一种可伸缩管式地表沉降自动化监测装置及方法与流程

本发明涉及土木工程建设技术领域，尤其涉及的是一种可伸缩管式地表沉降自动监测装置及方法。

背景技术：

在土木工程建设领域，土体地表沉降监测被广泛用于地基处理工程、深基坑或高边坡开挖工程、堤防工程、坝体工程等工程项目中，其目的是通过对地表土体的沉降情况进行观测，以便于对工程施工质量和安全作出更加准确的分析和判断。

目前，对于土体地表沉降的监测方法主要有以下五种：

(1)标点水准仪法：该方法是人工观测法中较常用的一种地表沉降监测方法。它是通过在拟监测位置设置地表沉降观测标，然后用水准仪从相对独立的、已知标高的固定基准点开始，依次测出各观测点的高程，对比前后两次及本次与初次高程之差，即可得出该监测点的本次及累计沉降量。

(2)自动化全站仪法：该方法是近年来随着全站仪自动瞄准功能的开发衍生出来的一种地表沉降和位移监测方法。其测点设置过程为：先在拟监测位置安装与测试全站仪相配套的观测棱镜，根据各测点的位置、距离及现场情况，选择一可与各监测点通视的制高点，然后在该制高点上浇筑一个稳定基座，最后将全站仪架设在该基座上。首次观测需人工测试并保存各监测点的三维坐标，之后仪器会根据设定频率自动对各监测点进行测试。

(3)压力式静力水准仪法：该方法是基于连通管原理，利用储液罐保持水头高度，利用连通管将各监测点进行连接，组成一个具有自由液面的静水连用系统。通过测试安装在各监测点位置上的与连通管连接的静水压力传感器的静水压力变化，即可间接测量出各监测点相对竖向位移的变化量。

(4)沉降计法：该方法是通过在监测点底部建立一个沉降相对稳定的固定点，然后将沉降计底部支撑在该固定点上，上部连接一沉降盘，通过测试沉降计的伸缩变化量，计算出地表沉降盘的沉降量。

(5)gps观测法：通过在拟设置监测点位置设置沉降观测标，并在其顶部安装一固定的gps定位测量装置，利用gps或北斗卫星定位系统测量该监测点的三维坐标，进而计算出其水平和竖向位移变化。

以上五种常用的地表沉降监测方法中，方法(1)采用的是人工监测法，其特点是监测点设置较简便，测试精度较高，但后期观测人工成本较高，且实施过程受天气等外部因素影响较大；方法(2)对现场测试条件要求较苛刻，在施工现场需找一个地基稳定且与各监测点通视良好的制高点会比较困难，因此，同一项目往往需要根据情况将监测点进行分组，每组设置一个这种制高点并架设一台全站仪，而且全站仪需要采取保护和防盗措施，这将大大提高监测成本；方法(3)需要在现场布设大量的联通管网，对在建工程及需要长期观测的工程来讲，其实现过程相对较困难；方法(4)中常用的沉降计量程只有约50cm(也可定制大量程)，而且价格相对较高，此外，将钢制沉降计直接埋设在土中，在地下环境的长期作用下难免会出现异常，不利于长期观测；方法(5)测试精度相对较低，而且需要在每一个监测点上布设1个rtk定位装置，加上对测点及基站设施的保护措施费用，成本较高。

因此，现有技术还有待改进。

技术实现要素：

发明人发现，现有技术中的地表沉降监测的成本高、设备安装埋设复杂、难以操作、性能不稳定、监测精度不高的问题。

本发明旨在至少一定程度上缓解或解决上述提及问题中至少一个。本发明提出了一种可伸缩管式地表沉降自动监测装置及方法，其中，一种可伸缩管式地表沉降自动监测装置，包括：

至少一组伸缩管组件，所述伸缩管组件包括第一嵌套管、与所述第一嵌套管嵌套连接的第二嵌套管以及分别与所述第一嵌套管、所述第二嵌套管连接的弹性保护件，所述第二嵌套管通过所述第一嵌套管沿着所述第一嵌套管进行相对移动；

沉降盘组件，所述沉降盘组件设于所述伸缩组件上且所述沉降盘组件上开设有与所述伸缩管组件相通的切口；

测量组件，所述测量组件包括壳体、角度测量编码器、编码器导轮、拉线以及吊锤，所述壳体设于所述沉降盘组件上，所述壳体内设置有所述角度测量编码器，所述角度测量编码器上设置有所述编码器导轮，所述拉线绕过所述编码器导轮，一端依次穿过所述壳体、所述切口后与所述伸缩管组件的下端固定相接，另一端依次穿过所述壳体、所述切口后与置于所述伸缩管组件内的所述吊锤相接。

在一种实施方式中，所述伸缩管组件的数量为1组。

在一种实施方式中，所述伸缩管组件的数量为多组，且多组所述伸缩管组件依次固定相连接。

在一种实施方式中，所述第一嵌套管的下端设置有底盖，且所述底盖呈锥形。

在一种实施方式中，所述第一嵌套管以及所述第二嵌套管为硬聚氯乙烯管(pvc管)或者铝合金管。

在一种实施方式中，所述弹性保护件包括波纹管以及与所述波纹管连接的套箍环，所述波纹管上端与所述第二嵌套管固定连接，所述波纹管下端通过所述套箍环与所述第一嵌套管固定相接。

在一种实施方式中，所述壳体包括底座以及设于所述底座上的保护罩，所述底座上设置有所述角度测量编码器且所述底座通过螺栓与所述沉降盘固定相接。

在一种实施方式中，所述沉降盘组件包括沉降盘以及与所述沉降盘相接的接口管，所述沉降盘通过接口管与所述伸缩管组件连接且所述沉降盘上开设有与所述伸缩管组件相通的切口。

在一种实施方式中，所述角度测量编码器连接设置有导线，所述导线分别与电源以及无线传输组件相接，所述无线传输组件与智能终端设备通过无线网络连接，所述无线传输组件用于传输所述角度测量编码器的数据。

一种基于所述可伸缩管式地表沉降自动监测装置的可伸缩管式地表沉降自动监测方法，包括以下步骤：

步骤s10，钻孔并埋入伸缩管组件：在监测点钻孔，并将伸缩管组件埋设在孔内；

步骤s20，安装测量组件：从所述伸缩管组件的底端引出拉线，拉线另一端与吊锤连接，将拉线从所述切口引出并绕过所述编码器导轮，然后将所述吊锤穿过所述切口后置于所述伸缩管组件内；

步骤s30，测量；利用测量组件相对于地表面的沉降量进行测量。

在一种实施方式中，在步骤s10中，所述伸缩管组件的底部埋设在稳定的硬土层上。

在一种实施方式中，在步骤s20中，从所述伸缩管组件的底端引出拉线，所述拉线缠绕所述编码器导轮一圈，然后将所述吊锤穿过所述切口后置于所述伸缩管组件内。

在一种实施方式中，还包括步骤s40，数据传输：将测量组件测量得到的沉降量通过无线传输组件进行传输

本发明的有益效果：本发明埋设方法简便，所采用的角度测试编码器测试精度较高，且嵌套管、角度测试编码器等材料价格均较低廉，可有效降低监测成本；本发明中角度测试编码器置于沉降盘上部，且由壳体进行保护，拉线设于壳体以及嵌套管内，本发明保护措施较完善，因此，本发明将有助于提供连续、完整的施工期以及运营期的监测成果。

总而言之，本发明有效地解决了现有技术的地表沉降监测的人工成本高、设备成本高、设备安装埋设复杂、后期保护和维护成本高等缺点，具有成本低、安装操作简便、经济实用、性能稳定、使用寿命长等独特优势，在岩土工程地表沉降监测领域具有较广泛的推广应用空间。

附图说明

图1是本发明提供的可伸缩管式地表沉降自动监测装置的结构示意图一。

图2是本发明提供的可伸缩管式地表沉降自动监测装置的结构示意图二。

图3是本发明提供的可伸缩管式地表沉降自动监测装置的俯视剖面图。

图4是本发明的监测方法流程示意图。

附图标记：1、第二嵌套管；2、拉线；3、套箍环；4、第一嵌套管；5、底盖；6、吊锤；7、沉降盘；8、第一螺栓；9、保护罩；10、角度测量编码器；11、编码器导轮；12、底座；13、切口；14、接口管；15、波纹管；16、第二螺栓；17、导线、18、第三螺栓；100、伸缩管组件；200、沉降盘组件；300、测量组件；110、弹性保护件；310、壳体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

基于现有技术中存在的问题，本实施例提供一种可伸缩管式地表沉降自动监测装置，具体如图1、图2及图3所示，包括至少一组伸缩管组件100、沉降盘组件200以及测量组件300。伸缩管组件100包括第一嵌套管4、与第一嵌套管4嵌套连接的第二嵌套管1以及分别与第一嵌套管4、第二嵌套管1连接的弹性保护件，第二嵌套管1通过第一嵌套管4沿着第一嵌套管4进行相对移动；沉降盘组件200设于伸缩组件100上且沉降盘组件200上开设有与伸缩管组件100相通的切口13；测量组件300包括壳体310、角度测量编码器10、编码器导轮11、拉线2以及吊锤6，壳体310设于沉降盘组件200上，壳体310内设置有角度测量编码器10，角度测量编码器10上设置有编码器导轮11，拉线2绕过编码器导轮11，一端依次穿过壳体310、切口13后与伸缩管组件100的下端固定相接，另一端依次穿过壳体310、切口13后与置于伸缩管组件100内的吊锤6相接。

沉降盘组件200通过第二嵌套管1沿着第一嵌套管4进行向下移动，从而带动测量组件300向下移动，进而吊锤6会带动拉线2向下移动，导致编码器导轮11转动，角度测量编码器10通过编码器导轮11转动计算出吊锤6下降的位移，从而实现计算出沉降盘组件300的沉降盘7的沉降量。

本发明利用上下嵌套管之间的相对错动，从而反映出地表沉降量，具体为：引入一根与角度测量解码器相连接的拉线，拉线一端固定在下嵌套管上，另一端连接一悬空的吊锤，这样若上下嵌套管之间产生错动，吊锤将产生位移，从而带动解码器导轮转动。通过测试解码器导轮转动的角度，即可计算出吊锤下降的距离，进而计算出上下嵌套管之间的相对错动位移，即地表沉降量。

因此，本发明有效地解决了现有技术的地表沉降监测的人工成本高、设备成本高、设备安装埋设复杂、后期保护和维护成本高等缺点，具有成本低、安装操作简便、经济实用、性能稳定、使用寿命长等独特优势，在岩土工程地表沉降监测领域具有较广泛的推广应用空间。

可选的，请参考图1，伸缩管组件的数量为1组，即一种可伸缩管式地表沉降自动监测装置包括1组伸缩管组件100、沉降盘组件200以及测量组件300。

可选的，请参考图1，伸缩管组件的数量为多组，即一种可伸缩管式地表沉降自动监测装置包括多组伸缩管组件100、沉降盘组件200以及测量组件300，通过多组伸缩管组件100依次连续相接进一步增大其可压缩量，增大测试量程。应该理解的是，伸缩管组件100的数量并不限于为某一个具体数值，伸缩管组件100的数量可以根据实际地理环境的需要，增加或减少，以此满足地表沉降监测的需要，此处不作限制。

在一种实施方式中，请参考图1本实施例中的伸缩管组件100包括第一嵌套管4、套设于第一嵌套管4内的第二嵌套管1以及分别与第一嵌套管4、第二嵌套管1连接的弹性保护件，且第一嵌套管4设于第二嵌套管1的下方，第二嵌套管1通过第一嵌套管4在第一嵌套管4内进行相对移动。

应该理解的是，第一嵌套管4与第二嵌套管1之间的嵌套连接是为了实现第一嵌套管4与第二嵌套管1之间的相对错动，还可以是其他情形，如第一嵌套管4设于第二嵌套管1的下方且第一嵌套管4套设于第二嵌套管1内也可以实现第一嵌套管4与第二嵌套管1之间的相对错动，因此，对于第一嵌套管4是嵌套在第二嵌套管1内或者第二嵌套管1是嵌套在第一嵌套管4内，此处不做限制。

可选的，第一嵌套管4以及第二嵌套管1为硬聚氯乙烯管(pvc管)。

可选的，第一嵌套管4以及第二嵌套管1为铝合金管，硬聚氯乙烯管(pvc管)或者铝合金管价格便宜，而且方便加工，能够有效降低设备的成本。应该理解的是，第一嵌套管4以及第二嵌套管1不限于上的硬聚氯乙烯管(pvc管)或者铝合金管，还可以是其他情形，此处不作限制。

进一步地，请参考图1，第一嵌套管4的下端设置有底盖5，且底盖5呈锥形。底盖5能够避免泥浆或者其他杂物从第一嵌套管4的下端进入嵌套管内影响测量精度，底盖5呈锥形有利于伸缩管组件100顺利插入监测点的钻孔内，有利于伸缩管组件100插入钻孔内的硬土层，有利于伸缩管组件100的支撑稳定，保证测量精度。

在一种实施方式中，请参考图1，本实施例中的弹性保护件110包括波纹管15以及与波纹管15连接的套箍环3，波纹管15上端与第二嵌套管1固定连接，波纹管15下端通过套箍环3与第一嵌套管4固定相接。波纹管15的上端以及下端分别与第二嵌套管1以及第一嵌套管4密封固定相接，能够增强第一嵌套管4与第二嵌套管1滑动的顺畅性，还能够避免泥浆等杂物进入伸缩管组件100，避免影响测量精度，且下端通过套箍环3与第一嵌套管4密封固定连接，可以进一步增强第一嵌套管4的抗裂变性能。

在一种实施方式中，请参考图1以及图3，本实施例中的沉降盘组件200包括沉降盘7以及与沉降盘7相接的接口管14，沉降盘7通过接口管14与伸缩管组件100连接且沉降盘7上开设有与伸缩管组件100相通的切口13。

具体的，沉降盘7上设置有测量组件300，沉降盘7下部设置有口管14，沉降盘7通过接口管14与伸缩管组件100的第二嵌套管1固定相接。

进一步地，请参考图1以及图3，接口管14通过第二螺栓16将波纹管15的上端密封固定在第二嵌套管1的上部，即波纹管15是嵌套在接口管14以及第二嵌套管1之间，这样有利于避免泥浆等杂物进入伸缩管组件100，避免影响测量精度。

在一种实施方式中，请参考图1以及图3，本实施例中的壳体310包括底座12以及设于底座12上的保护罩9，底座12上设置有角度测量编码器10且底座12通过螺栓8与沉降盘7固定相接。

具体的，请参考图1以及图3，测量组件300包括壳体310、角度测量编码器10、编码器导轮11、拉线2以及吊锤6，其中，壳体310包括底座12以及设于底座12上的保护罩9，底座12通过第一螺栓8与沉降盘7固定连接，底座12上设置有角度测量编码器10，角度测量编码器10上设置有编码器导轮11，拉线2绕过编码器导轮11，一端依次穿过壳体310、切口13后与伸缩管组件100的下端固定相接，另一端依次穿过壳体310、切口13后与置于伸缩管组件100内的吊锤6相接。

可选的，保护罩9有不锈钢制作而成，保护罩9采用不锈钢材质能够防腐防锈，能够对保护罩9内的角度测量编码器10进行有效的保护，能够使得角度测量编码器10与外界隔绝，可以避免施工作业对角度测量编码器10产生的影响，增加测量组件300的测量精度以及延长使用寿命。应该理解的是，保护罩9的材质不限于上述的不锈钢，还可以是其他情形，此处不作限制。

可选的，请参考图1以及图3，编码器导轮11的平面轴线、切口13以及第二嵌套管1的中心上下重合，有利于加强设备自身的稳定性。另外，角度测量编码器10连接设置有导线17，导线17分别与电源(未标注)以及无线传输组件(未标注)相接，电源用于供给电力输入，无线传输组件与智能终端设备通过无线网络连接，无线传输组件用于传输角度测量编码器的数据，无线传输组件将测量组件300测量的数据传输到智能终端设备上，以此实现自动化实时监控的效果。

一种基于所述可伸缩管式地表沉降自动监测装置的可伸缩管式地表沉降自动监测方法，请参考图4，包括以下步骤：

步骤s10，钻孔并埋入伸缩管组件：在监测点钻孔，并将伸缩管组件埋设在孔内且将沉降盘置于地表面上且伸缩管组件的底部埋设在稳定的硬土层上。

具体的，伸缩管组件100包括第一嵌套管4、与第一嵌套管4嵌套连接的第二嵌套管1以及分别与第一嵌套管4、第二嵌套管1连接的弹性保护件，弹性保护件包括包括波纹管15以及与波纹管15连接的套箍环3。在监测点钻孔，将伸缩管组件的第一嵌套管的锥形底盖插至硬土层，此时沉降盘7与地表面贴合相接，这样有利于可伸缩管式地表沉降自动监测装置自身的稳定，能够保证监测精度。

可选的，由于测量组件300的保护罩9采用不锈钢材质，能够对可伸缩管式地表沉降自动监测装置进行有效的保护，沉降盘7可以置于地表内，即整体装置可以埋入地表下，只需将导线17引出地表面即可，应当理解的是，沉降盘7并不限于为上述的与地表面贴合相接，还可以是其他情形，此处不作限制。

步骤s20，安装测量组件：从伸缩管组件的底端引出拉线，拉线另一端与吊锤连接，将拉线从切口引出并绕过编码器导轮，然后将吊锤穿过切口后置于伸缩管组件内；

具体的，从伸缩管组件的底端引出拉线，拉线缠绕编码器导轮一圈，然后将吊锤穿过切口后置于伸缩管组件内。

步骤s30，测量；利用测量组件相对于地表面的沉降量进行测量；

步骤s40，数据传输：将测量组件测量得到的沉降量通过无线传输组件进行传输。

本发明引入不同直径的嵌套管互相连接，实现其可压缩性能，通过将下嵌套管埋入稳定硬土层形成沉降稳定点，利用上下嵌套管之间的相对错动，从而反映出地表沉降量，具体为：引入一根与角度测量解码器相连接的拉线，拉线一端固定在下嵌套管上，另一端连接一悬空的吊锤，这样若上下嵌套管之间产生错动，吊锤将产生位移，从而带动解码器导轮转动。通过测量解码器导轮转动的角度，即可计算出吊锤下降的距离，进而计算出上下嵌套管之间的相对错动位移，即地表沉降量。

本发明中的可伸缩的波纹管，在第二嵌套管向下位移时可自动压缩，起到保护伸缩管组件作用，一是能够使得第二嵌套管表面整洁，二是能够避免泥浆等杂物进入伸缩管组件，避免影响测量精度，能够延长设备的使用寿命。本发明中的角度测量编码器可将测量数据以数字信号的形式采集和发送，然后再由无线传输组件将数据及时通过无线网络发送给智能终端设备，如用户电脑(或手机)客户端，用户电脑客户端在接收到相关数据后，将自动开始相关的运行计算，并制作相应的报表和数据曲线，同时对位移情况与控制值进行对比，如超出控制值，将及时启动报警程序，达到自动化适时监控的效果。

综上所述，本发明提供一种可伸缩管式地表沉降自动监测装置及方法，其中一种可伸缩管式地表沉降自动监测装置包括至少一组伸缩管组件、沉降盘组件以及测量组件，沉降盘组件通过伸缩管组件的嵌套管之间相对移动，从而带动测量组件向下移动，进而吊锤会带动拉线向下移动，导致编码器导轮转动，角度测量编码器通过编码器导轮转动计算出吊锤下降的位移，从而实现计算出沉降盘组件的沉降盘的沉降量。本发明有效地解决了现有技术的地表沉降监测的人工成本高、设备成本高、设备安装埋设复杂、后期保护和维护成本高等缺点，具有成本低、安装操作简便、经济实用、性能稳定、使用寿命长等独特优势，在岩土工程地表沉降监测领域具有较广泛的推广应用空间。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。