ（12）、线圈Ⅱ（13）、线圈Ⅲ（14）和线圈Ⅳ（15）依次串联，驱动装置驱动空心活动球（8）相对于空心固定球（3）的沿赤道方向顺时针或者逆时针做旋转运动，使外渗水孔（5）与内渗水孔（9）沿轴线方向对齐或者错位。

2.根据权利要求1所述的一种回填土状况监测装置，其特征在于：所述空心固定球（3）的壁厚大于空心活动球（8）的壁厚。

3.根据权利要求1所述的一种回填土状况监测装置，其特征在于：所述空心基座（1）为空心立柱、空心墙壁或者空心基座侧壁。

4.根据权利要求1或3所述的一种回填土状况监测装置，其特征在于：所述线圈A（6）的两端由空心基座（1）延伸至土体状况监测装置的外部并与电源的正负极电连接；

所述压力检测应变片（7）的信号线、微型摄像头（11）的信号线和激光测距仪的信号线由空心基座（1）延伸至土体状况监测装置的外部并与对应的信号接收仪器电连接。

5.根据权利要求4所述的一种回填土状况监测装置，其特征在于：所述电源为变压电源，电压均匀增大或者减小。

6.根据权利要求1所述的一种回填土状况监测装置，其特征在于：所述支撑杆（10）的材质为绝缘材料。

7.一种如权利要求1所述的回填土状况监测装置的监测方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、首先，将空心基座1固定安装在模板内侧壁的下部；然后，将空心基座（1）与模板预埋到地下混凝土构件的内侧；最后，将空心固定球（3）安装在空心基座（1）上，空心固定球（3）不会随着回填土的沉降而沉降，空心固定球（3）中的数据线通过空心基座（1）与外部设备连接；S2、打开外部电源，线圈A（6）中产生顺时针方向的电流，并且空心固定球（3）中产生垂直于赤道平面向下的磁场；

S3、均匀增加外部电源的电压，线圈A（6）中的电流随之均匀增加，空心固定球（3）中磁通量随之均匀增加，穿过矩形线圈固定框（16）的磁通量随之均匀增加，在矩形线圈固定框（16）中产生逆时针方向的感应电流，感应电流产生的感应磁场与线圈A（6）产生的感应磁场的方向相反；

由于线圈Ⅰ（12）设置于支撑杆（10）中，所以线圈Ⅰ（12）不受磁场作用而不产生安培力；线圈Ⅱ（13）与线圈Ⅲ（14）受磁场作用后产生的安培力方向相反，相互抵消；线圈Ⅳ（15）受磁场作用后产生垂直于安装线圈Ⅳ（15）的边框的安培力，线圈Ⅳ（15）产生的安培力沿切线方向的分力驱动装置驱动空心活动球（8）相对于空心固定球（3）的沿赤道方向顺时针做旋转运动，使外渗水孔（5）与内渗水孔（9）沿轴线方向对齐；

S4、断开外部电源，回填土中的水依次由外渗水孔（5）、内渗水孔（9）进入空心活动球（8），空心活动球（8）中的轻质微球悬浮于水面，激光测距仪与微型摄像头（11）配合，确定空心活动球（8）中水位情况；

S5、如空心活动球（8）中未渗入水，则再次打开外部电源，外部电源的正负极反向接入线圈A（6），步骤S3中驱动装置驱动空心活动球（8）相对于空心固定球（3）的沿赤道方向逆时针做旋转运动，使外渗水孔（5）与内渗水孔（9）沿轴线方向错位，外渗水孔（5）关闭，空心活动球（8）相对于空心固定球（3）恢复至初始位置，重复上述步骤S1~S4。

8.根据权利要求7所述的一种回填土状况监测装置的监测方法，其特征在于在所述步骤S1中，所述地下混凝土构件为混凝土柱、混凝土墙壁或混凝土基础。