一種面向地下結構施工的土體性能監測裝置及其工作方法與流程

2023-10-24 22:36:31 2

本發明涉及土木工程中地下結構領域，具體涉及一種土體監測裝置及其工作方法。

背景技術：

近年來，地下土體的監測是巖土工程項目質量安全評價、地質災害預測的重要手段及研究熱點。它可以深入巖土體內部進行地下不同深度水平位移、沉降、應力、水位等地質參數的動態監測，因此能準確檢測地下位移形變信息，確定變形範圍，進而研究變形機制、成災現狀、發展趨勢及防災預報。而監測上的不可見和複雜性導致地下監測技術發展緩慢，存在精度差、成本高、非自動化或難於準確計算地下位移量等問題。

隨著我國城市化進程的不斷深入，大中型城市軌道交通及地下空間的利用得到了飛速發展，準確評估新建地下工程對既有結構安全性影響已成為當務之急。

現階段監測深層土體的壓力值、變形及水位一般採用土壓力盒、測斜管和水位計分別進行。(1)在工程測試工作中，測試元件的剛度一般都不等同於被測試的結構物或巖土體，土壓力盒由於其採用厚壁金屬材料製成，因此具有較大的剛度，在巖土工程測試中土壓力盒自身剛度大小對測試結果的影響很大，甚至出現了因所埋設測試元件的剛度問題使得結構物的受力變形特徵發生變化的情況。其次，土壓力盒埋設於土體中，不能實現測點處多深度測量，想要測試不同深度處土壓力，則需埋設多個，價格成本較為昂貴。(2)土體測斜儀在測量土體水平位移過程中也存在幾個常見問題，鋁合金測斜管導向槽的扭轉較小，而塑料測斜管的扭轉問題較為嚴重；測斜管達到極限變形後，極限彎曲部位以下地方的水平位移無法進一步測量；測斜管兩端被相對固定，且測斜管管材的剛度遠遠大於飽和軟土，導致軟土與測斜管不能協調變形。可見，基於測斜儀得到的水平位移數值是近似的，有可能因非確定性因素導致監測結果存在較大的誤差。(3)水位計用於地下水位監測時，常常需要藉助於測斜管孔或預先設置的鑽孔。當大量的降水來臨時，易直接從測斜管口直接流入，導致管內水位的急劇變化，而測斜管與地下水位的相通性又不暢，故所測地下水位不具有實時性，不能及時反映地下水位的變化。

技術實現要素：

發明目的：本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種面向地下結構施工的土體性能監測裝置及其工作方法，可在不同深度處實現對土體壓力、變形及水位變化的實時監測，為地下結構施工及周圍建築提供了可靠地安全預警。

技術方案：本發明提供了一種面向地下結構施工的土體性能監測裝置，包括多個在豎直方向上順序連接的監測子裝置，所述監測子裝置包括電路保護盒、圍設在電路保護盒周圍的土壓力接觸板、沿周向包裹在土壓力接觸板外的透水無紡布，電路保護盒的外壁及土壓力接觸板的內壁設有相對應的雷射發射及接收器，每個電路保護盒中的電路相互並聯並與電源構成迴路，同時每個電路保護盒中的電路在兩個金屬導電棒遇水導電後接通。

進一步，每個電路保護盒中的電路中串聯有兩個定值電阻，防止電路長期受地下水的腐蝕而發生短路。

進一步，每塊土壓力接觸板的內壁與其對應的電路保護盒外壁之間用彈簧連接，每對雷射發射及接收器周圍均布有四個彈簧，在彈簧的作用下可保證但不阻礙土壓力接觸板隨著土體的擾動而移動。

進一步，相鄰兩個監測子裝置之間由內置導線的絕緣金屬棒連接，可根據工程實際情況選取埋設深度，實現了土體變形與壓力的多深度測量。

一種面向地下結構施工的土體性能監測裝置的工作方法，包括以下步驟：

(1)土體變形監測：土體的變形帶動土壓力接觸板發生位移，每塊土壓力接觸板上的雷射接收器實時接收電路保護盒上雷射發射器的信號，並將各距離數據傳送至雷射測距數據採集儀；

(2)土體壓力監測：根據每塊土壓力接觸板的位移監測結果得到每個監測子裝置所在測點處的土壓力值；

(3)地下水位監測：當水位位於監測子裝置之上，金屬導電棒相互導電形成通路；當水位位於監測子裝置之下，金屬導電棒相互不導電為斷路；當水位位於地表時，即所有監測子裝置電路閉合，根據幹路總電流得到地下水位讀數。

進一步，步驟(1)若雷射測距儀所測距離的變化量ΔX、ΔY為正，即壓力接觸板間距減小，表示土體受擠壓，應力增大；若ΔX、ΔY為負，即壓力接觸板間距增大，表示土體疏鬆，應力較小；該測點處土體水平位移為

進一步，步驟(2)根據胡克定律，通過不同深度處土壓力接觸板不同方向上的位移得到土體的各方位的壓力值：

其中，K為彈簧的剛度係數之和，S為土壓力接觸板的面積，P為測點處土壓力值。

進一步，步驟(3)地下水位與電流的關係為：

其中，Imax為所有監測子裝置電路接通狀態下的幹路電流，I總為幹路電流，I支為每個監測子裝置金屬導電棒接通時的支路電流，U為電源總電壓，R為定值電阻，N為監測系統中監測子裝置個數，n為水位以下監測子裝置個數，h為監測子裝置和每段外絕緣金屬棒的高度之和，H為地下水位高度；

按照上述關係式將電流表改裝為地下水位高度顯示器。

有益效果：本發明通過雷射測距技術監測土壓力接觸板的位移來反應土體的擾動，實現了對土體多方位變形的精確測量；同時，利用胡克定律，通過雷射測距所測位移計算出土體各方位壓力變化值；此外，利用歐姆定律，還可通過電路總幹路電流的變化來顯示地下水位的變化；實現了對土體的多深度，多方位的自動化程度測試，監測數據可靠，保證了地下結構施工及周圍建築的安全性，有著廣闊的工程應用前景，將產生顯著的社會經濟效益。

附圖說明

圖1為本發明土體性能監測裝置的結構示意圖；

圖2為單個監測子裝置的俯視結構示意圖；

圖3為單個監測子裝置的側視結構示意圖；

圖4為電路保護盒的內部構造圖；

圖5為水位監測電路原理圖；

圖6為數據採集分析顯示盒內部構造圖；

圖7為土體性能監測裝置工作方法流程圖。

具體實施方式

下面對本發明技術方案進行詳細說明，但是本發明的保護範圍不局限於所述實施例。

實施例：一種面向地下結構施工的土體性能監測裝置，根據工程情況選取埋設深度，設置四個監測子裝置，如圖1所示，四個監測子裝置沿著豎直方向順序連接，位於最底部的監測子裝置與底座20相連進行支撐。每個監測子裝置如圖2、3所示，包括一個電路保護盒2以及圍設在電路保護盒2四面的四塊土壓力接觸板1，透水無紡布11沿四塊土壓力接觸板1圍城的一周進行包裹只允許地下水透入，電路保護盒2即位於土壓力接觸板1和透水無紡布11圍起的正中部。每塊土壓力接觸板1的內壁上皆設有一個雷射接收器7，與之相對的電路保護盒2的外壁上設有對應的雷射發射器5，故每個監測子裝置中設有四對雷射接收發射裝置。同時，每對雷射接收發射裝置旁均勻分布有四根連接土壓力接觸板1及電路保護盒2的彈簧6。

四個監測子裝置電路保護盒2中的電路相互並聯並與電源19構成迴路，電源19位於數據採集分析顯示盒內，各電路保護盒2相互之間的並聯通路通過內置導線的絕緣金屬棒12連接。每個電路保護盒2由導線9連成的通路中設有兩個遇水導通的金屬導電棒4用於實時監測水位，同時串聯兩個定值電阻3以保護電路和保持裝置的平衡，通路中設置兩個接口8用於與內置導線的絕緣金屬棒連接，以實現相鄰監測子裝置中電路的並聯，如圖4所示。整個土體性能監測裝置的電路示意圖如圖5所示。

土體的變形量、壓力值及地下水位的變化可通過數據採集分析顯示盒進行顯示，顯示盒中包括雷射測距採集儀16、各層土體壓力、位移顯示器18以及每個電路保護盒2電路並聯後與電源19形成的迴路，幹路上設有開關15及電流表14，如圖6所示。首先，每對雷射接收發射裝置將採集到的位移數據通過內置數據導線10的絕緣金屬棒13發送至雷射測距採集儀16，雷射測距採集儀16通過數據處理器17連接各層土體壓力、位移顯示器18，數據處理器17可將位移量轉化為土體各方位壓力值，故各層土體壓力、位移顯示器18上可顯示採集儀採集到的每個土壓力接觸板1各方向上的位移量和壓力值。其次。最後，根據幹路電流和地下水位高度的關係，可將幹路上的電流表14改裝為水位計，直接讀取水位高度。

具體土體監測過程如下，如圖7所示：

(1)裝置安裝與埋設：根據工程施工實際情況，選取各個監測子裝置所在的測點位置以及裝置埋設深度。監測子裝置數量N＝H/h，式中，H為測點深度，h為監測子裝置和每段外絕緣金屬棒的高度之和。將規定數量的監測子系統用外絕緣金屬棒連接好埋入預先鑽好的測點，用沙土回填使得測點處土體和壓力接觸板緊密接觸。

(2)土體變形監測：當基坑開挖、隧道開挖、樁基施工等引起周圍土體的擾動時，由於測點處土體和土壓力接觸板1緊密接觸，土體的變形帶動土壓力接觸板1發生位移。由於不同深度處四個方向上土壓力接觸板1上的雷射接收器7實時接收對應電路保護盒2上雷射發射器5的信號，並將數據傳導至雷射測距採集儀16，操作人員可通過地表位移顯示器18讀取不同深度處土體的各方位變形數據。

若雷射測距儀所測距離的變化量ΔX、ΔY為正，即壓力接觸板間距減小，表示土體受擠壓，應力增大；若ΔX、ΔY為負，即壓力接觸板間距增大，表示土體疏鬆，應力較小。故該測點處土體水平位移為

(3)土體壓力監測：根據不同深度處雷射測距儀監測到的土壓力接觸板1位移變化數據得到土壓力值，根據胡克定律：

其中，K為每對雷射接收發射裝置旁四根彈簧6的剛度係數之和，S為土壓力接觸板1的面積，P土為測點處土壓力值。操作人員可通過地表土壓力顯示器讀取不同深度處土體的各方位壓力數據。

(4)地下水位監測：當水位位於監測子裝置之上，金屬導電棒4相互導電形成通路；當水位位於監測子裝置之下，金屬導電棒4相互不導電為斷路；當水位位於地表時，即所有監測子裝置電路閉合，根據幹路總電流得到地下水位讀數。將電流表14改裝為地下水位顯示器，當水位位於地表時，即所有監測子裝置電路閉合，電流表14達到最大量程時，地下水位讀數為：

其中Imax為所有監測子裝置電路接通狀態下(即地下水位深度為0)的幹路電流，I總為幹路電流，I支為每個監測子裝置金屬導電棒接通時的支路電流，U為電源19總電壓，R為定值電阻3，N為監測系統中監測子裝置個數，n為水位以下監測子裝置個數，h為監測子裝置和每段外絕緣金屬棒的高度之和，H為地下水位高度。