CN107462634B - 基于压电效应的土体抗剪强度原位测量方法及系统 - Google Patents

基于压电效应的土体抗剪强度原位测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于压电效应的土体抗剪强度原位测量方法及系统。包括剪切波振源和两片压电陶瓷片，将剪切波振源和两片压电陶瓷片排成一条直线并且水平埋入土中，两片压电陶瓷片均用于接收剪切波振源发出的剪切波，两片压电陶瓷片到剪切波振源之间的距离不同；剪切波振源发出固定频率的剪切波信号，两片压电陶瓷片依次接收剪切波信号并各自产生电信号，两路电信号经鉴相电路输出与滞后时间差成正比的高电平信号至微控制器转化为土体剪切波速信息。本发明利用土体剪切波速结合土体含水率测量土体抗剪强度，进行野外现场长期原位监测土体抗剪强度变化，为土木工程建设工作中土体稳定性计算分析以及滑坡、泥石流灾害的规律研究和预报提供理论依据。

Description

基于压电效应的土体抗剪强度原位测量方法及系统
技术领域
本发明设计一种土体参数的测量方法及测量系统，尤其是涉及工程施工和岩土灾害预防技术领域的一种基于压电效应的土体抗剪强度原位测量方法及系统。
背景技术
土体抗剪强度广泛应用于岩土工程、建筑施工以及滑坡灾害等相关工程力学分析中。在土力学和各种土木工程建设工作中，对于土体稳定性的计算分析而言，抗剪强度是其中重要的计算参数。能否正确地测定土的抗剪强度，往往是设计质量和工程成败的关键所在。当外力作用于土壤时，土壤的力学性质主要表现为抗压和抗剪力。土壤的抗剪强度是指在极限应力的条件下，土体一部分相对于另一部分滑动时所表现出来的抵抗土体发生剪切破坏的极限强度。目前抗剪强度的测量方法主要有室内直剪试验，三轴压缩实验，现场十字板剪切试验以及现场大型直剪试验，但这些方法都无法实现对土体抗剪强度的现场长期监测。
剪切波速与土的静力学性质有非常密切的关系，剪切波是横向振动的机械波。Shsrilye和HmaPton在1978年首先将压电陶瓷材料引入土工测试，由于压电片测剪切波波速方法简单，原理明确，所以在三轴仪、固结仪、共振柱、直剪仪、平面应变仪上得以应用。浙江大学的夏唐代在2004年提出了对软粘土的剪切波速与抗剪强度间的相关关系式：
式中ρ为土的密度，Vs为剪切波波速，为土的内摩擦角，C’为土的内凝聚力，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’，μ，ε＇均与土体含水率有关，对不同含水率下的土体进行试验后得到土体抗剪强度与土体含水率，土体剪切波速的关系：τ＝fi(Vs)∣wi，wi是土体含水率，τ是土体抗剪强度，fi表示随wi变化下Vs与τ的函数关系。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于压电效应的土体抗剪强度原位测量方法及系统。方法通过在土体中振源发出剪切波，同一直线上相隔固定距离的压电片先后接收剪切波信号，并测出剪切波速，同时通过土体含水率传感器测出土体含水率，再计算得到土体抗剪强度，系统运用传感器技术，电子技术，计算机技术，通讯技术实现远程实时监测。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案。
一、一种基于压电效应的土体抗剪强度原位测量方法：
包括剪切波振源和两片压电陶瓷片，将剪切波振源和两片压电陶瓷片排成一条直线并且水平埋入土中，两片压电陶瓷片均用于接收剪切波振源发出的剪切波，两片压电陶瓷片到剪切波振源之间的距离不同，两片压电陶瓷片之间的周期间距为d；
工作时，剪切波振源被剪切波信号激励产生机械振动，相对靠近剪切波振源的压电陶瓷片和相对远离剪切波振源的压电陶瓷片先后依次接收到经土体传播后的机械振动而经压电效应生成电信号，两片压电陶瓷片由于压电效应产生各自的电信号U1和U2，两片压电陶瓷片接收的电信号U1和U2之间的滞后时间差为Δt，采用以下公式得到剪切波速Vs：
Vs＝d/Δt
再通过土体含水率传感器测得土体含水率wi，采用以下公式计算得到土体抗剪强度τ，完成原位测量过程：
τ＝fi(Vs)∣wi
其中，fi表示随土体含水率wi变化时剪切波速Vs与土体抗剪强度τ的函数关系。
上式中，所述的Vs与τ之间的函数关系式fi(Vs)具体采用以下公式：
其中，ρi为土的密度，Vs为剪切波波速，为土的内摩擦角，C’i为土的内凝聚力，μi为土的泊松比，ε’i为土的轴向应变；这些参数均为土体含水率为wi时的参数。
本发明相比压电片发射脉冲波的现场剪切波速法(仅有两片压电陶瓷片，其中一片作为发射，另一片作为接收的测量方式)，测量精度更高。
本发明相比现有技术中现场十字剪板法(采用十字板结构旋转剪切检测方式)测量效率更高，现有技术中十字板结构检测在完成一次检测后会使得土体被破坏，由于土体生长融合需要间隔三个月左右才能进行下一次测量，而本发明能够实时不间断地连续测量，没有土体被破坏的过程，也无需土体生长融合较长的间隔时间。
测量时所述两个压电陶瓷片之间只有土体这一种传播剪切波信号的介质，不存在其他介质。
具体实施中，本发明所述的两片压电陶瓷片可以分别置于剪切波振源的两侧获得同一侧，但两片压电陶瓷片到剪切波振源之间的距离不同。
二、一种基于压电效应的土体抗剪强度原位测量实时监测系统：
包括主要由两片接收剪切波信号的压电陶瓷片、土体含水率传感器、土体含水率信号采集电路、剪切波振源、鉴相电路、微控制器、远程信号发送电路构成的现场部分以及主要由远程信号接收电路和上位计算机构成的远程部分；
土体含水率传感器垂直插入土体中，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处理器；剪切波振源和两片压电陶瓷片排成一条直线水平埋入土中，由剪切波振源发出剪切波信号使得土体产生机械振动，两片压电陶瓷片接收剪切波信号的机械振动后相继产生电信号，两个电信号经鉴相电路接到微控制器中处理得到土体剪切波速信息，即剪切波在土体中的传播速度；微处理器对土体含水率信息和土体剪切波速信息进行处理得到土体抗剪强度信息，通过远程信号发送电路发送出无线信号，远程信号接收电路接收来自远程信号发送电路的无线信号并传送至上位计算机。
上述器件均由蓄电池供电，蓄电池能量来源为与其相连的太阳能板。
所述的无线信号采用GSM移动通讯方式传输。
所述的土体含水率传感器位于两片压电片附近。
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。
所述的剪切波振源选用微型空心杯振动电机或者电磁铁和钢片的组合组件；对于电磁铁和钢片的组合组件，是在通入确定频率方波信号的电磁铁下方放置钢片。
系统工作时，蓄电池给剪切波振源供电，剪切波振源发出固定频率的剪切波信号，两片压电陶瓷片依次接收剪切波信号并各自产生电信号，压电陶瓷片1先接收到剪切波信号的后并通过压电效应将其转化为电信号U1，压电陶瓷片2在经过一个滞后时间后接收到剪切波信号并产生电信号U2；两路电信号U1和U2一起通入鉴相电路，鉴相电路输出与滞后时间差成正比的高电平信号至微控制器转化为土体剪切波速信息；
所述鉴相电路主要由过零比较器、电压抬升电路、异或门模块组成，将两片压电陶瓷片接收的两路电信号经电压采集电路放大、滤波处理后的正弦波信号先通过过零比较器转换为方波信号，然后方波信号通过电压抬升电路调整至合适电平后输入异或门模块进行鉴相，最终得到信号的高电平脉宽，作为剪切波在两片压电陶瓷片之间传播的滞后时间差。
若两片压电片之间距离过长将导致剪切波信号在其间传播的时间差大于半个周期，则无法通过鉴相的方法判断准确的时间差。因此两块压电陶瓷片之间须根据剪切波的波长选取合适的距离。
所述剪切波振动源和两片压电陶瓷片之间通过压电片固定组件连接安装，压电片固定组件包括夹持块和固定杆，固定杆的一端固定安装有剪切波振动源，两片压电陶瓷片分别经夹持块固定在固定杆的另一端和中部。
所述的固定杆选用ABS塑料，ABS塑料能使剪切波不易传播且性质稳定，以防止测量过程中压电片接收到通过固定杆传播的剪切波，干扰测量结果。
本发明的有益效果是：
本发明利用土体剪切波速结合土体含水率测量土体抗剪强度，进行野外现场长期监测土体抗剪强度变化，为土木工程建设工作中土体稳定性计算分析以及滑坡、泥石流灾害的规律研究和预报提供理论依据。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图；
图2是压电片装配示意图；
图3是压电片装配完成后埋入土中的俯视图；
图4是本发明具体实施中8％土体含水率下剪切波速平方与土体抗剪强度的函数关系示意图；
图5是本发明具体实施中16％土体含水率下剪切波速平方与土体抗剪强度的函数关系示意图；
图6是本发明具体实施中20％土体含水率下剪切波速平方与土体抗剪强度的函数关系示意图。
图中：1、靠近振源的压电陶瓷片，2、远离振源的压电陶瓷片，3、剪切波振动源，4、土体含水率传感器，5、天线，6、现场部分，7、远程部分，8、夹持块，9、固定杆。
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。
如图1所示，本发明具体实施包括主要由两片接收剪切波信号的压电陶瓷片1、2、土体含水率传感器4、土体含水率信号采集电路、剪切波振源3、鉴相电路、微控制器、远程信号发送电路构成的现场部分6以及主要由远程信号接收电路和上位计算机构成的远程部分7；
土体含水率传感器4垂直插入土体中，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处理器；剪切波振源3和两片压电陶瓷片1、2排成一条直线水平埋入土中，由剪切波振源3发出剪切波信号使得土体产生机械振动，两片压电陶瓷片1、2接收剪切波信号的机械振动后相继产生电信号，两个电信号经鉴相电路接到微控制器中处理得到土体剪切波速信息，即剪切波在土体中的传播速度；微处理器对土体含水率信息和土体剪切波速信息进行处理得到土体抗剪强度信息，通过远程信号发送电路发送出无线信号，远程信号接收电路接收来自远程信号发送电路的无线信号并传送至上位计算机。
具体实施中，微控制器经天线5发出无线信号，现场部分6安置在待测土体区域和位置，远程部分7安置在远程控制中心，由远程部分7的上位计算机发送控制信号经微处理器控制土体含水率传感器4和压电陶瓷片1、2采集数据。
如图2和图3所示，剪切波振动源3和两片压电陶瓷片1、2之间通过压电片固定组件连接安装，通过压电片固定组件保持两片压电陶瓷片之间的固定距离并且使压电片更好地接收信号，压电片固定组件包括夹持块8和固定杆9，固定杆9选用ABS塑料，固定杆9的一端固定安装有剪切波振动源3，两片压电陶瓷片1、2分别经夹持块8固定在固定杆9的另一端和中部，夹持块8一端夹持住压电陶瓷片，夹持块8另一端固定连接到固定杆9；两套夹持块8用于固定压电片使其更好地接收信号，固定杆9用于连接两套夹持块使其距离固定。
具体实施的剪切波振源选用电磁铁和钢片的组合组件，在通入确定频率方波信号的电磁铁下方放置钢片，确定频率方波信号输入到电磁铁的线圈中，方波信号的变化导致电磁铁极性不断发生变化带动钢片上下振动，进而带动土体发出与方波信号频率相同频率的剪切波信号。
鉴相电路主要由过零比较器、电压抬升电路、异或门模块依次连接组成，过零比较器的输入端连接到两片压电陶瓷片的输出端，异或门模块输出端连接到MCU。
本发明的实施工作过程是：
系统工作时，蓄电池给剪切波振源3供电，剪切波振源3发出固定频率的剪切波信号，两片压电陶瓷片1、2依次接收剪切波信号并各自产生电信号，压电陶瓷片1先接收到剪切波信号的后并通过压电效应将其转化为电信号U1，压电陶瓷片2在经过一个滞后时间后接收到剪切波信号并产生电信号U2；两路电信号U1和U2一起通入鉴相电路，鉴相电路输出与滞后时间差成正比的高电平信号至微控制器转化为土体剪切波速信息。
鉴相电路中，将两片压电陶瓷片接收的两路电信号经电压采集电路放大、滤波处理后的正弦波信号先通过过零比较器转换为方波信号，然后方波信号通过电压抬升电路调整电平后输入异或门模块进行鉴相，最终得到信号的高电平脉宽，作为剪切波在两片压电陶瓷片之间传播的滞后时间差。
具体实施在对土体不同的含水率情况下进行实验后，在已知条件下进行实验得出土体抗剪强度与土壤含水率、土体剪切波速平方的关系，即随wi变化而改变，在不同的wi取值下，一般表征为数据表形式。8％、16％和24％土体含水率下剪切波速平方与土体抗剪强度的函数关系曲线表达见图4、5和6。
本发明实施例及其实施过程如下：
实施例从各地山区、平原不同的地方选取了数十种土体，将各种土体样本按各种含水率进行配制，用本发明提供的方法、现场十字剪板法、压电片发射脉冲波的现场剪切波速法对土样进行抗剪强度测量。并将本发明测得的结果τ1、现场十字剪板法测得的结果τ2、压电片发射脉冲波的现场剪切波速法测得的结果τ3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τA进行了对比。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w10＝10％。
表2各被测土体样本的含水率w16＝16％。
实验表明，用本发明测量方法及远程实时监测系统测出的结果τ1与用TKA-2U型直剪仪测量的结果τA的相对误差小于3％。测量准确度高于运用现场十字剪板法测量的结果τ2和压电片发射脉冲波的现场剪切波速法测量的结果τ3，将测量精度提高了一倍多。
由此可利用本发明对岩土体进行实际的原位、远程、实时测量并监测，为土木工程建设工作中土体稳定性计算分析以及滑坡、泥石流灾害的规律研究和预报提供理论依据。
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 (4)

1.一种基于压电效应的土体抗剪强度原位测量实时监测系统，其特征在于：包括主要由两片接收剪切波信号的压电陶瓷片(1、2)、土体含水率传感器(4)、剪切波振源(3)、鉴相电路、微控制器、远程信号发送电路构成的现场部分(6)以及主要由远程信号接收电路和上位计算机构成的远程部分(7)；土体含水率传感器(4)垂直插入土体中，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处理器；剪切波振源(3)和两片压电陶瓷片(1、2)排成一条直线水平埋入土中，由剪切波振源(3)发出剪切波信号使得土体产生机械振动，两片压电陶瓷片(1、2)接收剪切波信号的机械振动后相继产生电信号，两个电信号经鉴相电路接到微控制器中处理得到土体剪切波速信息；微处理器对土体含水率信息和土体剪切波速信息进行处理得到土体抗剪强度信息，通过远程信号发送电路发送出无线信号，远程信号接收电路接收来自远程信号发送电路的无线信号并传送至上位计算机；
所述剪切波振源(3)和两片压电陶瓷片(1、2)之间通过压电片固定组件连接安装，压电片固定组件包括夹持块(8)和固定杆(9)，固定杆(9)的一端固定安装有剪切波振源(3)，两片压电陶瓷片(1、2)分别经夹持块(8)固定在固定杆(9)的另一端和中部。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的土体抗剪强度原位测量实时监测系统，其特征在于：所述的剪切波振源选用微型空心杯振动电机或者电磁铁和钢片的组合组件；对于电磁铁和钢片的组合组件，是在通入确定频率方波信号的电磁铁下方放置钢片。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的土体抗剪强度原位测量实时监测系统，其特征在于：系统工作时，蓄电池给剪切波振源(3)供电，剪切波振源(3)发出固定频率的剪切波信号，两片压电陶瓷片(1、2)依次接收剪切波信号并各自产生电信号，两路电信号一起通入鉴相电路，鉴相电路输出与滞后时间差成正比的高电平信号至微控制器转化为土体剪切波速信息；
所述鉴相电路主要由过零比较器、电压抬升电路、异或门模块组成，将两片压电陶瓷片接收的两路电信号经电压采集电路放大、滤波处理后的正弦波信号先通过过零比较器转换为方波信号，然后方波信号通过电压抬升电路调整电平后输入异或门模块进行鉴相，最终得到信号的高电平脉宽，作为剪切波在两片压电陶瓷片之间传播的滞后时间差。
4.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的土体抗剪强度原位测量实时监测系统，其特征在于：所述的固定杆(9)选用ABS塑料。
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