基于光学原理的位移变形监测方法

基于光学原理的位移变形监测方法

杨玉坤

中国一冶集团有限公司，湖北武汉  430081

摘要：以光学原理为研究方向，以光反射距离受反射角度不同而发生非线性变化为出发点，结合现场实际施工，提出了一种位移变形的实时监测方法，能够实时测得相对位移、沉降变形量，通过多组数据相对照，可得出测点的实际位移、变形、沉降状态，降低监测成本，有较高的推广利用价值。

关键词：光学原理；沉降位移监测；实时监测

一、前言

从本质来说，无论基坑还是路堑，甚至是老旧民居改造，一般它们的监测工作均为测量沉降、位移、变形等相对于原有数据的变化量，但在工程施工过程中，往往采用绝对位置、高程等数据作为测量目标，再经过计算得出变化量，此种做法不仅效率低下，而且浪费宝贵的测量成本。对于大型或要求严格的项目，虽然可以采用一体式检测设备，但由于成本过高的问题无法应用到中小型项目上。

在工程施工过程中，尤其是在基坑开挖、路堑开挖、坡面防护及老旧建筑改造过程中，受限于成本的原因，无法做到对位移变形的实时监测监控，只能采用定时测量的方式，效率低下，若采用一体化检测设备，成本又太高，如何在位移变形实时监测与施工成本之间取得平衡是现阶段急需考虑的问题。

本论文提出了一种利用光学原理进行沉降、位移、变形监测的施工方法，方便使用，沉降位移可以实时显示，对施工过程可以提供有效的沉降位移依据，保障施工安全。本论文以老旧建筑改造施工为例对监测方法进行阐述，基坑、路堑、边坡等的监测可以类比使用。

二、监测系统构造

监测系统简图如图一所示，装置由建筑上锚固装置、杆件、应力监测装置、复位弹簧、地面锚固装置、应变光学放大装置、连接件等组成。

图一 监测系统构造简图

装置安装前应在建筑沉降位移范围外浇筑混凝土基础或打入抗拔桩保证稳固，在建筑墙面钻孔并安设锚固装置，连接杆件、弹簧并安装应力监测装置，将弹簧连接至地锚上并调节杆件长度使其收紧并施加一定预应力，将光学放大装置镜片转动杆与杆件连接，转动杆与杆件垂直设置，平整安放光学放大装置，并设置防护，在建筑发生沉降位移时，建筑带动杆件位移，转动杆发生转动，镜片偏转角度，导致激光经过反射的点发生位移，经过放大后的位移便于观测，并根据公式计算出实际建筑发生的位移。由于建筑沉降位移有水平各方向及沉降等多种形式，需要在建筑四周至少设置4个监测装置，并以此推断建筑整体位移变形。

三、实施方案

装置由建筑上锚固装置、杆件、应力监测装置、复位弹簧、地面锚固装置、应变光学放大装置、连接件等组成。所有装置都应固定牢固，避免出现间隙。

装置安装前应在建筑沉降位移范围外浇筑混凝土基础或打入抗拔桩保证稳固。浇筑混凝土基础时应设置预埋件，并应计算确定施工及监测过程中不受影响；设置抗拔桩时应做抗拔试验，保证稳固。

在建筑墙面钻孔并安设锚固装置，对于混凝土墙、梁，锚固装置可采取膨胀螺栓等锚固方式，但对老旧建筑普遍的砖砌墙，锚固装置应采用穿墙固定的方式，即钻孔穿入螺杆，在内侧安装固定锚板，螺杆外侧设置螺栓孔，可固定杆件。

采用与弹簧连接的杆件，将建筑锚点及监测锚点连接，杆件上设置长度调整装置和应力监测装置，将弹簧连接至地锚上并调节杆件长度使其收紧并施加一定预应力，保证不受杆件松弛等非弹性变形影响，也可以监测拉压两个方向的位移及变形，长度调整可采用花篮螺丝收紧器旋转收紧。

将光学放大装置镜片转动杆与杆件连接，转动杆与杆件垂直设置，平整安放光学放大装置，并设置防护，在建筑发生沉降位移时，建筑带动杆件位移，转动杆发生转动，镜片偏转角度，导致激光经过反射的点发生位移，经过放大后的位移便于观测，并根据公式计算出实际建筑发生的位移。

本装置以光学放大装置所读出的位移值为主控量，以杆件上的应力监测装置为验证量，通过表格、绘图等方式确定建筑位移变形特征。由于建筑沉降位移有水平各方向及沉降等多种形式，需要在建筑四周至少设置4个监测装置，并以此推断建筑整体位移变形，并采取适合的安全措施。

四、工作流程

在进行装置安装前应检查建筑上锚固装置、地面锚固装置强度是否达到要求，建筑是否能够支持此种方式监测。

此外，还应检查杆件、应力监测装置、复位弹簧材料、应变光学放大装置、连接件等是否完备，是否有质量问题等。

装置安装时应注意杆件及弹簧与建筑和地锚连接时应牢固不留缝隙，应力监测装置安装时应注意安放平整、均匀受力，应变光学放大装置应注意安放平整、稳固并注意防护。

所有装置安装完成后，调整杆件长度，以应力监测数据为依据，将杆件及弹簧拉紧，并消除非弹性变形，轴力以50~100kg为宜，将应变光学放大装置旋转杆与连接板垂直相连，将镜片调整至水平角度并固定旋转杆，此时检测装置处于工作状态。

在使用此监测系统时，由于只能表示一个点位的受拉或受压，所以在建筑周围多布置几个作为参照，读出各点位的位移变形数据后经过计算即可得到建筑的位移变形，杆件所受的拉压状态由应力监测装置的差值提供。

五、位移光学放大装置工作原理

位移放大装置是通过将建筑沉降位移转换为镜片的转动角度，通过角度的变化使光的反射角度发生变化，反射后所处点位随之变化，由于点位位置随角度的变化为非线性，需要通过公式计算进行，通过确定旋转杆长度a、镜片偏转角度β、光线水平角度α、镜片中心距离底边距离h等数据来确定光线经过反射照在底面的长度L，反而言之，亦可通过L求得镜片偏转角度β，从而求得旋转杆端部偏转的位移t，即为建筑的沉降位移量（由于杆件受力较小、变形较小，其变形可忽略不计；旋转杆转动角度小，其弦长约等于弧长计算）。计算示意图如下所示：

图二 监测系统计算简图

计算过程如下所示：

（1）从建筑沉降位移t计算光反射位置L

通过解直角三角形得

，，

其中，则。

（2）从光反射位置L计算建筑沉降位移t

。

六、实际数据分析

假设旋转杆长度a=100mm，光线水平角度α=、镜片中心距离底边距离h=100mm，测量点位移t为未知量，将数据代入上述公式，得出光反射位置L与测量点位移t的关系如图三所示：

七、结束语

综上所述，该监测装置可以对老旧建筑改造过程中的沉降、位移、变形进行实时监测，达到降低监测人力成本、提高监测效率的目的，且可循环利用，并能保证数据的准确性，对于有疑问的部位，还可以通过全站仪测量等方式进行复核。此外，该方式还可以运用到基坑开挖顶部位移监测、边坡变形监测、裂缝宽度精确监测等施工过程，适用广泛，推广性强。

参考文献

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