一种裂缝开口双向变形监测结构及测量方法
【专利摘要】一种裂缝开口双向变形监测结构及测量方法，上部竖直固定杆和下部竖直固定杆上均设置竖直水准泡，并将上部竖直固定杆和下部竖直固定杆分别埋设于监测裂缝的两侧；水平横杆上设置水平水准泡，与上部竖直固定杆通过螺杆连接；斜向固定杆与水平横杆固定连接；测距传感器的两端分别与斜向固定杆和下部竖直固定杆连接；测角传感器的两端分别与斜向固定杆和测距传感器连接。本发明的优点：可将裂缝斜向变形准确分解为竖向变形和横向变形，不但可以进行现场组合，而且可以根据裂缝位置、开口宽度调整测距传感器和测角传感器的量程和精度。
【专利说明】—种裂缝开口双向变形监测结构及测量方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种监测结构，特别涉及一种裂缝开口双向变形监测结构及测量方法，适用于边坡、路堤、基坑、隧道工程中的裂缝监测项目。
【背景技术】
[0002]我国的高坡岩土工程、基坑、隧道等工程建设及运营过程中常出现各种形状的裂缝。工程中，常将裂缝的开口形状和裂缝深度作为评价工程安全状态的重要指标。由于裂缝的开口形状和裂缝深度会随着时间的推移不断变化，为准确揭示裂缝的变化情况，一些工程常需对裂缝的发展变化情况进行监测。[0003]目前，工程中进行裂缝监测的仪器主要有小钢尺、游标卡尺、楔形塞尺、游标塞尺、收敛计等。小钢尺、游标卡尺、收敛计是通过在裂缝两侧设置固定观测点，定期观测两观测点间的距离；楔形塞尺、游标塞尺是通过将塞尺头部插入缝隙中，插紧后退出，游码刻度就是缝隙大小；测缝仪或表面裂缝计，它是借助两支脚固定在裂缝的上表面，通过观测测缝仪的读数变化情况，确定裂缝开口的变形情况。分析表明，上述监测方法只能测试出裂缝开口的变形情况，难以将测试成果分解为水平向变形和竖直向变形；而且监测准确度偏低，难以满足重要建筑裂缝监测的需求。
[0004]一种地裂缝GPS监测技术，先在每处裂缝的两侧埋设一对GPS裂缝监测点，然后测定各裂缝监测点的初始坐标，再对各监测点进行定期监测，由于周期时间过长(一般半年一次)，不适于需要尽快得出方案的工程。可见，该监测方式虽可根据监测点坐标的变化对裂缝开口双向变形进行量化，但监测数据不易获取，且监测费用和维护费用偏高。
[0005]如图1所示，市面上已有一种监测边坡裂缝变形的装置，该装置主要包括竖直桩
(I)和固定连接环(2 )和收敛计(3 )，两根竖直桩(I)分别立于裂缝两端，竖直桩顶端均设有固定连接环(2)，收敛计(3)两端分别连接在两根竖直桩(I)桩顶的连接环上。通过收敛计
(3)上的读数变化来分析裂缝的变化情况。此方法虽然方便可行，但是它只能判定裂缝整体的变形情况，并不能具体体现裂缝分别在水平方向和垂直方向的变形状况，而本发明能通过分析计算具体得出裂缝分别在水平方向和垂直方向上的变形。
[0006]如图2所示，市面上已有一种三向裂缝位移监测装置，该装置包括通过三个相互垂直的位移传感器(4)，观测裂缝在三个方向的变形情况，但由于该装置缺少相应的方向控制设备，测得的三个方向变形难以准确的转化为裂缝在竖向、横向变形量；同时设备观测到的三个方向变形难以控制在同一裂缝观测断面上(往往是对应相邻的不同观测点)，影响后期理论分析的正确性；而且设备安装受现场情况限制较多，组装难度大，不利于现场维护。
[0007]综上所述，尽管工程中已有一些可用于土木工程裂缝监测的仪器、方法，各种监测方法在适宜的工程背景下取得了良好的裂缝监测效果，但仍存在一定的不足，主要体现在:小钢尺、游标卡尺、楔形塞尺、游标塞尺、收敛计监测数据准确度偏低，且难以反映裂缝的双向变形规律情况；测缝仪或表面裂缝计适用于表面比较平整的工程结构监测，同样难以反映被监测裂缝的双向变形规律；地裂缝GPS监测虽可对裂缝的双向变形进行监测，但结构监测设备费用高、维护难度大、准确度偏低。
[0008]鉴于此，为实现对裂缝开口双向变形的监测，提高裂缝现场监测的准确度，更好的反映裂缝的变化趋势，目前亟需发明一种可实现对裂缝开口双向变形监测、监测结构简单、操作方便、准确度高的新型一种裂缝开口双向变形监测结构及测量方法。

【发明内容】

[0009]本发明的目的在于提供一种裂缝开口双向变形监测装置和监测方法，该方法结构简单、适用性广、性能可靠、可准确监测。可同时监测裂缝开口的水平和竖直变形量的裂缝实时监测系统
为实现上述监测目的，本发明采用以下技术方案:
一种裂缝开口双向变形监测结构，它包括上部竖直固定杆、竖直水准泡、水平横杆、水平水准泡、斜向固定杆、测角传感器、测距传感器和下部竖直固定杆；其特征在于:上部竖直固定杆和下部竖直固定杆上均设置竖直水准泡，并将上部竖直固定杆和下部竖直固定杆分别埋设于监测裂缝的两侧；水平横杆上设置水平水准泡，与上部竖直固定杆通过螺杆连接；斜向固定杆与水平横杆固定连接；测距传感器的两端分别与斜向固定杆和下部竖直固定杆连接；测角传感器的两端分别与斜向固定杆和测距传感器连接。
[0010]本发明所述上部竖直固定杆由两部分组成，其中顶部为一矩形板，矩形板上预留与水平横杆连接的锚孔，在矩形板的下部设置竖直杆，竖直杆的下部呈圆(棱)锥尖状；矩形板与竖直杆采用相同材料，采用合金材料或钢材或硬质塑料，通过螺栓连接或焊接或粘贴连接。
[0011]本发明所述下部竖直固定杆均由两部分组成，其中顶部为一矩形板，矩形板上预留测距传感器伸长段连接的锚孔，在矩形板的下部设置竖直杆，竖直杆的下部呈圆(棱)锥尖状；矩形板与竖直杆采用相同材料，采用合金材料或钢材或硬质塑料，通过螺栓连接或焊接或粘贴连接。
[0012]本发明所述水平横杆与斜向固定杆间夹角呈30°或45°，两者整体预制而成，其材料采用合金材料或钢材或硬质塑料，其中水平横杆与上部竖直杆固定杆通过锚孔螺栓固定连接；在斜向固定杆上设置与测距传感器连接的转轴。
[0013]本发明所述测角传感器两端分别与斜向固定杆和测距传感器上预留的锚固连接点固定连接，锚固连接点到斜向固定杆上转轴的距离可根据现场情况调整。
[0014]本发明所述测距传感器一端与斜向固定杆通过转轴连接，另一端与下部竖直固定杆的预留连接孔固定连接，在测距传感器上适当位置设置与测角传感器连接的锚固连接点。
[0015]本发明所述测距传感器和测角传感器可采用振弦式传感器或电阻式传感器，数据可采用频率读数仪或数据采集卡收集。
[0016]本发明所述测距传感器可根据监测裂缝的宽度，以及上部竖直固定杆与下部竖直固定杆间的距离，可在传感器的伸长段的前端上设置一定长度的加长钢片。
[0017]一种裂缝开口双向变形监测结构的测量方法，其特征在于方法步骤如下:
I)测量前准备:观察裂缝周围环境，处理测量现场，确定上部竖直固定杆和下部竖直固定杆的具体埋设位置，同时确保上部竖直固定杆和下部竖直固定杆、水平横杆在同一个平面上，并与裂缝走向垂直；
2)埋设竖直固定杆:在选定位置钻设合适深度的锚孔，将上部竖直固定杆和下部竖直固定杆竖直插入锚孔，力求竖直固定杆的水准泡居中，再向空隙内灌注速凝水泥浆或粘结剂；
3)连接水平横杆和上部竖直固定杆:待上部竖直固定杆和下部竖直固定杆埋设完成后，将水平横杆连同斜向固定杆一起与上部竖直固定杆固定连接，应确保水平横杆水准泡居中，即使水平横杆水平；
4)连接传感器:将测距传感器两端分别连接到斜向固定杆的转轴和下部竖直固定杆的预留连接孔上，再将测角传感器的两端分别固定连接到斜向固定杆和测距传感器的连接
占.5)调整:连接好传感器之后，观察水平衡杆上水准泡是否移动，适当调整水平衡杆和上部竖直固定杆的连接点，使其水平后固定；
6)读数:固定好整个结构之后，通过游标卡尺分别读取斜向固定杆与测距传感器连接转轴到斜向固定杆与测角传感器锚固连接点和测距传感器与测距传感器锚固连接点的距离；通过读数仪读取测距传感器和测角传感器的初始读数；
7)数据处理:根据设定监测频率分别测取测角传感器和测距传感器的读数，根据测角传感器的读数计算出斜向固定杆与测距传感器的夹角，进而计算出测距传感器与水平向、竖直向的夹角；先根据测距传感器变化读数情况，计算出裂缝斜向变形量，再根据斜向固定杆与测距传感器的夹角算得监测裂缝的水平、竖直变形量。
[0018]本发明的优点:(I)通过测距传感器测试两监测点间的斜向距离变形量，通过测试测角传感器的伸长量，结合斜向固定杆与测距传感器连接转轴到斜向固定杆与测角传感器锚固连接点和测距传感器与测距传感器锚固连接点的距离，可计算出测距传感器与竖直方向和水平方向的夹角，进而计算出裂缝的水平向、竖直向的双向变形量；(2)观测方便，可根据工程实际需要通过频率读数仪进行单点观测，亦可借助数据采集卡进行连续观测，满足不同类型工程裂缝监测的需要；(3)结构组合简单，不但可以进行现场组合，而且可以根据裂缝位置、开口宽度调整测距传感器和测角传感器的量程和精度。
【专利附图】

【附图说明】
[0019]图1为一种监测边坡裂缝变形的装置。
[0020]图2为一种三向裂缝位移监测装置。
[0021]图3为本发明的结构示意图。
[0022]图4为本发明结构杆件连接示意图。
[0023]图中:1、竖直桩，2、和固定连接环，3、收敛计，4、位移传感器，5、上部竖直固定杆，
6、竖直水准泡，7、水平横杆，8、水平水准泡，9、斜向固定杆，10、测角传感器，11、测角传感器伸长段，12、测距传感器，13、测距传感器伸长段，14、下部竖直固定杆，15、监测裂缝，16、上部竖直固定杆与水平横杆连接螺栓，17、斜向固定杆与测距传感器连接转轴，18、斜向固定杆与测角传感器锚固连接点，19、测距传感器与测距传感器锚固连接点。
【具体实施方式】[0024]以下结合【专利附图】

【附图说明】对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
[0025]竖直固定杆埋设施工技术要求、水准泡安装施工技术要求等，本实施方式中不再累述，重点阐述本发明涉及结构的实施方式。
[0026]参照图3、图4所示，裂缝开口双向变形监测结构它包括上部竖直固定杆5、竖直水准泡6、水平横杆7、水平水准泡8、斜向固定杆9、测角传感器10、测距传感器12和下部竖直固定杆14 ;其特征在于:上部竖直固定杆5和下部竖直固定杆14上均设置竖直水准泡6，并将上部竖直固定杆5和下部竖直固定杆14分别埋设于监测裂缝15的两侧；水平横杆7上设置水平水准泡8，与上部竖直固定杆5通过螺杆连接；斜向固定杆9与水平横杆7固定连接；测距传感器12的两端分别与斜向固定杆9和下部竖直固定杆14连接；测角传感器10的两端分别与斜向固定杆9和测距传感器12连接，所需监测的裂缝位于一路堑高边坡(土质边坡)，监测裂缝的开口宽度为40mm。
[0027]所述上部竖直固定杆(5)和下部竖直固定杆(14)均由两部分组成，其中顶部为一矩形板，矩形板宽30mm、高60mm、厚15mm ;矩形板上预留2个与水平横杆(7)或测距传感器伸长段(13)连接的锚孔，锚孔直径为9mm，沿矩形板对角布设；在矩形板的下部设置矩形竖直杆，杆边长为30mm ;竖直杆的下部设置锥尖，高40mm ;矩形板与竖直杆采用钢材轧制而成，钢材强度等级为HPB235。
[0028]所述竖直水准泡6采用万象水准器，其尺寸为60 X 10mm，精度为15分/2mm，安装
时应确保竖直水准泡6与竖直固定杆垂直。
[0029]所述水平横杆7与斜向固定杆9间夹角呈45°，两者整体预制而成，采用钢材轧制而成，钢材强度等级为HPB235 ;其中水平横杆7长为90mm，断面宽为30mm，前端为一矩形板，矩形板宽30mm、长60mm、厚15mm,并与上部竖直杆固定杆5的矩形板通过锚孔螺栓16固定连接；斜向固定杆9长200mm，断面宽为30mm，在斜向固定杆9上设置与测距传感器12连接的转轴17 ;斜向固定杆与测距传感器连接转轴17呈圆柱形，一端与斜向固定杆焊接连接，另一端设置圆形孔。
[0030]所述水平水准泡8采用高精度水准器，铜材质表面度铬，尺寸为22 X 10 X 18mm精度:30分/2mm。
[0031]所述测角传感器(10)和测距传感器(12)均采用振弦式位移传感器，数据通过频率读数仪读取，测角传感器(10)的量程为50mm，测距传感器(12)的量程为100mm。
[0032]所述测角传感器(10)两端分别与斜向固定杆(9)和测距传感器(12)上预留的锚固连接点(19)固定连接，锚固连接点(19)距离斜向固定杆上转轴(17)的距离为60mm。
[0033]所述测距传感器(12)—端与斜向固定杆(9)通过转轴(17)连接，另一端与下部竖直固定杆(14)的预留连接孔固定连接，在测距传感器(12)上距离端点50mm处设置与测角传感器(10 )连接的锚固连接点(19 )。
[0034]所述上部竖直固定杆(5)与下部竖直固定杆(14)埋设间距为220mm。
[0035]所述上部竖直固定杆与水平横杆连接螺栓15、斜向固定杆与测角传感器锚固连接点17、测距传感器与测距传感器锚固连接点18均采用螺钉规格为“4-0.7x70PM土牙长35。
[0036]所述一种裂缝开口双向变形监测结构的测量方法，主要包括以下监测步骤:
I)测量前准备:观察裂缝周围环境，处理测量现场，确定上部竖直固定杆(5)和下部竖直固定杆(14)的具体埋设位置，同时确保上部竖直固定杆(5)和下部竖直固定杆(14)、水平横杆(7)在同一个平面上，并与裂缝走向垂直。
[0037]2)埋设竖直固定杆:在选定位置钻设合适深度的锚孔，将上部竖直固定杆(5)和下部竖直固定杆(14)竖直插入锚孔，力求竖直固定杆的水准泡居中，再向空隙内灌注速凝水泥浆或粘结剂。
[0038]3)连接水平横杆(7)和上部竖直固定杆(5):待上部竖直固定杆5和下部竖直固定杆10埋设完成后,将水平横杆(7)连同斜向固定杆(9) 一起与上部竖直固定杆(5)固定连接，应确保水平水准泡(8 )居中，S卩使水平横杆(7 )水平。
[0039]4)连接传感器:将测距传感器(12)两端分别连接到斜向固定杆的转轴(17)和下部竖直固定杆(14)的预留连接孔上，再将测角传感器(10)的两端分别固定连接到斜向固定杆(9)和测距传感器(12)的连接点(18)和(19)。
[0040]5)调整:连接好传感器之后，观察水平衡杆上水准泡是否移动，适当调整水平衡杆(7 )和上部竖直固定杆(5 )的连接点，使其水平后固定。
[0041]6)读数:固定好整个结构之后，通过游标卡尺分别读取斜向固定杆与测距传感器连接转轴(17)到斜向固定杆与测角传感器锚固连接点(18)和测距传感器与测距传感器锚固连接点(19)的距离；通过读数仪读取测距传感器(12)和测角传感器(10)的初始读数。
[0042]7)数据处理:根据设定监测频率分别测取测角传感器(10)和测距传感器(12)的读数，根据测角传感器(10)的读数计算出斜向固定杆(9)与测距传感器(12)的夹角，进而计算出测距传感器(12)与水平向、竖直向的夹角；先根据测距传感器(12)变化读数情况，计算出裂缝斜向变形量，再根据斜向固定杆(9)与测距传感器(12)的夹角此算得监测裂缝
(15)的水平、竖直变形量。
【权利要求】
1.一种裂缝开口双向变形监测结构，它包括上部竖直固定杆、竖直水准泡、水平横杆、水平水准泡、斜向固定杆、测角传感器、测距传感器和下部竖直固定杆；其特征在于:上部竖直固定杆和下部竖直固定杆上均设置竖直水准泡，并将上部竖直固定杆和下部竖直固定杆分别埋设于监测裂缝的两侧；水平横杆上设置水平水准泡，与上部竖直固定杆通过螺杆连接；斜向固定杆与水平横杆固定连接；测距传感器的两端分别与斜向固定杆和下部竖直固定杆连接；测角传感器的两端分别与斜向固定杆和测距传感器连接。
2.根据权利要求1所述的一种裂缝开口双向变形监测结构，其特征在于:所述上部竖直固定杆由两部分组成，其中顶部为一矩形板，矩形板上预留与水平横杆连接的锚孔，在矩形板的下部设置竖直杆，竖直杆的下部呈圆(棱)锥尖状；矩形板与竖直杆采用相同材料，采用合金材料或钢材或硬质塑料，通过螺栓连接或焊接或粘贴连接。
3.根据权利要求1所述的一种裂缝开口双向变形监测结构，其特征在于:所述下部竖直固定杆均由两部分组成，其中顶部为一矩形板，矩形板上预留测距传感器伸长段连接的锚孔，在矩形板的下部设置竖直杆，竖直杆的下部呈圆(棱)锥尖状；矩形板与竖直杆通过螺栓连接或焊接或粘贴连接，可采用合金材料或钢材或硬质塑料。
4.根据权利要求1所述的一种裂缝开口双向变形监测结构，其特征在于:所述水平横杆与斜向固定杆间夹角呈30°或45°，两者整体预制而成，其材料采用合金材料或钢材或硬质塑料，其中水平横杆与上部竖直杆固定杆通过锚孔螺栓固定连接；在斜向固定杆上设置与测距传感器连接的转轴。
5.根据权利要求1所述的一种裂缝开口双向变形监测结构，其特征在于:所述测角传感器两端分别与斜向固定杆和测距传感器上预留的锚固连接点固定连接，锚固连接点到斜向固定杆上转轴的距离 可根据现场情况调整。
6.根据权利要求1所述的一种裂缝开口双向变形监测结构，其特征在于:所述测距传感器一端与斜向固定杆通过转轴连接，另一端与下部竖直固定杆的预留连接孔固定连接，在测距传感器上适当位置设置与测角传感器连接的锚固连接点。
7.根据权利要求1所述的一种裂缝开口双向变形监测结构，其特征在于:所述测距传感器和测角传感器可采用振弦式传感器或电阻式传感器，数据可采用频率读数仪或数据采集卡收集。
8.根据权利要求1所述的一种裂缝开口双向变形监测结构，其特征在于:所述测距传感器可根据监测裂缝的宽度，以及上部竖直固定杆与下部竖直固定杆间的距离，可在传感器的伸长段的前端上设置一定长度的加长钢片。
9.一种根据权利要求1所述的裂缝开口双向变形监测结构的测量方法，其特征在于方法步骤如下: 1)测量前准备:观察裂缝周围环境，处理测量现场，确定上部竖直固定杆和下部竖直固定杆的具体埋设位置，同时确保上部竖直固定杆和下部竖直固定杆、水平横杆在同一个平面上，并与裂缝走向垂直； 2)埋设竖直固定杆:在选定位置钻设合适深度的锚孔，将上部竖直固定杆和下部竖直固定杆竖直插入锚孔，力求竖直固定杆的水准泡居中，再向空隙内灌注速凝水泥浆或粘结剂； 3)连接水平横杆和上部竖直固定杆:待上部竖直固定杆和下部竖直固定杆埋设完成后， 将水平横杆连同斜向固定杆一起与上部竖直固定杆固定连接，应确保水平横杆水准泡居中，即使水平横杆水平； 4)连接传感器:将测距传感器两端分别连接到斜向固定杆的转轴和下部竖直固定杆的预留连接孔上，再将测角传感器的两端分别固定连接到斜向固定杆和测距传感器的连接占.5)调整:连接好传感器之后，观察水平衡杆上水准泡是否移动，适当调整水平衡杆和上部竖直固定杆的连接点，使其水平后固定； 6)读数:固定好整个结构之后，通过游标卡尺分别读取斜向固定杆与测距传感器连接转轴到斜向固定杆与测角传感器锚固连接点和测距传感器与测距传感器锚固连接点的距离；通过读数仪读取测距传感器和测角传感器的初始读数； 7)数据处理:根据设定监测频率分别测取测角传感器和测距传感器的读数，根据测角传感器的读数计算出斜向固定杆与测距传感器的夹角，进而计算出测距传感器与水平向、竖直向的夹角；先根据测距传感器变化读数情况，计算出裂缝斜向变形量，再根据斜向固定杆与测距传感器的夹角算得监测裂缝的水平、竖直变形量。
【文档编号】G01B21/32GK103913145SQ201410150190
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月15日 优先权日:2014年4月15日
【发明者】韩尚宇, 雷金波, 明扬, 谈宜群 申请人:南昌航空大学