一種結合表觀和內(nèi)部量測的地層位移量測裝置及量測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種結合表觀和內(nèi)部量測的地層位移量測裝置及量測方法，所述的裝置包括試驗箱、彩色土體、量測系統(tǒng)和隧道開挖模擬裝置；試驗箱為可視化鋼化玻璃箱，試驗箱內(nèi)裝有彩色土體；隧道開挖模擬裝置包括拉拔儀器、內(nèi)管和外管；量測系統(tǒng)包括沉降組件、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和計算機；本發(fā)明通過釋放土體位移產(chǎn)生地層損失來模擬隧道開挖，通過在透明的鋼化玻璃箱內(nèi)布設彩色土層實現(xiàn)了不同埋深處地層位移的直接監(jiān)測。由于本發(fā)明通過對試驗箱體內(nèi)部地層位移的量測，得到了外管拉拔過程中各測點的位移隨進尺的關系，進而確定了各測點位移與外管左端所在位置的函數(shù)關系，利用該函數(shù)關系可實現(xiàn)箱體邊緣的彩色土層位移可能的后續(xù)發(fā)展的初步預測。
【專利說明】
一種結合表觀和內(nèi)部量測的地層位移量測裝置及量測方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及高校試驗教學與科學研究的土工試驗領域，特別是一種地層位移量測裝置及量測方法。
【背景技術】
[0002]在隧道開挖施工過程中，隧道上方土體受到開挖擾動的影響，產(chǎn)生一定的沉降位移，給地表及地中建構物帶來一定的損壞，影響其正常使用，為探究隧道施工條件下地層位移的沉降規(guī)律，室內(nèi)試驗至關重要。目前室內(nèi)試驗中關于地層位移的量測多采用儀器進行間接量測，而由于埋入的相關儀器難免對土體產(chǎn)生影響帶來一定的誤差，而X射線及核磁共振等可直接觀測地層位移的技術，因其所需要的昂貴儀器費用和難度較大的技術，未能被廣泛應用。因此，找到一種廉價又簡便的可直觀觀察到土體位移變化規(guī)律，同時又能準確地擬合出地層位移沉降曲線的試驗裝置和方法具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為解決現(xiàn)有技術存在的上述問題，本發(fā)明要設計一種即可直觀地觀察土體位移變化規(guī)律，又能準確地擬合出地層位移沉降曲線的地層位移量測裝置及其量測方法。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下:一種結合表觀和內(nèi)部量測的地層位移量測裝置，包括試驗箱、彩色土體、量測系統(tǒng)和隧道開挖模擬裝置；
[0005]所述的試驗箱為可視化鋼化玻璃箱，玻璃箱帶底并敞口，且在相對的兩壁面上預制孔洞，在壁面外側孔洞的周邊外設置“凹”形不銹鋼滑槽，用于安裝玻璃擋板;所述的試驗箱的四壁有精密刻度的尺寸線；
[0006]所述的試驗箱內(nèi)裝有彩色土體，彩色土體的表層低于試驗箱的開口面；
[0007]所述的彩色土體分層填筑于試驗箱內(nèi)，作為土層位移沉降曲線監(jiān)測的參考標志；
[0008]所述的隧道開挖模擬裝置包括拉拔儀器、內(nèi)管和外管;所述的內(nèi)管模擬隧道的砌襯，外管模擬盾構機的盾殼;所述的內(nèi)管和外管嵌套在一起，水平安裝在試驗箱的孔洞中；所述的內(nèi)管和外管之間留有空隙，兩端用泡沫環(huán)密封;所述的內(nèi)管貫穿箱體，左端與試驗箱上的玻璃擋板緊接，右端伸出試驗箱外;所述的外管左端距試驗箱左壁10-30cm，右端伸出試驗箱外20cm;外管右端伸出部分沿環(huán)向均布圓孔，所述的拉拔儀器通過繩索連接到外管的圓孔上;所述的外管外側沿軸向有刻度標記；
[0009]所述的量測系統(tǒng)包括沉降組件、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和計算機;所述的沉降組件有多個，分別位于外管以上、彩色土體表層以下的彩色土體中，所述的沉降組件的上端與位移傳感器連接;所述的位移傳感器布置在彩色土體表層上;所述的位移傳感器通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集儀連接，所述的數(shù)據(jù)采集儀與計算機連接。
[0010]進一步地，所述的試驗箱上四壁設置的孔洞高度不同，孔洞直徑比外管外徑大
0.l-0.2mmo
[0011]進一步地，所述的試驗箱壁面外側孔洞的周邊外設置的“凹”形不銹鋼滑槽內(nèi)安裝玻璃擋板。
[0012]進一步地，所述的沉降組件由螺紋金屬桿、光滑套管和塑料板組成，所述的螺紋金屬桿的外部套有光滑套管，其下部固定在塑料板上，其上部與位移傳感器連接。
[0013]進一步地，所述的外管為PVC管或鋼管，所述的內(nèi)管為PVC管或鋼管，所述的光滑套管為PVC管或銅管。
[0014]進一步地，所述的彩色土體具有與試驗用土相同的特性。
[0015]—種結合表觀和內(nèi)部量測的地層位移量測裝置的量測方法，包括以下步驟:
[0016]A、分層填筑彩色土體；
[0017]彩色土體填裝過程中，按試驗需求將不同彩色標記的土體分層填筑到已預先安裝好隧道開挖模擬裝置的試驗箱內(nèi)，使不同彩色土體的標記層與試驗箱壁上相應的尺寸刻度完好重合，用于不同彩色土層位移的觀察與記錄；
[0018]B、布設彩色土體內(nèi)部的量測系統(tǒng)；
[0019]根據(jù)試驗需求確定監(jiān)測面位置及測點填埋深度，在彩色土體填筑到測點填埋深度位置時布設沉降組件，彩色土體填筑完畢，將位移傳感器連接到沉降組件的上部，并將位移傳感器經(jīng)數(shù)據(jù)采集儀連接到計算機；
[0020]C、模擬隧道的開挖；
[0021]通過拉拔儀器均勻拉拔外管，以均勻的進尺逐步釋放土體位移，產(chǎn)生的地層損失模擬隧道的開挖過程。
[0022]D、試驗數(shù)據(jù)的處理；
[0023]試驗數(shù)據(jù)的處理包括箱體邊緣彩色土層位移和箱體內(nèi)部土體位移，具體步驟如下:
[0024]D1、選取能反映試驗箱體邊緣彩色土層沉降曲線整體輪廓的數(shù)組測點，根據(jù)試驗箱壁上的尺寸刻度，量測出各層測點的坐標，將各測點坐標輸入數(shù)據(jù)擬合軟件origin，得到準確的擬合曲線；
[0025]D2、提取位移傳感器采集的各進尺結束后的位移數(shù)據(jù)，做出各層測點位移關于進尺的時程曲線，即各測點位移與外管左端所在位置的函數(shù)關系S1 = FKy);式中y為外管左端所在位置與測點所在斷面的水平距離，拉拔方向為正向，測點所在位置為原點，S1為測點i的位移，h(y)為測點i的位移與外管左端所在位置的函數(shù)關系，i為不同的測點標號；
[0026]D3、利用上述函數(shù)fjy)，根據(jù)外管左端所在斷面與洞口所在玻璃的距離，預測出邊緣彩色土層的位移S1 = A(Y)t3將預測結果與步驟Dl中所述的觀測曲線進行對比分析，并利用觀測曲線的線型對量測結果進行修正。
[0027]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0028]1、由于本發(fā)明通過釋放土體位移產(chǎn)生地層損失來模擬隧道開挖，通過在透明的鋼化玻璃箱內(nèi)布設彩色土層實現(xiàn)了不同埋深處地層位移的直接監(jiān)測。
[0029]2、由于本發(fā)明通過對試驗箱體內(nèi)部地層位移的量測，得到了外管拉拔過程中各測點的位移隨進尺的關系，進而確定了各測點位移與外管左端所在位置的函數(shù)關系，利用該函數(shù)關系可實現(xiàn)箱體邊緣的彩色土層位移可能的后續(xù)發(fā)展的初步預測。
[0030]3、由于本發(fā)明是結合箱體邊緣地層位移的表觀監(jiān)測和箱體內(nèi)部的地層位移間接量測，通過觀測結果對量測結果進行一定的線型和誤差上的修正，同時，利用量測結果所體現(xiàn)的時程上的規(guī)律，也可實現(xiàn)觀測值后續(xù)的預測。
【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
[0032]圖2為本發(fā)明的沉降組件結構示意圖。
[0033]圖中:1、試驗箱，2、尺寸線，3、外管，4、內(nèi)管，5、彩色土體表層，6、彩色土體，7、位移傳感器，8、數(shù)據(jù)采集儀，9、計算機，10、螺紋金屬桿，11、光滑套管，12、塑料板。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明的特點進一步說明:如圖1-2所示，一種結合表觀和內(nèi)部量測的地層位移量測裝置，包括試驗箱1、彩色土體6、量測系統(tǒng)和隧道開挖模擬裝置；
[0035]所述的試驗箱I為可視化鋼化玻璃箱，玻璃箱帶底并敞口，且在相對的兩壁面上預制孔洞，在壁面外側孔洞的周邊外設置“凹”形不銹鋼滑槽，用于安裝玻璃擋板;所述的試驗箱I的四壁有精密刻度的尺寸線2;
[0036]所述的試驗箱內(nèi)裝有彩色土體6，彩色土體6的表層低于試驗箱的開口面；
[0037]所述的彩色土體6分層填筑于試驗箱I內(nèi)，作為土層位移沉降曲線監(jiān)測的參考標志；
[0038]所述的隧道開挖模擬裝置包括拉拔儀器、內(nèi)管4和外管3;所述的內(nèi)管4模擬隧道的砌襯，外管3模擬盾構機的盾殼;所述的內(nèi)管4和外管3嵌套在一起，水平安裝在試驗箱的孔洞中；所述的內(nèi)管4和外管3之間留有空隙，兩端用泡沫環(huán)密封;所述的內(nèi)管4貫穿箱體，左端與試驗箱I上的玻璃擋板緊接，右端伸出試驗箱外；所述的外管3左端距試驗箱左壁10-30cm，右端伸出試驗箱外20cm;夕卜管3右端伸出部分沿環(huán)向均布圓孔，所述的拉拔儀器通過繩索連接到外管3的圓孔上;所述的外管3外側沿軸向有刻度標記；
[0039]所述的量測系統(tǒng)包括沉降組件、位移傳感器7、數(shù)據(jù)采集儀8和計算機9;所述的沉降組件有多個，分別位于外管3以上、彩色土體表層5以下的彩色土體6中，所述的沉降組件的上端與位移傳感器7連接;所述的位移傳感器7布置在彩色土體表層5上;所述的位移傳感器7通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集儀8連接，所述的數(shù)據(jù)采集儀8與計算機9連接。
[0040]進一步地，所述的試驗箱I上四壁設置的孔洞高度不同，孔洞直徑比外管3外徑大
0.l-0.2mmo
[0041]進一步地，所述的試驗箱I壁面外側孔洞的周邊外設置的“凹”形不銹鋼滑槽內(nèi)安裝玻璃擋板。
[0042]進一步地，所述的沉降組件由螺紋金屬桿10、光滑套管11和塑料板12組成，所述的螺紋金屬桿10的外部套有光滑套管11，其下部固定在塑料板12上，其上部與位移傳感器7連接。
[0043]進一步地，所述的外管3為PVC管或鋼管，所述的內(nèi)管4為PVC管或鋼管，所述的光滑套管11為PVC管或銅管。
[0044]進一步地，所述的彩色土體6具有與試驗用土相同的特性。
[0045]—種結合表觀和內(nèi)部量測的地層位移量測裝置的測量方法，包括以下步驟:
[0046]A、分層填筑彩色土體6;
[0047]彩色土體6填裝過程中，按試驗需求將不同彩色標記的土體分層填筑到已預先安裝好隧道開挖模擬裝置的試驗箱I內(nèi)，使不同彩色土體6的標記層與試驗箱I壁上相應的尺寸刻度完好重合，用于不同彩色土層位移的觀察與記錄；
[0048]B、布設彩色土體6內(nèi)部的量測系統(tǒng)；
[0049]根據(jù)試驗需求確定監(jiān)測面位置及測點填埋深度，在彩色土體6填筑到測點填埋深度位置時布設沉降組件，彩色土體6填筑完畢，將位移傳感器7連接到沉降組件的上部，并將位移傳感器7經(jīng)數(shù)據(jù)采集儀8連接到計算機9;
[0050]C、模擬隧道的開挖；
[0051]通過拉拔儀器均勻拉拔外管3，以均勻的進尺逐步釋放土體位移，產(chǎn)生的地層損失模擬隧道的開挖過程。
[0052]D、試驗數(shù)據(jù)的處理；
[0053]試驗數(shù)據(jù)的處理包括箱體邊緣彩色土層位移和箱體內(nèi)部土體位移，具體步驟如下:
[0054]D1、選取能反映試驗箱I體邊緣彩色土層沉降曲線整體輪廓的數(shù)組測點，根據(jù)試驗箱I壁上的尺寸刻度，量測出各層測點的坐標，將各測點坐標輸入數(shù)據(jù)擬合軟件origin，得到準確的擬合曲線；
[0055]D2、提取位移傳感器7采集的各進尺結束后的位移數(shù)據(jù)，做出各層測點位移關于進尺的時程曲線，即各測點位移與外管3左端所在位置的函數(shù)關系S1 = A(Y);式中y為外管3左端所在位置與測點所在斷面的水平距離，拉拔方向為正向，測點所在位置為原點，S1為測點i的位移，fKy)為測點i的位移與外管3左端所在位置的函數(shù)關系，i為不同的測點標號；
[0056]D3、利用上述函數(shù)fdy)，根據(jù)外管3左端所在斷面與洞口所在玻璃的距離，預測出邊緣彩色土層的位移S1 = A(Y)t3將預測結果與步驟Dl中所述的觀測曲線進行對比分析，并利用觀測曲線的線型對量測結果進行修正。
【主權項】
1.一種結合表觀和內(nèi)部量測的地層位移量測裝置，其特征在于:包括試驗箱(I)、彩色土體(6)、量測系統(tǒng)和隧道開挖模擬裝置； 所述的試驗箱(I)為可視化鋼化玻璃箱，玻璃箱帶底并敞口，且在相對的兩壁面上預制孔洞，在壁面外側孔洞的周邊外設置“凹”形不銹鋼滑槽，用于安裝玻璃擋板;所述的試驗箱(I)的四壁有精密刻度的尺寸線(2); 所述的試驗箱內(nèi)裝有彩色土體(6)，彩色土體(6)的表層低于試驗箱的開口面； 所述的彩色土體(6)分層填筑于試驗箱(I)內(nèi)，作為土層位移沉降曲線監(jiān)測的參考標志； 所述的隧道開挖模擬裝置包括拉拔儀器、內(nèi)管(4)和外管(3);所述的內(nèi)管(4)模擬隧道的砌襯，外管(3)模擬盾構機的盾殼;所述的內(nèi)管(4)和外管(3)嵌套在一起，水平安裝在試驗箱的孔洞中；所述的內(nèi)管(4)和外管(3)之間留有空隙，兩端用泡沫環(huán)密封;所述的內(nèi)管(4)貫穿箱體，左端與試驗箱(I)上的玻璃擋板緊接，右端伸出試驗箱外;所述的外管(3)左端距試驗箱左壁10-30cm，右端伸出試驗箱外20cm;夕卜管(3)右端伸出部分沿環(huán)向均布圓孔，所述的拉拔儀器通過繩索連接到外管(3)的圓孔上;所述的外管(3)外側沿軸向有刻度標記； 所述的量測系統(tǒng)包括沉降組件、位移傳感器(7)、數(shù)據(jù)采集儀(8)和計算機(9);所述的沉降組件有多個，分別位于外管(3)以上、彩色土體表層(5)以下的彩色土體(6)中，所述的沉降組件的上端與位移傳感器(7)連接;所述的位移傳感器(7)布置在彩色土體表層(5)上；所述的位移傳感器(7)通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集儀(8)連接，所述的數(shù)據(jù)采集儀(8)與計算機(9)連接。2.根據(jù)權利要求1所述的一種結合表觀和內(nèi)部量測的地層位移量測裝置，其特征在于:所述的試驗箱(I)上四壁設置的孔洞高度不同，孔洞直徑比外管(3)外徑大0.1-0.2_。3.根據(jù)權利要求1所述的一種結合表觀和內(nèi)部量測的地層位移量測裝置，其特征在于:所述的試驗箱(I)壁面外側孔洞的周邊外設置的“凹”形不銹鋼滑槽內(nèi)安裝玻璃擋板。4.根據(jù)權利要求1所述的一種結合表觀和內(nèi)部量測的地層位移量測裝置，其特征在于:所述的沉降組件由螺紋金屬桿(10)、光滑套管(11)和塑料板(12)組成，所述的螺紋金屬桿(10)的外部套有光滑套管(11)，其下部固定在塑料板(12)上，其上部與位移傳感器(7)連接。5.根據(jù)權利要求1所述的一種結合表觀和內(nèi)部量測的地層位移量測裝置，其特征在于:所述的外管(3)為PVC管或鋼管，所述的內(nèi)管(4)為PVC管或鋼管，所述的光滑套管(11)為PVC管或銅管。6.根據(jù)權利要求1所述的一種結合表觀和內(nèi)部量測的地層位移量測裝置，其特征在于:所述的彩色土體(6)具有與試驗用土相同的特性。7.—種結合表觀和內(nèi)部量測的地層位移量測裝置的量測方法，其特征在于:包括以下步驟: A、分層填筑彩色土體(6); 彩色土體(6)填裝過程中，按試驗需求將不同彩色標記的土體分層填筑到已預先安裝好隧道開挖模擬裝置的試驗箱(I)內(nèi)，使不同彩色土體(6)的標記層與試驗箱(I)壁上相應的尺寸刻度完好重合，用于不同彩色土層位移的觀察與記錄； B、布設彩色土體(6)內(nèi)部的量測系統(tǒng)； 根據(jù)試驗需求確定監(jiān)測面位置及測點填埋深度，在彩色土體(6)填筑到測點填埋深度位置時布設沉降組件，彩色土體(6)填筑完畢，將位移傳感器(7)連接到沉降組件的上部，并將位移傳感器(7)經(jīng)數(shù)據(jù)采集儀(8)連接到計算機(9); C、模擬隧道的開挖； 通過拉拔儀器均勻拉拔外管(3)，以均勻的進尺逐步釋放土體位移，產(chǎn)生的地層損失模擬隧道的開挖過程； D、試驗數(shù)據(jù)的處理； 試驗數(shù)據(jù)的處理包括箱體邊緣彩色土層位移和箱體內(nèi)部土體位移，具體步驟如下: D1、選取能反映試驗箱(I)體邊緣彩色土層沉降曲線整體輪廓的數(shù)組測點，根據(jù)試驗箱(I)壁上的尺寸刻度，量測出各層測點的坐標，將各測點坐標輸入數(shù)據(jù)擬合軟件origin，得到準確的擬合曲線； D2、提取位移傳感器(7)采集的各進尺結束后的位移數(shù)據(jù)，做出各層測點位移關于進尺的時程曲線，即各測點位移與外管(3)左端所在位置的函數(shù)關系S1 = A(Y);式中y為外管(3)左端所在位置與測點所在斷面的水平距離，拉拔方向為正向，測點所在位置為原點，S1為測點i的位移，h(y)為測點i的位移與外管(3)左端所在位置的函數(shù)關系，i為不同的測點標號； D3、利用上述函數(shù)fdy)，根據(jù)外管(3)左端所在斷面與洞口所在玻璃的距離，預測出邊緣彩色土層的位移S1 = Ab);將預測結果與步驟Dl中所述的觀測曲線進行對比分析，并利用觀測曲線的線型對量測結果進行修正。
【文檔編號】G01C5/00GK106017407SQ201610289659
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月3日
【發(fā)明人】王海濤, 金慧, 張景元, 閆帥, 何永, 安志強
【申請人】大連交通大學