一种用于土体微变形监测的智能测试系统、测试方法和评价方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于土体微变形监测的智能测试系统，其特征在于，包括容土单元、传动单元和距离控制单元，所述容土单元设置在传动单元的底板滑轨槽内，所述容土单元的检测传感器和传动单元均受距离控制单元的测量控制；其中，所述容土单元包括设有检测传感器的容器A、容器B和容器C；所述容器A包括设有上下前后左的5个实体面，右面为空面；所述容器B包括设有上下前后的4个实体面，左右两面为空面；所述容器C包括设有上下前后右的5个实体面，左面为空面。本发明能够简便而又精确地测试被监测土体的细微变形，并在其定位精度、工程实用性等多方面给出的综合评价方法。
【专利说明】
一种用于土体微变形监测的智能测试系统、测试方法和评价 方法
技术领域
[0001] 本发明属于地面变形监测技术领域，特别是涉及一种用于土体微变形监测的智能 测试系统、测试方法和评价方法。
【背景技术】
[0002] 现有公知的地面变形监测技术，根据监测范围可划分为大范围监测技术和小范围 监测技术两大类。大范围监测技术通常采用合成孔径干涉雷达（INSAR)、全球定位系统 (GPS)以及水准测量等。小范围监测技术主要有传统的水准测量、基岩标以及分层标等方 法。而其中地裂缝的监测技术则十分局限，通常采用位移计等传感器对已发育到一定程度 的地裂缝进行监测，这类监测技术不能对土体内部潜在裂缝的发生和发展进行有效监测和 预警。所以对地面变形监测技术研究、特别是对土体微变形监测技术以及测试仪器和测试 精度的工程实用性进行评价研究迫在眉睫。
[0003] 中国专利申请201520625252.3公开了 "一种检测光纤与土体协调变形的试验装 置"，该装置包括模型箱、光纤固定滑槽、光纤、刻度板、承压板、千斤顶、压力盒和压力采集 仪;所述模型箱由四方体钢结构框架、结构胶和位于六面的有机玻璃组成;所述模型箱前侧 两端均设有光纤固定滑槽;所述光纤水平处于拉紧状态，其两端为梭形结构，该梭形结构嵌 入光纤固定滑槽中，能沿固定滑槽垂直移动;所述刻度板粘贴于前面处的有机玻璃上;所述 承压板位于模型箱上面的有机玻璃，其上依次设有压力盒和千斤顶;所述千斤顶连接压力 采集仪。该装置虽然可用于检测不同物理力学参数土体与采用不同封装工艺光纤之间的协 调变形程度，为不同地质条件下光纤的选用以及光纤埋设工艺的确定提供数据支撑，但还 存在明显以下不足:一是该装置只能用于检测光纤与土体之间的协调变形，无法用于土体 变形的监测；二是该装置没有土体微变形的解决方案，不能满足土体微变形的精度检测及 评价的需求。
[0004] 如何克服现有技术所存在的不足已成为当今地面变形监测技术领域中亟待解决 的重点难题之一。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为克服现有技术所存在的不足而提供一种用于土体微变形监测 的智能测试系统、测试方法和评价方法，本发明能够简便而又精确地测试被监测土体的细 微变形，并在其定位精度、工程实用性等多方面给出的综合评价方法。
[0006] 根据本发明提出的本发明提出的一种用于土体微变形监测的智能测试系统，其特 征在于，包括容土单元、传动单元和距离控制单元，所述容土单元设置在传动单元的底板滑 轨槽内，所述容土单元的检测传感器和传动单元均受距离控制单元的测量控制;其中，所述 容土单元包括设有检测传感器的容器A、容器B和容器C;所述容器A包括设有上下前后左的5 个实体面，右面为空面;所述容器B包括设有上下前后的4个实体面，左右两面为空面;所述 容器C包括设有上下前后右的5个实体面，左面为空面。所述传动单元包括底板滑轨槽、插销 槽、金属钩、韧性钢丝绳、支架以及可精确控制钢丝绳伸缩长度进而控制各容器移动距离的 智能控制器;所述智能控制器包括带有测距数据卡的数据采集处理系统、工业计算机和显 示器。所述距离控制单元包括用于测量容器A、容器B和容器C之间实际距离的测距钢尺、防 止各容器随意滑动的固定插销、可自动控制钢丝绳伸缩长度的距离按钮。所述检测传感器 为光纤测量传感器、光电测量传感器、温度传感器或高精度应力应变测量传感器。所述容土 单元的容器A、容器B和容器C的底部均设有可嵌入底板滑轨槽内的滑轮。所述测距数据卡为 磁条卡、SD卡或CPU卡。
[0007] 本发明的实现原理是:本发明在使用时装填土样于容土单元的容器A、容器B和容 器C中，土样中埋入光纤等测试装置，通过工业计算机给出设置钢丝绳所需要伸缩的长度； 利用传动装置带动容土单元移动，通过距离控制单元精准控制容土单元间位移，从而实现 容土单元中所置土体能按实际试验的需要分离，同时观察并记录检测装置对此变形做出即 时反应;通过比较检测装置在计算机上的图像所反映的变形位移与距离控制单元所控制的 位移的误差，实现对监测设备或技术监测精度与变形定位能力的评价;增加容器B的数量， 通过改变每次实验挂钩与不同容土单元的连接来实现控制所置土体不同的分离位置，以评 价测试监测设备或技术的监测连续性;依次改变土体种类、土体含水量、实验温度等条件 并保持其他变量不变，从而得到多组针对不同变量的监测数据，充分准确分析评价该监测 设备或技术的工程适用性。
[0008] 本发明与现有技术相比其显著优点在于：
[0009] 第一，本发明是一种集性能可靠、自动化程度高、观测精度高、数据量充分、使用简 便和造价低等为一体的土体微变形监测的测试系统，填补了现有技术的空白。第二，本发明 可通过改变容器B的数量来同时模拟不同数量不同部位的土体微变形。第三，本发明可通过 轨道传动装置控制土体变形的大小以增加测试内容，以利于更全面的满足用于土体微变形 监测的测试系统的功能，以便能够准确地评价测试方法所得到的数据。第四，本发明可在室 内模拟土体微变形的产生，可以简单、快速、有效地实现对用于土体微变形监测的测试系统 定位精度、得到工程实用性等方面的精确评价，节省了大量的人力成本与时间成本。
【附图说明】
[0010] 图1是本发明提出的一种用于土体微变形监测的智能测试系统的结构示意图。
[0011] 图2是本发明提出的单个容器A的结构示意图。
[0012] 图3是本发明提出的单个容器B的结构示意图。
[0013] 图4是本发明提出的单个容器C的结构示意图。
[0014] 图5是本发明提出的单个容器底部结构的示意图。
[0015] 图6是本发明提出的轨道的结构示意图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图和实施例对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细描述。
[0017] 结合图1-6,本发明提出的一种用于土体微变形监测的智能测试系统，它包括容土 单元、传动单元和距离控制单元，所述容土单元设置在传动单元的底板滑轨槽(61)内，所述 容土单元的检测传感器和传动单元均受距离控制单元的测量控制；其中，所述容土单元包 括设有检测传感器的容器A(2)、容器B(3)和容器C(4);所述容器A(2)包括设有上下前后左 的5个实体面，右面为空面;所述容器B(3)包括设有上下前后的4个实体面，左右两面为空 面;所述容器C(4)包括设有上下前后右的5个实体面，左面为空面。容土单元中的容器A(2) 和容器C(4)各有一个，分别位于试验轨道(6)上的最左侧和最右侧，相比之下，容器B(3)可 以有多个，可根据试验需要来确定数量;容器B(3)分别夹在容器A(2)和容器C(4)的中间，各 容器之间紧密贴合;容器A(2)、容器B(3)和容器C(4)的材质为玻璃。
[0018] 所述传动单元包括底板轨道(6)、滑轨槽(61)、插销槽(43)、金属钩（11)、韧性钢丝 绳（⑵、支架（14);其中，支架（14)的形状为"门"型、材质为不锈钢实心杆;韧性钢丝绳（12) 选择韧性更好的材料;所述测距数据卡为磁条卡、SD卡或CPU卡。
[0019] 所述距离控制单元包括用于测量容器A(2)、容器B(3)和容器C(4)之间实际距离的 测距钢尺（15)、防止各容器随意滑动的固定插销(45);所述距离控制单元包括可精确控制 钢丝绳伸缩长度进而控制各容器移动距离的智能控制器;所述智能控制器包括带有测距数 据卡的数据采集处理系统、位移控制器（13)、工业计算机（17)和显示器（18);其中，钢尺 (15)固定在底板轨道(61)右侧水平放置，用于测量方形容器移动的距离。
[0020] 所述检测传感器为光纤测量传感器、光电测量传感器、温度传感器或高精度应力 应变测量传感器；以选用光电测量传感器和温度传感器为佳。
[0021] 如图2-4所示，所述容土单元的容器A(2)、容器B(3)和容器C(4)的底部均设有可嵌 入底板滑轨槽(61)内的滑轮(41);如图5所示，每个容器底部设有4个滑轮(41)，滑轮(41)嵌 入底板滑轨槽(61)上，能使容器自由移动。
[0022] 根据本发明提出的一种用于土体微变形监测的智能测试系统的测试方法，以分布 式光纤监测为例，其特征在于，包括如下基本步骤：
[0023] 步骤一，组装测试系统：先将轨道(6)水平放置，可自动控制钢丝绳伸出长度的位 移控制器(13)通过支架（14)固定在轨道(6)的前端，检查金属钩（11)、韧性钢丝绳(12)的状 态，保持紧密连接和无打结;将容土单元的容器A( 2 )、容器B( 3)和容器C( 4)按顺序从左至右 通过下部滑轮(41)与滑轨槽(61)放置在轨道(6)上;再将插销(45)插入基座(42)和插销孔 (43)以固定容器;再将可精确控制钢丝绳伸缩长度进而控制各容器移动距离的智能控制器 的位移控制器(13)、工业计算机(17)、显示屏（18)与传动单元连接。
[0024] 步骤二，检查系统状态:保持金属钩（11 )、韧性钢丝绳（12)紧密连接，和无打结;容 器A(2)、容器B(3)和容器C(4)与轨道(6)接触良好;支架（14)稳定，位移控制器（13)与韧性 钢丝绳（12)接触良好;工业计算机(17)、显示屏（18)运行正常；
[0025]步骤三，安放测试土样与检测系统:将测试土样分别填入容器A(2)、容器B(3)和容 器C(4)中，再将光纤埋入测试土样中，光纤两端连接工业计算机（17)，观看显示屏（18)上应 力应变图像至平稳后记录温度;将金属钩（11)钩于左边第二个容器钩形槽(44)，调节位移 控制器(13 )，轻拉韧性钢丝绳（12)至拉紧。
[0026]步骤四，测试试验:将插销(45)拔掉，通过工业计算机（17)设置韧性钢丝绳（12)的 拉动距离，按下位移控制器（13)上按钮（16)将土体缓缓拉开，观察记录显示屏（18)上应力 应变图像发生变化的时间和此时钢尺（15)距离变化;如果图像未发生变化，重设加大拉动 距离，直至出现变化，按照上述步骤记录；再将金属钩（11)钩于相邻右侧容器的钩形槽 (44)，按下位移控制器（13)的按钮（16)，将土体缓缓拉开观察显示屏（18)上应力应变图像 发生变化的时间和此时钢尺(15)距离变化;重复上述实验至最后一个容器；
[0027]步骤五，得到测试数据:运用控制变量法，单一改变土体种类或土体含水量或室内 温度重复上述实验步骤，观察并记录数据；
[0028]步骤六，清理测试系统:在测试结束后，关闭工业计算机（17)，取出与清理容器中 土，拆分整理除此之外的其余的装置，以备再次测试。
[0029] 根据本发明提出的一种用于土体微变形监测的智能测试系统的测试方法的评价 方法，其特征在于，整理用于土体微变形监测的智能测试系统的测试方法的试验数据，结合 计算机图像或者将标准数据通过转接口（19)拷贝入工业计算机（17)与实验数据进行比对 分析评价;根据所测技术或仪器在变形定位差、监测变形的连续性、监测反应时间和工程适 用性四方面评分分级规则，分别给出A.评价参数及其评分数、B.按总评分值确定的监测方 法级别与评价的建议评价标准，参见如下表1和表2;
[0030] 表1:评价参数及其评分一览表
[0031]
[0032] 表2:按总评分值确定的监测方法级别与评价一览表
[0033]
[0035] 实施例1。本发明提出的一种用于土体微变形监测的智能测试系统，以测试分布式 光纤监测系统为例，其主要部件的设计参数和要求是：
[0036] 本发明采用的容土单元包括设有检测传感器的容器A、容器B和容器C;容器A、容器 B、容器C是底面边长为40cm、高为30cm的正方形体，材质采用透明玻璃，实例中容器A、容器C 数量为1个，容器B数量为4个;检测传感器包括分布式光纤监测系统以及温度计、应力片、光 电测量传感器;容器钩形槽(44)直径为lcm;插销孔(43)直径为1.5cm;滑轮(41)直径为4cm、 厚0.5cm、材质为钢质；滑轨槽(61)以满足滑轮(41)在其内平稳滑动而确定与之相适应规 格。
[0037]所述传动单元中的轨道(6)长为300cm、宽为50cm、材质为钢质;韧性钢丝绳（12)长 为50cm、直径为0.2cm;钢尺（15)量程为2m、精度为1臟。
[0038]所述距离控制单元采用精度为1毫米的位移控制器与笔记本电脑相结合，使用 220v电压供电。
[0039] 测试土体为通过2mm标准筛的粘土和砂土并按1: 2混合均勾，其中砂土平均粒径 0.36mm、均匀系数2.35、比重2.7g/cm3;粘性土液限为35.1 %、塑性指数为17.5，最佳含水量 16.5%;土样采用高分子固沙剂进行改良，固沙剂为透明粘稠液体。
[0040] 实施例2。本发明提出的一种用于土体微变形监测的智能测试系统，以测试多点位 移计监测系统为例，其主要部件的设计参数和要求是：
[0041] 本发明采用的容土单元包括设有检测传感器的容器A、容器B和容器C;容器A、容器 B、容器C是底面边长为50cm、高为50cm的正方形体、材质采用透明玻璃，实施例2中的容器 A、容器C的数量均为1个，容器B数量为5个;检测传感器包括多点位移计检测系统以及温度 计、应力片、光电测量传感器。
[0042]所述传动单元中的轨道(6)长为400cm、宽为50cm、材质为钢质;韧性钢丝绳（12)长 为600cm、直径为0.3cm;钢尺（15)量程为4m、精度为0.05cm;本发明实施例2采用的其它部件 同实施例1。
[0043] 实施例3。本发明提出的一种用于土体微变形监测的智能测试系统，以测试激光位 移传感器为例，其主要部件的设计参数和要求是：
[0044] 本发明采用的容土单元包括设有检测传感器的容器A、容器B和容器C;容器A、容器 B、容器C都是底面边长为30cm、高为30cm的正方形体，材质为透明玻璃，实施例3中的容器A、 容器C的数量均为1个，容器B的数量为3个;检测传感器包括激光位移传感器、温度计以及应 力片。
[0045]所述传动单元中的轨道(6)长为200cm、宽为50cm、材质为钢质;韧性钢丝绳（12)长 为500cm、直径为0.2cm;钢尺（15)量程为2m、精度为0.05cm;本发明实施例3采用的其它部件 同实施例1。
[0046] 本发明提出的一种用于土体微变形监测的智能测试系统、测试方法和评价方法的 综合运用以实施例1为例，实施例1所得数据如表3所示：
[0047] 表3:装置测试分布式监测光纤试验记录一览表
[0048]
[0049] 分析表3数据可得出该分布式光纤监测系统平均变形定位差0.33mm;监测范围内 拉伸图像均有反应;监测反应时间和精度分别为80ms和小于4mm。再单一改变土体种类或土 体含水量或室内温度重复上述试验步骤，证明该种分布式光纤监测系统适用于多种土体与 环境，最后根据本发明提出的评价标准给出82分，属于Π 级，表示该种分布式光纤监测系统 在某些方面稍有局限，但基本满足正常工程与研究的需要。
[0050] 本发明的【具体实施方式】中凡未涉到的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技 术加以实施。
[0051] 本发明经反复试验验证，取得了满意的应用效果。
[0052] 以上【具体实施方式】及实施例是对本发明提出的一种用于土体微变形监测的智能 测试系统、测试方法和评价方法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡 是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动， 均仍属于本发明技术方案保护的范围。
【主权项】
1. 一种用于土体微变形监测的智能测试系统，其特征在于，包括容土单元、传动单元和 距离控制单元，所述容土单元设置在传动单元的底板滑轨槽(61)内，所述容土单元的检测 传感器和传动单元均受距离控制单元的测量控制；其中，所述容土单元包括设有检测传感 器的容器A(2)、容器B(3)和容器C(4);所述容器A(2)包括设有上下前后左的5个实体面，右 面为空面;所述容器B(3)包括设有上下前后的4个实体面，左右两面为空面;所述容器C(4) 包括设有上下前后右的5个实体面，左面为空面。2. 根据权利要求1所述的一种用于土体微变形监测的智能测试系统，其特征在于，所述 传动单元包括底板滑轨槽(61)、插销槽(43)、金属钩（11)、韧性钢丝绳（12)、支架（14)以及 可精确控制钢丝绳伸缩长度进而控制各容器移动距离的智能控制器;所述智能控制器包括 带有测距数据卡的数据采集处理系统、位移控制器(13)、工业计算机(17)和显示器(18)。3. 根据权利要求2所述的一种用于土体微变形监测的智能测试系统，其特征在于，所述 距离控制单元包括用于测量容器A(2)、容器B(3)和容器C(4)之间实际距离的测距钢尺 (15)、防止各容器随意滑动的固定插销(45)、可自动控制钢丝绳伸缩长度的距离按钮(16)。4. 根据权利要求3所述的一种用于土体微变形监测的智能测试系统，其特征在于，所述 检测传感器为光纤测量传感器、光电测量传感器、温度传感器或高精度应力应变测量传感 器。5. 根据权利要求4所述的一种用于土体微变形监测的智能测试系统，其特征在于，所述 容土单元的容器A(2)、容器B(3)和容器C(4)的底部均设有可嵌入底板滑轨槽(61)内的滑轮 (41) 〇6. 根据权利要求5所述的一种用于土体微变形监测的智能测试系统，其特征在于，所述 测距数据卡为磁条卡、SD卡或CPU卡。7. 根据权利要求1-6任一项所述的一种用于土体微变形监测的智能测试系统的测试方 法，其特征在于，以分布式光纤监测为例，包括如下基本步骤： 步骤一，组装测试系统：先将轨道(6)水平放置，可自动控制钢丝绳伸出长度的位移控 制器（13)通过支架（14)固定在轨道(6)的前端，检查金属钩（11)、韧性钢丝绳（12)的状态， 保持紧密连接和无打结;将容土单元的容器A(2)、容器B(3)和容器C(4)按顺序从左至右通 过下部滑轮(41)与滑轨槽(61)放置在轨道(6)上；再将插销（45)插入基座(42)和插销槽 (43)以固定容器;再将可精确控制钢丝绳伸缩长度进而控制各容器移动距离的智能控制器 的位移控制器(13)、工业计算机(17)、显示屏（18)与传动单元连接。 步骤二，检查系统状态:保持金属钩（11)、韧性钢丝绳（12)紧密连接，和无打结;容器A (2)、容器B(3)和容器C(4)与轨道(6)接触良好;支架（14)稳定，位移控制器(13)与韧性钢丝 绳（12)接触良好;工业计算机(17)、显示屏（18)运行正常； 步骤三，安放测试土样与检测系统：将测试土样分别填入容器A(2)、容器B(3)和容器C (4)中，再将光纤埋入测试土样中，光纤两端连接工业计算机（17)，观看显示屏（18)上应力 应变图像至平稳后记录温度;将金属钩（11)钩于左边第二个容器钩形槽(44)，调节位移控 制器(13 )，轻拉韧性钢丝绳（12)至拉紧。 步骤四，测试试验:将插销(45)拔掉，通过工业计算机(17)设置韧性钢丝绳（12)的拉动 距离，按下位移控制器（13)上按钮（16)将土体缓缓拉开，观察记录显示屏（18)上应力应变 图像发生变化的时间和此时钢尺(15)距离变化;如果图像未发生变化，重设加大拉动距离， 直至出现变化，按照上述步骤记录;再将金属钩钩于相邻右侧容器的钩形槽(44)，按下位移 控制器（13)的按钮（16)，将土体缓缓拉开观察显示屏（18)上应力应变图像发生变化的时间 和此时钢尺(15)距离变化;重复上述实验至最后一个容器； 步骤五，得到测试数据:运用控制变量法，单一改变土体种类或土体含水量或室内温度 重复上述实验步骤，观察并记录数据； 步骤六，清理测试系统:在测试结束后，关闭工业计算机（17)，取出与清理容器中土，拆 分整理除此之外的其余的装置，以备再次测试。8.根据权利要求7所述的一种用于土体微变形监测的智能测试系统的测试方法的评价 方法，其特征在于，整理用于土体微变形监测的智能测试系统的测试方法的试验数据，结合 计算机图像或者将标准数据通过转接口（19)拷贝入工业计算机（17)与实验数据进行比对 分析评价;根据所测技术或仪器在变形定位差、监测变形的连续性、监测反应时间和工程适 用性四方面评分分级规则，分别给出A.评价参数及其评分数、B.按总评分值确定的监测方 法级别与评价的建议评价标准，参见如下表1和表2; 表1:评价参数及其评分数一览表表2:按总评分值确定的监测方法级别与评价一览表
【文档编号】G01B21/32GK105865400SQ201610200848
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】魏继红, 段新春, 岑松勃, 程世誉, 刘芮彤, 俞建波, 付延玲, 刘瑾, 钱卫
【申请人】河海大学