一种用于软土地层的多点位移测量装置及位移测量方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体是一种用于软土地层的多点位移测量装置及位移测量方法。

背景技术

在岩土工程领域，常需要研究构筑物内土体多部位移情况，如土坝、边坡、隧道、地基等。但是土体内部变形情况较为复杂，且无法直接通过外部观测获得土体内部变形情况，因此需埋设多点位移计以获得土体内部深层不同位置处位移情况。

目前常用的多点位移计为钻孔多点位移计，安装时先在地层内钻孔，随后固定测点并安装多点位移计。常用测点固定装置主要有注浆式、弹片式、液压支撑式和倒楔式等，但上述固定方式会对软土地层造成较大扰动，破坏了软土的结构，获得的地层沉降数据与实际沉降数据存在差异。因此合理的锚固头形式及多点位移计布设方法可保证沉降数据的准确性。

中国专利CN103850237A公开了一种刃刀切入式软土多点位移计锚头，该装置包括中轴杆﹑外杆、上框架、下框架、单簧管、传力杆件及锚固刃刀，虽然该装置设计用于软土地区，但展开时锚固刃刀自上而下切入土体内，软土受到较大扰动，土体向下沉降时对锚头牵拉作用较弱。

中国专利CN104457655A公开了一种用于软土地层的折叠叶片刀式多点位移计锚头，该装置包括中轴杆、壁筒、底座传力杆件和摇杆，展开时从侧向切入土体内，可有效避免土体对锚头牵拉作用较弱这一缺点，但该锚头尺寸较大，结构较复杂。

综上所述，现有锚固头装置及展开方式较为复杂，占用较多空间；且现有多点位移计多采用预先钻孔后下放多点位移计的布设方式，在软土地层内钻孔易塌孔或有杂物掉入，影响多点位移计布设。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于软土地层的多点位移测量装置及位移测量方法，装置本身对土体扰动小，对软土地层内不同深度处位移监测精度高。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

用于软土地层的多点位移测量装置包括锚固头、护管、端头和测量模块；锚固头垂直设置于中空的护管内部，所述护管两端设置有公接头和母接头，公接头连接端头，母接头连接测量模块；

所述锚固头包括条状的锚固基体，所述锚固基体包括左锚固基体和右锚固基体；左锚固基体和右锚固基体上开设有长条状的线孔；右锚固基体边缘设置有滑轨，左锚固基体及右锚固基体相互堆叠且通过滑轨滑动连接；线孔内有可垂直活动的钢绞线；左锚固基体及右锚固基体均设置有支点，两支点连接有横撑；横撑另一端连接在钢绞线上；垂直护管面上开设有窄槽，锚固头穿过窄槽可活动式设置；

护管为两个以上，护管之间通过设置于两端的公接头和母接头相互连接；护管内垂直设置有两个以上的锚固头，锚固头之间平行设置有导线板，导线板将锚固头隔开；每个锚固头对应连接钢绞线；所述导线板上设有两个以上导线孔，导线孔内穿有钢绞线并将钢绞线架起；钢绞线两端设置有公线接头和母线接头，钢绞线之间通过公线接头和母线接头相互连接；

所述测量模块包括用于保护内部器件的护筒；所述护筒为圆筒状结构，护筒内固定设置有光栅尺位移传感器，光栅尺位移传感器一端连接钢绞线，另一端连接拉簧，所述拉簧牵引钢绞线并使其绷直；连接光栅尺位移传感器的钢绞线还滑动连接有滑轮；光栅尺位移传感器连接有数据线，数据线连接数据收集器，数据收集器存储光栅尺位移传感器获取的位移数据；位于护筒正中心设置有高程标点；

刃脚在刺入软土地层后，若土层变形发生沉降，锚固头向下运动，进而牵拉钢绞线并带动测量模块内的光栅尺位移传感器运动，所述数据线将光栅尺位移传感器获得的位移数据传输至数据收集器内，所述测量模块在测量过程中可能会随护管发生沉降，通过高程标点不断获得测量模块沉降量，并以此为依据对沉降数据进行修正，进而获得软土沉降数据。

上述适用于软土地层的多点位移测量装置中，左锚固基体及右锚固基体顶端设置有刃脚，所述刃脚为圆弧形，紧贴于护管的窄槽处设置有挡土板，刃脚可活动的穿过挡土板；所述窄槽宽度与刃脚相同。

上述适用于软土地层的多点位移测量装置中，所述左锚固基体上的支点在右锚固基体的线孔内，右锚固基体上的支点则在右锚固基体的线孔外侧。

上述适用于软土地层的多点位移测量装置中，所述公接头包括管心和凸榫；所述母接头包括外孔、内孔；将公接头上的凸榫对准并插入母接头上外孔，随后逆时针旋转公接头使凸榫滑动到母接头的内孔内固定连接。

上述适用于软土地层的多点位移测量装置中，所述端头包括母接头及尖头；护管下端公接头上的凸榫与端头上端母接头上的外孔对齐并插入外孔，然后逆时针旋转使凸榫滑动至内孔内固定。

上述适用于软土地层的多点位移测量装置中，公接头及母接头上设置有锁止槽，所述锁止槽为长条形凹槽结构，凹槽内设置插孔；还包括锁止销，所述锁止销为“C”形结构，端部进行倒角处理；将锁止销插入锁止槽及其内部的插孔内进行固定。

上述适用于软土地层的多点位移测量装置中，所述公线接头上端与钢绞线相连，公线接头包括公螺纹口及上导锥，公螺纹口与上导锥相连；所述母线接头下端连接钢绞线，母线接头包括母螺纹口及下导锥，母螺纹口与下导锥刚性相连；公螺纹口可活动旋转连接母螺纹口；将公螺纹口与母螺纹口对准，后旋转公螺纹口直至与其母螺纹口完全连接。

上述适用于软土地层的多点位移测量装置中，所述测量模块还包括太阳能电池板和天线，所述太阳能电池板位于数据收集器上方并为其供电；所述天线位于数据收集器侧方并传输数据。

上述适用于软土地层的多点位移测量装置中，所述数据收集器包含存储单元、储能单元、信号转化单元及通讯收发单元，由太阳能电池板供电；数据收集器通过通讯收发单元进行远程传输数据，储能单元可存储电能为数据的连续采集供电；信号转化单元将传感器获取的位移数据转换成数字信号，以便存储和传输。

一种适用于软土地层的多点位移测量方法，其特征在于，采用上述适用于软土地层的多点位移测量装置，包括如下步骤：

步骤一：将首段护管下端公接头与端头上端母接头对齐并插入进行固定连接；

步骤二：将带有端头的第一段护管使用打桩机打入软土地层中，并将其顶部的母接头留在地层外，随后将第二段护管内钢绞线底部的公线接头与插入软土地层的第一段护管内钢绞线顶部的母线接头对齐，并拧紧公线接头使两段护管内钢绞线紧密相连；

步骤三：将第二段护管的公接头与预留于软土地层外第一段护管的母接头对齐并插入进行固定连接，随后使用打桩机将第二段护管打入软土地层中。

步骤四：重复步骤二至步骤三，直至端头达到预定深度，并静置一段时间待土体结构恢复；

步骤五：向上拉拔最后一段护管内钢绞线，钢绞线使横撑向外展开并将刃脚刺入软土地层中；

步骤六：将测量模块下部钢绞线上设置的公线接头与最后一段护管上端的母线接头对齐，并拧紧公线接头使测量模块和护管内的两段钢绞线紧密相连，最后将测量模块下端公接头和护管上端母接头对齐并插入进行固定连接；

步骤七：启动测量模块并实时记录沉降数据。

本发明的有益效果是：

采用钢绞线布设锚固头的技术，钢绞线向上牵拉时使锚固头整体向上移动，但锚固基体最终被约束在窄槽上缘处，钢绞线继续牵拉将拉动横撑使之推动支点并推动锚固基体沿滑轨展开，进而使刃脚刺入土中；实现了锚固头快速布设的目的，具有装置简单、布设方便、对土体扰动小的效果。

采用线孔及横撑锁止锚固头的技术，锚固头展开后线孔端部夹紧钢绞线，同时横撑由“V”形变为“∧”形顶住锚固基体，实现了锚固头与钢绞线的紧密连接及锚固基体锁止，具有避免刃脚回弹、精简锚固头结构的效果。

采用低变形量钢绞线传递锚固头沉降量的技术，实现了将锚固头沉降量准确传递至光栅尺位移传感器的目的，具有精度高、精简传力结构、缩减占用空间的效果。

采用挡土板过滤地下水的技术，使地下水经过滤后流入护管内，实现了防止泥浆进入护管内及保持内外水压力一致的目的，具有保护钢绞线及使挡土板更易随锚固头一同运动的效果。

采用护管接长及打桩布设护管的技术，实现了对不同深度软土地层的监测及快速布设多点位移计的目的，具有适应不同深度的软土地层及避免布设多点位移计时钻孔过程中塌孔或杂物掉入的效果。

采用高精度光栅尺传感器测量位移的技术，实现了对软土地层沉降量的精确测量，具有精度高、可自动化监测的效果。

采用全自动化测量技术，辅以太阳能技术供电、无线传输技术传输数据，实现了连续监测、无人监测，具有数据采集量大、自动化程度高、安全便捷的效果。

采用高程标点实时修正沉降数据的技术，实现了实时监测测量模块沉降量的目的，具有实时修正沉降数据保证数据精度的效果。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为未布设锚固头俯视结构示意图；

图3为未布设锚固头A结构放大示意图；

图4为未布设锚固头B-B截面结构示意图；

图5为已布设锚固头结构示意图；

图6为已布设锚固头A结构放大示意图；

图7为已布设锚固头B-B截面结构示意图；

图8为护管及钢绞线接头截面结构示意图；

图9为导线板俯视结构示意图；

图10为钢绞线接头截面结构示意图；

图11为护管接头及端头截面结构示意图；

图12为护管接头及端头俯视结构示意图；

图13为锁止槽结构示意图；

图14为测量模块俯视结构示意图；

图15为测量模块结构示意图。

图中：1—锚固头；101—锚固基体；101-1—左锚固基体；101-2—右锚固基体；102—滑轨；103—线孔；104—刃脚；105—挡土板；106—钢绞线；107—横撑；108—支点；2—护管；201—公接头；201-1—管心；201-2—凸榫；202—母接头；202-1—外孔；202-2—内孔；203—窄槽；204—导线板；204-1—导线孔；205—锁止槽；206—锁止销；207—公线接头；207-1—公螺纹口；207-2—上导锥；208—母线接头；208-1—母螺纹口；208-2—下导锥；301—尖头；4—测量模块；401—护筒；402—光栅尺位移传感器；403—滑轮；404—拉簧；405—数据线；406—数据收集器；407—太阳能电池板；408—天线；409—高程标点。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明涉及的适用于软土地层的多点位移测量装置，结构参考如图1-15所示，包括锚固头1、护管2、端头3和测量模块4；锚固头1垂直设置于中空的护管2内部，所述护管2两端设置有公接头201和母接头202，公接头201连接端头3，母接头202连接测量模块4。

所述锚固头1包括条状的锚固基体101，所述锚固基体101包括左锚固基体101-1和右锚固基体101-2；左锚固基体101-1和右锚固基体101-2上开设有长条状的线孔103；右锚固基体101-2边缘设置有滑轨102，左锚固基体101-1及右锚固基体101-2相互堆叠且通过沿滑轨102滑动连接；线孔103内可活动的垂直连接有钢绞线106；左锚固基体101-1及右锚固基体101-2均设置有支点108，两支点108连接有横撑107；横撑107另一端连接在钢绞线106上；垂直护管2面上开设有窄槽203，锚固头1穿过窄槽203可活动式设置；

护管2为两个以上，护管2之间通过设置于两端的公接头201和母接头202相互连接；护管2内垂直设置有两个以上的锚固头1，锚固头1之间平行设置有导线板204，导线板204将锚固头1隔开；每个锚固头1对应连接钢绞线106；所述导线板204上设有两个以上导线孔204-1，导线孔204-1内穿有钢绞线106并将钢绞线106架起；钢绞线106两端设置有公线接头207和母线接头208，钢绞线106之间通过公线接头207和母线接头208相互连接；

所述测量模块4包括用于保护内部器件的护筒401；所述护筒401为圆筒状结构，护筒401内固定设置有光栅尺位移传感器402，光栅尺位移传感器402一端连接钢绞线106，另一端连接拉簧404，所述拉簧404牵引钢绞线106并使其绷直；连接光栅尺位移传感器402的钢绞线106还滑动连接有滑轮；将光栅尺位移传感器402连接有数据线405，数据线405连接数据收集器406，数据收集器406存储光栅尺位移传感器402获取的位移数据；位于护筒401正中心设置有高程标点409；

刃脚104在刺入软土地层后，若土层变形发生沉降，锚固头1向下运动，进而牵拉钢绞线106并带动测量模块4内的光栅尺位移传感器402运动，所述数据线405将光栅尺位移传感器402获得的位移数据传输至数据收集器406内，所述测量模块4在测量过程中可能会随护管2发生沉降，通过高程标点409不断获得测量模块4沉降量，并以此为依据对沉降数据进行修正，进而获得软土沉降数据。。

锚固头1如图1至图7所示，包括锚固基体101、滑轨102、线孔103、刃脚104、挡土板105、钢绞线106、横撑107、支点108；锚固基体101包括左锚固基体101-1及右锚固基体101-2，上部均包含线孔103，二者通过滑轨102相连，且可沿滑轨102向外平移；刃脚104穿过挡土板105，且在初始状态时位于窄槽203内，避免护管2打入软土地层时时刃脚2损坏；挡土板105可避免泥土进入护管2内影响钢绞线106的移动，且使地下水经过滤后进入护管2内使外水压力平衡，使挡土板105更容易随锚固头1向下移动；钢绞线106穿过线孔103，与横撑107相连，用以布设锚固头1及传递位移；横撑107一端与钢绞线106连接，一端与支点108连接；支点108分别与锚固基体101的左右两部分连接，位于左锚固基体101-1上的支点108在右锚固基体101-2的线孔103内；横撑107采用“V”形结构，钢绞线106向上牵拉时，锚固头1整体向上移动，但最终被约束在窄槽203上缘处；随钢绞线106继续向上运动，横撑107在支点108处产生推力，使支点108向外移动进而推动左锚固基体101-1及右锚固基体101-2沿滑轨102向外张开，并使刃脚104沿窄槽203刺入软土地层中，横撑107夹角不断变大，最终由“V”形变为“∧”形顶住锚固基体101并阻止其回弹，且线孔103端部夹紧钢绞线106，二者共同作用锁止锚固基体101，避免刃脚104回弹；此时支点108与挡土板105接触，可防止挡土板105在土压力作用下向内移动。

护管2如图8至图13所示，包括公接头201、母接头202、窄槽203、导线板204、锁止槽205、锁止销206、公线接头207和母线接头208；公接头201包括管心201-1、凸榫201-2，母接头202包括外孔202-1、内孔202-2，在连接护管2时使凸榫201-2对准外孔202-1，并旋转使凸榫滑入内孔202-2内完成对接；导线板204上数个导线孔204-1将钢绞线106架起，避免钢绞线106相互干扰影响位移观测结果，同时可使钢绞线106贴近以缩减占用空间；公接头201及母接头202上均有锁止槽205；公接头201及母接头202完成连接后，将锁止销206插入锁止槽205中，避免连接失效；护管2内钢绞线106下端为公螺纹口207-1及上导锥207-2，公螺纹口207-1可自由旋转以便与母线接头208完成连接；母线接头208下端连接钢绞线106，且与下导锥208-2刚性连接；上导锥207-2及下导锥208-2使公线接头207及母线接头208顺利通过导线孔204-1。

端头3如图11所示，包括母接头202及尖头301；母接头202可使端头3与护管2相连，连接方式与护管2相同，且端头3上同样有锁止槽205；尖头301采用高强度合金钢，可保护护管2下端并使其更易被打桩机打入软土地层中；将连接好端头3的护管2使用打桩机打入软土地层中，可适用不同深度的软土地层且避免钻进成孔过程中。

测量模块4如图14、图15所示，包括护筒401、光栅尺位移传感器402、滑轮403、拉簧404、数据线405、数据收集器406、太阳能电池板407、天线408和高程标点409；护筒401为圆筒状结构，可保护内部设备并为其安装提供支撑；光栅尺位移传感器402分辨率0.005mm，且固定于护筒401上，一端连接钢绞线106，另一端连接拉簧404，可自动化精确测量钢绞线106传递而来的位移量；滑轮403可改变钢绞线106方向，使光栅尺位移传感器402更靠近钢绞线106，可大幅减小测量模块4体积；拉簧404使钢绞线106绷直，可使位移数据更准确；数据线405可将位移数据传输至数据收集器406内；数据收集器406可存储及发送数据，实现自动化监测，且可为测量模块4提供电力；太阳能电池板407位于数据收集器406顶部，并为其充电，可实现连续监测；天线408可传输位移数据，可实现无人化监测；高程标点409位于护筒401正中心，可实时获取测量模块4沉降量以修正沉降数据。

结合图1至图15，本发明的多点位移计布设方法包括如下步骤：

步骤一：将首段护管2下端公接头201上的凸榫201与端头3上端母接头202上的外孔202-1对齐并插入，后逆时针旋转使凸榫201-2滑动至内孔202-2内，就位后将锁止销206插入锁止槽205内完成固定。

步骤二：将带有端头3的第一段护管2使用打桩机打入软土地层中，将位于护管2顶部的母接头202留在地层外，随后将第二段护管2内钢绞线106底部的公螺纹口207-1与插入软土地层的第一段护管2内钢绞线106顶部的母螺纹口208-1对齐，并拧紧公螺纹口207-1使两段护管2内钢绞线106紧密相连。

步骤三：将第二段护管2与预留于软土地层外第一段护管2按照步骤一所述连接方式进行连接，随后将第二段护管2使用打桩机打入软土地层中，此方式可有效避免常规安装过程中钻孔坍塌或杂物掉入孔内等问题。

步骤四：重复步骤二至步骤三步骤，可自由组合长度以适应不同的需求；直至端头3达到预定深度，并静置一段时间以待软土结构恢复，且使地下水可经过滤后流入护管2内维持内外水压力平衡，使监测过程中挡土板105更易随锚固头1一同下降。

步骤五：向上牵拉最后一段护管2内钢绞线106，钢绞线106带动锚固头1整体向上移动，锚固基体101最终被约束在窄槽203上缘；随钢绞线106继续向上运动，钢绞线106拉动横撑107并使之推动支点108向外移动，进而推动左锚固基体101-1及右锚固基体101-2沿滑轨102向外展开，并使刃脚104沿窄槽203刺入软土地层中。锚固头1展开后，线孔103端部夹紧钢绞线106，且横撑107由“V”形变为“∧”形顶住锚固基体，二者共同作用锁止锚固基体101，完成锚固头1的布设。

步骤六：将测量模块4下部钢绞线106上公螺纹口207-1与最后一段护管2上端母螺纹口208-1按照步骤二所述连接方式进行连接；后将测量模块4按照步骤一所述连接方式进行连接。

步骤七：启动测量模块4，并实时记录沉降数据；当软土地层发生沉降时，随土体向下运动的锚固头1可带动钢绞线106一并运动进而牵拉测量模块内光栅尺位移传感器402，并将位移数据转化为电信号并储存于测量模块4内的数据收集器406内；在记录过程中不断通过高程标点409沉降量以修正沉降数据。

本发明涉及一种用于软土地层的多点位移测量装置及位移测量方法，锚固头位于护管内，端头位于护管底端，测量模块位于护管顶部，端头、测量模块与护管及护管与护管之间采用接头进行连接；护管逐段连接并使用打桩机打入软土地层中；护管内部有钢绞线，钢绞线同样采用接头连接方式，且其与锚固头及测量模块连接；布设锚固头时可向上牵拉钢绞线使其向外展开刺入土体内；软土地层发生沉降时，锚固头随土体运动，并带动钢绞线牵拉测量模块内光栅尺位移传感器，光栅尺位移传感器可将位移数据转化为电信号并储存于测量模块内的存储模块内；本装置护管、端头及测量模块采用拼接的方式，可自由组合长度以适应不同深度软土地层；且锚固头采用刺入土体的布设方式可有效减少对土体的扰动；护管使用打桩机打入软土地层中，可有效防止常规多点位移计布设时钻孔塌孔及杂物掉入，同时大幅节省布设时间；本发明可用于测量软土内部不同深度的沉降量，为地下工程实时提供地层沉降监测数据。

以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。