CN114353867B - 多功能土体状态监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多功能土体状态监测装置，包括外壳、光栅光纤应变片和沉降监测组件：外壳之内沿上下方向顺次形成有多个气室，每个气室沿第一水平方向均设有安装开口，每个安装开口背离气室的一侧均形成避位空间，外壳上沿第二水平方向分布的两个侧面形成侧部受压面；光栅光纤应变片设于安装开口之内；至少一个气室的上方形成悬置安装空间，沉降监测组件具有沉降板和压力传递结构，沉降板设于外壳的上方，压力传递结构与沉降板连接，并形成位于悬置安装空间之内的压力端，悬置安装空间的底面形成用于与压力端接触受压的顶部受压面。本发明可以准确、同步的感测不同深度的土压力，还能准确持续的获得路面沉降信息和冻土含水量信息。

Description

多功能土体状态监测装置

技术领域

本发明属于土体性质测定装备技术领域，具体涉及一种多功能土体状态监测装置。

背景技术

在房屋建筑、公路铁路、桥梁工程以及地震监测中，为了防止土体坍塌或滑坡，需要准确了解某地区的土压力及该地区的的建筑物体可承受的最大土压力以及可支撑建筑物体的最小土压力。土压力为建筑与土体间相互作用的产物，其理论方法的研究始于18世纪。其中，最著名的土压力理论为朗金理论与库仑理论。因此，土压力是客观存在的，如何考虑土压力对建筑设施压力大小及分布的影响，显得尤为重要。

中国多年冻土面积占全国面积的22.3％，主要分布在东北北部山区、西部高山与青藏高原，为实现内陆与沿海的快速运输和连接，无法避免的在常年冻土，季节性冻土上进行建造施工。其中代表性建筑“青藏铁路”依然是无法避免冻土带来的严重影响。高原冻土的融化加剧冻土区域的地面不稳定性，并引发出更多的冻土区工程地质问题，不利于大型道路和工程的建设。

发明内容

本发明实施例提供一种多功能土体状态监测装置，旨在对不同深度的土体压力、沉降和冻土含水量进行持续、准确的测量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种多功能土体状态监测装置，包括外壳、光栅光纤应变片和沉降监测组件：

所述外壳之内沿上下方向顺次形成有多个气室，每个所述气室沿第一水平方向均设有安装开口，每个所述安装开口背离所述气室的一侧均形成避位空间，所述外壳上沿第二水平方向分布的两个侧面形成侧部受压面，所述第二水平方向垂直于所述第一水平方向；

所述光栅光纤应变片设于所述安装开口之内，以将所述气室和所述避位空间相互隔离；

所述外壳之中的其中至少一个所述气室的上方形成悬置安装空间，所述沉降监测组件具有沉降板和压力传递结构，所述沉降板设于所述外壳的上方，所述压力传递结构与所述沉降板连接，并形成位于所述悬置安装空间之内的压力端，所述悬置安装空间的底面形成用于与所述压力端接触受压的顶部受压面。

在一种可能的实现方式中，定义所述外壳沿所述第一水平方向上的尺寸为长度尺寸，定义所述外壳沿所述第二水平方向上的尺寸为宽度尺寸，所述长度尺寸大于所述宽度尺寸。

在一种可能的实现方式中，所述外壳之内还形成有分别各个所述气室连通的导气通道，以及分别与各个所述避位空间连通的导线通道。

在一种可能的实现方式中，所述安装开口的侧壁形成有与所述光栅光纤应变片的外缘卡接适配的卡槽。

在一种可能的实现方式中，所述避位空间和所述卡槽之间还开设有导线孔。

在一种可能的实现方式中，所述压力传递结构包括：

悬置梁，所述悬置梁插设于所述悬置安装空间之内，并与所述悬置安装空间上下滑动配合，所述悬置梁形成所述压力端；以及

连接件，连接于所述沉降板和所述悬置梁之间，以将所述沉降板下降所产生的压力传递至所述悬置梁。

在一种可能的实现方式中，所述悬置梁沿第二水平方向延伸出两个连接体，所述连接件具有两个，且分别与两个所述连接体连接。

在一种可能的实现方式中，所述连接件为竖杆，所述竖杆的上端连接于所述沉降板，所述竖杆的下端连接于所述连接体。

在一种可能的实现方式中，所述悬置梁具有压力主体，所述压力主体的外侧凸出设有导向凸起，所述导向凸起与所述悬置安装空间的侧壁上下滑动配合。

在一种可能的实现方式中，所述连接体上形成有使所述竖杆贯穿的安装孔，所述竖杆的底端形成有限位凸台，所述竖杆上卡接固定有卡套，所述卡套与所述限位凸台配合，以在上下方向上夹持所述连接体。

本申请实施例所示的方案，与现有技术相比，每一个气室与对应的光栅光纤应变片和避位空间配合形成一个测量单元，气室之内充满气体，当侧部受压面受到土体的挤压时，气室发生轻微弹性变形，避位空间则避免对光纤光栅应变片的形变产生干涉，通过气体对光栅光纤应变片产生挤压，继而可以获知外界的应变信息，最终获取到该处的土压力信息；由于同一个装置中集成了不同高度的测量单元，继而能完成对不同深度土压力的同步监测；同时，沉降板埋设在路面之下，当路基沉降，带动沉降板向下沉降，带动压力传递结构同步下降，下沉压力传递到气室上方的顶部受压面使气体压强发生改变，通过气体对光栅光纤应变片产生挤压，继而可以获知沉降信息；另外，通过土压力的大小可直接获得土壤中压强大小，对比不同冰晶含量冻土压强可知此时此刻的冻土含水量实际情况，并做出相应的预防措施。

本申请通过采用气室承压配合光栅光纤应变片的使用，使得单个测量单元的灵敏度较高，且测量延时低，可以准确、同步的感测不同深度的土压力，还能准确持续的获得路面沉降信息和冻土含水量信息，有效避免了因人为误差或环境差异导致的数据错误，可以有效地预防建筑因受压力过大导致的建筑破坏或因土质松散导致的建筑不稳定的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的多功能土体状态监测装置的立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的多功能土体状态监测装置的主视结构剖视图；

图3为图2中外壳的C-C剖视图；

图4为本发明实施例采用的外壳的俯视结构示意图；

图5为图4的A-A剖视图；

图6为本发明实施例采用的光纤光栅应变片与外壳的装配结构示意图；

图7为本发明实施例采用的沉降监测组件的立体结构示意图；

图8为本发明实施例采用的悬置梁与连接件的爆炸分解图。

附图标记说明：

10、外壳；10a、侧部受压面；10b、顶部受压面；110、气室；120、安装开口；121、卡槽；130、避位空间；140、导气通道；150、导线通道；160、导线孔；170、悬置安装空间；

20、光栅光纤应变片；

30、连接座；

40、沉降板；

50、悬置梁；510、连接体；511、安装孔；520、压力主体；530、导向凸起；

60、连接件；610、限位凸台；620、卡套；630、卡槽。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1至图6，现对本发明提供的多功能土体状态监测装置进行说明。所述多功能土体状态监测装置，包括外壳10、光栅光纤应变片20和沉降监测组件：外壳10之内沿上下方向顺次形成有多个气室110，每个气室110沿第一水平方向均设有安装开口120，每个安装开口120背离气室的一侧均形成避位空间130，外壳10上沿第二水平方向分布的两个侧面形成侧部受压面10a，第二水平方向垂直于第一水平方向；光栅光纤应变片20(FBG应变片)设于安装开口之内，以将气室110和避位空间130相互隔离。外壳10之中的其中至少一个气室110的上方形成悬置安装空间170，沉降监测组件具有沉降板40和压力传递结构，沉降板40设于外壳10的上方，压力传递结构与沉降板40连接，并形成位于悬置安装空间170之内的压力端，悬置安装空间170的底面形成用于与压力端接触受压的顶部受压面10b。

需要理解的是，本实施例中，光栅光纤应变片20在组装后，气室110和避位空间130之间不能发生气体交互，以保证测量的准确性。

本实施例提供的多功能土体状态监测装置，竖向埋设于土体之下一定的深度，与现有技术相比，每一个气室110与对应的光栅光纤应变片20和避位空间130配合形成一个测量单元，气室110之内充满气体，当侧部受压面受到土体的挤压或扩散作用时，气室110发生轻微弹性变形，避位空间130则避免对光纤光栅应变片20的形变产生干涉，通过气体对光栅光纤应变片20产生挤压，继而可以获知外界的应变信息，最终获取到该处的土压力信息；由于同一个装置中集成了不同高度的测量单元，继而能完成对不同深度土压力的同步监测；同时，沉降板40埋设在路面之下，当路基沉降，带动沉降板40向下沉降，带动压力传递结构同步下降，下沉压力传递到气室110上方的顶部受压面10b使气体压强发生改变，通过气体对光栅光纤应变片20产生挤压，继而可以获知沉降信息；另外，将本装置埋设在冻土之中，通过获知土压力的大小可直接获得土壤中压强大小，对比不同冰晶含量冻土压强可知此时此刻的冻土含水量实际情况，并做出相应的预防措施。

需要说明的是，压力和压强可以通过公式F＝P×S进行换算，其中F为土压力，P为压强，S为侧部受压面10a的受力面积，由于F和S已知，继而可以换算出P，将P与同冰晶含量冻土压强的标准值进行对比，继而可获知对比结果。

本申请通过采用气室110承压配合光栅光纤应变片20的使用，使得单个测量单元的灵敏度较高，且测量延时低，可以准确、同步的感测不同深度的土压力，还能准确持续的获得路面沉降信息和冻土含水量信息，有效避免了因人为误差或环境差异导致的数据错误，可以有效地预防建筑因受压力过大导致的建筑破坏或因土质松散导致的建筑不稳定的问题。

另外，光栅光纤应变片20具有防水性好、寿命长和抗磁干扰的优点，适于执行长期监测任务，有效延长了装置整体的使用寿命，并且其可应用于受磁场影响的区域，适用场景范围广泛。

具体实施时，气室110内采用化学性质稳定的气体，如氮气、惰性气体等，可进一步保证该装置能适用于更广泛的测量场景，保证监测效果稳定可靠。

作为外壳10的一种具体实施方式，外壳10具有沿第二水平方向分布的拼接体，相邻两个拼接体之间密封拼接。通过拼接的方式，便于光纤光栅应变片20和导线的布设装配，降低组装难度。两个拼接体之间的拼缝还可通过密封胶进行加固密封，保证气密性。

可选的，为了保证外壳10的结构强度和耐腐蚀性等性能，同时满足其发生微形变的能力，外壳10采用金属材质制造，例如，采用不锈钢合金制造。

作为外壳10外部轮廓的一种具体设置方式，参阅图1，定义外壳10沿第一水平方向上的尺寸为长度尺寸(D1)，定义外壳沿第二水平方向上的尺寸为宽度尺寸(D2)，长度尺寸(D1)大于宽度尺寸(D2)。本实施例的设置方式使得侧部受压面10a的受力面积较大，比较发生沿第二水平方向的形变，而另外两个与侧部受压面10a相邻的侧面(即沿第一水平方向分布的两个侧面)的受力面积较小，不易发生形变，使得外壳10的形变敏感度较高，能准确感知较低数值的土压力，增强感知土压力的灵敏程度。

可选的，D1与D2的比值在5～10的范围之内，既能保证感测的灵敏性，也能避免外壳10整体因厚度过小损失结构强度的问题。

本实施例中，外壳10示例性的被示出为长方体，但需要理解的是，其他的具有类似轮廓的结构的形状也适用，能满足感测的有效性和灵敏性即可，在此不做唯一限定。

在一些实施例中，参阅图1至图6，外壳10之内还形成有分别各个气室110连通的导气通道140。通过设置到期通道140，能方便的对气室110内的气体进行充放，方便根据实际的测量需求调节气室110的气压。

具体实施时，可将连接于气源的气管与导气通道140的进气口对接，或者将气管直接伸入导气通道140的深处，将导气通道140的进气口处通过灌胶、粘胶等方式密封，保证气密性；埋设好装置后，气管可长期保持与导气通道140连接的状态，无需反复拆装。

更具体的，导气通道140的具体设置方式可采用以下方式：

1)导气通道140与气室100一一对应，继而能根据不同的深度情况对各个气室110的气压进行单独调节，如图1、图2及图5所示。

2)导气通道140具有一个主体通道个多个分支通道，每个分支通道分别对应于不同的气室110，继而能同时完成对多个气室110的调节，加快调节速度。

当然，导气通道140的具体设置方式并不局限于以上两种，也可以是其他方式，能满足气压调节需求即可，在此不再一一列举。

在一些实施例中，参阅图1至图6，外壳10之内还形成有分别与各个避位空间130连通的导线通道150。为了保证信号传输的可靠性，光纤光栅应变片20需要通过导线与外部设备电连接，以传递监测数据，导线依次经过避位空间130和导线通道150穿出，以实现与外部设备的通讯连接，同时，导线的布置路径与气室110之间互不干涉，也有利于保证气室110的气密性。

具体实施时，可在导线通道150的顶部穿出口处通过设置密封垫、密封粘胶等方式对导线通道150进行封堵，避免土体颗粒进入导线通道150并最终进入避位空间130，对光纤光栅应变片20产生影响。

更具体的，为了方便布线，导线通道150具有多个与不同的避位空间130连通的分支通道，多个分支通道汇聚到同一个主体通道上，使得导线可从同一个出口中穿出；或者，也可针对不同的避位空间130分别设置不同的导线通道150，在此不做唯一限定。

在上述实施例的基础上，参阅图2、图3、图5及图6，安装开口120的侧壁形成有与光栅光纤应变片20的外缘卡接适配的卡槽121。通过卡槽121在第一水平方向上实现对光纤光栅应变片20的限位，结构简单，安装方便，限位效果可靠，还有能方便在卡槽121内设置密封胶、密封垫等结构，继而利于保证连接位置的密封性。

为了方便理线，避免导线占用过多的避位空间130，参阅图2、图3、图5及图6，避位空间130和卡槽121之间还开设有导线孔160。在光纤光栅应变片20发生形变的时候，能有效避免导线与光纤光栅应变片20之间发生干涉，保证测量的准确性。

具体的，导线孔160的径向断面为矩形，便于制造和穿线。

在一些实施例中，参阅图1、图2、图4及图5，外壳10的顶部设有连接座30，导气通道140和导线通道150的开口延伸至连接座140的表面。连接座30一体连接于外壳10，其目的是使导气通道140和导线通道150的开口与外壳10的顶面产生高度差，以便于接管，同时还能避免导线在出线位置磨损折断的问题。

更具体的，为了方便与气管的连接，连接座30上于导气通道140的外周形成有对接圆台，气管可直接套在对接圆台之外。

在一些实施例中，参阅图1、图2、图4、图5、图7及图8，压力传递结构包括悬置梁50和连接件60；悬置梁50插设于悬置安装空间170之内，并与悬置安装空间170上下滑动配合，悬置梁50形成压力端；连接件60连接于沉降板40和悬置梁50之间，以将沉降板40下降所产生的压力传递至悬置梁50。

本实施例中，沉降板40埋设在路面之下，当路基沉降，带动沉降板40向下沉降，通过连接件60作用于悬置梁50，最终导致悬置梁50的下沉，下沉压力传递到气室110使气体压强发生改变，最终作用到光纤光栅应变片20上，反应路基实际沉降值。本实施例是装置集成了沉降功能，结构简单，使用更加方便。其中，为了简化结构，将一个位图土体之内适宜高度的气室110用于进行沉降测量即可，该对应的气室110、避位空间130和光纤光栅应变片20形成沉降测量单元，继而可以在一定时刻忽略沉降测量单元中土体压力的影响。

参阅图1、图2、图4、图5、图7及图8，悬置梁50沿第二水平方向延伸出两个连接体510，连接件60具有两个，且分别与两个连接体510连接。本实施例将悬置梁50与连接件60的连接点位外置于外壳10，方便了悬置梁50与连接件60的安装，同时也有利于缩小外壳10的体积。

具体实施时，悬置安装空间170于外壳10的侧壁上形成贯通的开口，以使连接体510伸出。

在一些实施例中，参阅图1、图2及图7，连接件60为竖杆，竖杆的上端连接于沉降板40，竖杆的下端连接于连接体510。竖杆的结构简单，不仅能有效的传递沉降板40的沉降压力，还能通过合理设置竖杆的长度，避免外壳10的沉降影响到路面沉降数值的测量，在一定程度上提高沉降测量的准确性。其中，对竖杆的合理设置可采用尽量延长竖杆长度的方式实现。

在上述实施例的基础上，竖杆之外包裹有胶质软管，以减少竖杆与土体之间的摩擦。

在一些实施例中，参阅图2、图5、图7及图8，悬置梁50具有压力主体520，压力主体520的外侧凸出设有导向凸起530，导向凸起530与悬置安装空间170的侧壁上下滑动配合。本实施例中的导向凸起530对起到限位作用，避免压力主体520在水平方向上发生位移，保证其位置的稳定性；同时，将压力主体520的面积设计的稍小，便于对顶部受压面10b施压。

在一些实施例中，参阅图1、图4、图7及图8，连接体510上形成有使竖杆贯穿的安装孔511，竖杆的底端形成有限位凸台610，竖杆上卡接固定有卡套620，卡套630与限位凸台610配合，以在上下方向上夹持连接体510。在组装时，现将竖杆穿过安装孔511，随后将卡套620套入竖杆，直至卡套620与竖杆的指定位置卡接，实现连接体510与竖杆之间的定位，整体组装结构简单紧凑，安装效率高，达到对测量结果影响最小化的目的。

具体实施时，参阅图8，竖杆底部的侧壁开设有卡槽630，卡套620与卡槽630卡接时即完成装配。其中，卡槽630和卡套620均形成有对接的限位平切面，避免卡套620转动，进一步提升卡接的可靠性。

需要说明的是，连接件60不限于上述的竖杆结构，也可以是其他结构形式，能满足测量及装配需求即可，在此不再赘述。

本申请的多功能土体状态监测装置在组装完成后埋于地下土体中，通过光纤传导线将本装置与光纤解调仪相连以得到相应数据，再通过数据处理得到土体的实时压力数值和沉降数值，通过对比标准建筑最大承受压强或最小受压力，可知该地域土壤是否存在安全隐患，进行提前预防、养护。

本申请的多功能土体状态监测装置体积较小，不破坏地形结构就可测量多组数据，还便于安装及运输；可以改善中土体密度、温度不稳定产生误差或对地质破坏的不利因素，导致难以准确的测量出土体压力及沉降数值的问题，通过在一定区域内合理布置本装置，能实现对不同区域和深度范围土体压力及沉降进行远距离持续测量，为各类土体的工程性质研究和应用提供压力的分布特征及其变化的有效信息；还具有线性度高、对岩土材料适应性强、可实现土体压力测量、装配简便、便于组网等优点；另外，测量方式简单，操作难度较低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多功能土体状态监测装置，其特征在于，包括外壳、光栅光纤应变片和沉降监测组件：

所述外壳之内沿上下方向顺次形成有多个气室，每个所述气室沿第一水平方向均设有安装开口，每个所述安装开口背离所述气室的一侧均形成避位空间，所述外壳上沿第二水平方向分布的两个侧面形成侧部受压面，所述第二水平方向垂直于所述第一水平方向；

所述光栅光纤应变片设于所述安装开口之内，以将所述气室和所述避位空间相互隔离；

所述外壳之中的其中至少一个所述气室的上方形成悬置安装空间，所述沉降监测组件具有沉降板和压力传递结构，所述沉降板设于所述外壳的上方，所述压力传递结构与所述沉降板连接，并形成位于所述悬置安装空间之内的压力端，所述悬置安装空间的底面形成用于与所述压力端接触受压的顶部受压面；

所述压力传递结构包括：

悬置梁，所述悬置梁插设于所述悬置安装空间之内，并与所述悬置安装空间上下滑动配合，所述悬置梁形成所述压力端；以及

连接件，连接于所述沉降板和所述悬置梁之间，以将所述沉降板下降所产生的压力传递至所述悬置梁；

所述悬置梁沿第二水平方向延伸出两个连接体，所述连接件具有两个，且分别与两个所述连接体连接；

所述连接件为竖杆，所述竖杆的上端连接于所述沉降板，所述竖杆的下端连接于所述连接体。

2.如权利要求1所述的多功能土体状态监测装置，其特征在于，定义所述外壳沿所述第一水平方向上的尺寸为长度尺寸，定义所述外壳沿所述第二水平方向上的尺寸为宽度尺寸，所述长度尺寸大于所述宽度尺寸。

3.如权利要求1所述的多功能土体状态监测装置，其特征在于，所述外壳之内还形成有分别各个所述气室连通的导气通道，以及分别与各个所述避位空间连通的导线通道。

4.如权利要求3所述的多功能土体状态监测装置，其特征在于，所述安装开口的侧壁形成有与所述光栅光纤应变片的外缘卡接适配的卡槽。

5.如权利要求4所述的多功能土体状态监测装置，其特征在于，所述避位空间和所述卡槽之间还开设有导线孔。

6.如权利要求1所述的多功能土体状态监测装置，其特征在于，所述悬置梁具有压力主体，所述压力主体的外侧凸出设有导向凸起，所述导向凸起与所述悬置安装空间的侧壁上下滑动配合。

7.如权利要求1所述的多功能土体状态监测装置，其特征在于，所述连接体上形成有使所述竖杆贯穿的安装孔，所述竖杆的底端形成有限位凸台，所述竖杆上卡接固定有卡套，所述卡套与所述限位凸台配合，以在上下方向上夹持所述连接体。