一种土体运动姿态监测盒

技术领域

本发明涉及岩土工程监测技术领域，具体是一种土体运动姿态监测盒。

背景技术

变形和位移监测在工程建设质量安全控制中占据着极其重要的地位。现有空间运动姿态监测技术多应用于地面以上结构物，无法应用到地面以下土体的变形位移监测中来。然而土体位移变形过大往往是导致工程事故的根本原因，如基坑垮塌、路面塌陷、地基不均匀沉降、边坡失稳等。土体变形和位移监测的难点在于：1、监测盒需随土体一起运动才能真实反映土体的位移和变形；2、布设在土中的监测盒需要对外通讯，如果采用无线形式则存在土体屏蔽通讯信号和耗电量大的问题，如果采用有线形式则存在线缆拉扯监测盒，导致监测盒不能反映真实的土体位移和变形的问题；3、土中长期存在的地下水不仅会影响电子监测设备的正常工作，还会对监测盒产生浮力，使监测结果失准；4、在深部土体布设监测盒操作难度大、布设深度难以控制。

现有技术中采用测斜仪对土体位移进行监测，然而其仅能监测土体的水平位移，无法全面监测土体的整体运动姿态状况；此外，测斜仪一般为人工数据采集，人为因素影响大，无法实时自动输出、计算、分析数据，经济和人工成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够真实反映深部土体运动姿态、实时不间断传输深部土体运动姿态数据的监测盒，以达到监测深部土体位移变形状况，对地下工程中变形过大的情况进行预警，进而防止工程事故发生的目的。

实现本发明目的的技术方案是：

一种土体运动姿态监测盒，包括空心球体、密封盒、姿态角度传感器；空心球体上端设有上出线孔，下端设有可拆卸的底盖，底盖上设有下出线孔，空心球体内的中下部设有环形平台，环形平台之上设有柱状的空心圆筒，圆筒顶部与球体连为一体，底部与环形平台内环边缘相连为一体，空心圆筒内的空腔与上出线孔、下出线孔连通，圆筒内设有内螺纹状的置线台；

两个密封盒对称式固定在环形平台底部，两个姿态角度传感器分别固定在两个密封盒内，连接姿态角度传感器的电源信号线从密封盒内引出后绕在圆筒内的螺纹状的置线台上并从上出线孔引出球体外，上出线孔处的电源信号线通过溶水胶固定在固线环上，固线环再通过溶水胶固定于上出线孔之下；或者在电源信号线与上出线孔之间的缝隙紧密塞满溶水纸，以此达到固定电源信号线与球体的目的。

所述的空心球体是可对半开的球体，球体外设有三向正交定位翼，定位翼边缘设有刃口。

所述的电源信号线，通过置线棒将电源信号线绕在空心圆筒内的置线台上。

所述的置线棒上端外部设有与内螺纹状置线台匹配的外螺纹状置线台。

所述的两个姿态角度传感器的连接方式为并联。

所述的固线环为对半开固线环，通过溶水胶粘合在空心球体内的上出线孔之下，固线环的内径稍大于上出线孔的直径，用于将电源信号线固定在监测盒的上出线孔处，目的在于监测盒存放、移动、布设的方便。

所述的姿态角度传感器，为三维姿态角度传感器，可以立体感知监测点土体的位移量、运动加速度、转动角度等整体运动姿态。

本发明提供的一种土体运动姿态监测盒，具有如下优点：

（1）监测盒具有三向正交定位翼的球状外形，保证了其埋设入土体后可随土体的变形一起运动，进而真实反映监测点土体的三维运动姿态。

（2）将电源信号线提前疏松有致绕置于监测盒内，而后将监测盒埋设入土体，保证了监测盒随土体运动时，监测盒不受电源信号线的拉扯，确保了监测数据的可靠性，改善了监测仪器的性能，提高了监测精度。

（3）监测盒内的姿态角度传感器经电源信号线实现和地面的通信及供电，一方面保证了传输信号的稳定性，另一方面解决了无线监测设备的供电问题，使监测仪器有了稳定的信号和充足的电源，实现了稳定长久监测。

（4）监测盒在布设于地下深部土体之前，通过固线环固定或溶水纸塞紧的方式使得电源信号线和监测盒上出线口间固定，便于手提电源信号线操作，不仅可以实现挂置存放、手提移动，还可以实现将监测盒提拉置入地层中预先打设的小孔径钻孔，解决在深部土体布设监测盒操作难度大、布设深度难以控制的难题。

（5）监测盒在布设于预定深度的地下土体后，由于存在地下水或人工灌入水，固定固线环的溶水胶会遇水溶解或者溶水纸也会遇水溶解，从而实现电源信号线和监测盒上出线口之间的脱离，此时，电源信号线不再会拉扯监测盒，实现监测盒的无外力条件下随土体自由运动。

（6）监测盒的内部构造决定了除密封盒之外的部分都可以是有水环境，因此在地下水中受到的浮力会非常小，这不仅可以保证土中长期存在的地下水不会影响电子监测元件的正常工作，还可以解决监测盒整体受到较大浮力，使监测结果失准的难题。

（7）可通过监测盒下出线孔实现多个监测盒的串联，对不同深度的土体运动姿态监测。

（8）该监测盒的结构可以通过普通3D打印实现，模型容易建立，材料易于获取，此外，监测盒操作简便、测量精确、运输维修保养方便、监测成本低。

附图说明

图1为监测盒的立体结构示意图；

图2为监测盒的剖视图；

图3为置线棒的立体结构示意图；

图4为置线棒的正视图；

图5为电源信号线缠绕在置线棒上的结构示意图；

图中：1、空心球体 2、定位翼 3、刃口 4、空心圆筒 5、环形平台 6、底盖 7、下出线孔 8、密封盒 9、姿态角度传感器 10、内螺纹状置线台 11、电源信号线 12、固线环 13、上出线孔 14、置线棒 15、外螺纹状置线台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

如图1、图2所示：

一种土体运动姿态监测盒，包括空心球体1、密封盒8、姿态角度传感器9；空心球体1上端设有上出线孔13，下端设有可拆卸的底盖6，底盖6上设有下出线孔7，空心球体1内的中下部设有环形平台5，环形平台5之上设有柱状的空心圆筒4，圆筒4顶部与球体1连为一体，圆筒4底部与环形平台5内环边缘相连为一体，空心圆筒4内的空腔与上出线孔13、下出线孔7连通，圆筒4内设有内螺纹状的置线台10；

两个密封盒8对称式固定在环形平台5底部，两个姿态角度传感器9分别固定在两个密封盒8内，连接姿态角度传感器9的电源信号线11从密封盒8内引出后绕在圆筒4内的螺纹状的置线台10上并从上出线孔13引出球体1外，上出线孔13处的电源信号线11通过溶水胶固定在固线环12上，固线环12再通过溶水胶固定于上出线孔13之下；或者在电源信号线11与上出线孔13之间的缝隙紧密塞满溶水纸，以此达到固定电源信号线11与球体1的目的。

所述的空心球体1是可对半开的球体，球体1外设有三向正交定位翼2，定位翼2边缘设有刃口3，底盖6外表面上也设有与球体1外三向正交定位翼相对于的定位翼2，定位翼2上设有刃口3。

所述的电源信号线11，通过置线棒14将电源信号线11绕在空心圆筒4内的置线台10上，如图3、图4和图5所示。

所述的置线棒14上端外部设有与内螺纹状置线台10匹配的外螺纹状置线台15。

所述的两个姿态角度传感器9的连接方式为并联。

所述的固线环12为对半开固线环，通过溶水胶粘合在空心球体1内的上出线孔13之下，固线环12的内径稍大于上出线孔13的直径，用于将电源信号线11固定在监测盒的上出线孔13处，目的在于监测盒存放、移动、布设的方便。

所述的姿态角度传感器9，为三维姿态角度传感器，可以立体感知监测点土体的位移量、运动加速度、转动角度等整体运动姿态。

一种土体运动姿态监测盒，其使用方法如下：

1）取对半开监测盒球体1的一半，准备两个姿态角度传感器9以及适宜长度的电源信号线11；

2）电源信号线11将两个姿态角度传感器9并联在一起，并固定安装在备好的对半开球体1内的密封盒8内，将电源信号线11引出密封盒8外后，对密封盒8做密封防水处理；

3）将电源信号线11缠绕于置线棒14外螺纹置线台15上，然后将缠绕有电源信号线11的置线棒14整体按螺纹约束放置于备好的对半开球体内的内螺纹置线筒4上，在上出线孔13位置用对半开固线环12通过溶水胶将电源信号线11固定，并再利用溶水胶将对半开固线环12粘贴在监测盒上出线孔13的下方，此时电源信号线11与上出线孔13之间是固定的，然后再盖上另一半监测盒外体1，此时球体1底部的底盖6尚未盖上；

4）将电源信号线11与上出线孔13之间固定的备选方案为：待盖上另一半监测盒外体后，利用溶水纸紧密塞满电源信号线11与上出线孔13之间的缝隙；

5）在内螺纹置线筒4内顺时针旋转置线棒14，电源信号线11经外螺纹置线台15滑移疏松有致绕置于内螺纹置线筒4内的内螺纹置线台10上，置线棒14旋出而电源信号线11不随置线棒14一起旋出，然后将监测盒底部的底盖6盖上，密封监测盒底盖6与监测盒外体接触处的缝隙，此时，整个电源信号线11疏松有致绕置于内螺纹置线筒4内，在监测盒埋设入土体之前，监测盒内整个电源信号线11处于固定状态，不会因运输或埋设过程中的人为因素扰乱了监测盒内电源信号线11的布置；

6）监测盒外部信号线上刻有长度刻度，将监测盒放入垂直钻孔，用电源信号线上的长度刻度衡量监测盒的埋设深度，监测盒埋设入土体后，粘贴对半开固线环的亲水胶在深部土体内地下水的作用下溶解，对半开固线环释放电源信号线，监测盒随土体移动时，监测盒不受电源信号线的拉扯，从而真实反映监测点土体的整体运动姿态，最后监测盒得到的监测点土体运动相关物理量是两个并联姿态角度传感器测得数据的平均值。