CN116412744A - 一种弱膨胀岩土地区高速铁路路基胀缩变形测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弱膨胀岩土地区高速铁路路基胀缩变形测量装置。测量高速铁路路基胀缩变形的方法有多种，但不容易测得准确的膨胀变形量。本发明基岩固定连杆固定在测量点下伏基岩上；变形映射筒外套于基岩固定连杆，将位于弱膨胀岩土深部的微小胀缩变形映射到地表变形映射筒测量端；变形超高精度测量系统由带有标尺的参照测量筒和变形测量筒构成，参照测量筒与基岩固定连杆上端固定连接，变形测量筒与变形映射筒上端固定连接；变形智能记录系统根据测量点下伏膨胀岩土变形速率自适应记录弱膨胀岩土微小变形。本发明解决了弱膨胀岩土地区土体变形测量精度低的问题，结构简单，易于操作。
Description
技术领域
本发明属于路基变形测量技术领域，具体涉及一种弱膨胀岩土地区高速铁路路基胀缩变形测量装置。
背景技术
膨胀土在我国分布较为广泛，在全国诸多省、市有膨胀土的存在，膨胀土具有的工程性质让其极易受到外部环境(地温、地下水位变化、土壤湿度变化等)因素的影响，使得土壤发生体积变化，进而导致高速铁路路基的胀缩变形。而且膨胀土引发的工程问题种类和程度均千差万别，这大大地增加了工程建设的困难。其裂隙在土体空间中的发展没有规律性，导致其对膨胀土孔隙的形状和大小、颗粒的排列的影响不易评估；超固结性的应力释放所产生的裂隙对膨胀土结构的影响也各不相同；膨胀土吸水或受到扰动后强度的衰减情况也会因膨胀性能和初始湿度的不同而有所差异；风化对膨胀土结构的影响也会因其土层深度各有特点，这些因素都会使膨胀土产生不同的胀缩性，增大对于膨胀土的研究的困难。
铁路建设由于空间跨度大，膨胀土的胀缩变形可能加剧线路的不平顺性，使铁路路基出现各种病害，影响高速铁路的正常运营。膨胀土的存在不仅使铁路建设的维修阶段耗费大量的人力物力，而且严重影响铁路的行车安全。因此，为了解决因弱膨胀土胀缩变形引起的一系列工程问题，有必要对弱膨胀岩土的胀缩性开展深入的试验研究，探明其膨胀变形变化规律，以指导铁路建设。
目前，测量高速铁路路基胀缩变形的方法有多种，包括全站仪法、测量车法、静测法、动测法等。其中，全站仪法是一种比较常用的方法，通过全站仪对路基各个点进行测量，获得路基的三维坐标信息，进而计算出路基的形变情况。然而，由于全站仪的精度限制以及环境因素的影响，这种方法的精度有限，难以满足高速铁路的精度要求，而且弱膨胀土的膨胀变形量较小，不容易测得准确的膨胀变形量，对于弱膨胀土的测量要更加准确需要更加精准的测量装置。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种弱膨胀岩土地区高速铁路路基胀缩变形测量装置，解决了目前弱膨胀岩土变形测量领域中测量精度较低的问题，实现了弱膨胀岩土变形的超高精度的准确测量。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种弱膨胀岩土地区高速铁路路基胀缩变形测量装置，包括基岩固定连杆，所述基岩固定连杆包括铝合金钢锥，锥底面上焊接有铝合金钢柱，铝合金钢锥固定在测量点下伏基岩上；
变形映射筒外套于所述基岩固定连杆，所述变形映射筒包括变形扩大盘，所述变形扩大盘上固定有法兰管件套筒；所述变形扩大盘埋设于弱膨胀岩土层需观测变形位置处，所述法兰管件套筒暴露在地面以上；
变形超高精度测量系统系统包括参照测量筒和变形测量筒，所述参照测量筒与所述基岩固定连杆上端固定连接，参照测量筒侧壁上设置有参照刻度标尺；所述变形测量筒与所述变形映射筒上端固定连接，变形测量筒上设置有变形刻度标尺；
变形智能记录系统放置在所述超高精度测量系统装置刻度标尺侧，包括高频高速自动图像采集系统和智能计算模块，高频高速自动图像采集系统用于采集观测数据；
所述智能计算模块进行图像处理和特征提取，根据标定图像中刻度的位置和对应的映射关系，计算出实际的变形量，最后将变形量以数字形式输出。
进一步，所述测量装置外设置有保护罩。
进一步，所述基岩固定连杆和变形映射筒设置有5mm的间隙。
进一步，所述参照刻度标尺与变形刻度标尺均设有正负刻度，参照刻度标尺每个刻度线为1mm；
变形刻度标尺正负刻度均设有200个等分刻度，每个刻度比参照刻度标尺刻度线小0.005mm。
进一步，所述铝合金钢柱上设置有铝合金钢柱螺纹孔，铝合金钢柱与参照测量筒通过固定螺柱和紧固螺母固定连接。
进一步，所述法兰管件套筒的法兰盘上设置有12个等距法兰管件套筒螺孔；
所述变形测量筒包括半圆筒壁和半圆法兰盘，所述半圆法兰盘上设置有6个等距半圆法兰盘螺孔；变形测量筒和法兰管件套筒通过固定螺栓和紧固螺帽连接。
本发明的有益效果：
1)本发明解决了弱膨胀岩土地区土体变形测量精度低的问题，超高精度测量系统刻度标尺设有正负刻度，变形测量筒上与参照测量筒上对应刻度线之间的刻度差，可实现高速公路路基在服役过程中产生的膨胀和压缩变形0.005mm的超高精度测量；
2)本发明保护罩置于装置最外侧，采用亚克力有机玻璃材料，在实际操作中可减少外界因素对试验数据误差影响的同时，可透过亚克力板观察内部装置的状态；
3)本发明结构简单，结构各部件互不影响，某一构件损坏时易于更换。
附图说明
图1为弱膨胀岩地区高速铁路路基胀缩变形超高精度测量装置三维示意图；
图2为弱膨胀岩地区高速铁路路基胀缩变形超高精度测量装置剖面图；
图3为弱膨胀岩地区高速铁路路基胀缩变形超高精度测量装置俯视图；
图4为固定螺柱和紧固螺母连接详图；
图5为固定螺栓和紧固螺帽连接详图；
图中：1-铝合金钢锥，2-铝合金钢柱，3-铝合金钢柱螺纹孔，4-变形扩大盘，5-法兰管件套筒，6-法兰管件套筒螺孔，7-半圆法兰盘螺孔，8-固定螺栓，9-紧固螺帽，10-变形测量筒，11-变形刻度标尺，12-参照测量筒，13-参照刻度标尺，14-紧固螺母，15-固定螺柱，16-高频高速自动图像采集系统，17-保护罩。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
如图1所示，本发明包括基岩固定连杆，基岩固定连杆包括铝合金钢锥1，锥底面上焊接有铝合金钢柱2，铝合金钢锥固定在测量点下伏基岩上；
铝合金钢锥1为圆锥状，铝合金钢柱2直径和铝合金钢锥1底面直径均为50mm，铝合金钢锥1与下伏基岩进行点接触，能够使基岩固定连杆稳定在下伏基岩上，保持高铁服役过程中基岩固定连杆稳定不产生位移，为上层弱膨胀岩土的变形测量提供稳定的参照；
变形映射筒外套于基岩固定连杆，基岩固定连杆和变形映射筒设置有5mm的间隙，为了防止基岩固定连杆与变形映射筒筒壁产生摩擦从而影响测量试验的数据结果；变形映射筒包括变形扩大盘4，变形扩大盘4上固定有法兰管件套筒5；变形扩大盘4埋设于弱膨胀岩土层需观测变形位置处，法兰管件套筒5暴露在地面以上；弱膨胀岩土产生胀缩变形时，将位于弱膨胀岩土深部的微小胀缩变形映射到变形扩大盘4，使地表变形映射筒产生位移，从而将将位于弱膨胀岩土深部的微小胀缩变形映射到地表变形映射筒测量端；
变形超高精度测量系统系统包括参照测量筒12和变形测量筒10，参照测量筒与基岩固定连杆上端固定连接，参照测量筒12侧壁上设置有参照刻度标尺13；变形测量筒10与变形映射筒上端固定连接，变形测量筒10上设置有变形刻度标尺11；
如图4所示，铝合金钢柱2上设置有铝合金钢柱螺纹孔3，铝合金钢柱2与参照测量筒12通过固定螺柱15和紧固螺母14固定连接；参照测量筒12顶面封闭，基岩固定连杆通过固定螺柱和紧固螺母与参照测量筒12连接，以确定弱膨胀土变形的初始位置，为变形测量提供参照，应保持位置的稳定不变，同时便于参照测量筒12的调节；调节紧固螺母14，可使参照刻度标尺13和变形刻度标尺11的0刻度线平齐设置。
如图5、3所示，法兰管件套筒5的法兰盘上设置有12个等距法兰管件套筒螺孔6，方便在存在螺孔损坏时更换使用其他螺孔，其目的在于提高变形映射筒的使用寿命；变形测量筒10包括半圆筒壁和半圆法兰盘，半圆法兰盘上设置有6个等距半圆法兰盘螺孔7；变形测量筒和法兰管件套筒通过固定螺栓8和紧固螺帽9连接。
参照刻度标尺13与变形刻度标尺11均设有正负刻度，能够测量弱膨胀岩土的膨胀、压缩变形；参照刻度标尺每个刻度线为1mm，实现弱膨胀土变形的粗略测量；
变形刻度标尺正负刻度均设有200个等分刻度，每个刻度比参照刻度标尺刻度线小0.005mm，总长为398mm，用于获取更精确的变形量；变形测量筒传递变形映射筒的位移，通过对齐变形测量筒的0刻度线与参照测量筒上的某一参照刻度线，读取所示参照测量筒获得主刻度值，读取变形测量筒上与参照测量筒上对应刻度线之间的刻度差，可以实现0.005mm超高精度变形测量。
变形智能记录系统根据测量点下伏膨胀岩土变形速率自适应记录弱膨胀岩土微小变形；变形智能记录系统放置在超高精度测量系统装置刻度标尺侧，包括高频高速自动图像采集系统和智能计算模块，高频高速自动图像采集系统用于采集观测数据，高频高速自动图像采集系统采集频率为11000帧/秒，能够根据高精度测量系统的变化情况做出相应的采集频率改变；智能计算模块进行图像处理和特征提取，根据标定图像中刻度的位置和对应的映射关系，计算出实际的变形量，最后将变形量以数字形式输出。
如图2所示，测量装置外设置有保护罩，保护罩17尺寸为1500mm×1500mm×2000mm，保护罩将基岩固定连杆、变形映射筒、超高精度测量系统和变形智能记录系统罩于保护罩下，保护罩与其他部分无接触；保护罩材质为亚克力有机玻璃，厚度为5mm，能够透过板材观察内部试验的过程。
本发明工作原理如下：
参照测量筒能够测得弱膨胀土的1mm级得变形测量，变形测量筒每个刻度线比参照测量筒小0.005mm，即0.095mm，弱膨胀岩土发生变形时，变形测量筒同时会产生位移，变形测量筒上与参照测量筒上对应变形刻度尺刻度线的格数，再与0.005mm的乘积，便获得0.005mm级的变形量；
基岩固定连杆与与参照测量筒连接，确保参照测量筒稳定不动，当弱膨胀岩土产生变形时，变形扩大盘产生上下的移动，同时带动变形测量筒的位移；变形刻度尺的0刻度线的位置处即为参照测量筒1mm级的粗略数据，变形测量筒获得变形测量筒上与参照测量筒上刻度线平齐对应变形刻度尺的格数，再与0.005mm得乘积，获得0.005mm级的变形量；高频高速自动图像采集系统获得变形后的图像，智能计算模块进行图像处理和特征提取，根据标定图像中刻度的位置和对应的映射关系，计算出实际的变形量，最后将变形量以数字形式输出。
本发明具体实施过程如下：
根据试验需要选择相应的弱膨胀岩地区，在弱膨胀岩地区选出合适的试验区域，挖掘土层至表层风化层以下，确定基岩的位置，不足1m深，挖掘至1m，将基岩固定连杆的铝合金钢锥1固定在测量点下伏基岩上，随后进行弱膨胀岩土的填埋，达到总埋深的一半时停止填埋；
随后将变形映射筒外套于基岩固定连杆中，注意基岩固定连杆与变形映射筒保持5mm间隙，继续进行弱膨胀岩土的填埋，直至与地面平齐，整平路面，然后用固定螺栓8和紧固螺帽9将变形测量筒固定在法兰管件套筒5上，待其固定好后，用固定螺柱15和紧固螺母14将参照测量筒12固定在基岩固定连杆上，注意变形刻度标尺11和参照刻度标尺13在同一方向，调节固定螺柱15和紧固螺母14，使变形刻度标尺11和参照刻度标尺13的0刻度线平齐设置。
如图2所示，高频高速自动图像采集系统16固定在超高精度测量系统装置刻度标尺侧，调节高频高速自动图像采集系统采集口，使采集口正对刻度标尺，同时将保护罩17覆于装置上，采集高频高速自动图像采集系统获取的图像，利用智能计算模块进行图像处理和特征提取，根据标定图像中刻度的位置和对应的映射关系，计算出实际的变形量，最后将变形量以数字形式输出，得到弱膨胀岩土的变形情况。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“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。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (6)
1.一种弱膨胀岩土地区高速铁路路基胀缩变形测量装置，其特征在于：包括基岩固定连杆，所述基岩固定连杆包括铝合金钢锥(1)，锥底面上焊接有铝合金钢柱(2)，铝合金钢锥(1)固定在测量点下伏基岩上；
变形映射筒外套于所述基岩固定连杆，所述变形映射筒包括变形扩大盘(4)，所述变形扩大盘(4)上固定有法兰管件套筒(5)；所述变形扩大盘(4)埋设于弱膨胀岩土层需观测变形位置处，所述法兰管件套筒(5)暴露在地面以上；
变形超高精度测量系统系统包括参照测量筒(12)和变形测量筒(10)，所述参照测量筒(12)与所述基岩固定连杆上端固定连接，参照测量筒(12)侧壁上设置有参照刻度标尺(13)；所述变形测量筒(10)与所述变形映射筒上端固定连接，变形测量筒(10)上设置有变形刻度标尺(11)；
变形智能记录系统放置在所述超高精度测量系统装置刻度标尺侧，包括高频高速自动图像采集系统(16)和智能计算模块，高频高速自动图像采集系统用于采集观测数据；
所述智能计算模块进行图像处理和特征提取，根据标定图像中刻度的位置和对应的映射关系，计算出实际的变形量，最后将变形量以数字形式输出。
2.根据权利要求1所述的一种弱膨胀岩土地区高速铁路路基胀缩变形测量装置，其特征在于：所述测量装置外设置有保护罩(17)。
3.根据权利要求1所述的一种弱膨胀岩土地区高速铁路路基胀缩变形测量装置，其特征在于：所述基岩固定连杆和变形映射筒设置有5mm的间隙。
4.根据权利要求1所述的一种弱膨胀岩土地区高速铁路路基胀缩变形测量装置，其特征在于：所述参照刻度标尺(13)与变形刻度标尺(11)均设有正负刻度，参照刻度标尺(13)每个刻度线为1mm；
变形刻度标尺(11)正负刻度均设有200个等分刻度，每个刻度比参照刻度标尺刻度线小0.005mm。
5.根据权利要求1所述的一种弱膨胀岩土地区高速铁路路基胀缩变形测量装置，其特征在于：所述铝合金钢柱(2)上设置有铝合金钢柱螺纹孔(3)，铝合金钢柱(2)与参照测量筒(12)通过固定螺柱(15)和紧固螺母(14)固定连接。
6.根据权利要求1所述的一种弱膨胀岩土地区高速铁路路基胀缩变形测量装置，其特征在于：所述法兰管件套筒(5)的法兰盘上设置有12个等距法兰管件套筒螺孔(6)；
所述变形测量筒(10)包括半圆筒壁和半圆法兰盘，所述半圆法兰盘上设置有6个等距半圆法兰盘螺孔(7)；变形测量筒(10)和法兰管件套筒(5)通过固定螺栓(8)和紧固螺帽(9)连接。
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