冻土沉降钻孔监测的方法及其装置.pdf

本发明公开了一种冻土沉降钻孔监测的方法及其装置，涉及岩土工程变形监测。本方法是：①对被监测的冻土进行垂直钻孔并选定测点；②测线为环绕在滑轮上的不锈钢丝，测线的一个端点用膨胀木固定在测点处，测线的另一个端点固定有重锤；③在钻孔出口的测线上固定有安装光电偶合CCD传感器的夹具，传感器即可获得测点的沉降信息；④利用专门仪器将沉降信息显示、传输、记录。本装置由冻土钻孔CCD数码传感器(A)、CCD数码数据采集仪(B)、光纤转换器(C)、光纤(D)、双环自愈光端机(E)、PC计算机(F)组成。本发明不仅实现了环境复杂、条件艰苦地方的冻土沉降遥测，也适用于岩土工程变形监测。本装置结构简单、精度高、稳定性好、操作简便。

1、  一种冻土沉降钻孔监测的方法，其特征在于：
①对被监测的冻土进行垂直钻孔并选定测点；
②测线为环绕在滑轮上的不锈钢丝，测线的一个端点用膨胀木固定在测点处，测线的另一个端点固定有重锤；
③在钻孔出口的测线上固定有安装光电偶合CCD传感器的夹具，传感器即可获得测点的沉降信息；
④利用专门仪器将沉降信息显示、传输、记录。

2、  一种冻土沉降钻孔监测的装置，包括CCD数码数据采集仪(B)、光纤转换器(C)、光纤(D)、双环自愈光端机(E)、PC计算机(F)；
其特征在于：冻土钻孔CCD数码传感器(A)、CCD数码数据采集仪(B)、光纤转换器(C)、光纤(D)、双环自愈光端机(E)、PC计算机(F)依次连接；
所述的冻土钻孔CCD数码传感器(A)由不锈钢丝(1)、底盘(2)、夹具(3)、支撑杆(4)、支架上盘(5)、滑轮(6)、，重锤或砝码(7)、CCD片(8)、光源灯(9)、光源灯盒(10)、CCD前置放大器(11)组成，各部件的位置及连接关系是：钻孔(0)中各测点如测点a通过不锈钢丝(1)相连，在钻孔(0)的出口设置有由底盘(2)、撑杆(4)、支架上盘(5)组成的拉力支架，不锈钢丝(1)通过滑轮(6)连接重锤或砝码(7)；夹具(3)一端固定在钢丝(1)上，一端固定CCD片(8)；夹具CCD端置于光源灯盒(10)内，光源灯盒(10)内置光源灯(9)。

3、  按权利要求2所述的一种冻土沉降钻孔监测的装置，其特征在于：CCD数码数据采集仪(B)选用GK-12C型数据采集仪。

4、  按权利要求2所述的一种冻土沉降钻孔监测的装置，其特征在于：光纤转换器(C)选用MWF1000。

5、  按权利要求2所述的一种冻土沉降钻孔监测的装置，其特征在于：双环自愈光端机(E)选用MWF5800。

冻土沉降钻孔监测的方法及其装置
技术领域
本发明涉及岩土工程变形监测，尤其涉及冻土沉降监测的方法及其装置。具体地说，主要是针对寒区多年冻土沉降监测，尤其对多年冻土地区工程建筑基础工程和路基工程的沉降监测，结合数码监测、光纤数据传输的优点，进行寒区冻土沉降数字化监测，并通过监测结果的光纤传输，实现冻土沉降的自动化遥测。
背景技术
岩土工程变形监测是岩土工程的重要组成部分，已广泛应用于边坡、坝基、隧道、公路和桥梁的变形监测中。土体变形和沉降观测由初期的光学测量、电磁测量、手工记录观测数据发展到现在的光机电一体化、激光测量并以小型计算机存贮监测数据。数码设备因其具有直观、方便等优点，因此随着数码技术的发展，电子计算机技术、激光技术、空间技术等高新技术逐渐在岩土工程变形监测中得到应用。光纤具有优良的信息传递能力，无需任何中间媒体就能把待测量值与光纤内光特性的变化联系起来；以激光作载波，用光导纤维作传输路径来感应、传输各种信息，具有传感和数据通道集为一体、通信容量大、速度快、灵敏度高、耐水性好、电绝缘好、耐腐蚀、抗电磁干扰强等优点。
由于冻土是由颗粒骨架、水、冰和孔隙等多相介质在低温特定环境条件下形成的特殊物质；因此，虽然各种岩土工程变形监测设备已经广泛应用于非冻土的变形监测中，但是目前的变形测试设备在冻土地区变形监测中还存在防水，防冻结，操作复杂，所需测试人员较多且必须具有较高专业水平，以及体力、人力耗费过大等缺点。在高寒缺氧等条件恶劣的环境下，采用磁环沉降或膨胀板、水准仪等进行测量是相当费事费力的工作，数据连续采集难以实现，而且直接运用到寒区冻土测试中还存在一定的问题。
我国第一条高原冻土铁路青藏铁路格尔木一拉萨段全长1110km，经过地段自然环境恶劣，其中有550km多穿越多年冻土地区，路堤的冻胀、融化变形是铁路路基的主要病害，铁路路基的工后沉降量观测和冻土地区路基沉降融化深度的观测一直是冻土地区变形监测中的重点和难点。因此，在多年冻土区开展冻土变形监测工作会遇到较非冻结区更为复杂和多变的问题。接合目前岩土工程监测的特点和冻土变形监测的特殊性，研究适用于冻土变形监测的方法及其装置具有重要的意义。该装置应具有防水、防冻结、测试结果数码显示，并将连续采集的监测结果光纤传输，实现冻土变形遥测，从而有效地节省人力、物力和财力。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有电磁式和机械式冻土变形监测设备笨重、测试人员较多且测试过程和后期分析复杂等缺点，提供一种冻土沉降钻孔监测的方法及其装置。本发明不但使监测方便、精度高、数字化显示，还可进行监测结果的光纤传输与通信。对需要抗水抗冻结的冻土变形监测具有显著的优点，也可运用于非冻土地带的岩土工程变形监测领域。
本发明的目的是这样实现的。
一、方法
①对被监测的冻土进行垂直钻孔并选定测点；
②测线为环绕在滑轮上的不锈钢丝，测线的一个端点用膨胀木固定在测点处，测线的另一个端点固定有重锤；
③在钻孔出口的测线上固定有安装光电偶合(CCD)传感器的夹具，传感器即可获得测点的沉降信息；
④利用专门仪器将沉降信息显示、传输、记录。
具体地说，紧密咬合在钻孔壁上的各测点与一根伸缩性极小的不锈钢丝相连，在钻孔口设有支架，通过支架对不锈钢丝施加恒定的荷载(20kg)，使其伸直。孔外的不锈钢丝上固定有光电偶合(CCD)传感器，通过光源灯以恒定的光线入射到CCD传感器上，解读光脉冲大小反映CCD位移变化。所得结果通过CCD前置放大器将光的脉冲信号放大，并通过脉冲信号解调，数据采集，得到不锈钢丝的位移变化。该数值即与钻孔各测点真实位移对应，并通过数字形式予以显示。数据采集仪采集所得的数据，经过光纤转换器，将数字信号转换为光信号，进行测试数据的光纤传输与通信，在远距离的接收端，通过双环自愈光端机将光纤传输的光信号解调，得到光纤传输过来的变形监测数据。
二、装置
如图1，本装置由冻土钻孔CCD数码传感器A、CCD数码数据采集仪B、光纤转换器C、光纤D、双环自愈光端机E、PC计算机F组成；冻土钻孔CCD数码传感器A、CCD数码数据采集仪B、光纤转换器C、光纤D、双环自愈光端机E、PC计算机F依次连接。
如图2，所述的冻土钻孔CCD数码传感器A由不锈钢丝1、底盘2、夹具3、支撑杆4、支架上盘5、滑轮6、重锤或砝码7、CCD片8、光源灯9、光源灯盒10、CCD前置放大器11组成；各部件的位置及连接关系是：钻孔0中各测点如测点a通过不锈钢丝1相连，在钻孔0的出口设置有由底盘2、撑杆4、支架上盘5组成的拉力支架，不锈钢丝1通过滑轮6连接重锤或砝码7，对钢丝施加恒定的荷载。夹具3一端固定在钢丝1上，一端固定CCD片8，使CCD片8通过夹具3与不锈钢丝1牢固连接，夹具CCD端置于光源灯盒10内，光源灯盒10内置光源灯9，光源灯盒10能排除外界自然光对光源灯的干扰。光源灯9通过外部灯罩的窄缝隙透光，将稳定的光带垂直入射到CCD片8上，并转换解析CCD片8位移的变化，借以反映与不锈钢丝1紧密相连的各测点的变化。
冻土钻孔CCD数码传感器A解析所得的数据经CCD前置放大器11将信号放大后，直接由CCD数码数据采集仪B采集；再将采集所得的数据经过光纤转换器C转换为光信号向接收端传输，在接收端，通过双环自愈光端机E将光信号解调成数字信号，在显示器上显示。整个过程实现了冻土沉降的数码监测及其监测数据的光纤传输与通信，从而实现冻土沉降的遥测。
本装置地技术指标如下：
灵敏度-0.01mm；       量程-35mm；
供电-12V；            功耗-20mA(每测点)。
传输速度-9600bt/秒；  传输距离-20Km。
本发明具有以下优点和积极效果：
①在整个监测过程中，通过CCD传感器数码采集冻土沉降，实现冻土沉降的遥测，这对环境复杂、条件艰苦的地方尤其重要。
②本装置结构简单、精度高、稳定性好、操作简便，对安装测试人员没有很强的技能要求。
因此，本发明不仅实现了环境复杂、条件艰苦地方的冻土沉降遥测，也适用于岩土工程变形监测。
附图说明
图1-本装置组成方框图；
图2-冻土沉降钻孔CCD传感器结构示意图；
图3-GK-12C型数据采集仪原理框图。
其中：
A-冻土钻孔CCD数码传感器；
B-CCD数码数据采集仪；
B1-8路模拟开关，       B2-单片机及接口电路，
B3-SRAM数据存储器，    B4-时钟，
B5-显示器，            B6-键盘；
C-光纤转换器；
D-光纤；
E-双环自愈光端机；
F-PC计算机；
G-便携式微机。
0-钻孔；          a-测点；
1-不锈钢丝；      2-底盘；            3-夹具；
4-支撑杆；        5-支架上盘；        6-滑轮；
7-重锤或砝码；    8-CCD片；           9-光源灯；
10-光源灯盒；     11-CCD前置放大器。
具体实施方式
下面结合附图和实施示例进一步说明。
1、CCD数码数据采集仪
CCD数码数据采集仪B选用GK-12C型数据采集仪，如图3所示。GK-12C型数据采集仪由8路模拟开关B1、单片机及接口电路B2、SRAM数据存储器B3、时钟B4、显示器B5、键盘B6组成。
由于测点多达8个，单片机定时依次启动模拟开关，分别对8路CCD数字信号进行采集并存入SRAM数据存储器B3中。
接口与便携式微机G或与光纤转换器C相连接。
操作便携式微机G可随时在现场调取SRAM数据存储器B3中的内存数据。
通过光纤转换器C及光缆与双环自愈光端机E和数据中心F相连，则可在20Km外的数据中心随时用微机调取SRAM数据存储器B3中的内存数据。
时钟B4、显示器B5分别显示时间及内存数据。
通道：8；                 内存：32Kb；
采集时间间隔：10分钟、1小时、4小时程控；
输出：RS-232；       供电：12V；       功耗：100mA。
2、光纤转换器
光纤转换器C选用MWF1000。
3、双环自愈光端机
双环自愈光端机E选用MWF5800。