CN105043345A - 一种分布式沉降测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式沉降测量装置及测量方法，其中测量装置包括成阵列分布在所测地基的竖直打入土体或基础内部的连续纤维复合筋；连续纤维复合筋由底部锚固端、土层传感杆体、土表锚固片以及数据线引出端组成，在土层传感杆体内部包含在长度方向上拼接的多组长标距应变传感单元，数据线引出端位于土层传感杆体的上端并与长标距应变传感单元连接，在两长标距应变传感单元拼接位置外侧布设有与各土层固结的土层锚固栓，土表锚固片在土表位置与土表锚固，在土层传感杆体外标识有刻度。本发明采用上述结构满足硬土层与软土层地基的复杂环境下沉降的测量要求，抗外界干扰因素强，适合长期连续监测，价格便宜，便于施工和实现多点分布。

Description

一种分布式沉降测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及了一种用于土建交通结构中健康检测和监测的技术，尤其涉及了一种高精度分布式沉降仪及其测量方法。

背景技术

对于如地铁、轻轨和高架桥等土建交通结构中的地基沉降测量，是评价一个地基基础设计或土工构筑物设计的重要指标。工程实践表明，大多数地基事故皆由地基变形过大或不均匀所造成，所以正确测量和控制基础的差异沉降和总沉降使其不超过容许值是至关重要的。近年来，人们对土力学的诸多方面的研究都有突破，但对地基变形的研究却少有进展。传统的地面沉降测量方法包括水准测量、基岩标和分层标测量，只能满足对于某一点的地表和基础点之间的沉降变化，难以满足如复合地基、不均与沉降分布、以及沉降速率等复杂的测量要求。

目前在大型结构健康监测中，越来越多的研究侧重于通过应变传感实现结构损伤识别、性能评价等目的。对如光纤光栅传感技术和基于布里渊散射的光纤传感技术和碳纤维传感技术相关的应变传感芯线中存在的易脆断、芯线滑移、标距内应变不均匀、测量精度和灵敏度等关键指标不足的问题，进行长标距设计封装，从而实现微小直径传感芯线的稳定端部锚固、标距内应变/应力均一化、增敏提高感度设计、和提高耐久性能等增益效果，进而实现结构内大范围的多点分布式连续静态和动态应变测量，达到结构中如变形、固有频率、挠度构件劣化、位移模态、和应变模态等局部和整体的结构状态参数的计算。专利CN103438815A为土建交通领域大型工程结构的长期检测和健康监测提供一种高耐久长标距光纤光栅传感器及其制造方法。专利CN103868445A提供了一种基于碳纤维连续纤维的分布式高精度长标距碳纤维应变测试装置，以提供稳定的动静态应变测量。但另外一方面，应变传感技术在土体等地基的测量技术中尚刚刚起步。目前已经出现了根据光纤传感器布设于土体内部，以测量和监测锚固点至基准点之间的沉降和变形。专利CN102435178A公开了一种通过铠装光缆和光纤光栅与钢筋外面浇筑水泥制成光纤光栅钢筋水泥传感棒，以监测建筑结构的沉降。但光纤直径微小与钢筋直接复合，难以保证准确的应变测量，加之钢筋水泥构件刚度大，不宜于对地基内土体变形的感知。专利CN103438820A公开了一种对于钻孔剖面岩土体分层变形，回填封孔植入光纤的地面沉降测量方法。但由于回填过程中，光纤与填充材料固结为一个整体，不宜于针对各土层不同变形的分布式测量。加之光纤材料性质柔软，当土体内出现切向位移时，难以保证垂直方向沉降测量的准确性。另外对于地表的基准点，特别是软土地基，存在粘结力低下难以保证传感器件与土体协同变形，以及水土流失时难以保证稳定的测量基准点的问题。此外土体内水蚀和生物等影响因素，对于传感器件自身的耐久性要求高。

另一个方面，随着复合材料技术的发展，复合增强材料技术越来越多的应用在结构工程增强和性能改善的应用中。专利Zl103668625A公开了一种多根纤维原丝合股的技术，以达到根据设计要求控制纤维原丝中所受张力大小进而保证合股纱中纤维原丝长度一致性的目的。专利CN201400819Y公开了一种属于土建交通等相关领域的新结构材料和结构形式的玄武岩纤维复合筋及玄武岩纤维复合拉索。为了对复合地基的稳定性和沉降速率实施可靠的测量和监测，需要有一种高精度和高稳定性的沉降测量方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种与土体协调一致并分层测量土体变成的分布式沉降测量装置及测量方法。通过多点式沉降测量，分别测量土表外和土体内沉降仪覆盖区间的应变变化，再计算各段对应的变形，进而获得总沉降量。本发明能够实现对复合地基内各土层对应沉降的感知，实现对大范围沉降发生时基准点失效的情况下高精度的沉降测量要求，适合于纵向和水平方向多点测量的布设，进而达到评价复杂沉降测量中沉降速率和地基稳定性的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种分布式沉降测量装置，其特征在于：包括成阵列分布在所测地基的竖直打入土体或基础内部的连续纤维复合筋；所述连续纤维复合筋由底部锚固端、土层传感杆体、土表锚固片以及数据线引出端组成，在所述土层传感杆体内部包含在长度方向上拼接的多组长标距应变传感单元，所述数据线引出端位于所述土层传感杆体的上端并与所述长标距应变传感单元连接，在两所述长标距应变传感单元拼接位置外侧布设有与各土层固结的土层锚固栓，所述土表锚固片在土表位置与土表锚固，在土层传感杆体外标识有刻度。

所述应长标距变传感单元是点式电子应变传感元件、光纤或碳纤维应变传感元件。

所述土层传感杆体的材料是碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维。

一种分布式沉降装置测量方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一、安装测量装置：在监测点打设竖井后，***并固定所述测量装置；

步骤二、测量并记录土体内在线测量区间的应变初值、各连续纤维复合筋段区间覆盖的标距长度以及土表外读取校正区间的初始刻度，

其中各连续纤维复合筋段区间覆盖的标距长度由下式确定：

$L=\left[\begin{array}{ccccc}{l}_{11}& ...& l_{i1}& ...& l_{m1}\\ & & \·& & \\ & & \·& & \\ & & \·& & \\ l_{1j}& ...& l_{ij}& ...& l_{mj}\\ & & \·& & \\ & & \·& & \\ & & \·& & \\ l_{1n}& ...& l_{in}& ...& l_{mn}\end{array}\right],$

式中m为测量范围内覆盖的在线测量区间监测点个数，n为每个监测点土体内测量装置包含的传感单元组数，

其中：所述土体内在线测量区间为底部固定端部至土表固定端部之间，所述土表外读取校正区间为土表固定端部至自由端之间；

步骤三：沉降变形后，测量上步骤土体内在线测量区间内应变变化，并根据各段区间标距长度，计算各区间对应的压缩变形，并直接读取土表外读取校正区间内露出的刻度变化值，

其中土体内在线测量区间内应变变化由下式确定：

${\mathrm{\ϵ}}_{(m,n)}=\left[\begin{array}{ccccc}{\mathrm{\ϵ}}_{11}& ...& {\mathrm{\ϵ}}_{i1}& ...& {\mathrm{\ϵ}}_{m1}\\ & & \·& & \\ & & \·& & \\ & & \·& & \\ {\mathrm{\ϵ}}_{1j}& ...& {\mathrm{\ϵ}}_{ij}& ...& {\mathrm{\ϵ}}_{mj}\\ & & \·& & \\ & & \·& & \\ & & \·& & \\ {\mathrm{\ϵ}}_{1n}& ...& {\mathrm{\ϵ}}_{in}& ...& {\mathrm{\ϵ}}_{mn}\end{array}\right],$

其中各区间对应的压缩变形由下式确定：

式中为第i个监测点的土体内在线测量值，

其中各区间读取的土表外校正值由下式确定：

${\mathrm{\δ}}^2=\left[\begin{array}{ccccc}{\mathrm{\δ}}_1^2& ...& {\mathrm{\δ}}_i^2& ...& {\mathrm{\δ}}_m^2\end{array}\right],$ 式中为第i个监测点的土表外校正值；

步骤四：对上步骤获得的土体内在线测量区间和土表外读取校正区间的变形求和，获得整体沉降量，

其中各区间整合的总沉降由下式确定：

式中δ_i为第i个监测点的总沉降。

所述步骤一中固定所述测量装置的方法是：利用挤压方法将树脂包压入竖井底部直至稳定的岩层处；通过旋转所述测量体挤破树脂包并搅拌至树脂完全固结。

本发明沉降测量装置的测量体包括土体内在线测量区间和土表外读取校正区间；由于连续纤维复合筋材，通过底层锚固端和土表锚固片与土体锚固，当土层发生沉降时导致连续纤维复合筋材发生压缩变形，其变形传递到应变传感单元实现感知，构成土体内在线测量区间；应变传感单元，通过土层锚固栓与对应土层固结并协同变形，实现对各个土层不同沉降量的感知；应变传感单元，须预先植入有足够预张量以满足杆体各段的压缩变形测量要求；应变传感单元之间的连接处，须具有稳定的刚度设计以避免应变传感单元内部的滑移和初期蠕变；所述的各组长标距应变传感单元两端对应位置布设有土层锚固栓，所述的土层锚固栓通过连续纤维复合筋材杆体外的扩展毛刺实现与各土层固结，同时可采用水压膨胀锚栓，利用高压水注入后锚栓外壁发生永久变形，达到与土体完全固结的分段锚固目的；

应变传感单元是点式电子应变传感元件或光纤或碳纤维应变传感元件；对于监测要求不高的沉降监测项目可以采用点式电子应变传感元件，其传感元件须通过两端锚固的方式安装于高精度分布式沉降仪内部的钢索或钢丝线等弹性传力构件上；对于监测精度要求高和监测深度及范围大的沉降监测项目可以采用光纤应变传感元件，其传感元件可以是光纤光栅或基于布里渊散射光技术的传感方式；对于耐腐蚀性能要求高的沉降监测项目可以采用碳纤维应变传感元件，其传感元件可以是电桥测量方式或基于电子时域反射的传感方式。

本发明的特点是通过锚入稳定岩层的底层锚固端和土表的锚固片，以保证竖直方向沉降测量的准确性；通过杆体各段的土层锚固栓和应变传感单元，实现对各个土层变形分段监测；由于杆体的毛刺和分段锚固栓结构，保证各土层测量结果的准确性；即使对粘结力不足的软土层和水土流失严重的监测对象，依然可通过自带的校正区，方便快捷的实现测量结果的校正。

附图说明

图1是本发明的结构图。

图2是本发明安装后示意图。

图3是本发明工作原理示意图。

图4是本发明截面及纵向布设示意图。

图5是本发明全线监测网络示意图。

其中：

1-土表锚固端；2-应变传感单元；3-接合部；4-底部锚固端；5-自由端；6-传输导线；7-数据传输装置；8-岩层；9-土层一；10—土层二；11-土层三；A1-土体内在线测量区间中土层1对应区间；A2-土体内在线测量区间中土层2对应区间；A3-土体内在线测量区间中土层3应区间；B-土表外读取校正区间；P-地表；P0-沉降前地表；P1-沉降后地表。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明作进一步阐述。本发明测量装置主要包括测量体，测量体由土表锚固端1、位于杆体内部的应变传感单元2、应变传感单元2之间的接合部3、植入不发生沉降的稳定岩盘的底部锚固端4、带测量接头的自由端5和传输导线6组成。

下面结合附图2对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的沉降测量装置包括土体外和土体内两个测量区间，其中土表锚固端1和底部锚固端4之间为土体内在线测量区间，土表锚固端1和自由端5之间为土表外读取校正区间。

每个测量区间内分别包含一组或多组应变传感单元2，应变传感单元的数目根据土层数目和测量要求制定。应变传感单元2通过接合部3串联。利用应变传感单元分布式植入复合材料筋内，将复合材料筋打设进地基内，其底部锚固端4锚入不发生沉降的稳定岩层，其土表锚固端1与土表锚固，其自由端5引出数据传输线6，接入数据传输装置7，以实现测量。

在本发明的沉降测量装置安装需要标定各个传感单元对应的标距长度，即附图2中区间A1、A2、A3、····A_n+1对应的长度L1、L2、L3、····L_n+1。当发生沉降后，测量土体内区间对应的应变变化和土体外区间的长度变化。

如图3所示，对于土体内在线测量区间的沉降变形为压缩应变，其实测应变值为负数，取绝对值1、2、3、····ε_n按照式1计算土体内沉降1。

$\mathrm{\δ}1=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ϵ}}_i\×L_i$ 式1

如图3所示，对于土表外读取校正区间的土表外沉降2由杆体标识刻度直接读取。

按照式2整合计算总沉降。

δ＝δ1+δ2式2

如图4所示，将本发明的传感器布设于公路及铁路的路基等线型护坡上，及获得a、b、c多点的面状沉降分布。

沉降前应变分布： $\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\ϵ}}_{a1}& {\mathrm{\ϵ}}_{b1}& {\mathrm{\ϵ}}_{c1}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{a2}& {\mathrm{\ϵ}}_{b2}& {\mathrm{\ϵ}}_{c2}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{a3}& {\mathrm{\ϵ}}_{b3}& {\mathrm{\ϵ}}_{c3}\end{array}\right];$

沉降后应变分布： $\left[\begin{array}{ccc}{{\mathrm{\ϵ}}_{a1}}^{,}& {{\mathrm{\ϵ}}_{b1}}^{,}& {{\mathrm{\ϵ}}_{c1}}^{,}\\ {{\mathrm{\ϵ}}_{a2}}^{,}& {{\mathrm{\ϵ}}_{b2}}^{,}& {{\mathrm{\ϵ}}_{c2}}^{,}\\ {{\mathrm{\ϵ}}_{a3}}^{,}& {{\mathrm{\ϵ}}_{b3}}^{,}& {{\mathrm{\ϵ}}_{c3}}^{,}\end{array}\right];$

总沉降量整合： $\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\δ}}_{a1}& {\mathrm{\δ}}_{b1}& {\mathrm{\δ}}_{c1}\\ {\mathrm{\δ}}_{a2}& {\mathrm{\δ}}_{b2}& {\mathrm{\δ}}_{c2}\\ {\mathrm{\δ}}_{a3}& {\mathrm{\δ}}_{b3}& {\mathrm{\δ}}_{c3}\end{array}\right].$

本发明的工作原理为:本发明的工作过程如下:在沉降测量工程中，将沉降仪埋设在不同深度土层中，其底部须埋设与稳定的岩层中。首先，通过与杆体协调变形的长标距传感单元，测量土体内沉降量；再通过测量自由端和土表锚固端测量区间的长度，测量土表外的沉降量；通过整合以上两个结果，即可知道发生的总沉降。

如图5所示，将本发明的传感器布设于交通线路的各个监测区域，并通过根据传感器种类构建不同的信号传输网络，如光纤类传感可构件有线的光纤传输网络，碳纤维等电子传感器可构建无线的信号传输网络。继而建立关于水平方向分布式的，且包含纵向多点的全线监测网络。

Claims (5)

1.一种分布式沉降测量装置，其特征在于：包括成阵列分布在所测地基的竖直打入土体或基础内部的连续纤维复合筋；所述连续纤维复合筋由底部锚固端、土层传感杆体、土表锚固片以及数据线引出端组成，在所述土层传感杆体内部包含在长度方向上拼接的多组长标距应变传感单元，所述数据线引出端位于所述土层传感杆体的上端并与所述长标距应变传感单元连接，在两所述长标距应变传感单元拼接位置外侧布设有与各土层固结的土层锚固栓，所述土表锚固片在土表位置与土表锚固，在土层传感杆体外标识有刻度。

2.根据权利要求1所述的分布式沉降测量装置，其特征在于：所述应长标距变传感单元是点式电子应变传感元件、光纤或碳纤维应变传感元件。

3.根据权利要求1所述的分布式沉降测量装置，其特征在于：所述土层传感杆体的材料是碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维。

4.一种采用权利要求1所述分布式沉降装置测量沉降的方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一、安装测量装置：在监测点打设竖井后，***并固定所述测量装置；

步骤二、测量并记录土体内在线测量区间的应变初值、各连续纤维复合筋段区间覆盖的标距长度以及土表外读取校正区间的初始刻度，

其中各连续纤维复合筋段区间覆盖的标距长度由下式确定：

$L=\left[\begin{array}{ccccc}{l}_{11}& \mathrm{...}& l_{i1}& \mathrm{...}& l_{m1}\\ & & .& & \\ & & .& & \\ & & .& & \\ l_{1j}& \mathrm{...}& l_{ij}& \mathrm{...}& l_{mj}\\ & & .& & \\ & & .& & \\ & & .& & \\ l_{1n}& \mathrm{...}& l_{in}& \mathrm{...}& l_{mn}\end{array}\right],$

式中m为测量范围内覆盖的在线测量区间监测点个数，n为每个监测点土体内测量装置包含的传感单元组数，

其中：所述土体内在线测量区间为底部固定端部至土表固定端部之间，所述土表外读取校正区间为土表固定端部至自由端之间；

步骤三：沉降变形后，测量上步骤土体内在线测量区间内应变变化，并根据各段区间标距长度，计算各区间对应的压缩变形，并直接读取土表外读取校正区间内露出的刻度变化值，

其中土体内在线测量区间内应变变化由下式确定：

${\mathrm{\ϵ}}_{(m,n)}=\left[\begin{array}{ccccc}{\mathrm{\ϵ}}_{11}& \mathrm{...}& {\mathrm{\ϵ}}_{i1}& \mathrm{...}& {\mathrm{\ϵ}}_{m1}\\ & & .& & \\ & & .& & \\ & & .& & \\ {\mathrm{\ϵ}}_{1j}& \mathrm{...}& {\mathrm{\ϵ}}_{ij}& \mathrm{...}& {\mathrm{\ϵ}}_{mj}\\ & & .& & \\ & & .& & \\ & & .& & \\ {\mathrm{\ϵ}}_{1n}& \mathrm{...}& {\mathrm{\ϵ}}_{in}& \mathrm{...}& {\mathrm{\ϵ}}_{mn}\end{array}\right],$

其中各区间对应的压缩变形由下式确定：

式中为第i个监测点的土体内在线测量值，

其中各区间读取的土表外校正值由下式确定：

${\mathrm{\δ}}^2=\left[\begin{array}{ccccc}{\mathrm{\δ}}_1^2& \mathrm{...}& {\mathrm{\δ}}_i^2& \mathrm{...}& {\mathrm{\δ}}_m^2\end{array}\right],$ 式中为第i个监测点的土表外校正值；

步骤四：对上步骤获得的土体内在线测量区间和土表外读取校正区间的变形求和，获得整体沉降量，

其中各区间整合的总沉降由下式确定：

式中δ_i为第i个监测点的总沉降。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤一中固定所述测量装置的方法是：利用挤压方法将树脂包压入竖井底部直至稳定的岩层处；通过旋转所述测量体挤破树脂包并搅拌至树脂完全固结。