CN106596618A - 一种基于能量耗散的岩土体稳定性监测装置 - Google Patents

一种基于能量耗散的岩土体稳定性监测装置 Download PDF

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周翠英
李昂
刘镇
陆仪启
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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Abstract

本发明涉及的一种基于能量耗散的岩土体稳定性监测装置，装置包括：温度传感器、伸缩弹簧、固定钢圈、引线孔、导线防拉装置、密封止水条、防脱装置、橡胶带、绝缘木塞、导线、砂浆锚杆、引线钢垫片、温度数据采集装置、锚杆托板与扭矩螺母、远程数据处理与预警装置；岩土体在临近破坏时，会出现快速升温，本装置能够保证温度传感器紧密贴在岩土体上，准确的测量岩土体的温度变化，根据能量耗散理论，通过对岩土体温度的监测与数据处理分析，可判断岩土体是否处于稳定状态，及早地发现岩土体变形并确定变形的区域，做出及时的安全预警，实现岩土体稳定性的实时监测预警。

Description

一种基于能量耗散的岩土体稳定性监测装置
技术领域：
本发明属于岩土工程监测领域，特别涉及一种基于能量耗散的岩土体稳定性监测装置，适用于边坡、隧道等岩土工程的监测与预警。
技术背景：
岩土体能量耗散是导致工程灾害发生的本质因素之一。目前，常规监测手段主要是监测岩土体变形位移等作为表征能量耗散的间接指标，采用精密仪器对岩土体的外部位移变形进行测量，或采用深埋传感器监测岩土体的内部变形位移，通过监测位移的变化及变化速率分析岩土体的稳定性情况。岩土体的破坏一般先发生在内部，对于岩土体外部的位移测量并不能发现岩土体的早期变形破坏，给出及时有效的安全预警。采用深埋传感器进行岩土体内部变形监测虽能较外部位移监测更早的发现岩土体的变形，但是成本较高，监测点的控制范围较小，在深部岩土体的压力对位移监测装置的干扰较大，仍然无法满足工程安全保障与重大灾害控制的需要。因此，设计并研制一种实时监测岩土体稳定性并可及时准确的发现岩土体内部早期变形的监测装置，具有十分重要的科学意义和实际应用价值。
发明内容：
针对现阶段岩土体稳定性监测技术的不足，本发明提供了一种基于能量耗散的岩土体稳定性监测装置，通过提取温度作为表征岩土体能量耗散的指标，建立区域温度变化与能量耗散的关系，进行岩土体内部变形破坏的监测，从能量的角度分析岩土体的稳定性，准确及时的发现岩土体早期变形，为工程施工做出安全指导。
岩土体系统的破坏、变形等演化过程都与外界有着密切的能量交换过程。外界能量的输入一部分以弹性变性能的形式积聚在岩石内部，另一部分以塑性变形能与热能的形式被耗散掉，当能量积聚到一定极限，超过岩土体所能承受的极限，岩土体就会失稳破坏，并向外界释放大量能量。
假设在岩土体变形时释放的热量为Q，则影响范围内岩土体的温度变化为
其中，cv为岩土体的定容热容，c为岩土体比热容；ρ为岩土体的密度；V0为影响范围内岩土体的体积。
当温度改变Δt时，固体在一定方向上会发生相对体积的变化，采用体积热膨胀系数来表示则为
根据格林艾森定律可知，热膨胀系数为
其中γ为格林艾森数，可由实验测定，一般在1-3范围内；K为体积弹性模量。
由式(1)、(2)、(3)可得
将V＝V0+VΔ带入到上式中，可得
由于固体，相对变形较小，因此上式左端的二次项可忽略，则有
因此可通过对温度的监测来表征岩土体的变形，且研究表明岩土体在临近破坏时，会快速升温，通过监测温度的变化速率，可提前发现岩土体的破坏，对岩土体的稳定性进行及时有效的判断，并作出提前预警。
基于上述原理，本发明设计了一种基于能量耗散的岩土体稳定性监测装置，主要包括温度传感器、伸缩弹簧、固定钢圈、引线孔、导线防拉装置、密封止水条、防脱装置、橡胶带、绝缘木塞、导线、砂浆锚杆、引线钢垫片、温度数据采集装置、锚杆托板与扭矩螺母、远程数据处理与预警装置。所述的温度传感器1为扁平状半导体材料，固定在伸缩弹簧2上，并处于固定钢圈3内，通过导线10与温度数据采集装置13相连；所述的伸缩弹簧2固定在绝缘木塞9上，在平衡状态未被压缩时，其长度要大于固定钢圈3的径向长度，当固定钢圈3被挤压在围岩上时，由于伸缩弹簧2处于压缩状态，会对温度传感器1产生推力，使其紧贴在围岩上；所述的固定钢圈3为高强度钢，固定在绝缘木塞上，保护温度传感器1不被压坏；所述的绝缘木塞9，在外侧轴向开有一小孔，作为引线孔4，让导线10穿过，引线孔4内塞有止水棉塞；所述的导线防拉装置5，是将导线10打结并套在一小圆环内，在拉拽时，打结处嵌套在小圆环内，能够卡在引线孔4的洞口处，防止拉拽破坏导线10与温度传感器1的连接；所述的密封止水条6，缠绕两圈在绝缘木塞9上，在喷洒少量水以后，密封止水条6吸水膨胀，防止在注浆时砂浆大量渗入监测端头，影响温度传感器1的温度监测；所述的防脱装置7与橡胶带8固定在绝缘木塞9的外围，防脱装置7的固定端能够转动，橡胶带8放置在防脱装置7下部，在将装置放入钻孔时，橡胶带8被压缩，整个装置可缓缓送入钻孔中，当停止送入时，橡胶带8回弹，使得防脱装置7一端卡在钻孔壁围岩上，防止整个装置的后退脱落；所述的砂浆锚杆11为施工所用砂浆锚杆，用于密封钻孔，避免外界温度因素的干扰，同时也可以在一定程度上控制岩土体的变形；所述的温度数据采集装置13，通过引出的导线10与温度传感器1相接，用于采集记录温度的变化，并通过GPRS无线网络将采集数据发送到远程数据处理与预警装置15；所述的引线钢垫片12，为一圆环形垫片，开有一径向狭缝，导线10从狭缝中穿出，避免被压坏；所述的锚杆托板与锚杆扭矩螺母14，在锚杆洞口端放置拧紧，能够施加预应力，并扩大预应力，一定程度上控制岩土体的变形，；所述的远程数据处理与预警装置15，从温度数据采集装置13处接收数据，各监测点的数据进行处理分析，判断岩土体是否稳定，并确定岩土体变形的区域，发出预警信号。
采用上述装置进行岩土体稳定性监测，按照以下步骤进行：
在工程施工附近确定稳定的岩土体区域内设置钻孔，埋置装置D0，所测温度记为T0，并通过GPRS无线网络将监测数据实时传输至远程数据处理与预警装置，以此监测装置采集的数据作为初始的基准温度，用于排除周围环境因素对温度的干扰。
在监测区域内第1个监测点处设置钻孔，埋置装置D1，所测温度记为T1，在第2个监测点处设置钻孔，埋置装置D2，所测温度记为T2，以此类推，在第i个监测区域设置钻孔，埋置装置Di(i＝3，4，5，…，n)，所测得温度记为Ti(i＝3，4，5，…，n)，并通过GPRS无线网络将监测数据实时传输至远程数据处理与预警装置。
通过远程数据处理与预警装置进行各监测点数据的分析处理，判断各监测点区域岩土体是否处于稳定状态，实时监测岩土体的稳定性情况，若岩土体发生变形，确定岩土体变形的区域，并发出安全警报。
本发明装置具有以下优点：
1、本发明装置能够保证温度传感器紧密的接触岩土体，测得准确的岩土体内部温度，同时也避免在装置安装过程中对温度传感器的挤压损伤；本发明将监测装置与锚杆组合，在施工过程中方便进行监测装置的布置，同时由于锚杆的加固作用，在一定程度上也能控制岩土体的变形，减轻岩土体变形的危害。
2、本发明作为一种基于能量耗散的岩土体稳定性监测装置，采用温度作为表征能量耗散的指标，监测范围较大，且不需深埋监测装置也可监测到岩土体内部的变形，成本较低。
3、本发明作为一种基于能量耗散的岩土体稳定性监测装置，通过对岩土体温度的测量与数据处理分析，可判断岩土体是否稳定，实时监测岩土体的稳定性情况，发现岩土体的早期变形，并确定发生变形的区域，做出及时的安全预警。
附图说明：
附图1为本发明装置的结构示意图
附图标记说明
1-温度传感器 2-伸缩弹簧 3-固定钢圈
4-引线孔 5-导线防拉装置 6-密封止水条
7-防脱装置 8-橡胶带 9-绝缘木塞
10-导线 11-砂浆锚杆 12-引线钢垫片
13-温度数据采集装置 14-锚杆托板与扭矩螺母 15-远程数据处理与预警装置
具体实施方式：
以下结合实例对本发明做进一步说明。
本发明作为一种基于能量耗散的岩土体稳定性监测装置，主要包括温度传感器、伸缩弹簧、固定钢圈、引线孔、导线防拉装置、密封止水条、防脱装置、橡胶带、绝缘木塞、导线、砂浆锚杆、引线钢垫片、温度数据采集装置、锚杆托板与扭矩螺母、远程数据处理与预警装置。进行监测装置的安装时，首先设置钻孔，将监测装置缓缓地推入钻孔中，在推进过程中防脱装置受到轴向向外的力，压缩橡胶带，使整个装置可以推入，当停止推动时，轴向向外的力消失，橡胶带回弹，顶起防脱装置卡在钻孔壁上，防止整个装置的后退脱落。将整个装置推至固定钢圈与岩土体紧密的接触，此时伸缩弹簧被压缩，使温度传感器紧密接触岩土体，且不被压坏。随后向钻孔中喷洒少量水使密封止水条吸水膨胀，密封住探测端头，避免注浆时砂浆大量渗入损坏温度传感器。一段时间后，进行注浆，插入锚杆，放置引线钢垫片，引出导线，密封钻孔，连接温度数据采集装置，完成装置的安装。
采用上述装置，进行岩土体稳定性监测包括以下步骤：
1、监测装置基准点的选取，为排除周围环境变化对装置监测温度的影响，需首先寻找一个基准点，在工程施工附近确定稳定的岩土体区域内设置钻孔，埋置装置D0，采集所测的温度记为T0，并通过GPRS无线网络将监测数据实时传输至远程数据处理与预警装置，以此监测装置采集的数据作为初始的基准参数，用于排除周围环境温度变化对监测数据的干扰。
2、监测点的布置，在监测区域内第1个监测点处设置钻孔，埋置装置D1，所测温度记为T1，在第2个监测点处设置钻孔，埋置装置D2，所测温度记为T2，以此类推，在第i个监测区域设置钻孔，埋置装置Di(i＝3，4，5，…，n)，所测得温度记为Ti(i＝3，4，5，…，n)，并通过GPRS无线网络将监测数据实时传输至远程数据处理与预警装置。
3、通过远程数据处理与预警装置进行各监测点数据的分析处理，记监测装置Di处岩土体变形破坏引起的温度变化为ΔTi，有ΔTi＝Ti-T0，(i＝1，2，3，…，n)，拟合出ΔTi关于时间的温度变化曲线，若温度变化曲线基本无变化，则认为该区域内岩土体处于稳定状态；当温度变化曲线快速增长时，则认为该区域内岩土体变形速率较快，发出安全警报，实现岩土体稳定性的实时监测预警。

Claims (1)

1.一种基于能量耗散的岩土体稳定性监测装置，其特征在于，包括温度传感器、伸缩弹簧、固定钢圈、引线孔、导线防拉装置、密封止水条、防脱装置、橡胶带、绝缘木塞、导线、砂浆锚杆、引线钢垫片、温度数据采集装置、锚杆托板与扭矩螺母、远程数据处理与预警装置；所述的固定钢圈、伸缩弹簧、防脱装置及橡胶带的组合，能够保证温度传感器紧密的接触岩土体，避免在装置安装过程中对温度传感器的挤压损伤，测得准确的岩土体温度；该装置根据能量耗散理论，通过对岩土体温度的测量与数据处理分析，可判断岩土体是否稳定，实时监测岩土体的稳定性情况，及早地发现岩土体的变形，并确定变形的区域，做出及时的安全预警。
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