CN104090029B - 土体抗剪强度的原位测量方法及其远程实时自动测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土体抗剪强度的原位测量方法及其远程实时自动测量系统。一对剪切波速测量压电片通过压电效应测得剪切波速；通过土体含水率传感器测得土体含水率；根据剪切波速、土体含水率与土体抗剪强度之间关系得出土体抗剪强度。一对剪切波速测量压电片的激励和接收信号经鉴相电路连接微控制器，再通过远程信号发送电路和远程信号接收电路传送到上位计算机；各器件均由蓄电池供电，蓄电池与太阳能供电装置连接。本发明利用土体剪切波速与土体含水率测量土体抗剪强度，进行原位、远程、实时自动测量，为观测滑坡、泥石流隐患点可能出现的灾变过程，研究滑坡、泥石流灾害的规律，最终实现滑坡、泥石流灾害的预报，提供现场实时远程监测的手段。

Description

土体抗剪强度的原位测量方法及其远程实时自动测量系统

技术领域

本发明涉及一种土体中的测量方法及测量系统，尤其是涉及岩土防灾工程技术领域的一种土体抗剪强度的原位测量方法及其远程实时自动测量系统。

背景技术

滑坡、泥石流对人类社会发展和经济建设的危害是世界性的，而土体的抗剪强度是岩土体一项重要的物理性能指标，它取决于土壤的内粘聚力和内摩擦力，是反应滑坡、泥石流灾害隐患点是否可能发生灾害的重要参数之一，结合地形地貌以及其他因素分析滑坡、泥石流灾害隐患点的土体抗剪强度，可实现滑坡、泥石流灾害的预报。要实现预报，需要现场实时自动测量出土体抗剪强度。现有的土体抗剪强度的测量方法有以下几种：室内直接剪切测量，三轴压缩测量，无限侧抗压强度测量和现场十字板剪切测量。前三种测量方法是将土体样品采回实验室进行，最后一种十字剪板测量是在现场由人操作相应装备完成，可见这些测量方法都不能实现在滑坡、泥石流灾害隐患点现场进行无人、自动、长期、原位、实时、远程的测量。

根据岩土力学的研究结果，诸多学者得出了土体抗剪强度与土体剪切波速的关系，如夏唐代于在《港工技术》2005年12月撰文提出了：τ＝Ac’+BρV_s ²，τ为土体抗剪强度，c’为土体的内凝聚力，ρ为土体密度，V_s为土体剪切波速，为土的内摩擦角，μ为土的泊松比，ε’为土的轴向应变。从前面诸式可知，其中c’、ρ、μ、ε’均与土体含水率有关，在对土体不同的含水率情况下进行实验后，得出土体抗剪强度与土壤含水率、土体剪切波速的关系：τ＝f_i(V_s)∣_wi，w_i是土体含水率，τ是土体抗剪强度，f_i是随w_i变化时V_s与τ的函数关系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土体抗剪强度的原位测量方法及其远程实时自动测量系统。方法通过在土体中运用压电效应产生、接收剪切波，并测出剪切波速，同时测出土壤含水率，再计算得出抗剪强度，系统运用传感器技术、电子技术、计算机技术、通讯技术实现实时远程自动测量，实现原位测量和远程实时自动测量。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案。

一、一种土体抗剪强度的原位测量方法，包括以下步骤：

将一对剪切波速测量压电片以固定间隔距离d垂直插入到土体中，一对剪切波速测量压电片包括剪切波激励压电片和剪切波接收压电片，剪切波激励压电片通过正弦电压u_a激励产生机械振动，在土体中形成剪切波；剪切波接收压电片接收经土体传来的剪切波产生机械振动，进而产生电压u_b，测出u_b滞后于u_a的滞后时间Δt，由以下公式1得到剪切波速V_s：

V_s＝d/Δt(1)

再通过土体含水率传感器测得土体含水率w_i，采用以下公式2得到土体抗剪强度τ，完成原位测量过程：

τ＝f_i(V_s)∣_wi(2)

其中，f_i表示随w_i变化下V_s与τ的函数关系。

测量时，所述剪切波激励压电片和剪切波接收压电片之间不存在除土体以外干扰剪切波传播的介质。

所述的V_s与τ的函数关系f_i(V_s)具体采用以下公式3：

其中，c_i’为土体的内凝聚力，ρ_i为土体密度，为土的内摩擦角，μ_i为土的泊松比，ε_i’为土的轴向应变。

二、一种土体抗剪强度的远程实时自动测量系统：

包括一对剪切波速测量压电片、土体含水率传感器、土体含水率信号采集电路、正弦波发生电路、鉴相电路、微控制器、远程信号发送电路、远程信号接收电路和上位计算机；一对剪切波速测量压电片、土体含水率传感器垂直插装到土体中；一对剪切波速测量压电片、土体含水率传感器垂直插装到土体中，一对剪切波速测量压电片由正弦波发生电路激励产生激励和接收的剪切波信号，再经鉴相电路连接到微控制器中转化为土体剪切波速信息；土体含水率传感器采集土体含水率信息经土体含水率信号采集电路传送到微控制器；微控制器对土体含水率信息和土体剪切波速信息处理得到土体抗剪强度信息，通过远程信号发送电路连接天线发送无线信号，无线信号经天线接收后由远程信号接收电路将土体剪切强度信息传送到上位计算机；上述各个器件均由蓄电池供电，蓄电池与太阳能供电装置连接，在白天进行充电储备电能，在晚上向各器件供电。

所述的一对剪切波速测量压电片包括间隔距离安装的剪切波激励压电片和剪切波接收压电片，剪切波激励压电片与正弦波发生电路连接，通过正弦波发生电路的激励信号发生机械振动，在土体中形成剪切波；剪切波接收压电片在一个滞后时间后接收到剪切波接收信号，剪切波接收信号经电压采集放大电路放大后与剪切波激励压电片的激励信号连接到鉴相电路，鉴相电路输出与滞后时间成正比的电压信号到微控制器中转化为土体剪切波速信息。

所述的剪切波激励压电片和剪切波接收压电片之间设有用于固定距离的压电片固定组件，通过压电片固定组件保持剪切波激励压电片和剪切波接收压电片之间的固定距离；压电片固定组件包括T形固定架和定位件，剪切波激励压电片和剪切波接收压电片的压电片顶端均连接有相同的T形固定架，两个T形固定架上端之间连接有用于固定两片压电片插装入土体位置的定位件，两片压电片垂直插入土体后拆卸定位件。

所述的太阳能供电装置包括光伏电池板和支撑钢管；光伏电池板固定在支撑钢管顶部，支撑钢管底部通过混凝土墩固定在土体上，光伏电池板经太阳能电池电能馈线与蓄电池连接。

所述的无线信号采用GSM(GSM＝GlobalSystemforMobilecommunication)移动通讯方式传输。

所述的土体含水率传感器位于除剪切波激励压电片和剪切波接收压电片之间以外的两片压电片附近，距离任一压电片5～10cm。

所述的土体含水率传感器为电导式、电容式或者TDR(TDR＝Time-DomainReflectometry)式传感器。

本发明的有益效果是：

本发明利用土体剪切波速与土体含水率测量土体抗剪强度，进行原位、远程、实时自动测量，为观测滑坡、泥石流隐患点可能出现的灾变过程，研究滑坡、泥石流灾害的规律，最终实现滑坡、泥石流灾害的预报，提供现场实时远程监测的手段。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图。

图2是压电片装在被测土体中的状态示意图。

图3是压电片入土体前的定位状态示意图。

图4是本发明太阳能供电装置的安装与结构示意图。

图5是本发明具体实施中不同土体含水率下剪切波速与土体抗剪强度的函数关系示意图。

图中：1、压电片，2、压电片固定架，3、定位件，4、定位螺栓，5、固定螺栓，6、现场部分，7、远程部分，8、剪切波激励压电片，9、剪切波接收压电片，10、土体含水率传感器，11、天线，12、上位计算机，13、安装箱，14、埋入土体的激励和接收压电片对，15、支撑钢管，16、光伏电池板，17、混凝土墩，18、光伏电池电能馈线，19、土体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明方法包括以下步骤：将一对剪切波速测量压电片以固定间隔距离d垂直插入到土体19中，一对剪切波速测量压电片包括剪切波激励压电片8和剪切波接收压电片9，剪切波激励压电片8通过正弦电压u_a激励产生机械振动，在土体19中形成剪切波；剪切波接收压电片9接收经土体19传来的剪切波产生机械振动，进而产生电压u_b，测出u_b滞后于u_a的滞后时间Δt，由以下公式得到剪切波速V_s：

V_s＝d/Δt(1)

再通过土体含水率传感器测得土体含水率w_i，采用以下公式得到土体抗剪强度τ，完成原位测量过程，测量过程中各个测量装置保持原位，进行现场测量：

τ＝f_i(V_s)∣_wi(2)

其中，f_i表示随w_i变化下V_s与τ的函数关系。

以上土体抗剪强度与土壤含水率、土体剪切波速的关系是根据岩土力学的相关理论研究结果，经对土体以不同的含水率情况进行实验后得出。

测量时，剪切波激励压电片8和剪切波接收压电片9之间不存在除土体以外干扰剪切波传播的介质。测量时，土体含水率传感器不位于剪切波激励压电片8和剪切波接收压电片9之间。

优选地，V_s与τ的函数关系f_i(V_s)具体采用以下公式：

其中，c_i’为土体的内凝聚力，ρ_i为土体密度，为土的内摩擦角，μ_i为土的泊松比，ε_i’为土的轴向应变；这些参数均为在土体含水率为w_i时的参数，随土体含水率而定。在对土体不同的含水率情况下进行实验后，得出土体抗剪强度与土壤含水率、土体剪切波速的关系，即随w_i变化而改变，在不同的w_i取值下，一般表征为数据表形式；其曲线表达见图5，图5中w_i表示土体含水率为i％，如w_12.5表示土体含水率为12.5％。

本发明方法采用压电效应测出土体剪切波速，将两片压电片间隔固定的距离d，垂直插入被测土体19(见图2所示)，在其中的一片剪切波激励压电片8上施加正弦电压u_a，作为土体剪切波的激励源，另一片剪切波接收压电片9可接收到经土体传来的剪切波，测出剪切波到达剪切波接收压电片9的传播时间Δt，可得剪切波速V_s＝d/Δt。采用可用的各种效应的土体含水率传感器，测出土体含水率。

如图1所示，本发明的系统包括一对剪切波速测量压电片(剪切波激励压电片8和剪切波接收压电片9)、土体含水率传感器10、土体含水率信号采集电路、正弦波发生电路、电压采集放大电路、鉴相电路、微控制器(MCU＝MicrocontrolUnit)、远程信号发送电路、远程信号接收电路和上位计算机。

如图1所示，一对剪切波速测量压电片(剪切波激励压电片8和剪切波接收压电片9)、土体含水率传感器10垂直插装到土体19中，土体含水率传感器10采集土体含水率信息经土体含水率信号采集电路传送到微控制器；一对剪切波速测量压电片的其中激励压电片8由正弦波发生电路激励产生机械振动激发剪切波，剪切波接收压电片接收机械振动得到滞后于激励信号的剪切波接收信号，接收压电片9在一个滞后时间后接收到剪切波信号，滞后信号被放大后与激励信号一起，再经鉴相电路连接到微控制器中转化为土体剪切波速信息；土体含水率传感器10采集土体含水率信息经土体含水率信号采集电路传送到微控制器；微控制器对土体含水率信息和土体剪切波速信息处理得到土体抗剪强度信息，通过远程信号发送电路连接天线11发送无线信号，无线信号经天线11接收后由远程信号接收电路将土体剪切强度信息传送到上位计算机8；上述各个器件均由蓄电池供电，蓄电池与太阳能供电装置连接，在白天进行充电储备电能，在晚上向各器件供电。

一对剪切波速测量压电片包括间隔距离安装的剪切波激励压电片8和剪切波接收压电片9，剪切波激励压电片8与正弦波发生电路连接，通过正弦波发生电路的激励信号发生机械振动，在土体19中形成剪切波；剪切波接收压电片9接收机械振动得到与激励信号存在相位差的剪切波接收信号，剪切波接收信号经电压采集放大电路放大后与剪切波激励压电片8的激励信号连接到鉴相电路，鉴相电路输出与滞后时间成正比的电压信号到微控制器中转化为土体剪切波速信息。

如图2、图3所示，为保障压电片入地的间距d，剪切波激励压电片8和剪切波接收压电片9之间设有用于固定距离的压电片固定组件，压电片固定组件包括T形固定架2和定位件3，通过压电片固定组件保持剪切波激励压电片8和剪切波接收压电片9之间的固定距离；剪切波激励压电片8和剪切波接收压电片9的压电片1顶端均连接有相同的T形固定架2，两个T形固定架2上端之间连接有用于固定两片压电片插装入土体位置的定位件3，两片压电片垂直插入土体后拆卸定位件3。

如图2、图3所示，剪切波激励压电片8和剪切波接收压电片9与T形固定架之间均通过固定螺栓5连接，T形固定架与定位件3通过定位螺栓4连接，压电片固定组件在入地前安装好，在压电片垂直插入土体后将定位件上面的两个定位螺栓拧开，将定位件3卸掉，使得卸掉定位件后压电片长期掩埋在土体中，其状态如图2所示，即不锈钢材料制成的固定架与压电片一起长期掩埋，形成如图4所示的埋入土体的激励和接收压电片对14。

如图4所示，太阳能供电装置包括光伏电池板16和支撑钢管15；光伏电池板16固定在支撑钢管15顶部，支撑钢管15底部通过混凝土墩17固定在土体19上，光伏电池板16经太阳能电池电能馈线18与蓄电池11连接。

无线信号采用GSM移动通讯方式传输。

土体含水率传感器的入土体安装应离压电片不远，但一定不能安装在两片压电片之间，即以不干扰剪切波传播为入土安装原则。因此，土体含水率传感器位于除剪切波激励压电片8和剪切波接收压电片9之间以外的两片压电片附近，距离任一压电片5～10cm。

土体含水率传感器可采用电导式、电容式或者TDR式传感器。

本发明系统中，一对剪切波速测量压电片、土体含水率传感器、正弦波发生电路、电压采集放大电路、土体含水率信号采集电路、鉴相电路、微控制器构成现场部分6。正弦波发生电路、电压采集放大电路、土体含水率信号采集电路、鉴相电路、微控制器、远程信号发送电路均安装在安装箱13内。远程信号接收电路和上位计算机构成远程部分7。现场部分6与远程部分7，可通过GSM移动通讯公网实现数据传输。

测量系统的现场实时测量仪器部分以MCU为核心，MCU控制正弦发生电路，MCU根据其片上预先设定的测量时间间隔和测量激励时间，向正弦波发生电路发出指令，让正弦波发生电路向激励压电片施加正弦波电压u_a，经短暂的时间延时在接收压电片受到剪切波激励，从而在接收压电片两侧产生正弦电压u_b，由于u_b幅值较小，经放大成为正弦电压u_b’，将u_a和u_b’送入鉴相电路，鉴相电路输出电压u_Δt，u_Δt是一个与Δt成正比的电压，根据事先标定，可得出u_Δt与Δt的一一对应关系，即u_Δt经MCU的A/D转换口，由MCU读入，MCU根据事先存入的u_Δt与Δt的关系函数表，得出Δt，MCU再用预先存入的激励压电片与接收压电片的间距d，运算d/Δt，算得剪切波速V_s；MCU的另一个A/D转换口从土体含水率信号采集电路读取电压u_w，u_w与土体含水率w成正比，读取电压u_w后根据事先存入的u_w与w的关系函数表，得出土体含水率w；MCU在获取剪切波速V_s和土体含水率w后，根据图5提供的土体抗剪强度与土体含水率、土体剪切波速的关系：τ＝fi(Vs)∣w_i，该关系预先以函数表格的形式存入MCU电路的外置存储器，即可以相应的查询读得土体抗剪强度τ。

MCU得出土体抗剪强度τ后，即启动远程信号发送，由信号远程发送电路利用移动通讯公网，以GSM方式发送到远方(只要有移动通讯公网覆盖的地方)。

测量系统的远程接收和上位计算机部分接收经GSM(移动通讯公网)发来的土体抗剪强度τ，并由上位计算机进行显示、保存、根据该隐患点地形地貌实施综合分析；同时也可与获取的隐患点其他参数(如地表位移、地下位移、地下水位、土壤含水量、振动等)一起建立相关模型，做出更为可靠的灾变预报和稳定性分析。

因测量系统的现场测量仪器部分是在野外，其供电方式采用白天由光伏(太阳能)电池向仪器供电(并同时向蓄电池充电)，夜晚由蓄电池向仪器供电，供电示意如图4所示。

本发明的实施例如下：

从各地山区、平原不同的地方选取了数十种土体，用本发明提供的方法和系统进行了测试，并将本发明测量的结果τ与运用南京泰克奥科技有限公司制造的TKA-2U型直剪仪的测量结果τ_Z进行了对比；测量试验时，首先将各种土体样本按各种含水率进行配制，然后分别用本发明的测量方法及测量系统、TKA-2U型直剪仪进行测试，部分测量结果的数据如下表1和表2：

表1各被测土体样本的含水率w₉＝9％

土体编号	Vs/m·s-1	τZ/kPa	τ/kPa	误差/％
					23	186.39	62.49	63.73	1.98
34	183.25	62.27	61.08	-1.91
					12	175.51	56.61	57.04	0.76
10	170.11	54.86	54.12	-1.35
					40	164.92	50.53	51.21	1.35

表2各被测土体样本的含水率w23.1＝23.1％

土体编号	Vs/m·s-1	τZ/kPa	τ/kPa	误差/％
					23	188.75	38.01	37.25	-1.99
34	185.24	36.89	36.31	-1.57
					12	176.12	33.78	34.11	0.97

10	172.76	32.98	32.42	-1.69
					40	165.62	31.87	31.21	-2.07

实验表明，用本发明测量方法及测量系统测出的结果τ与用TKA-2U型直剪仪测量的结果τ_Z的相对误差小于2.5％。由此可利用本发明进行实际的原位、远程、实时自动测量，观测滑坡、泥石流隐患点可能出现的灾变过程。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种土体抗剪强度的原位测量方法，其特征在于包括以下步骤：

采用主要由一对剪切波速测量压电片、土体含水率传感器(10)、土体含水率信号采集电路、正弦波发生电路、鉴相电路、微控制器、远程信号发送电路、远程信号接收电路和上位计算机构成的原位测量装置；一对剪切波速测量压电片、土体含水率传感器(10)垂直插装到土体(19)中，一对剪切波速测量压电片由正弦波发生电路激励产生激励和接收的剪切波信号，再经鉴相电路连接到微控制器中转化为土体剪切波速信息；土体含水率传感器(10)采集土体含水率信息经土体含水率信号采集电路传送到微控制器；微控制器对土体含水率信息和土体剪切波速信息处理得到土体抗剪强度信息，通过远程信号发送电路连接天线发送无线信号，无线信号经天线接收后由远程信号接收电路将土体剪切强度信息传送到上位计算机(12)；具体测量处理获得土体抗剪强度信息的过程具体如下：

将一对剪切波速测量压电片以固定间隔距离d垂直插入到土体(19)中，一对剪切波速测量压电片包括剪切波激励压电片(8)和剪切波接收压电片(9)，剪切波激励压电片(8)通过正弦电压u_a激励产生机械振动，在土体(19)中形成剪切波；

剪切波接收压电片(9)接收经土体(19)传来的剪切波产生机械振动，进而产生电压u_b，u_a与u_b之间的滞后时间为Δt，由以下公式1得到剪切波速V_s：

V_s＝d/Δt(1)

再通过土体含水率传感器测得土体含水率w_i，采用以下公式2得到土体抗剪强度τ，完成原位测量过程：

τ＝f_i(V_s)∣_wi(2)

其中，f_i表示随w_i变化下V_s与τ的函数关系。

2.根据权利要求1所述的一种土体抗剪强度的原位测量方法，其特征在于：测量时，所述剪切波激励压电片(8)和剪切波接收压电片(9)之间不存在除土体以外干扰剪切波传播的介质。

3.根据权利要求1所述的一种土体抗剪强度的原位测量方法，其特征在于：所述的V_s与τ的函数关系f_i(V_s)具体采用以下公式3：

其中，c_i’为土体的内凝聚力，ρ_i为土体密度，为土的内摩擦角，μ_i为土的泊松比，ε_i’为土的轴向应变；这些参数均为在土体含水率为w_i时的参数。

4.用于实施权利要求1所述方法的一种土体抗剪强度的远程实时自动测量系统，其特征在于：包括一对剪切波速测量压电片、土体含水率传感器(10)、土体含水率信号采集电路、正弦波发生电路、鉴相电路、微控制器、远程信号发送电路、远程信号接收电路和上位计算机；一对剪切波速测量压电片、土体含水率传感器(10)垂直插装到土体(19)中，一对剪切波速测量压电片由正弦波发生电路激励产生激励和接收的剪切波信号，再经鉴相电路连接到微控制器中转化为土体剪切波速信息；土体含水率传感器(10)采集土体含水率信息经土体含水率信号采集电路传送到微控制器；微控制器对土体含水率信息和土体剪切波速信息处理得到土体抗剪强度信息，通过远程信号发送电路连接天线发送无线信号，无线信号经天线接收后由远程信号接收电路将土体剪切强度信息传送到上位计算机(12)；上述各个器件均由蓄电池供电，蓄电池与太阳能供电装置连接，在白天进行充电储备电能，在晚上向各器件供电。

5.根据权利要求4所述的一种土体抗剪强度的远程实时自动测量系统，其特征在于：所述的一对剪切波速测量压电片包括固定间隔距离安装的剪切波激励压电片(8)和剪切波接收压电片(9)，剪切波激励压电片(8)与正弦波发生电路连接，通过正弦波发生电路的激励信号发生机械振动，在土体(19)中形成剪切波；剪切波接收压电片(9)在一个滞后时间后接收到剪切波接收信号，剪切波接收信号经电压采集放大电路放大后与剪切波激励压电片(8)的激励信号连接到鉴相电路，鉴相电路输出与滞后时间成正比的电压信号到微控制器中转化为土体剪切波速信息。

6.根据权利要求5所述的一种土体抗剪强度的远程实时自动测量系统，其特征在于：所述的剪切波激励压电片(8)和剪切波接收压电片(9)之间设有用于固定距离的压电片固定组件，通过压电片固定组件保持剪切波激励压电片(8)和剪切波接收压电片(9)之间的固定距离；压电片固定组件包括T形固定架(2)和定位件(3)，剪切波激励压电片(8)和剪切波接收压电片(9)的压电片(1)顶端均连接有相同的T形固定架(2)，两个T形固定架(2)上端之间连接有用于固定两片压电片插装入土体位置的定位件(3)，两片压电片垂直插入土体后拆卸定位件(3)。

7.根据权利要求4所述的一种土体抗剪强度的远程实时自动测量系统，其特征在于：所述的太阳能供电装置包括光伏电池板(16)和支撑钢管(15)；光伏电池板(16)固定在支撑钢管(15)顶部，支撑钢管(15)底部通过混凝土墩(17)固定在土体(19)上，光伏电池板(16)经太阳能电池电能馈线(18)与蓄电池(11)连接。

8.根据权利要求4所述的一种土体抗剪强度的远程实时自动测量系统，其特征在于：所述的无线信号采用GSM移动通讯方式传输。

9.根据权利要求5所述的一种土体抗剪强度的远程实时自动测量系统，其特征在于：所述的土体含水率传感器位于除剪切波激励压电片(8)和剪切波接收压电片(9)之间以外的两片压电片附近，距离任一压电片5～10cm。

10.根据权利要求4所述的一种土体抗剪强度的远程实时自动测量系统，其特征在于：所述的土体含水率传感器为电导式、电容式或者TDR式传感器。