CN110567428A - 一种冻胀土体位移检测装置及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冻胀土体位移检测装置，其特点是，包括：立柱，四个水平支撑体，四个竖向支撑体，八个位移传感器，八个支撑板和顶盖，在立柱上均布固连有四个水平支撑体，在四个水平支撑体的外伸端均固连有位移传感器，在四个水平支撑体上均固连有竖向支撑体，在竖向支撑体的下端均固连有位移传感器，位移传感器的探杆端均固连有支撑平板。还公开了其安装方法。其结构简单、制作成本低，灵敏度高，测量准确；安装方法简便，省时省力，误差小。

Description

一种冻胀土体位移检测装置及其安装方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，涉及一种冻胀土体位移检测装置及其安装方法。特别适用于冻胀土体的现场检测。

背景技术

冻土，指0℃以下含有冰的各种土壤和岩石。通常可分为短时冻土（数小时/数日以至半月），季节冻土（半月至数月），以及多年冻土。中国冻土可分为多年冻土和季节冻土。中国作为世界上第三大冻土区，季节冻土占中国领土面积一半以上。冻土对温度极为敏感，含含有丰富的地下水，并且具有流变性，其长期强度远远低于在低温时的瞬时强度。因此，在冻土区修筑的工程构筑物就必须面对由于土体冻结而产生的两大危险：冻胀和融沉。在冻融过程中，土壤经历了四个阶段：迅速降温阶段、缓慢降温的阶段、持续冻结降温阶段和缓慢升温阶段。在冻土冻结过程中，由于水分的迁移引起的土体冻胀量远远大于孔隙水原位冻结时引起的膨胀量，因此，冻土区的冻胀和融沉会给结构物造成很大的危害，如出现裂缝、结构断裂、沉陷、挤压破坏等现象。在北方的许多地区，土体的冻胀会对深基坑的支护结构会产生冻胀力，造成基坑支护结构的变形过大，给基坑的支护工程带来不可忽视的安全隐患。我国越来越多的基础设施，如高速公路、高铁，输电线路以及各类基坑等将在冻土区修建，各项工程建设之前，必须对拟建工程所在地区的土体进行相应的冻胀性评价，以便设计和施工人员采取相应的措施，确保工程构筑物的安全可靠。

特别是在寒冷地区的支护结构，极易受到水平冻胀力的影响，过大的水平冻胀力通常很容易造成支护结构的变形，并且出现裂缝、支护体错断，甚至整体倾倒，严重威胁支护工程的安全与稳定，因此研究寒区支挡式结构水平冻胀力的变化规律具有重要意义。冻胀力的强度是与土体冻结膨胀的体积的大小有着密切相关的联系，因此通过全面测定土体冻结膨胀下的水平位移和竖直位移，进而评估出土体的冻胀水平，根据评估出的结果采取相应的土体处理措施，对于实际工程来说是相当重要的。

申请公布号：CN104880153A，公开了“一种激光传感器测量冻土冻胀位移的装置”的发明专利申请，提出了利用激光位移传感器在不接触土样的情况下精确测量冻土的冻胀位移，操作简单，可靠，大大的提高了试验的测试效率和精度，但该申请目前仅能适用于实验室土样，不能用于施工现场；申请公布号CN104929098A，公开了“现场观测季节性冻土区高速铁路土层冻胀的方法及装置” 的发明专利申请，提出在冻胀层中开挖孔洞，埋置下锚盘，用等径接头连接测杆位移计与上锚盘，季节冻胀层冻胀变形带动上、下锚盘移动,通过测杆位移计观测季节冻胀层的冻胀量。然而该专利只能够检测土体膨胀的单向位移，并且测杆位移计和上下锚盘在初始阶段就会给土体一个约束，假如冻胀变形不明显，误差将会比较的大；申请公布号CN109738480A，公开了“一种现场全面检测土的冻胀装置及其检测方法”的发明专利申请，提出了使用带底座的立柱、支撑体、多个位移传感器来检测土体表面的竖向位移，考虑了使用非接触式的电涡流位移传感器、激光位移传感器，来避免与土体接触造成误差。该装置的弊端是未考虑土体表面受到天气因素，例如风雪雨水天气的影响，在实际操作中，土体表面容易受到扰动，产生误差，同时在安装过程需要开挖深孔，对土体造成相当大的扰动，测量可能会与原状土产生误差。该装置只能够对土体的竖向膨胀位移做检测，不能够对水平膨胀位移做检测。目前的许多实际的工程越来越复杂，对施工的精细化程度的要求也越来越高，许多基础建设过程对于土体的侧向冻胀分量也提出了要求，不再满足只是考虑竖向冻胀位移，需要更为全面的测量冻胀土体的冻结膨胀位移，将土体的水平冻胀位移与竖直冻胀位移同时测量，来立体的反映土体的冻胀，同时在现场测量的过程，如何尽量的避免环境对测量结果造成干扰，防止天气等不可控因素对土体造成影响，进而影响结果的准确性，尚未得到成熟的方案去解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种现场全面检测冻土冻胀位移的装置及其安装方法，来实现同时通过测定土体的在冻结膨胀的过程中的水平位移和竖直位移的效果，为计算冻土的冻胀率和冻胀强度提供参考，同时尽量避免天气等不可控因素对测量土体造成影响，减少装置安装对测量土体的扰动，提高测量结果的准确性。

为实现以上目的，本发明采用的解决方案之一是：一种冻胀土体位移检测装置，其特征是，它包括：立柱，四个水平支撑体，四个竖向支撑体，八个位移传感器，八个支撑板和顶盖，在立柱上均布固连有四个水平支撑体，在四个水平支撑体的外伸端均固连有位移传感器，在四个水平支撑体上均固连有竖向支撑体，在竖向支撑体的下端均固连有位移传感器，位移传感器的探杆端均固连有支撑平板。

在所述立柱的底端设置锚锥。

为实现以上目的，本发明采用的解决方案之二是：一种冻胀土体位移检测装置的安装方法,其特征是，包括以下步骤：

1）查阅地质资料，获得土壤未冻层的深度，在冻土层开设适于放置冻胀土体位移检测装置的方形坑洞，方形坑洞的深度视冻土层确定，方形坑洞的宽度根据位移传感器的安装尺寸，立柱的直径和水平支撑体的长度确定；

2）冻胀土体位移检测装置的立柱通过其底端的锚锥稳固于方形坑洞底部的非冻土层内；八个位移传感器探杆端固连的支撑平板与方形坑洞的相应表面紧密接触；立柱上端面相对于地面高出5-8厘米，在位于方形坑洞顶部的地面上设置顶盖，立柱的上端插固在顶盖的中间圆形凹槽内；

3）将八个位移传感器通过连接线路与后台观测装置连接。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

1、本发明通过立柱、支撑体、位移传感器之间相互配合实现应用于施工现场的全面且灵活的冻胀变形过程的检测，能够在短时间内快速同时得到土体在水平和竖直两个方向的冻胀位移值；

2、本发明水平和竖向分别设置四个位移传感器作为监测的对照组，同时位移传感器与支撑平板固连，支撑平板增大与土体的接触面积，使其灵敏度高，测量准确；

3、本发明在立柱的顶部设有顶盖，能够有效地封闭方形坑洞，相比较于在地面表面测量冻胀量的仪器，能够有效的避免外界环境的干扰，例如风、降雨、降雪而引起的土体变化和误差，防止杂物进入测量区域；采用质量大的顶盖可以防止立柱发生冻拔而影响竖直方向的位移传感器的精度；通过盖顶部设置的圆形凹槽，能够限制立柱发生水平的移动，而干扰测量效果；

4、本发明的立柱底端采用锚锥，不仅方便施工时深入土层，避免大规模的开挖土体，扰动土体的结构，锚锥的设计也将立柱锚固在非冻土层，防止立柱发生冻拔；

3本发明结构简单、制作成本低，不需要开挖深坑，对土体的扰动较小，安装步骤简单，省时省力。

附图说明

图1是本发明的一种冻胀土体位移检测装置主剖视示意图；

图2是图1中A-A剖视示意图；

图3是图1中B-B剖视示意图。

图中：1-立柱；2-水平支撑体；3-竖向支撑体；4-位移传感器；5-支撑平板；6-顶盖；7-冻土层；8-非冻土层；9-方形坑洞；10-圆形凹槽；11锚锥。

具体实施方式

以下结合图1-图3所示的实施例对本发明作进一步的说明。

本发明的一种冻胀土体位移检测装置，包括立柱1，四个水平支撑体2，四个竖向支撑体3，八个位移传感器4，八个支撑板5和顶盖6，在立柱1上均布固连有四个水平支撑体2，在四个水平支撑体2的外伸端均固连有位移传感器4，在四个水平支撑体2上均固连有竖向支撑体3，在竖向支撑体3的下端均固连有位移传感器4，位移传感器4的探杆端均固连有支撑平板5。立柱1的长度根据冻土层7的厚度来确定，使立柱1长度大于冻土层7厚度。立柱1采用强度较为高的钢管，表面要做防锈和光滑处理，可采用不锈钢，立柱1的底端为锚锥11，可采用不锈钢。立柱1与水平支撑体2的固连采用焊接，在两者连接处，加工出孔洞便于位移传感器5的线路通过支撑体2汇集到立柱1。同理，竖向支撑体3与水平支撑体2的固连采用焊接，在两者固连处，加工出孔洞便于位移传感器5线路由支撑体3通过孔洞进入水平支撑体2，进而汇集到立柱1。位移传感器4与水平支撑体2、竖向支撑体3的固连方式，应根据位移传感器的具体型号选用相适应的连接方式，采用配套卡槽，螺纹连接，填充胶连接等。支撑平板5采用铝合金薄板制作，支撑平板5与位移传感器4的固接方式，根据传感器的支撑杆的型号来，可在支撑平板5设置螺母，将支撑杆的头部加工螺纹，采用螺纹连接的方式。

本发明的一种冻胀土体位移检测装置的安装方法，包括以下步骤：

1）查阅地质资料，获得土壤未冻层的深度，在冻土层7开设适于放置冻胀土体位移检测装置的方形坑洞9，方形坑洞9的深度视冻土层确定，方形坑洞9的宽度根据位移传感器4的安装尺寸，立柱1的直径和水平支撑体2的长度确定；本实施例方形坑洞9的深度0.6米-0.8米，宽度为0.6米-0.8米；

2）冻胀土体位移检测装置要保证：立柱1通过其底端的锚锥11稳固于方形坑洞9底部的非冻土层内；八个位移传感器4探杆端固连的支撑平板5与方形坑洞9的相应表面紧密接触；土体位移检测装置的立柱1上端面相对于地面高出5厘米，在位于方形坑洞9顶部的地面上设置顶盖6，立柱1的上端插固在顶盖6的中间圆形凹槽10内；

3）将八个位移传感器4通过连接线路与后台观测装置连接，通过观测各个位移传感器4的测量值的平均值来得出最终水平和竖直冻胀量。

本发明所述的位移传感器、后台观测装置均采用市售产品。

当土体冻结时，土体膨胀不可避免的要对立柱1产生微小的冻胀上拔，为有效的限制立柱的向上位移，确保竖向位移传感器4的测量精度，增大顶盖6的质量，顶盖6最佳采用水泥顶盖。

具体实施例：

测试区域为东北H市X地区某220kV输电线路杆塔基础施工现场，获得地质勘查报告获知测试区域土壤未冻层的深度为h=2000mm，采用角钢塔，根据基础的位置， 基础的种类和面积设置多个测点，相邻两个侧点之间间隔L=5m，每个测点对应设置一个冻胀土体位移检测装置。

利用该冻胀装置进行安装检测时的具体操作过程如下：

1）查阅地质资料，确定测试区域中冻胀装置立柱需要的尺寸2100mm（包括锚锥），将立柱10人工夯打至锚锥11到达非冻土层8；

2）开挖方形孔洞9，本实施例方形坑洞9的深度0.6米-0.8米，宽度为0.6米-0.8米；平整方形孔洞9的侧面和底面；将竖向支撑体3焊接在横向支撑体2上，然后将横向支撑体2焊接到立柱1上的合适位置；

3）将支撑平板5安装到传感器4的探杆上，然后将传感器4安装到横向支撑体2和竖向支撑体3的端部，选定合适的位置后，用螺栓加填充胶固定，使支撑平板5紧贴着方形坑洞9的侧壁和底面，同时处于初始状态；

4）预制水泥顶盖6，将中间圆形凹槽10对准立柱1的上端，使其刚好卡住，同时在水泥顶盖6设有凸缘，方形孔洞9所在位置的边缘挖出与水泥顶盖凸缘相吻合的凹坑，用作防水；

5）将八个位移传感器4与后台观测装置的记录仪连接，记录一次测试时间为12月25日上午8时各位移传感器的读数变化，水平方向△x1=1.51mm，△x2=1.52mm，△x3=1.51mm，△x4=1.52mm，水平膨胀变化平均值△x=（△x1+△x2+△x3+△x4）/4=1.515mm；竖直方向△y1=1.6，△y2=1.61，△y3=1.62，△y4=1.61，竖向膨胀位移平均值△y=（△y1+△y2+△y3+△y4）/4=1.61mm。以此类推，对其他测点进行测试，还可根据需要获取其他冻土层的冻胀信息，或获取整个冻胀装置检测的数据，将各测点平面位置与其冻胀变形量汇总绘制三维图像，并标注随时间的变化趋势，以定量评价测试区域冻胀变形的程度，给出指导意见。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，所属领域的普通技术人员应该理解，参照上述实施例所作的任何形式的修改、等同变化均在本发明权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种冻胀土体位移检测装置，其特征是，它包括：立柱，四个水平支撑体，四个竖向支撑体，八个位移传感器，八个支撑板和顶盖，在立柱上均布固连有四个水平支撑体，在四个水平支撑体的外伸端均固连有位移传感器，在四个水平支撑体上均固连有竖向支撑体，在竖向支撑体的下端均固连有位移传感器，位移传感器的探杆端均固连有支撑平板。

2.根据权利要求1所述的一种冻胀土体位移检测装置，其特征是，在所述立柱的底端设置锚锥。

3.根据权利要求1所述的一种冻胀土体位移检测装置，其特征是，它的安装方法包括以下步骤：

1）查阅地质资料，获得土壤未冻层的深度，在冻土层开设适于放置冻胀土体位移检测装置的方形坑洞，方形坑洞的深度视冻土层确定，方形坑洞的宽度根据位移传感器的安装尺寸，立柱的直径和水平支撑体的长度确定；

2）冻胀土体位移检测装置的立柱通过其底端的锚锥稳固于方形坑洞底部的非冻土层内；八个位移传感器探杆端固连的支撑平板与方形坑洞的相应表面紧密接触；立柱上端面相对于地面高出5-8厘米，在位于方形坑洞顶部的地面上设置顶盖，立柱的上端插固在顶盖的中间圆形凹槽内；

3）将八个位移传感器通过连接线路与后台观测装置连接。