專利名稱：凍土沉降鉆孔監(jiān)測(cè)的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及巖土工程變形監(jiān)測(cè)，尤其涉及凍土沉降監(jiān)測(cè)的方法及其裝置。具體地說(shuō)，主要是針對(duì)寒區(qū)多年凍土沉降監(jiān)測(cè)，尤其對(duì)多年凍土地區(qū)工程建筑基礎(chǔ)工程和路基工程的沉降監(jiān)測(cè)，結(jié)合數(shù)碼監(jiān)測(cè)、光纖數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，進(jìn)行寒區(qū)凍土沉降數(shù)字化監(jiān)測(cè)，并通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果的光纖傳輸，實(shí)現(xiàn)凍土沉降的自動(dòng)化遙測(cè)。
背景技術(shù)：
巖土工程變形監(jiān)測(cè)是巖土工程的重要組成部分，已廣泛應(yīng)用于邊坡、壩基、隧道、公路和橋梁的變形監(jiān)測(cè)中。土體變形和沉降觀測(cè)由初期的光學(xué)測(cè)量、電磁測(cè)量、手工記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)展到現(xiàn)在的光機(jī)電一體化、激光測(cè)量并以小型計(jì)算機(jī)存貯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)碼設(shè)備因其具有直觀、方便等優(yōu)點(diǎn)，因此隨著數(shù)碼技術(shù)的發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、空間技術(shù)等高新技術(shù)逐漸在巖土工程變形監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用。光纖具有優(yōu)良的信息傳遞能力，無(wú)需任何中間媒體就能把待測(cè)量值與光纖內(nèi)光特性的變化聯(lián)系起來(lái)；以激光作載波，用光導(dǎo)纖維作傳輸路徑來(lái)感應(yīng)、傳輸各種信息，具有傳感和數(shù)據(jù)通道集為一體、通信容量大、速度快、靈敏度高、耐水性好、電絕緣好、耐腐蝕、抗電磁干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
由于凍土是由顆粒骨架、水、冰和孔隙等多相介質(zhì)在低溫特定環(huán)境條件下形成的特殊物質(zhì)；因此，雖然各種巖土工程變形監(jiān)測(cè)設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于非凍土的變形監(jiān)測(cè)中，但是目前的變形測(cè)試設(shè)備在凍土地區(qū)變形監(jiān)測(cè)中還存在防水，防凍結(jié)，操作復(fù)雜，所需測(cè)試人員較多且必須具有較高專業(yè)水平，以及體力、人力耗費(fèi)過(guò)大等缺點(diǎn)。在高寒缺氧等條件惡劣的環(huán)境下，采用磁環(huán)沉降或膨脹板、水準(zhǔn)儀等進(jìn)行測(cè)量是相當(dāng)費(fèi)事費(fèi)力的工作，數(shù)據(jù)連續(xù)采集難以實(shí)現(xiàn)，而且直接運(yùn)用到寒區(qū)凍土測(cè)試中還存在一定的問(wèn)題。
我國(guó)第一條高原凍土鐵路青藏鐵路格爾木一拉薩段全長(zhǎng)1110km，經(jīng)過(guò)地段自然環(huán)境惡劣，其中有550km多穿越多年凍土地區(qū)，路堤的凍脹、融化變形是鐵路路基的主要病害，鐵路路基的工后沉降量觀測(cè)和凍土地區(qū)路基沉降融化深度的觀測(cè)一直是凍土地區(qū)變形監(jiān)測(cè)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，在多年凍土區(qū)開(kāi)展凍土變形監(jiān)測(cè)工作會(huì)遇到較非凍結(jié)區(qū)更為復(fù)雜和多變的問(wèn)題。接合目前巖土工程監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)和凍土變形監(jiān)測(cè)的特殊性，研究適用于凍土變形監(jiān)測(cè)的方法及其裝置具有重要的意義。該裝置應(yīng)具有防水、防凍結(jié)、測(cè)試結(jié)果數(shù)碼顯示，并將連續(xù)采集的監(jiān)測(cè)結(jié)果光纖傳輸，實(shí)現(xiàn)凍土變形遙測(cè)，從而有效地節(jié)省人力、物力和財(cái)力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有電磁式和機(jī)械式凍土變形監(jiān)測(cè)設(shè)備笨重、測(cè)試人員較多且測(cè)試過(guò)程和后期分析復(fù)雜等缺點(diǎn)，提供一種凍土沉降鉆孔監(jiān)測(cè)的方法及其裝置。本發(fā)明不但使監(jiān)測(cè)方便、精度高、數(shù)字化顯示，還可進(jìn)行監(jiān)測(cè)結(jié)果的光纖傳輸與通信。對(duì)需要抗水抗凍結(jié)的凍土變形監(jiān)測(cè)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，也可運(yùn)用于非凍土地帶的巖土工程變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的。
一、方法①對(duì)被監(jiān)測(cè)的凍土進(jìn)行垂直鉆孔并選定測(cè)點(diǎn)；②測(cè)線為環(huán)繞在滑輪上的不銹鋼絲，測(cè)線的一個(gè)端點(diǎn)用膨脹木固定在測(cè)點(diǎn)處，測(cè)線的另一個(gè)端點(diǎn)固定有重錘；③在鉆孔出口的測(cè)線上固定有安裝光電偶合(CCD)傳感器的夾具，傳感器即可獲得測(cè)點(diǎn)的沉降信息；④利用專門(mén)儀器將沉降信息顯示、傳輸、記錄。
具體地說(shuō)，緊密咬合在鉆孔壁上的各測(cè)點(diǎn)與一根伸縮性極小的不銹鋼絲相連，在鉆孔口設(shè)有支架，通過(guò)支架對(duì)不銹鋼絲施加恒定的荷載(20kg)，使其伸直?？淄獾牟讳P鋼絲上固定有光電偶合(CCD)傳感器，通過(guò)光源燈以恒定的光線入射到CCD傳感器上，解讀光脈沖大小反映CCD位移變化。所得結(jié)果通過(guò)CCD前置放大器將光的脈沖信號(hào)放大，并通過(guò)脈沖信號(hào)解調(diào)，數(shù)據(jù)采集，得到不銹鋼絲的位移變化。該數(shù)值即與鉆孔各測(cè)點(diǎn)真實(shí)位移對(duì)應(yīng)，并通過(guò)數(shù)字形式予以顯示。數(shù)據(jù)采集儀采集所得的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)光纖轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的光纖傳輸與通信，在遠(yuǎn)距離的接收端，通過(guò)雙環(huán)自愈光端機(jī)將光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)解調(diào)，得到光纖傳輸過(guò)來(lái)的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
二、裝置如圖1，本裝置由凍土鉆孔CCD數(shù)碼傳感器A、CCD數(shù)碼數(shù)據(jù)采集儀B、光纖轉(zhuǎn)換器C、光纖D、雙環(huán)自愈光端機(jī)E、PC計(jì)算機(jī)F組成；凍土鉆孔CCD數(shù)碼傳感器A、CCD數(shù)碼數(shù)據(jù)采集儀B、光纖轉(zhuǎn)換器C、光纖D、雙環(huán)自愈光端機(jī)E、PC計(jì)算機(jī)F依次連接。
如圖2，所述的凍土鉆孔CCD數(shù)碼傳感器A由不銹鋼絲1、底盤(pán)2、夾具3、支撐桿4、支架上盤(pán)5、滑輪6、重錘或砝碼7、CCD片8、光源燈9、光源燈盒10、CCD前置放大器11組成；各部件的位置及連接關(guān)系是鉆孔0中各測(cè)點(diǎn)如測(cè)點(diǎn)a通過(guò)不銹鋼絲1相連，在鉆孔0的出口設(shè)置有由底盤(pán)2、撐桿4、支架上盤(pán)5組成的拉力支架，不銹鋼絲1通過(guò)滑輪6連接重錘或砝碼7，對(duì)鋼絲施加恒定的荷載。夾具3一端固定在鋼絲1上，一端固定CCD片8，使CCD片8通過(guò)夾具3與不銹鋼絲1牢固連接，夾具CCD端置于光源燈盒10內(nèi)，光源燈盒10內(nèi)置光源燈9，光源燈盒10能排除外界自然光對(duì)光源燈的干擾。光源燈9通過(guò)外部燈罩的窄縫隙透光，將穩(wěn)定的光帶垂直入射到CCD片8上，并轉(zhuǎn)換解析CCD片8位移的變化，借以反映與不銹鋼絲1緊密相連的各測(cè)點(diǎn)的變化。
凍土鉆孔CCD數(shù)碼傳感器A解析所得的數(shù)據(jù)經(jīng)CCD前置放大器11將信號(hào)放大后，直接由CCD數(shù)碼數(shù)據(jù)采集儀B采集；再將采集所得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)光纖轉(zhuǎn)換器C轉(zhuǎn)換為光信號(hào)向接收端傳輸，在接收端，通過(guò)雙環(huán)自愈光端機(jī)E將光信號(hào)解調(diào)成數(shù)字信號(hào)，在顯示器上顯示。整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了凍土沉降的數(shù)碼監(jiān)測(cè)及其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的光纖傳輸與通信，從而實(shí)現(xiàn)凍土沉降的遙測(cè)。
本裝置的技術(shù)指標(biāo)如下靈敏度-0.01mm； 量程-35mm；供電-12V；功耗-20mA(每測(cè)點(diǎn))。
傳輸速度-9600bt/秒； 傳輸距離-20Km。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果①在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，通過(guò)CCD傳感器數(shù)碼采集凍土沉降，實(shí)現(xiàn)凍土沉降的遙測(cè)，這對(duì)環(huán)境復(fù)雜、條件艱苦的地方尤其重要。
②本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、穩(wěn)定性好、操作簡(jiǎn)便，對(duì)安裝測(cè)試人員沒(méi)有很強(qiáng)的技能要求。
因此，本發(fā)明不僅實(shí)現(xiàn)了環(huán)境復(fù)雜、條件艱苦地方的凍土沉降遙測(cè)，也適用于巖土工程變形監(jiān)測(cè)。


圖1-本裝置組成方框圖；圖2-凍土沉降鉆孔CCD傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3-GK-12C型數(shù)據(jù)采集儀原理框圖。
其中A-凍土鉆孔CCD數(shù)碼傳感器；B-CCD數(shù)碼數(shù)據(jù)采集儀；B1-8路模擬開(kāi)關(guān)， B2-單片機(jī)及接口電路，B3-SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，B4-時(shí)鐘，B5-顯示器，B6-鍵盤(pán)；C-光纖轉(zhuǎn)換器；D-光纖；E-雙環(huán)自愈光端機(jī)；F-PC計(jì)算機(jī)；G-便攜式微機(jī)。
0-鉆孔； a-測(cè)點(diǎn)；1-不銹鋼絲； 2-底盤(pán)；3-夾具；4-支撐桿；5-支架上盤(pán)；6-滑輪；7-重錘或砝碼；8-CCD片； 9-光源燈；10-光源燈盒； 11-CCD前置放大器。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施示例進(jìn)一步說(shuō)明。
1、CCD數(shù)碼數(shù)據(jù)采集儀
CCD數(shù)碼數(shù)據(jù)采集儀B選用GK-12C型數(shù)據(jù)采集儀，如圖3所示。GK-12C型數(shù)據(jù)采集儀由8路模擬開(kāi)關(guān)B1、單片機(jī)及接口電路B2、SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器B3、時(shí)鐘B4、顯示器B5、鍵盤(pán)B6組成。
由于測(cè)點(diǎn)多達(dá)8個(gè)，單片機(jī)定時(shí)依次啟動(dòng)模擬開(kāi)關(guān)，分別對(duì)8路CCD數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集并存入SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器B3中。
接口與便攜式微機(jī)G或與光纖轉(zhuǎn)換器C相連接。
操作便攜式微機(jī)G可隨時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)取SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器B3中的內(nèi)存數(shù)據(jù)。
通過(guò)光纖轉(zhuǎn)換器C及光纜與雙環(huán)自愈光端機(jī)E和數(shù)據(jù)中心F相連，則可在20Km外的數(shù)據(jù)中心隨時(shí)用微機(jī)調(diào)取SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器B3中的內(nèi)存數(shù)據(jù)。
時(shí)鐘B4、顯示器B5分別顯示時(shí)間及內(nèi)存數(shù)據(jù)。
通道8； 內(nèi)存32Kb；采集時(shí)間間隔10分鐘、1小時(shí)、4小時(shí)程控；輸出RS-232； 供電12V； 功耗100mA。
2、光纖轉(zhuǎn)換器光纖轉(zhuǎn)換器C選用MWF1000。
3、雙環(huán)自愈光端機(jī)雙環(huán)自愈光端機(jī)E選用MWF5800。
權(quán)利要求
1.一種凍土沉降鉆孔監(jiān)測(cè)的方法，其特征在于①對(duì)被監(jiān)測(cè)的凍土進(jìn)行垂直鉆孔并選定測(cè)點(diǎn)；②測(cè)線為環(huán)繞在滑輪上的不銹鋼絲，測(cè)線的一個(gè)端點(diǎn)用膨脹木固定在測(cè)點(diǎn)處，測(cè)線的另一個(gè)端點(diǎn)固定有重錘；③在鉆孔出口的測(cè)線上固定有安裝光電偶合CCD傳感器的夾具，傳感器即可獲得測(cè)點(diǎn)的沉降信息；④利用專門(mén)儀器將沉降信息顯示、傳輸、記錄。
2.一種凍土沉降鉆孔監(jiān)測(cè)的裝置，包括CCD數(shù)碼數(shù)據(jù)采集儀(B)、光纖轉(zhuǎn)換器(C)、光纖(D)、雙環(huán)自愈光端機(jī)(E)、PC計(jì)算機(jī)(F)；其特征在于凍土鉆孔CCD數(shù)碼傳感器(A)、CCD數(shù)碼數(shù)據(jù)采集儀(B)、光纖轉(zhuǎn)換器(C)、光纖(D)、雙環(huán)自愈光端機(jī)(E)、PC計(jì)算機(jī)(F)依次連接；所述的凍土鉆孔CCD數(shù)碼傳感器(A)由不銹鋼絲(1)、底盤(pán)(2)、夾具(3)、支撐桿(4)、支架上盤(pán)(5)、滑輪(6)、，重錘或砝碼(7)、CCD片(8)、光源燈(9)、光源燈盒(10)、CCD前置放大器(11)組成，各部件的位置及連接關(guān)系是鉆孔(0)中各測(cè)點(diǎn)如測(cè)點(diǎn)a通過(guò)不銹鋼絲(1)相連，在鉆孔(0)的出口設(shè)置有由底盤(pán)(2)、撐桿(4)、支架上盤(pán)(5)組成的拉力支架，不銹鋼絲(1)通過(guò)滑輪(6)連接重錘或砝碼(7)；夾具(3)一端固定在鋼絲(1)上，一端固定CCD片(8)；夾具CCD端置于光源燈盒(10)內(nèi)，光源燈盒(10)內(nèi)置光源燈(9)。
3.按權(quán)利要求2所述的一種凍土沉降鉆孔監(jiān)測(cè)的裝置，其特征在于CCD數(shù)碼數(shù)據(jù)采集儀(B)選用GK-12C型數(shù)據(jù)采集儀。
4.按權(quán)利要求2所述的一種凍土沉降鉆孔監(jiān)測(cè)的裝置，其特征在于光纖轉(zhuǎn)換器(C)選用MWF1000。
5.按權(quán)利要求2所述的一種凍土沉降鉆孔監(jiān)測(cè)的裝置，其特征在于雙環(huán)自愈光端機(jī)(E)選用MWF5800。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種凍土沉降鉆孔監(jiān)測(cè)的方法及其裝置，涉及巖土工程變形監(jiān)測(cè)。本方法是①對(duì)被監(jiān)測(cè)的凍土進(jìn)行垂直鉆孔并選定測(cè)點(diǎn)；②測(cè)線為環(huán)繞在滑輪上的不銹鋼絲，測(cè)線的一個(gè)端點(diǎn)用膨脹木固定在測(cè)點(diǎn)處，測(cè)線的另一個(gè)端點(diǎn)固定有重錘；③在鉆孔出口的測(cè)線上固定有安裝光電偶合CCD傳感器的夾具，傳感器即可獲得測(cè)點(diǎn)的沉降信息；④利用專門(mén)儀器將沉降信息顯示、傳輸、記錄。本裝置由凍土鉆孔CCD數(shù)碼傳感器(A)、CCD數(shù)碼數(shù)據(jù)采集儀(B)、光纖轉(zhuǎn)換器(C)、光纖(D)、雙環(huán)自愈光端機(jī)(E)、PC計(jì)算機(jī)(F)組成。本發(fā)明不僅實(shí)現(xiàn)了環(huán)境復(fù)雜、條件艱苦地方的凍土沉降遙測(cè)，也適用于巖土工程變形監(jiān)測(cè)。本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、穩(wěn)定性好、操作簡(jiǎn)便。
文檔編號(hào)G01D5/26GK1587899SQ20041006092
公開(kāi)日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月30日
發(fā)明者胡明鑒, 汪稔, 蔡惟鑫, 譚適齡, 朱瑞賡, 石祥鋒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所