本發(fā)明涉及一種土體沉降觀測系統(tǒng)，尤其涉及一種全自動土體沉降觀測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

巖土工程領(lǐng)域中，變形以及穩(wěn)定是兩大基本難點，而土體的變形是許多工程人員極為關(guān)注的問題之一。目前常見的土體沉降測試方法主要是通過變形板配套LVDT或者百分表來觀測。LVDT是通過電磁感應(yīng)的原理來測試沉降，在變形板發(fā)生沉降的過程中，在一定范圍內(nèi)變形板的沉降與電壓呈線性變化，通過測試LVDT的電壓從而轉(zhuǎn)換成沉降。LVDT的精度隨量程的變化而變化，一般為量程的0.24％，即如若量程為10cm，那么其精度為0.24mm。然而由于LVDT為電感式傳感器，在實際操作過程中，常常受到電磁干擾的影響，在極大程度上影響到了其工作精度。如若用百分表測試變形板的沉降，其數(shù)據(jù)有較高的可靠性，并且精度較高，精度可以達(dá)到0.01mm，然而需要人工讀數(shù)，不能全自動記錄數(shù)據(jù)，這在一定程度上為后期數(shù)據(jù)的處理和分析帶來了一定的弊端。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種基于布拉格光柵的土體沉降觀測系統(tǒng)，本測量系統(tǒng)采用光纖傳感器，避免了電磁干擾的影響，同時還具有溫度補(bǔ)償功能，本發(fā)明所提出的測量系統(tǒng)工作穩(wěn)定、測量精度高，并且可以根據(jù)測量需求進(jìn)行調(diào)節(jié)和更改，能夠適應(yīng)絕大多數(shù)沉降面的測量。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于布拉格光柵的土體沉降觀測系統(tǒng)，包括變形板、固定板、沉降桿和變形板，所述的沉降桿設(shè)置在所述的變形板上，所述的變形板一端固定在固定板上另一端與沉降桿連接，其特征為，所述的變形板中部設(shè)置有變形測試布拉格裸光柵，所述的變形測試布拉格裸光柵通過單模單芯光纖連接溫度補(bǔ)償布拉格裸光柵，所述的變形測試布拉格裸光柵和所述的溫度補(bǔ)償布拉格裸光柵都連接至布拉格光柵解調(diào)儀。

上述技術(shù)方案中，優(yōu)選的，所述的沉降桿分為上段部和下段部，所述的上段部和所述的下段部之間通過連接套管連接，所述的連接套管上還設(shè)置有附重塊，所述的下段部和所述的連接套管上套設(shè)有沉降套管，所述的沉降套管頂部與所述的附重塊之間具有空隙。

上述技術(shù)方案中，優(yōu)選的，所述的變形板為等腰三角形，所述變形板的頂角固定在所述的沉降桿頂部，在所述變形板上與頂角相對的底邊固定在所述的固定板上，所述的變形測試布拉格裸光柵設(shè)置在變形板的中心線上。

上述技術(shù)方案中，優(yōu)選的，所述的溫度補(bǔ)償布拉格裸光柵放置在空心套管內(nèi)。

上述技術(shù)方案中，優(yōu)選的，所述的固定板一側(cè)設(shè)置有凹槽，所述變形板的底邊可在凹槽內(nèi)移動，所述的變形板通過螺栓固定在所述的固定板上。

上述技術(shù)方案中，優(yōu)選的，所述的連接套管外表面有外螺紋，所述的附重塊中間有內(nèi)螺紋，所述的附重塊可通過螺紋與連接套管固定并上下移動。

上述技術(shù)方案中，優(yōu)選的，所述的布拉格光柵解調(diào)儀分辨率至少為到1με，采樣率至少為每秒500個數(shù)據(jù)。

在巖土工程領(lǐng)域中，工程人員為了分析土體的變形機(jī)理，常常需用通過某種手段測試土體沉降。常見的土體沉降測試方法主要有LVDT以及百分表。對于LVDT，通常受到電磁干擾的影響，其工作精度常常會大打折扣；對于百分表，其數(shù)據(jù)不能實時記錄，需要較多的人力去記錄數(shù)據(jù)，并且其數(shù)據(jù)的連貫性很難保證。本發(fā)明提供了一種基于光纖傳感器的土體沉降測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)用布拉格光柵傳感器測試變形板的應(yīng)變，在此基礎(chǔ)上將變形板的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為變形板端部的撓度，以此測試得到沉降桿的沉降，從而測試得到變形板所處位置土體的沉降。

本發(fā)明系統(tǒng)的理論依據(jù)為：假定變形板所布置土層發(fā)生的沉降為S，由于沉降桿外部套有沉降套管，變形板和沉降桿可以無約束上下移動。則相應(yīng)的變形板的豎向位移同為S，同理變形板的豎向位移通過沉降桿傳遞至變形板的端部，則變形板端部的撓度w也為S。假定變形板端部的撓度為w時，變形板所受沉降桿的集中力為F。變形板的撓度微分方程w″(x)為：w″(x)式中x為變形板任意位置距離固定板的水平距離，M(x)為x位置處的彎矩，I(x)為x位置處的慣性矩，E為彈性模量。w″(x)式中M(x)＝F·(l-x),I(x)＝(l-x)·B·h³/12l。I(x)式中B變形板與固定板交接處的寬度，h為變形板的厚度，l變形板的長度。將M(x)以及I(x)代入撓度微分方程w″(x)得到：對w″(x)積分得到：由于變形板與固定板連接處為固定連接，因此當(dāng)x＝0時，w″(x)＝0，w′(x)＝0,代入上述微分方程得到：C₁＝0，C₂＝0。則，由于變形板端部的撓度w(l)即為變形板6的豎向位移S，為此有由于變形板端部集中力F的作用線，變形板上部的應(yīng)變ε為：W(x)為x位置處的抗彎剛度，則W(x)＝B·(l-x)·h²/6l，將W(x)帶入可的又可的將F帶入可得對于應(yīng)變ε的布拉格光柵測量原理如下：ε＝k·Δλ，式中k為布拉格光柵的應(yīng)變ε隨布拉格光柵波長變化值Δλ的變化系數(shù)，布拉格光柵波長變化值Δλ為：Δλ＝Δλ₁-Δλ₂式中：Δλ₁為變形測試布拉格裸光柵的波長變化值，Δλ₂為溫度補(bǔ)償布拉格裸光柵的波長變化值，且有：Δλ＝Δλ₁-Δλ₂＝(λ₁′-λ₁)-(λ₂′-λ₂)＝(λ₁′-λ₂′)-(λ₁-λ₂)。λ₁′為沉降測試過程中變形測試布拉格裸光柵在布拉格光柵解調(diào)儀測試得到的波長值，λ₂′為沉降測試過程中溫度補(bǔ)償布拉格裸光柵在布拉格光柵解調(diào)儀測試得到的波長值，λ₁為沉降觀測系統(tǒng)安裝完成后變形測試布拉格裸光柵在布拉格光柵解調(diào)儀測試得到的初始波長值，Δλ₂為沉降觀測系統(tǒng)安裝完成后溫度補(bǔ)償布拉格裸光柵在布拉格光柵解調(diào)儀上測試得到的初始波長值。

布拉格光柵的波長和布拉格光柵的應(yīng)變呈良好的線性慣性，其測試的精度能達(dá)到1με，據(jù)此將其代入式可以得到本發(fā)明的測量精度和變形板的長度以及厚度有關(guān)系。將ε＝k·Δλ代入得到土體沉降隨布拉格波長變化值變化系數(shù)將Δλ＝(λ₁′-λ₂′)-(λ₁-λ₂)代入可得布拉格裸光柵應(yīng)變隨布拉格裸光柵波長變化值變化系數(shù)k一般由布拉格裸光柵出廠參數(shù)提供。本發(fā)明通過變形板與土體的同步沉降來測量土體的沉降變形，而變形板通過沉降桿與變形板相連接，為了保證變形板端部的撓度變形與土體的沉降變形同步，需保證在土體沉降過程中變形板能夠產(chǎn)生足夠的撓度變形。而變形板的撓度變形主要依托沉降桿、變形板以及附重塊的自重產(chǎn)生。為此沉降桿、變形板以及附重塊三者的自重和所能產(chǎn)生的變形板撓度應(yīng)在沉降觀測系統(tǒng)的測量量程范圍內(nèi)。根據(jù)可得假定土體沉降最大量程S_max，則有ε_max為最大量程S_max所對應(yīng)變形板應(yīng)變，將ε_max代入有這樣F_max就為沉降觀測系統(tǒng)為達(dá)到量程為S_max時所需附重塊的最小附重。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本測量系統(tǒng)采用光纖傳感器，避免了電磁干擾的影響，同時還具有溫度補(bǔ)償功能，本發(fā)明所提出的測量系統(tǒng)工作穩(wěn)定、測量精度高，并且可以根據(jù)測量需求進(jìn)行調(diào)節(jié)和更改，能夠適應(yīng)絕大多數(shù)沉降面的測量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的俯視圖。

圖2為本發(fā)明的側(cè)視圖圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

實施例1，如圖1和圖2所示：一種基于布拉格光柵的土體沉降觀測系統(tǒng)，包括變形板1、固定板2、沉降桿3和變形板6，所述的沉降桿3設(shè)置在所述的變形板6上，所述的變形板1一端固定在固定板2上另一端與沉降桿3連接。所述的沉降桿3分為上段部和下段部，所述的上段部和所述的下段部之間通過連接套管5連接，所述的連接套管5上還設(shè)置有附重塊7。所述的下段部和所述的連接套管5上套設(shè)有沉降套管4，所述的沉降套管4頂部與所述的附重塊7之間具有空隙。所述的連接套管4外表面有外螺紋，所述的附重塊7中間有內(nèi)螺紋，所述的附重塊7可通過螺紋與連接套管4固定并上下移動。所述的變形板1為等腰三角形，所述變形板1的頂角固定在所述的沉降桿3頂部，在所述變形板1上與頂角相對的底邊固定在所述的固定板2上，所述的固定板2一側(cè)設(shè)置有凹槽，所述變形板1的底邊可在凹槽內(nèi)移動，所述的變形板1通過螺栓13固定在所述的固定板2上。所述的變形測試布拉格裸光柵8設(shè)置在變形板1中心線上。所述的變形測試布拉格裸光柵8通過單模單芯光纖10連接溫度補(bǔ)償布拉格裸光柵9，所述的變形測試布拉格裸光柵8和所述的溫度補(bǔ)償布拉格裸光柵9都連接至布拉格光柵解調(diào)儀11。所述的溫度補(bǔ)償布拉格裸光柵9放置在空心套管12內(nèi)。所述的布拉格光柵解調(diào)儀分11辨率至少為到1με，采樣率至少為每秒500個數(shù)據(jù)。

變形板1宜采用彈性較好并且彈性模量較低的材料，以保證其具有較好的變形能力，優(yōu)選地，變形板1可以選用鎂鋁合金作為制作材料，變形板的具體尺寸可以根據(jù)測量精度以及測量量程進(jìn)行調(diào)整，并根據(jù)計算確定。固定板2宜選用彈性模量較大的材料，以保證沉降觀測系統(tǒng)在變形過程中其變形不會對測量精度造成影響，優(yōu)選地，固定板2可以選用碳素鋼。沉降桿3、沉降套管4、連接套管5、變形板6、附重塊7可以選用普通鋼材制作完成。其具體尺寸可以根據(jù)需要確定，但是應(yīng)保證沉降套管4的空腔直徑大于連接套管5的外徑以及沉降桿3的外徑。變形板6的尺寸可以根據(jù)實際測試土體的顆粒粒徑大小確定，優(yōu)選地，變形板6的尺寸大小一般為10倍左右的土體顆粒粒徑，但是不宜小于10cm，其形狀宜選用正方形形狀。變形測試布拉格裸光柵8可以布置在變形板1中線處的任意位置，并用環(huán)氧樹脂粘貼在變形板1表面，優(yōu)選地，應(yīng)在環(huán)氧樹脂固化24小時后方可投入使用。溫度補(bǔ)償布拉格裸光柵9外部的空心套管12可以采用直徑為5mm長度為5cm的空心套管。布拉格光柵解調(diào)儀11可以選用Micron公司生產(chǎn)的光柵解調(diào)儀，其分辨率可以達(dá)到1με，采樣率可以達(dá)到每秒500個數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的具體操作包括：安裝固定，根據(jù)精度以及量程需要選取并制作合適尺寸以及合適材料的變形板1，對沉降觀測系統(tǒng)進(jìn)行組裝。依據(jù)測量土體沉降的所需精度以及所需量程選取合適的變形板1材料和合適的變形板1尺寸，然后根據(jù)所需測量沉降的土體性質(zhì)以及土層所在位置深度確定變形板6的尺寸以及沉降桿3和沉降套管4的長度。依據(jù)測量土體所需的量程以及變形板1的彈性模量以及變形板1的尺寸確定附重塊7的重量，為保證一定的余量，附重塊7、變形板6以及沉降桿3的自重之和宜大于最小附重Fmax的20％至30％之間。將變形板1放置于固定板2的空腔內(nèi)，并用螺栓13固定。將沉降桿3的上部分焊接固定在變形板1的端部，將沉降桿3的下部分固定在變形板6的中部，將沉降套管4套在與變形板6固定的沉降桿3上。用附重塊7套在連接套管5外側(cè)，并用連接套管5連接兩節(jié)沉降桿3。通過螺紋調(diào)節(jié)附重塊7的豎向位移，保證附重塊7底部與沉降套管4頂部有一定的距離。將變形測試裸光柵8用環(huán)氧樹脂粘貼在變形板1上部中線上的任意位置，將溫度補(bǔ)償布拉格裸光柵9放置于空心套管12內(nèi)。將變形測試布拉格裸光柵8與溫度補(bǔ)償布拉格裸光柵9通過單模單芯光纖10連接，將布拉格光柵通過單模單芯光纖10與布拉格光柵解調(diào)儀11連接。

沉降標(biāo)定，將制作好的沉降觀測系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，測試變形板6的豎向位移與布拉格光柵波長變化值之間的關(guān)系，得到標(biāo)定系數(shù)。將沉降觀測系統(tǒng)通過固定板2固定在周邊無沉降的物體上。手動控制變形板6的豎向位移，并用百分表測試和記錄其位移，并同時測試布拉格光柵的波長變形值，測試并得到變形板6豎向位移關(guān)于布拉格光柵波長變化值之間的變化系數(shù)。中變形板6豎向位移關(guān)于布拉格光柵波長變化值之間的變化系數(shù)可以依據(jù)標(biāo)定實驗測得，也可以依據(jù)理論計算系數(shù)確定。

現(xiàn)場測試，將沉降觀測系統(tǒng)中的變形板6埋入土體中，通過布拉格光柵解調(diào)儀11測試布拉格光柵波長的變化值，利用標(biāo)定系數(shù)或者理論系數(shù)得到土體的沉降。將焊接有沉降桿3的變形板6布置于所需測試沉降的土層上，將沉降套管,5套在沉降桿3上，沉降套管5應(yīng)露出土體表層10cm～15cm。將變形板1通過板固定板2固定在周圍無沉降的物體上，并保證變形板1與固定板2交接處固定無位移。將附重塊7套在連接套管5外側(cè)，將兩節(jié)沉降桿3通過連接套管5連接.調(diào)節(jié)附重塊7的豎向距離，保證附重塊7底部與沉降套管4頂部有一定的距離。用布拉格光柵解調(diào)儀11測量布拉格光柵的波長，并通過標(biāo)定系數(shù)或理論系數(shù)換算得到土體沉降。