利用活动测斜仪测量地层水平位移的方法及活动测斜仪

摘要

本发明公开了一种利用活动测斜仪测量地层水平位移的方法，利用活动测斜仪进行水平总位移和水平偏移位移的测量，并根据测量数值计算地层水平位移。本发明同时还公开了活动测斜仪，包括测读仪、GPS定位仪、测斜管及测斜电缆、电缆支架和GPS定位仪连接套，测读仪位于测斜管一侧，且两者单独设置，测斜电缆安装于电缆支架上，GPS定位仪连接套固定于测斜管上端，测斜电缆的一端穿过GPS定位仪连接套与设置于测斜管中的活动探头相连，GPS定位仪连接套上设置有至少一个GPS定位仪，电缆支架上设置有用于将测斜电缆接收信号传输给测读仪的蓝牙。利用本发明可有效缩短钻孔深度，降低经济成本，使测量数据更符合现场实际，为边坡、基坑支护施工提供了更可靠的依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种活动测斜仪，尤其是一种利用活动测斜仪测量地层水平位移的方法及 活动测斜仪。

背景技术

目前，测斜仪是一种用于测量钻孔、基坑、地基基础、墙体和坝体坡等工程构筑物的 顶角、方位角的仪器，测斜仪主要包括测头导轮和测斜探头，测头导轮是沿测斜导管的导 槽沉降或提升，测斜导头内的加速度传感器可以敏感导管在每一深度处的倾斜角度，输出 一个电压信号，通过特定的正弦函数将其换算成水平位移。

现有的测斜方法要求在监测周期内，测斜管底部的水平位移为零，这需要测斜孔的深 度要深于工程开挖的扰动深度。在实际工程中，钻孔深度越深，钻孔越困难，费用越高， 很难达到这一要求。如果测斜孔底部存在水平位移，这种测斜方式并没有考虑到测斜仪底 部的水平位移，利用上述测量方法所获得的数据分析出的水平位移只是实际水平位移的一 部分，无法全面准确地反映工程实践特征，相应的在以此分析结果为依据的工程实践中， 存在潜在的工程风险。由于活动测斜仪广泛应用于岩土边坡、建筑物地基、矿井、基坑开 挖以及地下结构工程内部水平位移观测和路基剖面沉降观测中，若某一地层水平位移过大， 导致工程结构失稳破坏，会造成重大的国民经济损失。

由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种利用活动测斜仪测量地层水平 位移的方法及活动测斜仪，其操作简便，可有效缩短钻孔深度并消除现有测斜仪无法测量 地层水平位移的缺陷。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种利用活动测斜仪测量地层水平位移的方法，包括如下步骤

步骤1，首先用便携带的GPS定位仪连接套和GPS定位仪测取刚埋设好的测斜管初始坐 标值D₁；

步骤2，经过根据工程测斜要求的勘测时间后，将测斜管放入待测钻孔内，测读仪放置 在地表，GPS定位仪安装在GPS定位仪连接套上，GPS定位仪连接套下端固定于测斜管上， 将GPS定位仪连接套上端与电缆输导管相连，电缆输导管由电缆支架的铁圈固定，电缆支 架上放上电缆导轮，打开蓝牙，进行测量；

步骤3，制定测量次数n，在开始测量前，用GPS定位仪测得测斜管顶端的坐标值D₂， 在整个测量次数n内，将活动探头沿测斜管从第一个测点到最后一个测点每次移动距离L， 每次移动的距离L通过测斜电缆上的刻度值进行控制；移动的过程中，地层实际上存在偏 移量，地层的移动带动测斜管发生偏移，活动探头移动至每一深度处时，由蓝牙以电压信 号的方式传输至测读仪U₊，满足公式U₊＝K₀+KgSinθ，式中：K₀为加速度计偏值、K为 加速度计灵敏度、g为重力加速度；活动测斜仪在竖直状态下，测斜仪探头的理论值为零， 但在实际情况下会有一个接近零的值输出，这就是零点的偏移误差，即式中的K₀，为了消 除K₀的影响，将活动探头调转180°，在该点进行第二次测量:U_-＝K₀-KgSinθ两式相减将 偏值K₀消去，得差数U₊－U_-＝2KgSinθ，通过上述原理公式计算可得θ值，则活动探头从 前一测点移动至下一测点时，活动探头水平偏移位移Z_i＝LSinθ_i，i＝1,2……n，其中n为测 点的数量，通过坐标值D₁和D₂利用公式X₁＝D₁-D₂计算得到测斜管的水平总位移X₁，整个 测量次数n内，测斜管的水平偏移总位移则通过下式即可计 算出地层水平位移X_i，X_i＝X₁－Z，活动探头所测深度为H_i＝Lcosθ_i，i＝0,1,2……n，n为测 点的数量，活动探头所测总深度

一种活动测斜仪，包括测读仪、GPS定位仪、测斜管及测斜电缆、电缆支架和GPS定位 仪连接套，测读仪位于测斜管一侧，且两者单独设置，测斜电缆安装于电缆支架上，GPS定 位仪连接套固定于测斜管上端，测斜电缆的一端穿过GPS定位仪连接套与设置于测斜管中 的活动探头相连，GPS定位仪连接套上设置有至少一个GPS定位仪，电缆支架上设置有用于 将测斜电缆电压信号传输给测读仪的蓝牙；

所述电缆支架上设置有用于支撑测斜电缆的电缆导轮和固定电缆输导管的铁圈。

所述电缆输导管下端与GPS定位仪连接套上端固定连接。

所述电缆输导管上留有读数孔，读取测斜电缆的下放长度。

所述测斜电缆上设置有用于测知活动探头沿测斜管移动距离的刻度值，通过电缆输导 管上留有读数孔读取电缆上的刻度值。

所述活动探头上安装有四个导向轮，其中两个导向轮安装在活动探头的上部，另外两 个导向轮安装在活动探头的下部，测斜管的内壁上开设有与导向轮相适配的导向槽，导向 槽保证导向轮在其内移动，使活动探头在测斜管中顺畅地上下运动，避免摆动，有效提高 测量数据的准确性。

所述活动探头内设置有加速度仪腔室，加速度仪腔室内设置有加速度计传感器，活动 探头在测斜电缆的带动下能够沿测斜管做升降运动。

所述活动探头的顶端设置有用于和测斜电缆相连的电缆连接头，电缆连接头内部与加 速度传感器相连，将速度传感器测得的电压信号经测斜电缆和蓝牙传输至测读仪。

所述活动探头的底端设置有缓冲垫，缓冲垫可以避免在工作时，对活动探头造成冲击 而影响数据准确性，有效提高工作效率和数据准确度。

所述测斜管的底部设置有密封套，避免钻孔中的异物进入测斜管中，对测量造成影响， 以及对测斜管造成破坏，影响使用寿命，保证测斜管中的活动探头正常运动。

所述测斜管是由PVC塑料制成的，PVC塑料耐腐蚀，成本低，易于成形，质量轻，易携 带。

本发明的有益效果为：本发明中的活动测斜仪结构简单，操作方便，利用本发明可有 效缩短钻孔深度，降低经济成本，能够充分考虑到某一深度地层随时间的移动变化量，进 行水平总位移和水平偏移位移的测量，利用GPS定位仪所获得的数据分析出的水平位移， 并根据测量数值计算地层水平位移，能够全面准确地反映工程实践特征，相应的在以此分 析结果为依据的工程实践中，能完全将地层水平位移的影响消除。利用本发明中的活动测 斜仪测量地层水平位移的方法解决了以往测斜仪只能在测孔位置固定假设条件下工作的弊 端，使测量数据更加准确，为边坡、基坑支护施工提供了更可靠的依据。而且利用本发明 无需打太深的孔即可测得准确数据，有效地降低了测量成本。同时，利用本发明中的活动 测斜仪可有效地节省人工，防止测斜电缆提升过程中电缆打结，提高工作效率，避免与地 表锋利物体接触，造成测斜电缆的破损，影响正常信号的传输。

附图说明

图1为本发明中活动测斜仪的结构示意图。

图2为测斜管的俯视图。

图3为本发明中活动探头的结构示意图。

图4测斜管电缆支架结构示意图；

图5为利用本发明测量地层水平位移的原理图。

其中，1、测读仪，2、GPS定位仪，3、测斜电缆，4、电缆输导管，5、活动探头，6、 GPS定位仪连接套，7、测斜管，8、电缆支架，9、读数孔，10、电缆导轮，11、导轮把手， 12、地表面，13、蓝牙，14、铁圈，15、支架骨体，16、导向槽，17、导向轮，18、密封 套，19、电缆连接头，20、加速度仪腔室，21、缓冲垫。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1至图4所示，活动测斜仪，包括测读仪1、GPS定位仪2、测斜管7及测斜电缆 3、电缆支架8和GPS定位仪连接套6，测读仪1位于测斜管7一侧，且两者单独设置，测 斜电缆3安装于电缆支架8上，GPS定位仪连接套6固定于测斜管7上端，测斜电缆3的一 端穿过GPS定位仪连接套6与设置于测斜管7中的活动探头5相连，GPS定位仪连接套6上 设置有一个GPS定位仪2，；电缆支架8上设置有用于将测斜电缆3接收电压信号传输给测 读仪1的蓝牙13。

活动探头5上安装有四个导向轮17，其中两个导向轮17安装在活动探头5的上部，另 外两个导向轮17安装在活动探头5的下部，测斜管7的内壁上开设有与导向轮17相适配 的导向槽16，活动探头5在测斜电缆3的带动下能够沿测斜管7做升降运动，活动探头5 内设置有加速度仪腔室20，加速度仪腔室20内设置有加速度计传感器，测斜电缆3可将加 速度计传感器测得的电压信号通过蓝牙13实时传输至测读仪1。

电缆支架8包括支架骨体15，支架骨体上设置有用于支撑测斜电缆3的电缆导轮10和 固定电缆输导管4的铁圈14。测斜电缆一端依次通过铁圈14、电缆输导管4、GPS定位仪 连接套6与活动探头5相连。电缆输导管4下端与GPS定位仪连接套6上端固定连接。电 缆输导管4上留有读数孔9，读取测斜电缆3的下放长度。测斜电缆3上设置有用于测知活 动探头5沿测斜管7移动距离的刻度值。

活动探头5的顶端设置有用于和测斜电缆3连接的电缆连接头19。活动探头5的底端 还设置有缓冲垫21，缓冲垫21可以避免工作时，对活动探头5造成冲击而影响数据。

测斜管7的底部设置有密封套18，避免钻孔中的异物进入测斜管中，对测量造成影响， 以及对测斜管造成破坏，影响使用寿命，保证测斜管中的活动探头正常运动。测斜管7是 由PVC塑料制成的，PVC塑料耐腐蚀，成本低，易于成形，质量轻，易携带。

如图5所示，一种利用所述活动测斜仪测量地层水平位移的方法，包括如下步骤：

步骤1，首先用便携带的GPS定位仪连接套和GPS定位仪测取刚埋设好的测斜管初始坐 标值D₁；

步骤2，经过根据工程测斜要求的勘测时间后，将测斜管放入待测钻孔内，测读仪放置 在地表，GPS定位仪安装在GPS定位仪连接套上，GPS定位仪连接套下端固定于测斜管上， 将GPS定位仪连接套上端与电缆输导管相连，电缆输导管由电缆支架的铁圈固定，电缆支 架上放上电缆导轮，打开蓝牙，进行测量；

步骤3，制定测量次数n，在开始测量前，用GPS定位仪测得测斜管顶端的坐标值D₂， 在整个测量次数n内，将活动探头沿测斜管从第一个测点到最后一个测点每次移动距离L， 每次移动的距离L通过测斜电缆上的刻度值进行控制；移动的过程中，地层实际上存在偏 移量，地层的移动带动测斜管发生偏移，活动探头移动至每一深度处时，由蓝牙以电压信 号的方式传输至测读仪U₊，满足公式U₊＝K₀+KgSinθ(式中：K₀为加速度计偏值、K为 加速度计灵敏度、g为重力加速度)；活动测斜仪在竖直状态下，测斜仪探头的理论值为 零，但在实际情况下会有一个接近零的值输出，这就是零点的偏移误差，即式中的K₀，为 了消除K₀的影响，将活动探头调转180°，在该点进行第二次测量:U_-＝K₀-KgSinθ两式相 减将偏值K₀消去，得差数U₊－U_-＝2KgSinθ，通过上述原理公式计算可得θ值，则活动探 头从前一测点移动至下一测点时，活动探头水平偏移位移Z_i＝LSinθ_i，i＝1,2……n，其中n 为测点的数量，通过坐标值D₁和D₂利用公式X₁＝D₁-D₂计算得到测斜管的水平总位移X₁， 整个测量次数n内，测斜管的水平偏移总位移则通过下式即 可计算出地层水平位移X_i，X_i＝X₁－Z，活动探头所测深度为H_i＝Lcosθ_i，i＝0,1,2……n，n 为测点的数量，活动探头所测总深度

通过以下计算示例对本发明的具体实施方式作进一步地详细说明：

1)通过GPS定位仪测得偏移前后测斜管坐标值D_1、D₂计算测斜管的总水平位移 X₁＝D₁-D₂＝1.242；

2)活动探头沿测斜管每次移动的距离L＝0.5m，测量次数n＝4，由测读仪数据传输到电 脑后利用公式U₊－U_-＝2KgSinθ计算处理获得θ₁＝22°、θ₂＝26°、θ₃＝23°、θ₄＝25°；

3)由活动探头水平偏移位移Z_i＝LSinθ_i，(i＝0,1,2……n)，Z₁＝0.5sin22＝0.187，Z₂＝0.5 sin26＝0.219，Z₃＝0.5sin23＝0.195，Z₄＝0.5sin25＝0.211；

4)每一深度的地层水平位移X_i，活动探头所测深度为H_i＝Lcosθ_i,(i＝0,1,2……n)：

H₁＝0.00mX₁＝D₁-D₂＝1.242

H₂＝-0.464mX₂＝X₁-Z₁＝1.242-0.187＝1.055

H₃＝-0.913mX₃＝X₁-(Z₁+Z₂)＝1.242-0.406＝0.836

H₄＝-1.373mX₄＝X₁-(Z₁+Z₂+Z₃)＝1.242-0.601＝0.641

H₅＝-1.808mX₅＝X₁-(Z₁+Z₂+Z₃+Z₄)＝1.242-0.812＝0.430

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的 限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需 要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。