CN209485261U - 一种土体位移场测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种土体位移场测试装置，变形弹簧容置于外部保护筒内，该变形弹簧的每端均设有变形协调锚定板组件及测试杆组件；每端变形协调锚定板组件均安装在装配管上，每端测试杆的一端与同端的变形协调锚定板组件相连，另一端插入外部保护筒内，并与变形弹簧连接；每个测试单元中测试杆位于外部保护筒内的部分安装有监测测试杆应变的测试传感器；装配管上设有开口，通过开口向装配管内回填被测试回填土体。本实用新型能最大程度地与周边土体变形协调，从而可相对精细地描述每个测试单元内土体的位移场时程变化情况，并采用自动化的数据采集方式根据需要设置采集频率，减少人工工作量。

Description

一种土体位移场测试装置

技术领域

本实用新型属于岩土工程现场实验监测与测量领域，具体地说是一种土体位移场测试装置，适用于路基等回填土压缩沉降位移场和冻土地区土体冻胀位移场(如越冬深基坑临空面水平位移场和地面的竖向位移场)的测试。

背景技术

路基、挡土墙等回填土体的竖向固结沉降以及冻土地区因土体冻胀而产生的土体水平和竖向位移对相关领域的工程建设质量评估、安全性评价以及冻土冻胀机理的研究具有重要的意义。目前的测试手段往往只能监测最表层土体宏观的位移量，不能得到各层土体相对位移量，因此对工程的评估存在一定的片面性。

实用新型内容

为了解决现有测试手段只能监测最表层土体位移量的问题，本实用新型的目的在于提供一种土体位移场测试装置。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

本实用新型包括装配管及设置在该装配管内的至少一个测试单元，所述测试单元包括变形协调锚定板组件、测试杆组件及变形测试组件，该测试杆组件包括测试杆及测试传感器，所述变形测试组件包括变形弹簧及外部保护筒，其中变形弹簧容置于外部保护筒内，该变形弹簧的每端均设有所述变形协调锚定板组件及测试杆组件；每端所述变形协调锚定板组件均安装在装配管上，每端所述测试杆的一端与同端的变形协调锚定板组件相连，另一端插入所述外部保护筒内，并与所述变形弹簧连接；每个所述测试单元中测试杆位于外部保护筒内的部分安装有监测测试杆应变的测试传感器；所述装配管上设有开口，通过该开口向装配管内回填被测试回填土体；

其中：所述变形协调锚定板组件包括锚定板、固定螺母及垫片，该锚定板安装在所述装配管内，所述锚定板上开有供测试杆穿过的通孔；所述锚定板的两侧对称设有固定螺母，每侧的固定螺母均螺纹连接在所述测试杆的一端，每侧的固定螺母与所述锚定板之间均设有套在测试杆上的垫片；

所述锚定板的两侧均设有临时固定插销，该临时固定插销插设于所述装配管上，并与所述锚定板抵接，相邻两锚定板通过临时固定插销按照设定的目标距离进行定位；所述目标距离使变形弹簧处于张拉状态；

所述锚定板上的通孔水平两侧对称开设有用于测试传感器导线穿过的预留孔A；

所述装配管的内径与锚定板的外径相等，该锚定板的外径为所述测试杆直径的五～十倍；

所述测试杆的另一端开有与变形弹簧连接的预留孔B；所述测试传感器在测试杆上的布置区在固定螺母与预留孔B之间，该布置区与固定螺母之间的间距以及与预留孔B之间的间距均大于或等于2.5倍测试杆直径；

所述测试传感器为全桥测试传感器，包括两组水平对称分布的应变片，每组包括一个轴向布置的应变片及一个环向布置的应变片；

所述测试单元为多个时，相邻两测试单元之间共用同一个变形协调锚定板组件，该共用的变形协调锚定板组件上安装一个测试杆，所述测试杆的两端分别插入相邻两测试单元中的外部保护筒内；

所述测试杆上布置测试传感器的布置区安装有温度修正探头。

本实用新型的优点与积极效果为：

本实用新型可根据需要设置一个或多个测试单元，每个测试单元相对独立，能最大程度地与周边土体变形协调，从而可相对精细地描述每个测试单元内土体的位移场时程变化情况，并采用自动化的数据采集方式根据需要设置采集频率，减少人工工作量；本实用新型可为实际工程和冻土冻胀机理的研究提供有效可靠方法。

附图说明

图1为本实用新型的结构纵剖面图；

图2为图1中的A—A剖面图；

图3为图1中的B—B剖面图；

图4为本实用新型测试传感器全桥组方式示意图；

其中：1为锚定板，2为垫片，3为固定螺母，4为测试杆，5为测试传感器，6为变形弹簧，7为外部保护筒，8为装配管，9为预留孔A，10为临时固定插销，11为温度修正探头，12为被测试回填土体，13为预留孔B，14为开口。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详述。

如图1～4所示，本实用新型包括装配管8及设置在该装配管8内的至少一个测试单元，测试单元包括变形协调锚定板组件、测试杆组件及变形测试组件；其中变形协调锚定板组件包括锚定板1、固定螺母3及垫片2，该锚定板1的端面为圆形，安装在装配管8内，装配管8的内径与锚定板1的外径相等，在锚定板1的圆心位置开有供测试杆4穿过的通孔；锚定板1的两侧对称设有固定螺母3，每侧的固定螺母3均螺纹连接在测试杆4的一端，使测试杆4随锚定板1同步移动，每侧的固定螺母3与锚定板1之间均设有套在测试杆4上的垫片2。锚定板1的两侧均设有临时固定插销10，该临时固定插销10插设于装配管8上，并与锚定板1抵接，相邻两锚定板1通过临时固定插销10按照设定的目标距离进行定位；该目标距离使变形弹簧6处于张拉状态。锚定板1上的通孔水平两侧对称开设有用于测试传感器5导线穿过的预留孔A9。本实用新型锚定板1的材料为铝合金或不锈钢板，刚度应较大(弹模在40GPa以上)；锚定板1的外径D1为测试杆4直径d1的五～十倍。

测试杆组件包括一根设定长度的测试杆4及测试传感器5，测试杆4的材料为铝合金，弹性模量小(在40～80GPa范围)、且变形能力强(弹性应变能达到2％～5％)，测试杆4的一端通过固定螺母3固定到锚定板1，另一端设有预留孔B13，在测试杆4中间(应力分布均匀区)布置测试传感器5；本实用新型的测试传感器5为全桥测试传感器，包括两组水平对称分布的应变片，每组包括一个轴向布置的应变片及一个环向布置的应变片、共四片应变片。在安装测试杆组件时，应将测试传感器5的位置放在水平两侧表面而非测试杆4的上表面和下表面，通过全桥电路和几何位置的布置最大限度降低环境对测试的影响；测试杆4的直径d1宜取值为5mm～30mm，主要取决于测试目标的位移量。测试杆4在布置测试传感器5的一侧，其轴向尺寸以不小于五倍测试杆4直径d1、固定螺母3和垫片2的固定长度、以及测试传感器5布置区三者长度之和，测试传感器5的布置区应在固定螺母3和设有预留孔B13另一端2.5倍直径之外(应力分布均匀区)，即测试传感器5在测试杆4上的布置区在固定螺母3与预留孔B13之间，该布置区与固定螺母3之间的间距以及与预留孔B13之间的间距均大于或等于2.5倍测试杆4直径。每片应变片布置之前应该检测是否符合标准(阻值误差在允许范围内)，并应采用丙酮或无水乙醇连续多次清洁以保证传感器粘贴区洁净，粘贴应该使用性能稳定的高强度快干胶，粘贴时严格控制轴向和环向的定位，不能偏离方向，同时采用防水防尘薄膜覆盖，用拇指肚滚动按压的方式挤出应变片底下的空气和多余胶水，待胶水硬化后松开；一侧粘贴完毕在另一侧对称位置按同样方法粘贴。四片应变片粘贴完毕用万用表检查完好后在合适位置布置接线端子，通过接线端子配合组成全桥电路，并在相应位置焊接数据采集导线。焊接完毕除掉多余的线头，采用硅胶将测试传感器5及焊接端子封装。导线通过锚定板1上的预留孔A9穿出。

变形测试组件包括变形弹簧6及外部保护筒7，变形弹簧6容置于外部保护筒7内，该变形弹簧6的每端均设有变形协调锚定板组件及测试杆组件；每端测试杆4的一端与同端的锚定板1相连，另一端插入外部保护筒7内，并通过预留孔B13与变形弹簧6连接。每个测试单元中测试杆)位于外部保护筒7内的部分安装有监测测试杆4应变的测试传感器5。装配管8上沿长度方向设有开口14，通过该开口14向装配管8内回填被测试回填土体12，开口14的长度要小于或等于装配管8的长度。本实用新型的变形弹簧6应选用弹性变形能力强的材料(如不锈钢)，保证大变形情况下仍在弹性阶段且产生较小的应力损失，变形弹簧的刚度系数应在3kN/m～15kN/m范围。变形弹簧的长度不应小于2倍的锚定板1的直径D1；变形弹簧6的刚度系数应通过三次以上的试验测试取得，并取合格数据(剔除离散度大数据)的平均值；外部保护筒7的主要作用是防止外部的土体进入变形弹簧6中影响变形弹簧6的性能。装配时，应将变形弹簧6和外部保护筒7内部涂油以起到防腐和降低弹簧与保护筒摩阻的作用。每个测试单元的导线外层可涂抹凡士林等润滑物质，在每个测试单元走线布置时应预留有变形量，防止导线随土体的变形而扯紧。应对测试杆组件和变形测试组件等相关金属部件进行防腐处理，以免在测试过程中其性能因腐蚀而变化，影响测试精度。

当测试单元为多个时，相邻两测试单元之间共用同一个变形协调锚定板组件，该共用的变形协调锚定板组件上安装一个测试杆4，测试杆4的两端分别插入相邻两测试单元中的外部保护筒7内。

本实用新型在测试杆4上布置测试传感器5的布置区安装有温度修正探头11。

本实用新型的量程包括测试杆4的量程和变形弹簧6的弹性量程两部分，最终每个测试单元的量程取两者较小值。其中，测试杆4的量程取为(0.5～0.8)A·σ_b，变形弹簧6的弹性量程通过测试测定，且测试杆4的轴向变形应变量ε应控制在弹性且2％范围内(采用大应变应变片除外)。其中，A为测试杆4的截面面积，σ_b为材料的屈服强度。

本实用新型每个测试单元的变形弹簧6张拉状态时的长度L3＝L0+ΔL，其中L0为变形弹簧6的初始长度，ΔL为变形量；在测试压缩位移状态时，ΔL应该大于预估的压缩变形值。外部保护筒7的端部与距离其最近的固定螺母3之间的预留距离，拉伸测试时以10～20mm为宜，压缩测试时以20～50mm且大于预估的压缩量为宜，既有拉伸也有压缩时按压缩测试标准。

本实用新型为路基、挡土墙等具有回填土作业及冻土地区土体水平和竖向冻胀的自动监测提供一种简便可靠的测试装置，其测试方法包括以下步骤：

步骤1：对每个测试单元的测试杆4进行标定，建立测试杆4应变数值与变形弹簧6的变形值及负载之间的函数关系；具体为：每一组测试装置(几个测试单元串联到一起共同工作成为一组)在贴好测试传感器5后，需要对每个测试单元的测试杆4进行标定才能装配在一起使用。将每个测试单元连接目标测试所需的导线长度，带着导线进行综合标定。将一个测试单元中的锚定板1通过临时固定插销10固定，并将测试传感器5的应变片组成的桥路连接到静态电阻应变采集仪，在测试杆4没有负载的情况下进行通道平衡，在另一端沿着测试杆4的轴向(即变形弹簧6的方向)逐级施加负载并记录测试杆4的响应数值、变形弹簧6的总变形值、负载值:0-20N-40N-80N-……-(0.5Aσ_b)。其中，σ_b为材料的屈服强度，即施加的最大负载应该在材料的弹性阶段，测试杆4的量程为(0.5Aσ_b)，也可根据测试条件预估最大工况负载，只要标定到超出使用负载的范围即可，以减少工作量。每级加载的读数应该稳定后再读，并保持连续五次读数一致的数据作为该级荷载响应数值，后续跟进测试结果，建立测试杆4响应数值与变形弹簧6的变形值及负载之间的函数关系(在测试杆4弹性范围内呈线性关系)。

同时，在测试单元的测试杆进行标定后，还应进行设定负载下的温度影响标定。标定测试杆4在不同温度环境下(相对于平衡时的温度)的读数变化规律并记录(得到环境每变化一度全桥桥路应变变化量Δε)；将每个测试杆4进行编号，将标定数据按照编号一一对应记录。

装配管8的内径D1应该与锚定板1的外径相同，装配管8的壁厚尽量小且有足够的硬度和刚度，以1～3mm左右为佳，以减少装配管8抽出后对填充土样的扰动。

步骤2：在目标测试场景中装配各个测试单元；装配包括在目标测试场景为临空面时，进行水平测试装配；在目标测试场景为非临空面时，进行非水平测试装配。

水平测试装配：水平测试装配主要用于边坡、基坑或其他具有临空面的工程项目中，监测工程实施过程中或项目投入运营后的健康监测中。将装配管8的内外均涂抹一层凡士林或油以便于在目标测试位置安装好后抽出；使用临时固定插销10将各测试单元的相邻两块锚定板1按照目标距离临时固定在装配管8中，这个距离应该使变形弹簧6处于张拉状态(其中张贴的应变片应分布在测试杆4的水平两侧而非上下部位)，张拉程度视测试场的变形情况预估，总的原则是测试过程中不能让变形弹簧6处于松散状态)，将对应的变形弹簧6的两端连接到相邻两锚定板1上的两根测试杆4另一端的预留孔B13，同时将变形弹簧6的外部保护筒7装配到变形弹簧6上(外部保护筒7的内外也应涂抹凡士林或油、以减少摩阻)，对外部保护筒7两端用薄膜包扎以防土颗粒掉落到外部保护筒7内的变形弹簧6中而影响测试；将配置好的土样(比要测的目标位置土层含水量高1～2％)按照目标密度(比目标位置土质密度大0.1～0.3g/cm³)在两个相邻锚定板1之间填充密实，填充过程中注意保护测试杆组件，并在每个测试单元的测试杆4上的测试传感器5的一侧放置温度修正探头11；土样填充完毕后抽出临时固定插销10；在基坑等工程的临空面目标测试位置开挖与装配管8外径相同的孔洞，深度比所有测试单元总长度长10～50cm，将装配好的测试套件(测试装置+被测试回填土体12+辅助套件)放入挖好的孔洞中，并将外部缺少开口14的部分用土填实；将所有测试单元的数据采集导线连接到采集仪上，再静置5～48h开始测试。

非水平测试装配：非水平测试装配分为竖向及斜向，主要用于路基、挡土墙等回填土的位移场测试中。回填过程中，在目标测试位置将一个测试单元固定在测试位置，同时按照目标密实度进行回填；回填到本测试单元上部锚定板1时，应将测试变形弹簧6拉伸处于受拉状态(拉伸变形值应大于预估变形理论值)，对外部保护筒7两端用薄膜包扎以防土颗粒掉落到外部保护筒7内的变形弹簧6中影响测试；然后回填过程中再依次往上布置相应的测试单元。在每个测试单元的测试杆4上的测试传感器5的一侧放置温度修正探头11，根据标定的数值对测试数据进行修正。

测试杆全桥贴片与连接方式：测试杆4在应变片粘贴区对称位置每侧分别沿轴向和环向(或横向)贴片，如图3所示，共有四片应变片，按照图4所示连接组成全桥测试电路并连接到静态应变采集仪相应的采集通道；桥路中的A点作为电源正端、B点为信号正端、C为电源负端、D为信号负端。

测试装置与采集仪的连接与采集：每一组测试装置(几个测试单元串联到一起共同工作成为一组)可以包括多个测试单元，每个测试单元均为全桥测试电路，将每个测试单元的数据导线通过锚定板1上的预留孔A9穿出后连接到采集仪的采集通道，并将此通道设置为全桥电路。测试装置布置到目标位置后，将所有数据连接到采集仪，测试前，先采集10～20组数据，待数据稳定后，将所用通道状态归零(通道平衡)，然后根据需要设置采集间隔(1s～1d)，同时开始采集数据(测试单元和温度探头的)。

位移值计算方法：通过采集仪采集各组(位移场)测试装置各单元的数据ε′_ti(ti表示ti时刻采集的数值)，首先应该进行温度修正：

ε_ti＝ε′_ti+(T₀-T_ti)×Δε

其中，ε′_ti为采集仪采集的应变值，ε_ti为温度修正后真实值，T₀为采集仪通道平衡时相应测点处的温度，T_ti为某时刻的温度，Δε为环境每变化一度桥路应变变化量。

通过标定数据关系ε_ti～N_ti换算出对应时刻的轴力N_ti，然后根据变形弹簧6的刚度系数换算变形值d_ti＝N_ti/K_i(其中K_i为对应测试单元变形弹簧6的刚度系数)；也可以直接根据标定的应变位移变形关系ε_ti～d_ti换算各时刻位移值，数据处理完毕可以绘制位移场的时程关系曲线图，以便分析各土层位移场的变化规律。

Claims (10)

1.一种土体位移场测试装置，其特征在于：包括装配管(8)及设置在该装配管(8)内的至少一个测试单元，所述测试单元包括变形协调锚定板组件、测试杆组件及变形测试组件，该测试杆组件包括测试杆(4)及测试传感器(5)，所述变形测试组件包括变形弹簧(6)及外部保护筒(7)，其中变形弹簧(6)容置于外部保护筒(7)内，该变形弹簧(6)的每端均设有所述变形协调锚定板组件及测试杆组件；每端所述变形协调锚定板组件均安装在装配管(8)上，每端所述测试杆(4)的一端与同端的变形协调锚定板组件相连，另一端插入所述外部保护筒(7)内，并与所述变形弹簧(6)连接；每个所述测试单元中测试杆(4)位于外部保护筒(7)内的部分安装有监测测试杆(4)应变的测试传感器(5)；所述装配管(8)上设有开口(14)，通过该开口(14)向装配管(8)内回填被测试回填土体(12)。

2.根据权利要求1所述的土体位移场测试装置，其特征在于：所述变形协调锚定板组件包括锚定板(1)、固定螺母(3)及垫片(2)，该锚定板(1)安装在所述装配管(8)内，所述锚定板(1)上开有供测试杆(4)穿过的通孔；所述锚定板(1)的两侧对称设有固定螺母(3)，每侧的固定螺母(3)均螺纹连接在所述测试杆(4)的一端，每侧的固定螺母(3)与所述锚定板(1)之间均设有套在测试杆(4)上的垫片(2)。

3.根据权利要求2所述的土体位移场测试装置，其特征在于：所述锚定板(1)的两侧均设有临时固定插销(10)，该临时固定插销(10)插设于所述装配管(8)上，并与所述锚定板(1)抵接，相邻两锚定板(1)通过临时固定插销(10)按照设定的目标距离进行定位。

4.根据权利要求3所述的土体位移场测试装置，其特征在于：所述目标距离使变形弹簧(6)处于张拉状态。

5.根据权利要求2所述的土体位移场测试装置，其特征在于：所述锚定板(1)上的通孔水平两侧对称开设有用于测试传感器(5)导线穿过的预留孔A(9)。

6.根据权利要求2所述的土体位移场测试装置，其特征在于：所述装配管(8)的内径与锚定板(1)的外径相等，该锚定板(1)的外径为所述测试杆(4)直径的五～十倍。

7.根据权利要求2所述的土体位移场测试装置，其特征在于：所述测试杆(4)的另一端开有与变形弹簧(6)连接的预留孔B(13)；所述测试传感器(5)在测试杆(4)上的布置区在固定螺母(3)与预留孔B(13)之间，该布置区与固定螺母(3)之间的间距以及与预留孔B(13)之间的间距均大于或等于2.5倍测试杆(4)直径。

8.根据权利要求1所述的土体位移场测试装置，其特征在于：所述测试传感器(5)为全桥测试传感器，包括两组水平对称分布的应变片，每组包括一个轴向布置的应变片及一个环向布置的应变片。

9.根据权利要求1所述的土体位移场测试装置，其特征在于：所述测试单元为多个时，相邻两测试单元之间共用同一个变形协调锚定板组件，该共用的变形协调锚定板组件上安装一个测试杆(4)，所述测试杆(4)的两端分别插入相邻两测试单元中的外部保护筒(7)内。

10.根据权利要求1所述的土体位移场测试装置，其特征在于：所述测试杆(4)上布置测试传感器(5)的布置区安装有温度修正探头(11)。