CN106872081A - 基于自振频率的应力监测预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自振频率的应力监测预警方法，涉及边坡监测预警技术领域，用于实现滑坡非接触式预警监测。该基于自振频率的应力监测预警方法包括：根据参数建立滑坡模型；建立自振频率‑时间曲线，以及位移‑时间曲线；根据建立的自振频率‑时间曲线以及位移‑时间曲线，分析自振频率和应变位移；根据分析后的振动频率制定新的应力预警指标。该方法适用于滑坡监测。

Description

基于自振频率的应力监测预警方法

技术领域

本发明涉及边坡监测预警技术领域，尤其涉及一种基于自振频率的应力监测预警方法。

背景技术

随着全球气候变化和社会经济的发展，地质灾害问题频繁出现，严重威胁着人民群众的生命和财产安全。滑坡是危害性和破坏性较为严重的地质灾害之一，滑坡稳定性的科学监测与预警是滑坡灾害监测预警与防灾减灾工程的基础与前提。

目前，滑坡预警的方法基本上可以分为3大类：以内因分析为主的方法、以外因分析为主的方法和以监测为主的方法。以内因分析(地质力学模型)为主的研究成果较多，但预测、预报效果不很理想；以外因(主要是降雨、地震等)分析为主的方法很有发展前景，但还需加强理论和方法的研究；以监测为主的方法预测效果较好，并具有快速分析能力，但需要具有精密的监测技术条件和足够的经费支持。

在监测中如何能够直接有效分析滑坡在地震及降雨作用下的力学参数变化，是工程中亟需解决的一大难题。目前，常用经验参数法，如降雨量、烈度等指标对安全进行定性分析、统计回归分析，这些评价需要依赖大量的工程实例数据，而且通用性不强。因此需要探索一种能够直接有效分析在地震及降雨作用下力学参数变化时的滑坡监测预警方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于自振频率的应力监测预警方法，实现滑坡非接触式预警监测。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种基于自振频率的应力监测预警方法，该基于自振频率的应力监测预警方法包括：

步骤一、根据参数建立滑坡模型。

步骤二、建立自振频率-时间曲线，以及位移-时间曲线。

步骤三、根据建立的自振频率-时间曲线以及位移-时间曲线，分析自振频率和应变位移。

步骤四、根据分析后的振动频率制定新的应力预警指标。

该步骤一中，根据参数建立滑坡模型中的参数包括：自振频率、抗滑力折减系数以及抗滑力。

根据公式(1)和公式(2)对滑坡模型进行自振频率分析：

式中：M为试块重量(N)；L为模型中心点到原点O的距离(mm)；μ为黏结系数(N/mm²)；S为黏结宽度(mm)；l为黏结长度(mm)；θ为转角(°)。

根据公式(2)的频率方程，由如下公式(3)计算出抗滑力折减系数c：

式中：F₁、F₀分别为扰动前、后的抗滑力(N)；μ₁、μ₀分别为扰动前、后黏结系数(N/mm²)；f₁、f₀分别为扰动前、后测得的自振频率(Hz)。

根据抗滑力折减系数，由公式(4)计算得到

Y₁＝cY₀ (4)

式中：Y₁为新的应力预警指标；Y₀为原有应力预警指标。

抗滑力由公式(5)计算得出：

F_i＝μ_iSl (5)

式中：F_i为滑块体抗滑力(N)，μ_i为黏结系数(N/mm²)，i表示不同时刻。

步骤二中，在建立自振动频率-时间曲线以及位移-时间曲线之后，对数据进行去噪和傅里叶变换。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中工艺流程示意图；

图2是本发明实施例中滑坡模型结构图；

图3是本发明实施例中去噪和傅里叶变化后所得的速度谱；

图4是本发明实施例中振动历史曲线；

图5是本发明实施例中频率与位移分析比较；

图6是本发明实施例中固定预警线指标预警分析图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供一种基于自振频率的应力监测预警方法，如图1所示，该基于自振频率的应力监测预警方法包括：

第一步：建立滑坡模型。

示例性地，该滑坡模型如图2所示，该模型的自振动频率可通过公式计算，也可通过设备进行监测，本实施例中优先的，采用的频率监测仪器为UD100型激光多普勒测振仪，通过激光测振仪的定向监测自振频率在滑坡趋于危险时的变化，分析和验证其在滑坡监测的必要性和准确性。这是因为滑体与基座之间存在潜在滑移面，并随着时间推移，黏结力逐渐减弱。

该步骤一中，根据参数建立滑坡模型中的参数包括：自振频率、抗滑力折减系数以及抗滑力。

可根据如下公式计算得到新的预警指标。

示例性的，根据公式(1)和公式(2)对滑坡模型进行自振频率分析：

式中：M为试块重量(N)；L为模型中心点到原点O的距离(mm)；μ为黏结系数(N/mm²)；S为黏结宽度(mm)；l为黏结长度(mm)；θ为转角(°)。

根据公式(2)的频率方程，由如下公式(3)计算出抗滑力折减系数c：

式中：F₁、F₀分别为扰动前、后的抗滑力(N)；μ₁、μ₀分别为扰动前、后黏结系数(N/mm²)；f₁、f₀分别为扰动前、后测得的自振频率(Hz)。

根据抗滑力折减系数，由公式(4)计算得到

Y₁＝cY₀ (4)

式中：Y₁为新的应力预警指标；Y₀为原有应力预警指标。

抗滑力由公式(5)计算得出：

F_i＝μ_iSl (5)

式中：F_i为滑块体抗滑力(N)，μ_i为黏结系数(N/mm²)，i表示不同时刻。需要说明的是，抗滑力分为强稳定阶段，弱稳定阶段和破坏阶段。其各个阶段的不同的抗滑力也可根据公式(5)得出。

第二步：利用测振仪测量不同时刻的振动曲线和自振频率，并进行数据处理。

如下表1所示，滑体自计时算起，经历245s后发生破坏并下。设备分别记录了第40、100、200、220、230、240s的振动曲线和自振频率。进一步的，对得到的数据进行去噪和傅里叶变化后得到速度谱，该速度谱如图3所示，其中，各阶段测得的振动历史曲线详见图4。

表1监测结果

由表1和图2可知，随着时间的增加，由于抗滑力的损失，滑坡体自振频率逐渐减小。由图3可知，随着时间的增加，振动的速度不断加快，振幅相应增加。

第三步：对自振频率和应变位移进行分析比较。

见图5可知，在滑坡监测上，自振频率的分析最佳预警段在200～220s之间，要优于位移监测最佳预警阶段(220～230s)。自振频率是滑坡体自身属性变化的反映，随着实际滑坡潜在滑移面黏结系数的降低，自振频率会首先发生变化，这一变化为工程预警提供了科学依据和判别指标。

第四步：基于振动频率设定应力预警指标。

图6为基于原有预警指标的应力分析图。由图6可知，分别在235s和237s进入黄色和红色预警区。而由图3可知，位移在220s时已发生突变。如何能够在突变发生前进行应力预警，尤其是在地震、降雨等出现扰动之后，通过监测指标对原有预警指标进行调整。

由Y₁＝cY₀可知，黏结力的损伤必然导致预警指标相应发生变化，结合表1的折减系数，可对预警指标进行调整。最新的预警指标如表2所示。

表2预警指标分析

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于自振频率的应力监测预警方法，其特征在于，该应力监测预警方法包括：

步骤一、根据参数建立滑坡模型；

步骤二、建立自振频率-时间曲线，以及位移-时间曲线；

步骤三、根据建立的自振频率-时间曲线以及位移-时间曲线，分析自振频率和应变位移；

步骤四、根据分析后的振动频率制定新的应力预警指标。

2.根据权利要求1所述的基于自振频率的应力监测预警方法，其特征在于，该步骤一中，根据参数建立滑坡模型中的参数包括：自振频率、抗滑力折减系数以及抗滑力。

3.根据权利要求2所述的基于自振频率的应力监测预警方法，其特征在于，根据公式(1)和公式(2)对滑坡模型进行自振频率分析：

${\mathrm{ML}}^2\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}+\frac{{\mathrm{\μSl}}^2}{2}\mathrm{\θ}=0---\left(1\right)$

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\μSl}}^2}{2{\mathrm{ML}}^2}}---\left(2\right)$

式中：M为试块重量(N)；L为模型中心点到原点O的距离(mm)；μ为黏结系数(N/mm²)；S为黏结宽度(mm)；l为黏结长度(mm)；θ为转角(°)。

4.根据权利要求3所述的基于自振频率的应力监测预警方法，其特征在于，根据公式(2)的频率方程，由如下公式(3)计算出抗滑力折减系数c：

$c=\frac{F_1}{F_0}=\frac{{\mathrm{\μ}}_{1}Sl}{{\mathrm{\μ}}_{0}Sl}=\frac{{f_1}^2}{{f_0}^2}---\left(3\right)$

式中：F₁、F₀分别为扰动前、后的抗滑力(N)；μ₁、μ₀分别为扰动前、后黏结系数(N/mm²)；f₁、f₀分别为扰动前、后测得的自振频率(Hz)。

5.根据权利要求4所述的基于自振频率的应力监测预警方法，其特征在于，根据抗滑力折减系数，由公式(4)计算得到

Y₁＝cY₀ (4)

式中：Y₁为新的应力预警指标；Y₀为原有应力预警指标。

6.根据权利要求2所述的基于自振频率的应力监测预警方法，其特征在于，抗滑力由公式(5)计算得出：

F_i＝μ_iSl (5)

式中：F_i为滑块体抗滑力(N)，μ_i为黏结系数(N/mm²)，i表示不同时刻。

7.根据权利要求1所述的基于自振频率的应力监测预警方法，其特征在于，

步骤二中，在建立自振动频率-时间曲线以及位移-时间曲线之后，对数据进行去噪和傅里叶变换。