基于倾斜测量的地表沉降勘察装置及其勘察方法

摘要

本发明提供一种基于倾斜测量的地表沉降勘察装置及其勘察方法，包括垂直设置在地面上的锚管，锚管顶部设有锚管附件；还包括倾斜臂，所述的倾斜臂一端与锚管附件铰接，另一端连接与双枢纽装置连接，所述的双枢纽装置与固定在地面上的地面附件铰接；锚管、倾斜臂和地面组成一个直角三角形；还包括安装在倾斜臂上的倾斜记录仪。本发明基于三角函数原理的物理沉降仪，解决了传统的物理沉降仪精度低、原位扰动、装置复杂等问题，安装简单，便于携带，原材料获取简单，制作容易。便于在高寒地区大范围使用来观测冻土的“冻胀融沉”现象。

说明书

技术领域

本发明属于地质勘探技术领域，具体涉及一种基于倾斜测量的地表沉降勘察装置及其勘察方法。

背景技术

在中高纬度地区，土壤水分随着季节变换发生相变。在秋冬季，土壤由液态水变为固态冰，体积膨胀，导致土壤抬升；在春夏季，土壤融化，体积减少，土壤发生沉降。这种土壤“冻胀融沉”现象在我国青藏高原这些冻胀作用强烈的极寒地区表现尤为明显。特别是在多年冻土区(指温度在0℃或低于0℃至少连续存在两年的岩土层)，由于重复分凝作用，在地下一定深度广泛发育有地下冰。随着全球变暖快速融化，多年冻土区的地下冰正在发生大范围消融，进而极易发生地表沉降、塌陷和热融滑坡等灾害，破坏寒区工程与建筑。

当前测定地表沉降的方法非常有限，根据测量尺度，可大致分为以下三类。1)在点尺度主要依赖水平仪，2)在小尺度则使用三维激光扫描技术(LiDAR)对地形进行重复测量，通过差分方法测定地表变化；3)在中-大尺度利用干涉合成孔径雷达(In-SAR)技术获取地表高程变化，反演地表垂向沉降量，并近似认为是地表沉降。水平仪和LiDAR测量精度较高，但是仪器需要借助人工测量，无法大范围、长期布置在野外进行监测，进而无法获取高时间分辨率的连续地表形变数据。In-SAR技术具有时间序列长、测量精度高和勘察范围大等特点，因此被广泛应用于多年冻土区。但是，InSAR的准确性依赖于准确的地面参考点(即，不动点)，并且其结果验证是一个困扰学界的悬而未决的重大问题。

专利号CN215801860U提供一种测量单点土壤沉降的仪器。测量原理：单点沉降仪适用于测量锚杆与沉降盘之间土体的变形位移，可进行长期监测和自动化测量，其锚杆设置在相对不动点(基岩)，沉降盘设置在监测高程，导线从顶面引出，当地基下沉时，沉降盘与地基同步下沉，使传感器的活动导磁体在其磁通感应线圈内发生相对滑移，通过读数仪测出位移量，实现沉降观测和分层沉降目的。该方法存在以下缺点：(1)设备组件较多，装置安装复杂；(2)在原位打孔在测量沉降会对土壤造成较大扰动，尤其是在高寒冻土区，导致观测数据不准确。

专利号CN103512552A提供一种底部设有锯齿形支撑条的物理式沉降仪；测量原理：在路基施工工程中，将沉降仪埋设在不同深度处路基填料中，在铺设路面时，为沉降仪留出一个小孔，使最上方的连接杆可以露出路面。在观测沉降的路基断面附近，通过经纬仪建立两个永久基准点，通过基准点，观测记录沉降仪初始高度，在公路通车后半年、一年、两年时，分别再次测量记录沉降仪离基准线的高度，通过和初始高程的比较，即可知道路基不同深度发生的沉降。该方法存在以下缺点：(1)测量精度较低；(2)无法长期自动观测；(3)不同人使用时结果不同，造成不可校准的系统误差；高寒地区季节性冻土的“冻胀融沉”现象，该装置难以捕捉。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供基于倾斜测量的地表沉降勘察装置及其勘察方法，基于三角函数原理的物理沉降仪，解决了传统的物理沉降仪精度低、原位扰动、装置复杂等问题，安装简单，便于携带，原材料获取简单，制作容易。便于在高寒地区大范围使用来观测冻土的“冻胀融沉”现象。

具体的技术方案为：

基于倾斜测量的地表沉降勘察装置，包括垂直设置在地面上的锚管，锚管顶部设有锚管附件；还包括倾斜臂，所述的倾斜臂一端与锚管附件铰接，另一端连接与双枢纽装置连接，所述的双枢纽装置与固定在地面上的地面附件铰接；锚管、倾斜臂和地面组成一个直角三角形；还包括安装在倾斜臂上的倾斜记录仪。

本发明利用三角函数，通过倾角的变化来反应为地面高度的变化，这种方法避免了原位测量对土壤的扰动，消除了这一系统误差，大大提高了测量精度。而倾斜记录仪的最小测量分辨率为±0.0006°，当倾斜臂长度L为1.5m时，相当于最小高程变化为±0.015mm，重复性为±0.045mm，保证了仪器准精度。在高寒冻土区，小时间尺度(逐日、逐时)季节性冻土的“冻胀融沉”现象非常微弱，本装置在对原位土体不造成影响的前提下精准的记录了土壤的隆起与沉降。

其倾角变化与土壤高度变化的关系为：

α为倾斜臂与水平面的倾角；L为倾斜臂有效长度，即倾斜臂在水平面投影长度，P为双枢纽装置有效长度，即双枢纽装置在垂直面投影长度；

柔性双层频率选择表面的制备方法，包括以下步骤：

参考点与地面附件之间的垂直距离计算公式为上式。

通过倾斜记录仪记录倾角的变化，利用公式将倾角α变化转化为地面沉降(或隆起)的变化。

在选定观测点后，在距离观测点距离L(一般为1m以上，本发明选定L为1.5m)处安装锚管，使其与地面垂直，在固定锚管之后用粗砂填充锚管内孔，以避免在再冻结期间出现隆起现象。锚管与锚管附件之间用铁丝固定，倾斜臂通过锚管附件上的枢纽孔连接；倾斜臂另一端与双枢纽装置连接；双枢纽装置另一端连接地面附件；地面附件放置在所测地面，之后倾斜臂上的倾斜记录仪自动记录倾角的变化，在实验结束时输出数据，根据公式来计算出沉降的时段变化。

本发明装置简单，造价低廉，测量精度高，可进行长期持续自动监测，有着大范围利用的潜力，可广泛利用在高寒工程区(如公路、铁路沿线)。监测季节性冻土区的土壤隆起与沉降，预防工程地质灾害。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的锚管附件结构示意图；

图3是本发明的倾斜臂结构示意图；

图4是本发明双枢纽装置结构示意图；

图5是本发明地面附件结构示意图；

图6是本发明测量原理示意图。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体技术方案。

如图1所示，基于倾斜测量的地表沉降勘察装置，包括垂直设置在地面上的锚管1，锚管1顶部设有锚管附件2；还包括倾斜臂3，所述的倾斜臂3一端与锚管附件2铰接，另一端连接与双枢纽装置5连接，所述的双枢纽装置5与固定在地面上的地面附件6铰接；锚管1、倾斜臂3和地面组成一个直角三角形；还包括安装在倾斜臂3上的倾斜记录仪4。

锚管1其材质为不锈钢金属；截面为圆形，外圈半径5cm，内圈半径4.5cm，厚5mm；长3m。在安装时将其打孔埋入地下2.5m，使其垂直于地面。对整个装置起支撑作用。

如图2所示，锚管附件2材质为不锈钢金属；厚3mm，配有枢纽装置，其作用为连接锚管1与倾斜臂3；

锚管附件2包括铁管22，铁管22上下端分别设有铁丝21，铁丝21用于将铁管22绑在锚管1上，铁管22上还固定有扇形不锈钢片23，扇形不锈钢片23上开设有枢纽孔24，枢纽孔24用于铰接倾斜臂3。

铁管22为正方形，边长为2cm，将其与锚管1绑定。

如图3所示，倾斜臂3为不锈钢金属；矩形，中空，外圈尺寸为5cm×4cm,内圈尺寸为4×3cm；厚5mm；其长度跟随具体项目确定(本案例长度L＝1.5m)。

其中两端的枢纽孔为安装位置，一端连接锚管附件2的枢纽孔24，通过螺丝固定，另外一端连接双枢纽装置5的，通过螺丝固定。

倾斜记录仪4号为(RST型号IC6560)配有微机电系统(MEMS)加速计和4MB内存，用来测量倾角的变化。

如图4所示，双枢纽装置5为不锈钢金属；长0.115m；两端为枢纽孔；

双枢纽装置5为两片不锈钢金属片，通过枢纽孔连接；其中一端连接倾斜臂3，另外一端连接地面附件6。

如图5所示，地面附件6为不锈钢金属，矩形，尺寸为30cm*30cm；厚5mm。

地面附件6包括垂直的金属管62和水平的金属底板63，金属管62顶部开设地面通孔61，用于连接双枢纽装置5；金属管62与金属底板63通过焊接连接；金属底板63为金属板，放置于测量地面。

本发明的技术原理：

1.每个场地都安装了一根长度约为3米的锚管1，以便在冻土深处进行锚固。插入锚管1 后，用粗砂填充孔，以避免在再冻结期间出现隆起现象。

2.倾斜记录仪4(RST型号IC6560)配有微机电系统(MEMS)加速计和4MB内存，用于记录每小时的倾斜时间序列。它测量一个范围为±15°的轴。其工作范围为-40到60℃。仪器的分辨率为±0.0006°，重复性为±0.002°。当机械臂长度L为1.5m时，相当于最小高程变化为±0.015mm，重复性为±0.045mm。

根据图6，参考点与地面附件6之间的垂直距离计算公式为：

通过倾斜记录仪4记录倾角的变化，利用公式1将倾斜臂3与水平面的倾角α变化转化为地面沉降或隆起的变化；L为倾斜臂3有效长度，即倾斜臂3在水平面投影长度，P为双枢纽装置5有效长度，即双枢纽装置5在垂直面投影长度；

在选定观测点后，在距离观测点距离L处安装锚管1，使其与地面垂直，在固定锚管1 之后用粗砂填充锚管内孔，以避免在再冻结期间出现隆起现象。之后将其按图2安装，锚管 1与锚管附件2之间用铁丝21固定，倾斜臂3通过锚管附件2上的枢纽孔24连接；倾斜臂3另一端与双枢纽装置5连接；双枢纽装置5另一端连接地面附件6；地面附件6放置在所测地面，之后倾斜臂3上的倾斜记录仪4自动记录倾角的变化，在实验结束时输出数据，根据公式1来计算出沉降的时段变化。其中倾斜臂3有效长度即为L＝1.5m，双枢纽装置5有效长度P＝0.115m。