二维矢量测量岩土冻胀融沉的方法

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二维矢量测量岩土冻胀融沉的方法\n技术领域：\n[0001] 本发明的二维矢量测量岩土冻胀融沉的方法属于一种岩土监测方法，尤其涉及一种监测岩土冻胀融沉量值的方法。\n背景技术：\n[0002] 目前关于严寒、寒冷地区岩土冻胀(融沉)量的监测手段主要有以下三种：(1)高程观测的方法:冻胀(融沉)量采用观测点相对于基准点进行高程观测，测量仪器为水准仪，观测基点引用国家高程三、四等水准网水准点，通过观测竖向位移，以此作为冻胀(融沉)量变化值。此观测方式存在的问题是：冻胀往往发生在冬季严寒的气候条件下，受观测人员的精力和工作状态的影响，观测精度很难保证；每次观测间隔时间太长，冻胀量的变化过程和最大冻胀量难以及时地观测到；以竖向变形量单方面代替冻胀(融沉)量，违背了渠道冻胀(融沉)量发生、发展的变化机理。(2)简单以法向方向上的位移量代替冻胀(融沉)量类的监测仪器是另一类较为普遍的监测仪器的工作原理，如通过位移计的改装，加长传递杆，仪器按照法向方向埋设于冻土部位。该做法的不足是：仪器底部的基准点不能准确地予以固定；仪器自身受土体的应力应变的约束较大；忽略了切向方向上的冻胀(融沉)变形量。(3)仪器观测方法：目前典型的、比较常用的监测仪器是多深度冻土冻胀融沉测量仪，例如专利申请号为：201220438574.3的专利所公开的一种“多深度冻土冻胀融沉测量仪”。该类型的仪器主要是通过测量锚头与沉降板之间的相对垂直位移变化，从而换算出各种建筑的基础冻胀变形量。特点是在圆盘上开有多个孔，每个孔内设置有一个纤维探测管，每个纤维探测管的上部管内设置有一个感应器，每个纤维探测管内注有防冻液，浮漂漂浮在防冻液上，浮漂通过浮漂线与感应器连接，从而测量冻土冻胀量。但该类仪器存在的问题是：受土体竖向沉降量的影响，仪器底部的基准点不能准确地予以固定；防冻液受温度的影响较大；仪器自身受土体的应力应变的约束较大，以上因素影响了其观测精度，观测值不能真实反应岩土冻胀量。\n[0003] 传统的观测仪器及方法所面临的共同问题是：均是以一维竖向变形量(或法向变形量)单一方向作为冻胀融沉量，监测数据不能代表真实变化值，不能准确的反映渠道冻胀(融沉)量发生、发展的变化机理。\n发明内容：\n[0004] 本发明目的在于，提供一种在二维平面内同步监测切向和法向冻胀变形量的二维矢量测量岩土冻胀融沉的方法，该方法中涉及的二维矢量岩土冻胀融沉计通过监测角度和位移的变化量，解算冻胀融沉变形沿法向和切向方向的变形量或冻胀融沉变形的矢量，从而在二维平面内同步监测切向和法向冻胀融沉变形量，测定岩土的冻胀融沉量，达到监测冻胀融沉变形的目的。克服了传统监测方法以一维竖向变形量或法向变形量单一方向作为冻胀融沉量的技术缺陷，同时具备温度监测功能。可为严寒、寒冷地区渠道斜坡的冻胀融沉变形提供可靠、准确的监测数据。\n[0005] 本发明所述的二维矢量测量岩土冻胀融沉的方法，该方法中所涉及的冻胀融沉计(13)是由角度传感器(1)、位移传感器(2)、温度传感器(3)、角度采样电路(4)、位移传动杆(5)、外壳体(6)、顶部锚固端(7)、测量电缆出口(8)、密封空腔(9)、密封堵头(10)、位移锚固端(11)、固定杆(12)、测量电缆(15)、端口(16)、位移感应端(17)、外接监测设备(20)组成，通过在二维平面内同步监测岩土角度和位移的变化量值，配合实时地温度监测，解算出在特定温度下岩土冻胀融沉变形沿法向、切向方向的变形量或冻胀融沉变形的矢量，具体操作按下列步骤进行：\n[0006] 制作二维矢量岩土冻胀融沉计：\n[0007] a、在冻胀融沉计(13)的外壳体(6)内的密封空腔(9)中分别固定有密封堵头(10)、角度传感器(1)、角度采样电路(4)、温度传感器(3)和位移传感器(2)，测量电缆(15)通过密封堵头(10)与角度传感器(1)、角度采样电路(4)、温度传感器(3)和位移传感器(2)串接；在外壳体(6)的一端开有端口(16)，位移传动杆(5)通过端口(16)与位移传感器(2)上的位移感应端(17)连接固定并与其联动，位移传动杆(5)在端口(16)上伸缩移动，在端口(16)的一端设有位移锚固端(11)；在外壳体(6)的顶部固定连接若干个不同长度的拆装固定杆(12)，固定杆(12)的一端为螺纹丝扣(19)，固定杆(12)的另一端设有顶部锚固端(7)，在外壳体(6)的顶部开有与螺纹丝扣(19)相吻合的螺纹丝套(18)；在外壳体(6)上开有测量电缆出口(8)，测量电缆(15)通过测量电缆出口(8)连接到外接监测设备(20)；\n[0008] 测量岩土冻胀融沉：\n[0009] b、选择冬季和春季，将冻胀融沉计(13)埋设于斜坡或渠道(14)的表面或浅层地表层，将固定杆(12)的顶部锚固端(7)固定于渠道顶部预埋的固定物上，位移传动杆(5)的位移锚固端(11)固定于待观测的冬季冻胀和春季融沉部位，通过位移锚固端(11)带动冻胀融沉计(13)产生角度和位移的变化，安装在二维矢量岩土冻胀融沉计(13)中的角度传感器(1)、角度采样电路(4)、位移传感器(2)和温度传感器(3)分别感应岩土的角度、位移和温度的变化量值，再将角度、位移和温度变化数据通过测量电缆(15)传输到外接监测设备(20)，由设置在外接监测设备(20)中的数据处理模块对监测数据进行处理岩土沿法向及切向的变形量或变形矢量。\n[0010] 步骤b中的角度传感器(1)感应岩土因冻胀融沉而产生的角度变化，传输到与之连接的角度采样电路(4)，将感应的角度信号转变为标准的RS485信号，经测量电缆(15)输出，测角范围达到±30°。\n[0011] 步骤b中的岩土位移的变化通过位移传动杆(5)传递至位移感应端(17)使其联动并产生位移信号，其感应到的位移变化信号经测量电缆(15)输出。\n[0012] 步骤b中的温度传感器(3)感应外界环境温度的变化，温度数据经测量电缆(15)输出。\n附图说明：\n[0013] 图1为本发明的结构示意图；\n[0014] 图2为本发明剖面图；\n[0015] 图3为本发明固定杆连接示意图；\n[0016] 图4为本发明渠坡表面安装示意图；\n[0017] 图5为本发明渠坡表层安装示意图；\n[0018] 图6为本发明冻胀状态计算原理示意图；\n[0019] 图7为本发明融沉状态计算原理示意图；\n[0020] 图8为本发明实测渠道水面线附近冻胀过程线图，其中……为切向矢量,-为法向矢量；\n[0021] 图9为本发明实测渠道底部冻胀过程线图，其中……为切向矢量,-为法向矢量。\n具体实施方式：\n[0022] 本发明结合附图进一步描述，并给出具体的实施例。\n[0023] 如附图1、2，二维矢量岩土冻胀融沉计13的外壳体6采用不锈钢材料制作，用密封堵头10进行密封，在外壳体6内形成相对密闭的密封空腔9，以增强设备的抗腐性、稳定性和耐用性。在密封空腔9内自上而下依次集成有角度传感器1和与之连接的角度采样点电路4、温度传感器3和位移传感器2，各传感器原件用绝缘材料与外壳隔离；在外壳体6的一端开有端口16，位移传动杆5通过端口16与位移传感器2的位移感应端17连接固定，位移传动杆5可在端口16上伸缩移动，在位移传动杆5的一端设有用于连接固定物的位移锚固端11；\n[0024] 如附图3，在外壳体6的顶部连接固定若干个不同长度的可拆装的固定杆12，固定杆12的一端固定顶部锚固端7用于监测时连接固定物，固定杆12的另一端为螺纹丝扣19，在外壳体6的顶部开有与螺纹丝扣19相吻合的螺纹丝套18，通过旋拧固定杆12即可方便地将其安装固定在在外壳体6或拆卸，可根据现场岩土待测部位的长度而选择安装合适长度的固定杆12；\n[0025] 如附图4、5，选择当年冬季和来年春季，将冻胀融沉计13埋设于斜坡或渠道14的表面或浅层地表层，将固定杆12的顶部锚固端7固定于渠道或斜坡顶部预埋的固定物上，位移传动杆5的位移锚固端11固定于待观测的冬季冻胀和春季融沉部位，当岩土在低温、严寒气候作用下，渠道或斜坡发生沿法向和切向方向的冻胀或在春季随着环境气温的升高，该部位的冻土开始融化而产生变位时，通过位移锚固端11带动冻胀融沉计13产生角度和位移的变化，由角度传感器1感应岩土因冻胀融沉而产生的角度变化，传输到与之连接的角度采样电路4，将感应的角度信号转变为标准的RS485信号，经测量电缆15输出；岩土位移的变化通过位移传动杆5传递至位移感应端17使其联动并产生位移信号，其感应到的位移变化信号经测量电缆15输出；由温度传感器3感应外界环境温度的变化，温度数据经测量电缆输出，测量电缆15经过外壳体6上的测量电缆出口8与外接监测设备20连接，将角度、位移和温度变化数据传输到外接监测设备20进行处理，通过观测角度和位移的变化量，由外接监测设备20利用计算公式解算出特定温度下岩土沿法向及切向的变形量或变形矢量；\n[0026] 角度传感器1采用耐冲击型伺服加速度传感器,具有可靠性好、稳定和反应时间快的优点，测角范围可达到±30°；\n[0027] 位移传感器2采用振弦式传感器,量程可根据需要选定；\n[0028] 角度传感器1、角度采样点电路4、温度传感器3和位移传感器2都采用目前市场上通用的成熟产品；\n[0029] 外接监测设备20可选择普遍使用的岩土测量仪，在其中预置有对监测数据进行处理的数据处理模块，在其上预留有数据接口，可将依据解算岩土冻胀融沉变形沿法向、切向方向的变形量或冻胀融沉变形的矢量的数学公式编制的计算程序植入数据处理模块，以达到同步监测切向和法向冻胀变形量的二维矢量测量岩土冻胀融沉的目的；\n[0030] 所述的计算程序依据以下计算原理及计算公式编制：\n[0031] 如图6、7，角度及位移测量计算公式：当岩土发生冻胀融沉变形时，二维矢量岩土冻胀融沉计13倾斜角α与输出电量F的计算计算公式：\n[0032] α＝a+b×F+c×F2+d×F3\n[0033] 式中：α：二维矢量岩土冻胀融沉计13的角度变化值，单位为°；\n[0034] F：二维矢量岩土冻胀融沉计13的角度测量值，单位为F；\n[0035] a﹑b﹑c﹑d：二维矢量岩土冻胀融沉计13的角度标定系数；\n[0036] 位移变形与输出电量f的计算公式：\n[0037] ΔL＝K×Δf+B×ΔT＝K×(f-f0)+B×(T-T0)\n[0038] K：二维矢量岩土冻胀融沉计13位移灵敏度，单位为mm/f；\n[0039] B：温度修正系数，单位为mm/℃；\n[0040] Δf：二维矢量岩土冻胀融沉计13的位移测量值相对于基准值的变化量，单位为F；\n[0041] f：二维矢量岩土冻胀融沉计13的位移测量值，单位为F；\n[0042] f0：二维矢量岩土冻胀融沉计13的位移基准值，单位为F；\n[0043] T：温度的实时测量值，单位为℃；\n[0044] T0：温度的基准值，单位为℃。\n[0045] 二维(矢量)变量的计算公式如下：\n[0046] 相对于原始点的变位：\n[0047]\n[0048] 矢量表示法：\n[0049]\n[0050] 其中：H：冻胀变形沿法向方向的变形量；\n[0051] Z：冻胀变形沿切向方向的变形量；\n[0052] PP＇：为总变形量；\n[0053] β：变形量与斜坡面的夹角；\n[0054] L：二维矢量岩土冻胀融沉计13的长度(含位移传动杆5和固定杆12)。\n[0055] 观测实例：\n[0056] 2013年12月23日，在裸土实验渠道斜坡的水面线的1/2高度及水面线附近各安装了1支冻胀融沉计，进行岩土渠道的冻胀融沉量的监测，仪器间距50cm，仪器编号为Cx1和Cx2，仪器的测点信息为：\n[0057] Cx1的角度传感器系数：a＝2.750514×10-4、b＝2.483976×10-3、c＝1.531284×\n10-12、d＝6.880197×10-13,位移系数：K＝0.1007mm/f；Cx2的角度传感器系数：a＝7.862676×10-6、b＝2.484495×10-3、c＝9.881559×10-12、d＝6.670332×10-13；位移系数：K＝\n0.1007mm/f。\n[0058] 观测出的水面线附近(渠坡)及水面线以下(渠底)的冻胀融沉的变化过程，水面线附近岩土主要体现的是水面线附近的冻胀量，渠底主要体现的是渠底的冰推力与土体冻胀力相互作用的结果，其变化过程符合岩土冻胀融沉的变化规律见图8，图9。\n[0059] 以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，虽然本发明已以较佳实施例公开，但具体实施例和附图并不是用来限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，但同样在本发明的保护范围之内。