一種分布式沉降測(cè)量裝置及測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及了一種用于土建交通結(jié)構(gòu)中健康檢測(cè)和監(jiān)測(cè)的技術(shù)，尤其涉及了一種 高精度分布式沉降儀及其測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于如地鐵、輕軌和高架橋等土建交通結(jié)構(gòu)中的地基沉降測(cè)量，是評(píng)價(jià)一個(gè)地基 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)或土工構(gòu)筑物設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。工程實(shí)踐表明，大多數(shù)地基事故皆由地基變形過(guò) 大或不均勻所造成，所以正確測(cè)量和控制基礎(chǔ)的差異沉降和總沉降使其不超過(guò)容許值是至 關(guān)重要的。近年來(lái)，人們對(duì)土力學(xué)的諸多方面的研究都有突破，但對(duì)地基變形的研究卻少有 進(jìn)展。傳統(tǒng)的地面沉降測(cè)量方法包括水準(zhǔn)測(cè)量、基巖標(biāo)和分層標(biāo)測(cè)量，只能滿足對(duì)于某一點(diǎn) 的地表和基礎(chǔ)點(diǎn)之間的沉降變化，難以滿足如復(fù)合地基、不均與沉降分布、以及沉降速率等 復(fù)雜的測(cè)量要求。
[0003] 目前在大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，越來(lái)越多的研究側(cè)重于通過(guò)應(yīng)變傳感實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷 識(shí)別、性能評(píng)價(jià)等目的。對(duì)如光纖光柵傳感技術(shù)和基于布里淵散射的光纖傳感技術(shù)和碳纖 維傳感技術(shù)相關(guān)的應(yīng)變傳感芯線中存在的易脆斷、芯線滑移、標(biāo)距內(nèi)應(yīng)變不均勻、測(cè)量精度 和靈敏度等關(guān)鍵指標(biāo)不足的問(wèn)題，進(jìn)行長(zhǎng)標(biāo)距設(shè)計(jì)封裝，從而實(shí)現(xiàn)微小直徑傳感芯線的穩(wěn) 定端部錨固、標(biāo)距內(nèi)應(yīng)變/應(yīng)力均一化、增敏提高感度設(shè)計(jì)、和提高耐久性能等增益效果， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)大范圍的多點(diǎn)分布式連續(xù)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量，達(dá)到結(jié)構(gòu)中如變形、固有 頻率、撓度構(gòu)件劣化、位移模態(tài)、和應(yīng)變模態(tài)等局部和整體的結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)的計(jì)算。專利CN 103438815 A為土建交通領(lǐng)域大型工程結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期檢測(cè)和健康監(jiān)測(cè)提供一種高耐久長(zhǎng)標(biāo)距 光纖光柵傳感器及其制造方法。專利CN 103868445 A提供了一種基于碳纖維連續(xù)纖維的 分布式高精度長(zhǎng)標(biāo)距碳纖維應(yīng)變測(cè)試裝置，以提供穩(wěn)定的動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量。但另外一方面， 應(yīng)變傳感技術(shù)在土體等地基的測(cè)量技術(shù)中尚剛剛起步。目前已經(jīng)出現(xiàn)了根據(jù)光纖傳感器布 設(shè)于土體內(nèi)部，以測(cè)量和監(jiān)測(cè)錨固點(diǎn)至基準(zhǔn)點(diǎn)之間的沉降和變形。專利CN102435178 A公 開(kāi)了一種通過(guò)銷裝光纜和光纖光柵與鋼筋外面饒筑水泥制成光纖光柵鋼筋水泥傳感棒，以 監(jiān)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)的沉降。但光纖直徑微小與鋼筋直接復(fù)合，難以保證準(zhǔn)確的應(yīng)變測(cè)量，加之鋼 筋水泥構(gòu)件剛度大，不宜于對(duì)地基內(nèi)土體變形的感知。專利CN103438820A公開(kāi)了一種對(duì)于 鉆孔剖面巖土體分層變形，回填封孔植入光纖的地面沉降測(cè)量方法。但由于回填過(guò)程中，光 纖與填充材料固結(jié)為一個(gè)整體，不宜于針對(duì)各土層不同變形的分布式測(cè)量。加之光纖材料 性質(zhì)柔軟，當(dāng)土體內(nèi)出現(xiàn)切向位移時(shí)，難以保證垂直方向沉降測(cè)量的準(zhǔn)確性。另外對(duì)于地表 的基準(zhǔn)點(diǎn)，特別是軟土地基，存在粘結(jié)力低下難以保證傳感器件與土體協(xié)同變形，以及水土 流失時(shí)難以保證穩(wěn)定的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的問(wèn)題。此外土體內(nèi)水蝕和生物等影響因素，對(duì)于傳感 器件自身的耐久性要求高。
[0004] 另一個(gè)方面，隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合增強(qiáng)材料技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用在結(jié) 構(gòu)工程增強(qiáng)和性能改善的應(yīng)用中。專利Zl 103668625 A公開(kāi)了一種多根纖維原絲合股的 技術(shù)，以達(dá)到根據(jù)設(shè)計(jì)要求控制纖維原絲中所受張力大小進(jìn)而保證合股紗中纖維原絲長(zhǎng)度 一致性的目的。專利CN 201400819 Y公開(kāi)了一種屬于土建交通等相關(guān)領(lǐng)域的新結(jié)構(gòu)材料 和結(jié)構(gòu)形式的玄武巖纖維復(fù)合筋及玄武巖纖維復(fù)合拉索。為了對(duì)復(fù)合地基的穩(wěn)定性和沉降 速率實(shí)施可靠的測(cè)量和監(jiān)測(cè)，需要有一種高精度和高穩(wěn)定性的沉降測(cè)量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種與土體 協(xié)調(diào)一致并分層測(cè)量土體變成的分布式沉降測(cè)量裝置及測(cè)量方法。通過(guò)多點(diǎn)式沉降測(cè)量， 分別測(cè)量土表外和土體內(nèi)沉降儀覆蓋區(qū)間的應(yīng)變變化，再計(jì)算各段對(duì)應(yīng)的變形，進(jìn)而獲得 總沉降量。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)合地基內(nèi)各土層對(duì)應(yīng)沉降的感知，實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍沉降發(fā)生 時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)失效的情況下高精度的沉降測(cè)量要求，適合于縱向和水平方向多點(diǎn)測(cè)量的布設(shè)， 進(jìn)而達(dá)到評(píng)價(jià)復(fù)雜沉降測(cè)量中沉降速率和地基穩(wěn)定性的目的。
[0006] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] -種分布式沉降測(cè)量裝置，其特征在于：包括成陣列分布在所測(cè)地基的豎直打入 土體或基礎(chǔ)內(nèi)部的連續(xù)纖維復(fù)合筋；所述連續(xù)纖維復(fù)合筋由底部錨固端、土層傳感桿體、土 表錨固片以及數(shù)據(jù)線引出端組成，在所述土層傳感桿體內(nèi)部包含在長(zhǎng)度方向上拼接的多組 長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感單元，所述數(shù)據(jù)線引出端位于所述土層傳感桿體的上端并與所述長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng) 變傳感單元連接，在兩所述長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感單元拼接位置外側(cè)布設(shè)有與各土層固結(jié)的土層 錨固栓，所述土表錨固片在土表位置與土表錨固，在土層傳感桿體外標(biāo)識(shí)有刻度。
[0008] 所述應(yīng)長(zhǎng)標(biāo)距變傳感單元是點(diǎn)式電子應(yīng)變傳感元件、光纖或碳纖維應(yīng)變傳感元 件。
[0009] 所述土層傳感桿體的材料是碳纖維、玻璃纖維或玄武巖纖維。
[0010] 一種分布式沉降裝置測(cè)量方法，其特征在于，包含以下步驟：
[0011] 步驟一、安裝測(cè)量裝置：在監(jiān)測(cè)點(diǎn)打設(shè)豎井后，插入并固定所述測(cè)量裝置；
[0012] 步驟二、測(cè)量并記錄土體內(nèi)在線測(cè)量區(qū)間的應(yīng)變初值、各連續(xù)纖維復(fù)合筋段區(qū)間 覆蓋的標(biāo)距長(zhǎng)度以及土表外讀取校正區(qū)間的初始刻度，
[0013] 其中各連續(xù)纖維復(fù)合筋段區(qū)間覆蓋的標(biāo)距長(zhǎng)度由下式確定：
[0015] 式中m為測(cè)量范圍內(nèi)覆蓋的在線測(cè)量區(qū)間監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)，η為每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)土體內(nèi)測(cè) 量裝置包含的傳感單元組數(shù)，
[0016] 其中：所述土體內(nèi)在線測(cè)量區(qū)間為底部固定端部至土表固定端部之間，所述土表 外讀取校正區(qū)間為土表固定端部至自由端之間；
[0017] 步驟三：沉降變形后，測(cè)量上步驟土體內(nèi)在線測(cè)量區(qū)間內(nèi)應(yīng)變變化，并根據(jù)各段區(qū) 間標(biāo)距長(zhǎng)度，計(jì)算各區(qū)間對(duì)應(yīng)的壓縮變形，并直接讀取土表外讀取校正區(qū)間內(nèi)露出的刻度 變化值，
[0018] 其中土體內(nèi)在線測(cè)量區(qū)間內(nèi)應(yīng)變變化由下式確定：
[0020] 其中各區(qū)間對(duì)應(yīng)的壓縮變形由下式確定：
[0021]
，式中《為第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土體內(nèi)在線測(cè)量值，
[0022] 其中各區(qū)間讀取的土表外校正值由下式確定：
[0023]
，式中if為第1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土表外校正值；
[0024] 步驟四：對(duì)上步驟獲得的土體內(nèi)在線測(cè)量區(qū)間和土表外讀取校正區(qū)間的變形求 和，獲得整體沉降量，
[0025] 其中各區(qū)間整合的總沉降由下式確定：
[0026]
,式中δ i為第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總沉降。
[0027] 所述步驟一中固定所述測(cè)量裝置的方法是：利用擠壓方法將樹(shù)脂包壓入豎井底部 直至穩(wěn)定的巖層處；通過(guò)旋轉(zhuǎn)所述測(cè)量體擠破樹(shù)脂包并攪拌至樹(shù)脂完全固結(jié)。
[0028] 本發(fā)明沉降測(cè)量裝置的測(cè)量體包括土體內(nèi)在線測(cè)量區(qū)間和土表外讀取校正區(qū)間； 由于連續(xù)纖維復(fù)合筋材，通過(guò)底層錨固端和土表錨固片與土體錨固，當(dāng)土層發(fā)生沉降時(shí)導(dǎo) 致連續(xù)纖維復(fù)合筋材發(fā)生壓縮變形，其變形傳遞到應(yīng)變傳感單元實(shí)現(xiàn)感知，構(gòu)成土體內(nèi)在 線測(cè)量區(qū)間；應(yīng)變傳感單元，通過(guò)土層錨固栓與對(duì)應(yīng)土層固結(jié)并協(xié)同變形，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)土層 不同沉降量的感知；應(yīng)變傳感單元，須預(yù)先植入有足夠預(yù)張量以滿足桿體各段的壓縮變形 測(cè)量要求；應(yīng)變傳感單元之間的連接處，須具有穩(wěn)定的剛度設(shè)計(jì)以避免應(yīng)變傳感單元內(nèi)部 的滑移和初期蠕變；所述的各組長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感單元兩端對(duì)應(yīng)位置布設(shè)有土層錨固栓，所 述的土層錨固栓通過(guò)連續(xù)纖維復(fù)合筋材桿體外的擴(kuò)展毛刺實(shí)現(xiàn)與各土層固結(jié)，同時(shí)可采用 水壓膨脹錨栓，利用高壓水注入后錨栓外壁發(fā)生永久變形，達(dá)到與土體完全固結(jié)的分段錨 固目的；
[0029] 應(yīng)變傳感單元是點(diǎn)式電子應(yīng)變傳感元件或光纖或碳纖維應(yīng)變傳感元件；對(duì)于監(jiān)測(cè)