本发明公开了一种结合表观和内部量测的地层位移量测装置及量测方法，所述的装置包括试验箱、彩色土体、量测系统和隧道开挖模拟装置；试验箱为可视化钢化玻璃箱，试验箱内装有彩色土体；隧道开挖模拟装置包括拉拔仪器、内管和外管；量测系统包括沉降组件、位移传感器、数据采集仪和计算机；本发明通过释放土体位移产生地层损失来模拟隧道开挖，通过在透明的钢化玻璃箱内布设彩色土层实现了不同埋深处地层位移的直接监测。由于本发明通过对试验箱体内部地层位移的量测，得到了外管拉拔过程中各测点的位移随进尺的关系，进而确定了各测点位移与外管左端所在位置的函数关系，利用该函数关系可实现箱体边缘的彩色土层位移可能的后续发展的初步预测。
1.一种结合表观和内部量测的地层位移量测装置，其特征在于：包括试验箱(1)、彩色土体(6)、量测系统和隧道开挖模拟装置；
所述的试验箱(1)为可视化钢化玻璃箱，玻璃箱带底并敞口，且在相对的两壁面上预制孔洞，在壁面外侧孔洞的周边外设置“凹”形不锈钢滑槽，用于安装玻璃挡板；所述的试验箱(1)的四壁有精密刻度的尺寸线(2)；
所述的试验箱内装有彩色土体(6)，彩色土体(6)的表层低于试验箱的开口面；
所述的彩色土体(6)分层填筑于试验箱(1)内，作为土层位移沉降曲线监测的参考标志；
所述的隧道开挖模拟装置包括拉拔仪器、内管(4)和外管(3)；所述的内管(4)模拟隧道的砌衬，外管(3)模拟盾构机的盾壳；所述的内管(4)和外管(3)嵌套在一起，水平安装在试验箱的孔洞中；所述的内管(4)和外管(3)之间留有空隙，两端用泡沫环密封；所述的内管(4)贯穿箱体，左端与试验箱(1)上的玻璃挡板紧接，右端伸出试验箱外；所述的外管(3)左端距试验箱左壁10-30cm，右端伸出试验箱外20cm；外管(3)右端伸出部分沿环向均布圆孔，所述的拉拔仪器通过绳索连接到外管(3)的圆孔上；所述的外管(3)外侧沿轴向有刻度标记；
所述的量测系统包括沉降组件、位移传感器(7)、数据采集仪(8)和计算机(9)；所述的沉降组件有多个，分别位于外管(3)以上、彩色土体表层(5)以下的彩色土体(6)中，所述的沉降组件的上端与位移传感器(7)连接；所述的位移传感器(7)布置在彩色土体表层(5)上；
所述的位移传感器(7)通过数据线与数据采集仪(8)连接，所述的数据采集仪(8)与计算机(9)连接。
2.根据权利要求1所述的一种结合表观和内部量测的地层位移量测装置，其特征在于：所述的试验箱(1)上四壁设置的孔洞高度不同，孔洞直径比外管(3)外径大0.1-0.2mm。
3.根据权利要求1所述的一种结合表观和内部量测的地层位移量测装置，其特征在于：所述的试验箱(1)壁面外侧孔洞的周边外设置的“凹”形不锈钢滑槽内安装玻璃挡板。
4.根据权利要求1所述的一种结合表观和内部量测的地层位移量测装置，其特征在于：所述的沉降组件由螺纹金属杆(10)、光滑套管(11)和塑料板(12)组成，所述的螺纹金属杆(10)的外部套有光滑套管(11)，其下部固定在塑料板(12)上，其上部与位移传感器(7)连接。
5.根据权利要求4所述的一种结合表观和内部量测的地层位移量测装置，其特征在于：所述的外管(3)为PVC管或钢管，所述的内管(4)为PVC管或钢管，所述的光滑套管(11)为PVC管或铜管。
6.根据权利要求1所述的一种结合表观和内部量测的地层位移量测装置，其特征在于：所述的彩色土体(6)具有与试验用土相同的特性。
7.一种结合表观和内部量测的地层位移量测装置的量测方法，其特征在于：包括以下步骤：A、分层填筑彩色土体(6)；
彩色土体(6)填装过程中，按试验需求将不同彩色标记的土体分层填筑到已预先安装好隧道开挖模拟装置的试验箱(1)内，使不同彩色土体(6)的标记层与试验箱(1)壁上相应的尺寸刻度完好重合，用于不同彩色土层位移的观察与记录；
根据试验需求确定监测面位置及测点填埋深度，在彩色土体(6)填筑到测点填埋深度位置时布设沉降组件，彩色土体(6)填筑完毕，将位移传感器(7)连接到沉降组件的上部，并将位移传感器(7)经数据采集仪(8)连接到计算机(9)；
通过拉拔仪器均匀拉拔外管(3)，以均匀的进尺逐步释放土体位移，产生的地层损失模拟隧道的开挖过程；
试验数据的处理包括箱体边缘彩色土层位移和箱体内部土体位移，具体步骤如下：D1、选取能反映试验箱(1)体边缘彩色土层沉降曲线整体轮廓的数组测点，根据试验箱(1)壁上的尺寸刻度，量测出各层测点的坐标，将各测点坐标输入数据拟合软件origin，得到准确的拟合曲线；
D2、提取位移传感器(7)采集的各进尺结束后的位移数据，做出各层测点位移关于进尺的时程曲线，即各测点位移与外管(3)左端所在位置的函数关系Si＝fi(y)；式中y为外管(3)左端所在位置与测点所在断面的水平距离，拉拔方向为正向，测点所在位置为原点，Si为测点i的位移，fi(y)为测点i的位移与外管(3)左端所在位置的函数关系，i为不同的测点标号；
D3、利用上述函数fi(y)，根据外管(3)左端所在断面与洞口所在玻璃的距离，预测出边缘彩色土层的位移Si＝fi(y)；将预测结果与步骤D1中所述的拟合曲线进行对比分析，并利用拟合曲线的线型对量测结果进行修正。
一种结合表观和内部量测的地层位移量测装置及量测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及高校试验教学与科学研究的土工试验领域，特别是一种地层位移量测装置及量测方法。
背景技术
[0002] 在隧道开挖施工过程中，隧道上方土体受到开挖扰动的影响，产生一定的沉降位移，给地表及地中建构物带来一定的损坏，影响其正常使用，为探究隧道施工条件下地层位移的沉降规律，室内试验至关重要。目前室内试验中关于地层位移的量测多采用仪器进行间接量测，而由于埋入的相关仪器难免对土体产生影响带来一定的误差，而X射线及核磁共振等可直接观测地层位移的技术，因其所需要的昂贵仪器费用和难度较大的技术，未能被广泛应用。因此，找到一种廉价又简便的可直观观察到土体位移变化规律，同时又能准确地拟合出地层位移沉降曲线的试验装置和方法具有重要的意义。
发明内容
[0003] 为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种即可直观地观察土体位移变化规律，又能准确地拟合出地层位移沉降曲线的地层位移量测装置及其量测方法。
[0004] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种结合表观和内部量测的地层位移量测装置，包括试验箱、彩色土体、量测系统和隧道开挖模拟装置；
[0005] 所述的试验箱为可视化钢化玻璃箱，玻璃箱带底并敞口，且在相对的两壁面上预制孔洞，在壁面外侧孔洞的周边外设置“凹”形不锈钢滑槽，用于安装玻璃挡板；所述的试验箱的四壁有精密刻度的尺寸线；
[0006] 所述的试验箱内装有彩色土体，彩色土体的表层低于试验箱的开口面；
[0007] 所述的彩色土体分层填筑于试验箱内，作为土层位移沉降曲线监测的参考标志；
[0008] 所述的隧道开挖模拟装置包括拉拔仪器、内管和外管；所述的内管模拟隧道的砌衬，外管模拟盾构机的盾壳；所述的内管和外管嵌套在一起，水平安装在试验箱的孔洞中；所述的内管和外管之间留有空隙，两端用泡沫环密封；所述的内管贯穿箱体，左端与试验箱上的玻璃挡板紧接，右端伸出试验箱外；所述的外管左端距试验箱左壁10-30cm，右端伸出试验箱外20cm；外管右端伸出部分沿环向均布圆孔，所述的拉拔仪器通过绳索连接到外管的圆孔上；所述的外管外侧沿轴向有刻度标记；
[0009] 所述的量测系统包括沉降组件、位移传感器、数据采集仪和计算机；所述的沉降组件有多个，分别位于外管以上、彩色土体表层以下的彩色土体中，所述的沉降组件的上端与位移传感器连接；所述的位移传感器布置在彩色土体表层上；所述的位移传感器通过数据线与数据采集仪连接，所述的数据采集仪与计算机连接。
[0010] 进一步地，所述的试验箱上四壁设置的孔洞高度不同，孔洞直径比外管外径大0.1-0.2mm。
[0011] 进一步地，所述的试验箱壁面外侧孔洞的周边外设置的“凹”形不锈钢滑槽内安装玻璃挡板。
[0012] 进一步地，所述的沉降组件由螺纹金属杆、光滑套管和塑料板组成，所述的螺纹金属杆的外部套有光滑套管，其下部固定在塑料板上，其上部与位移传感器连接。
[0013] 进一步地，所述的外管为PVC管或钢管，所述的内管为PVC管或钢管，所述的光滑套管为PVC管或铜管。
[0014] 进一步地，所述的彩色土体具有与试验用土相同的特性。
[0015] 一种结合表观和内部量测的地层位移量测装置的量测方法，包括以下步骤：
[0016] A、分层填筑彩色土体；
[0017] 彩色土体填装过程中，按试验需求将不同彩色标记的土体分层填筑到已预先安装好隧道开挖模拟装置的试验箱内，使不同彩色土体的标记层与试验箱壁上相应的尺寸刻度完好重合，用于不同彩色土层位移的观察与记录；
[0018] B、布设彩色土体内部的量测系统；
[0019] 根据试验需求确定监测面位置及测点填埋深度，在彩色土体填筑到测点填埋深度位置时布设沉降组件，彩色土体填筑完毕，将位移传感器连接到沉降组件的上部，并将位移传感器经数据采集仪连接到计算机；
[0020] C、模拟隧道的开挖；
[0021] 通过拉拔仪器均匀拉拔外管，以均匀的进尺逐步释放土体位移，产生的地层损失模拟隧道的开挖过程。
[0022] D、试验数据的处理；
[0023] 试验数据的处理包括箱体边缘彩色土层位移和箱体内部土体位移，具体步骤如下：
[0024] D1、选取能反映试验箱体边缘彩色土层沉降曲线整体轮廓的数组测点，根据试验箱壁上的尺寸刻度，量测出各层测点的坐标，将各测点坐标输入数据拟合软件origin，得到准确的拟合曲线；
[0025] D2、提取位移传感器采集的各进尺结束后的位移数据，做出各层测点位移关于进尺的时程曲线，即各测点位移与外管左端所在位置的函数关系Si＝fi(y)；式中y为外管左端所在位置与测点所在断面的水平距离，拉拔方向为正向，测点所在位置为原点，Si为测点i的位移，fi(y)为测点i的位移与外管左端所在位置的函数关系，i为不同的测点标号；
[0026] D3、利用上述函数fi(y)，根据外管左端所在断面与洞口所在玻璃的距离，预测出边缘彩色土层的位移Si＝fi(y)。将预测结果与步骤D1中所述的观测曲线进行对比分析，并利用观测曲线的线型对量测结果进行修正。
[0027] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0028] 1、由于本发明通过释放土体位移产生地层损失来模拟隧道开挖，通过在透明的钢化玻璃箱内布设彩色土层实现了不同埋深处地层位移的直接监测。
[0029] 2、由于本发明通过对试验箱体内部地层位移的量测，得到了外管拉拔过程中各测点的位移随进尺的关系，进而确定了各测点位移与外管左端所在位置的函数关系，利用该函数关系可实现箱体边缘的彩色土层位移可能的后续发展的初步预测。
[0030] 3、由于本发明是结合箱体边缘地层位移的表观监测和箱体内部的地层位移间接量测，通过观测结果对量测结果进行一定的线型和误差上的修正，同时，利用量测结果所体现的时程上的规律，也可实现观测值后续的预测。
附图说明
[0031] 图1为本发明的结构示意图。
[0032] 图2为本发明的沉降组件结构示意图。
[0033] 图中：1、试验箱，2、尺寸线，3、外管，4、内管，5、彩色土体表层，6、彩色土体，7、位移传感器，8、数据采集仪，9、计算机，10、螺纹金属杆，11、光滑套管，12、塑料板。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图和具体实施例对本发明的特点进一步说明：如图1-2所示，一种结合表观和内部量测的地层位移量测装置，包括试验箱1、彩色土体6、量测系统和隧道开挖模拟装置；
[0035] 所述的试验箱1为可视化钢化玻璃箱，玻璃箱带底并敞口，且在相对的两壁面上预制孔洞，在壁面外侧孔洞的周边外设置“凹”形不锈钢滑槽，用于安装玻璃挡板；所述的试验箱1的四壁有精密刻度的尺寸线2；
[0036] 所述的试验箱内装有彩色土体6，彩色土体6的表层低于试验箱的开口面；
[0037] 所述的彩色土体6分层填筑于试验箱1内，作为土层位移沉降曲线监测的参考标志；
[0038] 所述的隧道开挖模拟装置包括拉拔仪器、内管4和外管3；所述的内管4模拟隧道的砌衬，外管3模拟盾构机的盾壳；所述的内管4和外管3嵌套在一起，水平安装在试验箱的孔洞中；所述的内管4和外管3之间留有空隙，两端用泡沫环密封；所述的内管4贯穿箱体，左端与试验箱1上的玻璃挡板紧接，右端伸出试验箱外；所述的外管3左端距试验箱左壁10-30cm，右端伸出试验箱外20cm；外管3右端伸出部分沿环向均布圆孔，所述的拉拔仪器通过绳索连接到外管3的圆孔上；所述的外管3外侧沿轴向有刻度标记；
[0039] 所述的量测系统包括沉降组件、位移传感器7、数据采集仪8和计算机9；所述的沉降组件有多个，分别位于外管3以上、彩色土体表层5以下的彩色土体6中，所述的沉降组件的上端与位移传感器7连接；所述的位移传感器7布置在彩色土体表层5上；所述的位移传感器7通过数据线与数据采集仪8连接，所述的数据采集仪8与计算机9连接。
[0040] 进一步地，所述的试验箱1上四壁设置的孔洞高度不同，孔洞直径比外管3外径大0.1-0.2mm。
[0041] 进一步地，所述的试验箱1壁面外侧孔洞的周边外设置的“凹”形不锈钢滑槽内安装玻璃挡板。
[0042] 进一步地，所述的沉降组件由螺纹金属杆10、光滑套管11和塑料板12组成，所述的螺纹金属杆10的外部套有光滑套管11，其下部固定在塑料板12上，其上部与位移传感器7连接。
[0043] 进一步地，所述的外管3为PVC管或钢管，所述的内管4为PVC管或钢管，所述的光滑套管11为PVC管或铜管。
[0044] 进一步地，所述的彩色土体6具有与试验用土相同的特性。
[0045] 一种结合表观和内部量测的地层位移量测装置的测量方法，包括以下步骤：
[0046] A、分层填筑彩色土体6；
[0047] 彩色土体6填装过程中，按试验需求将不同彩色标记的土体分层填筑到已预先安装好隧道开挖模拟装置的试验箱1内，使不同彩色土体6的标记层与试验箱1壁上相应的尺寸刻度完好重合，用于不同彩色土层位移的观察与记录；
[0048] B、布设彩色土体6内部的量测系统；
[0049] 根据试验需求确定监测面位置及测点填埋深度，在彩色土体6填筑到测点填埋深度位置时布设沉降组件，彩色土体6填筑完毕，将位移传感器7连接到沉降组件的上部，并将位移传感器7经数据采集仪8连接到计算机9；
[0050] C、模拟隧道的开挖；
[0051] 通过拉拔仪器均匀拉拔外管3，以均匀的进尺逐步释放土体位移，产生的地层损失模拟隧道的开挖过程。
[0052] D、试验数据的处理；
[0053] 试验数据的处理包括箱体边缘彩色土层位移和箱体内部土体位移，具体步骤如下：
[0054] D1、选取能反映试验箱1体边缘彩色土层沉降曲线整体轮廓的数组测点，根据试验箱1壁上的尺寸刻度，量测出各层测点的坐标，将各测点坐标输入数据拟合软件origin，得到准确的拟合曲线；
[0055] D2、提取位移传感器7采集的各进尺结束后的位移数据，做出各层测点位移关于进尺的时程曲线，即各测点位移与外管3左端所在位置的函数关系Si＝fi(y)；式中y为外管3左端所在位置与测点所在断面的水平距离，拉拔方向为正向，测点所在位置为原点，Si为测点i的位移，fi(y)为测点i的位移与外管3左端所在位置的函数关系，i为不同的测点标号；
[0056] D3、利用上述函数fi(y)，根据外管3左端所在断面与洞口所在玻璃的距离，预测出边缘彩色土层的位移Si＝fi(y)。将预测结果与步骤D1中所述的观测曲线进行对比分析，并利用观测曲线的线型对量测结果进行修正。
