一种基于形状传感器的测斜装置及测斜方法与流程

本发明属于测斜技术领域，具体说是一种基于形状传感器的测斜装置及测斜方法。

背景技术：

近年来，随着高层建筑、地铁等城市建设的不断发展，基坑开挖的深度和规模不断扩大，由此引发的工程事故(如：基坑坍塌、周边土体下沉、支护体系折断)也不断增加。为了实时掌握基坑稳定性，确保施工期间人员和设备的安全，基坑监测在施工中的重要性日益凸显。基坑深层水平位移作为基坑土体状态最直接的体现，是施工过程中的重要监测项目之一，其监测结果对于基坑稳定性及施工安全性的评价至关重要。

目前，基坑深层水平位移主要采用测斜管和测斜仪联合测量。在测斜管埋设完毕后，将测斜仪探头沿测斜管内部凹槽放入管内，每隔0.5m或1m读取水平位移数值，这种测量方法存在以下局限与不足：

1、测量效率低，人工成本高，采集时间长，无法实现全自动化测量。

2、测量精度低，数据采集受人为因素影响较大，且为点式测量，数据不全面，难以准确反映全域位移变化。

3、测量工作受环境因素影响较大，暴雨等极端环境条件下无法监测。

技术实现要素：

针对上述现有技术中的缺陷与不足，本发明提供一种基于形状传感器的测斜装置及测斜方法，具有安装方便、测量精度高、环境适应性强、造价低廉的优点。

为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种基于形状传感器的测斜装置，包括测斜管、形状传感器和滑动夹具，所述滑动夹具套接在形状传感器外壁上，所述形状传感器通过滑动夹具滑入并固定在测斜管内部。

进一步的，所述形状传感器包括薄壁钢管和应变传感器，所述薄壁钢管外表面沿环向每间隔120°设有圆弧凹槽，所述应变传感器每隔一定间距胶结在薄壁钢管外表面的圆弧凹槽内。

进一步的，所述滑动夹具包括构件a、构件b和锁紧螺丝，所述构件a和构件b的一端通过销钉可转动连接，另一端通过螺丝和螺母的配合进行紧固连接，在构件a、构件b的外壁上分布有圆形柱，所述圆形柱与锁紧螺丝通过绞丝连接；所述滑动夹具内径与薄壁钢管外径相同。

进一步的，在测斜管的内壁上开有导向凹槽，锁紧螺丝顶部的圆形滚珠与导向凹槽滑动连接。

本申请还提供一种基于形状传感器的测斜方法，具体步骤为：

步骤1：将形状传感器划分为n个单元，每个单元设置一个曲率测点，每个曲率测点处沿环向每间隔120°布设1个应变传感器；

步骤2：将各测点曲率表示为曲率向量形式；

步骤3：假设在第i段[xi,xi+1]单元内曲率是均匀变化的，则将曲率表示为x的一次函数；

步骤4：当第i段单元节点坐标xi和初始转角θi已知时，在区间[xi,x]上对曲率函数进行一次积分，得出区间[xi,x]内任一点转角值；

步骤5：当第i段单元节点坐标xi、初始转角θi和初始位移ωi已知时，在区间[xi,x]上对转角函数进行一次积分，得出区间[xi,x]内任一点挠度值。

进一步的，步骤1中各应变传感器与弯曲曲率关系为

εij＝kirsin(αb-αij)

其中，εij为测点i处第j个应变传感器实测应变值，j∈[1,3]；i为曲率测点编号，i∈[1,n]；ki为测点i处弯曲曲率；r为薄壁钢管中心到应变传感器中心的距离；αij为测点i处第j个传感器与z轴之间的夹角；αb为中性轴与z轴间夹角。

进一步的，步骤2的曲率向量形式表示为：

各测点曲率值为

进一步的，步骤3中曲率表示为x的一次函数为：

进一步的，步骤4中区间[xi,x]内任一点转角值为：

进一步的，步骤5中区间[xi,x]内任一点挠度值为：

本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：

1、本申请将形状传感器和测斜管相结合，能够实现测斜管水平位移的远程长期实时监测，且不受环境气候的影响，具有测量精度高、抗噪性能强的优点。

2、本申请采用沿环向每间隔120°布设1个应变传感器的布设方式，有效消除温度和弯曲方向对曲率测量的影响，无需额外的温度补偿，有效提高计算精度。

3、本申请形状传感器的后期埋入，极大地提高了传感器的存活率，使得该测斜管不仅适用于深基坑位移监测，而且可以用于桩体、大坝、边坡等岩土结构的位移监测，具有操作简单、施工方便、传感单元造价低的优点。

4、采用本方法计算测斜管水平位移，无需材料和荷载信息，只需给定边界条件便可实现测斜管全域位移场重构。

附图说明

图1为本申请基于形状传感器的测斜装置结构示意图；

图2为本申请测斜管的横截面图；

图3为本申请形状传感器的横截面图；

图4为本申请滑动夹具的结构示意图；

图中：101-测斜管，102-形状传感器，103-滑动夹具，201-薄壁钢管，202-光纤光栅应变传感器，301-构件a，302-构件b，303-锁紧螺丝，4-中性轴。

具体实施方式

本发明的实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施的，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

实施例1

参见图1-图4所示，本实施例提供一种基于形状传感器的测斜装置，包括测斜管(101)、形状传感器(102)和滑动夹具(103)，所述滑动夹具(103)通过机械连接固定在形状传感器(102)上，所述形状传感器(102)通过滑动夹具(103)滑入并固定在测斜管(101)内部。

在测斜管(101)组装埋设完毕后，将4m长薄壁钢管(201)采用焊接方式连接，并从距离薄壁钢管(201)端部0.5m处开始，采用环氧树脂胶体每隔1m安装一组应变传感器(202)，所述应变传感器(202)之间采用熔接或法兰盘连接，连接线采用502胶固定在薄壁钢管(201)外表面圆弧凹槽内。在形状传感器(102)组装完毕后，从形状传感器(102)端部开始，每隔1m安装一个滑动夹具(103)，滑动夹具(103)通过拧紧螺母固定在形状传感器(102)上，之后沿测斜管(101)内部导向凹槽将形状传感器(102)滑入并固定在测斜管(101)内部。

参见图1和2所示，测斜管(101)外径为70mm，内径为60mm，内表面每间隔90°设有导向凹槽，凹槽宽5mm，深2mm,测斜管(101)管长4m，彼此之间采用连接段进行连接。

参见图1和3所示，形状传感器(102)包括薄壁钢管(201)和应变传感器(202)，薄壁钢管(201)外径为30mm，壁厚为2mm，外表面沿环向每间隔120°设有圆弧凹槽，凹槽宽4mm，深1mm。

参见图1和图4所示，滑动夹具(301)内径为30mm，包括1个构件a(301)、1个构件b(302)和4个锁紧螺丝(303)，其中构件a(301)和构件b(302)通过销钉连接，锁紧螺丝(303)和构件a(301)、构件b(302)通过绞丝连接。锁紧螺丝(303)采用rsu6-16.8型，直径为6mm，长度为16.8mm。

优选的，上述应变传感器可以为光纤光栅应变传感器。

实施例2

本实施例提供一种基于形状传感器的测斜方法，测斜过程如下：

(1)根据深基坑监测高度或深度，钻孔埋设测斜管(101)至相对不动点。

(2)将形状传感器(102)滑入并固定在测斜管(101)内部，利用光纤光栅解调仪采集各测点应变值。

(3)将形状传感器划分为n个单元，每个单元设置一个曲率测点，每个曲率测点处沿环向每间隔120°布设1个应变传感器，各传感器应变与弯曲曲率关系为

εij＝kirsin(αb-αij)

其中，εij为测点i处第j个传感器实测应变值，j∈[1,3]；i为曲率测点编号，i∈[1,n]；ki为测点i处弯曲曲率；r为钢管中心到传感器中心的距离；αij为测点i处第j个传感器与z轴之间的夹角；αb为中性轴与z轴间夹角。

(4)将各测点曲率表示为曲率向量形式：

各测点曲率值为

(5)假设在第i段[xi,xi+1]单元内曲率是均匀变化的，则曲率表示为x的一次函数：

(6)当第i段单元节点坐标xi和初始转角θi已知时，在区间[xi,x]上对曲率函数进行一次积分，可得区间[xi,x]内任一点转角值。

(7)当第i段单元节点坐标xi、初始转角θi和初始位移ωi已知时，在区间[xi,x]上对转角函数进行一次积分，可得区间[xi,x]内任一点挠度值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。