CN110397047B - 边坡防护桩及其边坡监测与防护系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩土工程技术领域，公开一种边坡防护桩，包括由碳纳米管和混凝土融合制成的芯部和包裹在芯部外周的由碳纳米管和膨胀土制成的包覆部，所述防护桩用于插入边坡土体内。同时还公开一种边坡监测与防护系统，包括多个分散插入边坡土体内的防护桩、与各防护桩信号连接的数据采集终端、对数据采集终端所采集信息进行处理的数据处理终端、为数据采集终端提供电能的电源设备，还包括与数据处理终端链接的人机交互设备。本申请的监测与防护系统中，既可通过防护桩起到保护边坡的作用，又可通过边坡土体内部的应力应变以及坡体含水量变化，最终实现监测边坡深层滑动、边坡变形、坡体位移等情况。

Description

边坡防护桩及其边坡监测与防护系统

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体地，涉及一种边坡防护桩及其边坡监测与防护系统。

背景技术

滑坡是会危及生命并造成财产损失的一种极大的自然灾害，一般发生在地表很多地区，其由一系列过程引发，常常影响人类活动和建筑环境，并造成灾难性后果。总体来说，世界上与滑坡有关的损失难以估计，随着我国现代化建设事业的不断发展，在各类基础设施建设中也遇到了大量的边坡问题。

边坡通常呈现非匀质性和各向异性特性，在外部因素的影响下很容易导致局部或者瞬态大变形乃至失稳滑动而引起滑坡。通常情况下，降雨是引起滑坡的最主要因素之一，由于雨水的大量下渗，导致边坡体上的土石层含水量增加，增加了滑体的重量，且伴随土体强度降低，导致滑坡产生，边坡土体内没有任何防滑坡措施和隔绝边坡体水带连贯性的措施，将无法阻止或减缓边坡滑坡问题的发生。

此外，边坡的稳定性与其内部的水含量息息相关，因此，在进行边坡监测预警时，需要对边坡含水量的变化进行有效监测。现有技术的边坡监测和防护领域中，边坡监测和防护两者通常是分开的，没有形成监测和防护的一体化。且目前对于边坡的主要监测方法为简易观测法、设站观测法、仪表观测法、远程监测法等。由于现场监测环境恶劣多变，监测对象复杂多样，干扰因素多，监测范围和规模较大，分析理论与警备准则不完善等原因，这些传统的常规监测方法存在诸多不足，主要体现在：（1）容易漏检，存在盲区；（2）设备集成度不高、成活率低、耐久性和长期稳定性差，监测成本高；（3）监测仪器因受环境中的电磁干扰等因素导致监测效果并不明显，甚至出现漏检等不良现象，长距离或大面积监测能力弱；（4）实时、并行和自动化、智能化程度差；（5）稳定性评价缺少数据支撑和理论指导；（6）现有的监测技术主要监测边坡裂缝以及位移，缺少对边坡坡体内部的土水压力及深部位移进行监测。

发明内容

本发明解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种可对边坡土体起到减缓滑坡进程或防止滑坡的边坡防护桩。

本发明同时还提供一种设有所述防护桩的可对边坡内部深层滑动、边坡变形、坡体位移等进行远程实时连续监测的边坡监测与防护系统。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种边坡防护桩，包括由碳纳米管和混凝土融合制成的芯部和包裹在芯部外周的由碳纳米管和膨胀土制成的包覆部，所述防护桩用于插入边坡土体内。

进一步地，防护桩包覆部外周还附有至少一层透水材料。

更进一步地，透水材料为土工布或网布。

再进一步地，透水材料外周还包附有至少一层对防护桩自身起整体固定作用的固定网。

还进一步地，防护桩一端为尖形端部。

一种设有上述边坡防护桩的边坡监测与防护系统，包括多个分散插入边坡土体内的防护桩、与各防护桩信号连接的数据采集终端、对数据采集终端所采集信息进行处理的数据处理终端、为监测与防护系统提供电能的电源设备，还包括与数据处理终端链接的人机交互设备。

进一步地，电源设备包括太阳能充电板。

进一步地，多个防护桩在边坡土体内整齐排列布置。

更进一步地，多个防护桩在边坡土体内呈梅花型排列布置。

进一步地，防护桩插入边坡土体内的深度需穿透土体滑动带。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）将防护桩以一定的密度和深度插入至边坡体内，一来其表面的碳纳米管膨胀土可起到防水功用，隔绝坡体水带的连贯性，二来，其植入坡体后，可有效增加边坡的稳定性，降低滑坡可能，同时也可为可能发生的滑坡事件提供安全储备时间；

2）防护桩的芯部和包覆部均以碳纳米管为基体，包覆部融合了膨胀土材料，使防护桩整体具有感知应力-应变和收缩开裂及膨胀程度的功能，监测与防护系统通过设置数据采集装置来收集各防护桩的动态信息，进而通过数据处理装置分析相关数据，从而监测出对边坡预警更具有超前性和真实性的数据，总体来说，本申请的监测与防护系统中，既可通过防护桩起到保护边坡的作用，又可通过边坡土体内部的应力应变以及坡体含水量变化，最终实现监测深层滑动、边坡变形、坡体位移等；

3）防护桩耐久性能好、监测能力强，其具有非磁性，受环境干扰小，能克服检测过程中因电压不稳、周围环境的电磁干扰等问题导致所测的数据出现较大误差的难题，所测数据真实性强，实现边坡的智能化实时监测；

4）可对边坡内部不同滑动带和其含水量的实时监测，利用防护桩的自感应功能，能根据测定含水量与电动势的关系预测防护桩附近含水量；

5）本申请中，通过防护桩结合数据采集、数据传输和数据处理等手段，系统整体所用到的仪器设备集成性好，操作简单，市场前景广阔。

附图说明

图1为实施例1所述的防护桩的横截面结构示意图；

图2为实施例1所述的防护桩的侧面结构示意图；

图3为实施例2所述的边坡监测与防护系统的结构示意图；

图4为实施例3中防护桩在边坡上呈梅花状布置的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1～2所示，提供一种用于插入边坡土体内的防护桩，其包括由碳纳米管和混凝土融合制成的芯部11和包裹在芯部外周的由碳纳米管和膨胀土制成的包覆部12。具体地，芯部11和包覆部12均是以碳纳米管为基体进行预制，其中，芯部是将混凝土与水化后的碳纳米管混合液充分结合，浇筑成型，硬化至强度达到要求，；包覆部的制备是待芯部硬化成型后，将直径稍大于芯部的碳纳米管均匀套设至芯部处，同时将膨胀土填充至包覆部的碳纳米管内部和外周，直至硬化成型，此后，芯部和包覆部成为一个整体。

为便于防护桩能相对轻松地插入边坡土体内，也为保证防护桩在插入过程中保持各向受力均匀从而竖直进入边坡土体，首选将防护桩外周设计成圆柱形，同时其一端宜设置为尖形端部13，尖形端部通过适配的尖形模具成型即可，尖形端部材料可不需太多讲究，一般是跟包覆部一起成型，当然，本实施例中尖形端部除了便于插入边坡土体的作用外，还可赋予其感知边坡土体内应力-应变等功能，因此，尖形端部的材料组成结构最好是跟防护桩的圆柱端材料结构一致，即里层与芯部材料组成一致、外层与包覆部材料组成一致。为避免防护桩表层的膨胀土发生脱落，防护桩包覆部外周还附有至少一层透水材料14，透水材料具体可为土工布或网布，也可以是其它的透水材料，只要是不会妨碍水与膨胀土发生接触的材料即可。

因膨胀土具有遇水膨胀的特性，为避免其无限膨胀，同时也为保证防护桩的整体性，透水材料外周还包附有至少一层对防护桩自身起整体固定作用的固定网15，固定网只需具有能透水的镂空即可。

本实施例的防护桩通过一定的密度和深度植入边坡土体内，可有效增加边坡的稳定性，此外，其内的膨胀土还可起到防水的功能，隔绝坡体水带的连贯性，进而降低边坡滑坡的风险，再者，因其本身对边坡的稳定性保护作用，当边坡将发生滑坡而工程人员能够感知时，防护桩显然还可延缓滑坡的进程，为抢险提供安全储备时间。

实施例2

提供一种设有如实施例1所述防护桩的边坡监测与防护系统，如图3所示，包括多个分散插入边坡A土体内的防护桩1、与各防护桩1信号连接的数据采集终端2、对数据采集终端所采集信息进行处理的数据处理终端3、为监测与防护系统提供电能的电源设备4，还包括与数据处理终端链接的人机交互设备5。

防护桩1内的碳纳米管是一种新型的纳米材料，它具有良好的力学性能、耐久性、抗干扰能力、导电性能及传热性能，而膨胀土在边坡领域中，多数属于非饱和土，其本身虽不具有自感应功能，但其对水特别敏感，碳纳米管和膨胀土结合后形成的复合材料能感知其内部的应力应变以及含水量变化；而碳纳米管和混凝土融合而成的芯部则具有良好的电学及力学性能，用于监测防护桩桩身受到水土压力时的应力应变关系，同时也作为支护桩为边坡提供防护作用。

本实施例的边坡监测与防护系统充分利用了防护桩的这一良好的应力—应变监测能力和良好的自感性、灵敏性（具有感知收缩开裂和膨胀程度的功能），结合数据采集和数据处理等现有数据传输和分析技术和设备，实现对边坡内部深层滑动、边坡变形、坡体位移等进行远程实时连续监测，便于工程人员及时通过人机交互设备实时了解边坡的具体情况，同时可以监测对边坡预警更具有超前性和真实性的数据。

其中，数据采集终端2可对防护桩1的内部数据进行监测，并传输至数据处理终端3，数据处理终端3则根据碳纳米管混凝土材料及碳纳米管膨胀土材料的相关应力应变之间的关系、含水量变化关系等进行边坡含水量变化位置、滑动带监测以及边坡的稳定性分析。

电源设备4具体包括太阳能充电板（即现有技术中的光伏板，电源设备也即光伏组件设备），本实施例考虑到边坡地理位置的电能供应问题，利用现成的绿色太阳能进行发电，可有效节约能源，太阳能充电板主要为监测与防护系统的数据采集及数据传输过程提供电能，数据采集终端收集各监测位置区域防护桩的数据，并将收集到的数据进行无线传输至数据处理装置，利用数据采集终端和数据处理终端将监测的数据统一处理，实现智能化监测。这里的数据采集设备和数据处理设备及人机交互设备等均是现有技术的范畴，本领域技术人员在知道要采集哪些信息和转换哪些相关信息后完全可利用本领域公知常识来轻松实现采集和处理过程，因此数据采集设备和数据处理设备在此不作赘述。

本实施例的防护桩耐久性好、监测能力强，通过一定的密度分布，可有效解决漏检问题，且因其具有非磁性，受环境干扰小，能克服检测过程中因电压不稳、周围环境的电磁干扰等问题导致所测的数据出现较大误差的难题，监测数据准确，真实性高。

具体地，防护桩在边坡上的分布密度可根据边坡实际情况来确定，一般是将多个防护桩1在边坡土体内整齐排列布置，如N×N式的矩形阵列打桩方式，深度也可根据边坡具体情况决定，但总体来说，防护桩插入边坡土体内的深度需穿透土体滑动带（土体滑动带的深度为通过现有技术的钻孔取样方法获得，同时该钻孔取样后的孔正好为防护桩提供了打入边坡土体的空洞），以使防护桩真正地、切实地起到稳定边坡的效果，同时也为后续的监测过程提供有力保障。

本实施例的系统监测与防护功能两者兼备，即既可以监测边坡内部滑动带的状态，防护桩桩体也起到了防护作用，有安全储备时间，便于及时作出紧急预警预报等来尽可能地减少损失，具体来说，一是通过增加边坡抗滑力，提高边坡的稳定性作用；二是通过桩体的隔水作用，减少边坡土体因含水量的增加，造成坡体强度系数减弱，发生失稳现象；其不仅做到了监测与防护两者兼顾，其结构设置更是实现了对边坡监测的智能化。此外，防护桩制作工艺简单，工序少，制作材料价格也便宜，解决了目前边坡监测领域监测造价高的普遍问题；系统集成性好、操作简单，克服了现有检测技术检测仪器复杂、操作繁复功能重叠等问题。

实施例3

本实施例与实施例2的区别是：多个防护桩1在边坡土体内呈梅花型排列布置，结合图3（忽略图3中防护桩的矩形阵列，仅关注其它诸如边坡、数据采集终端等结构设置）和图4来看，本实施例的防护桩是错落布置在边坡上（图4中各防护桩之间的信号采集线路布置仅供参考，不代表实际布置情况），这种布置方式相对于实施例2的矩形打桩方式来说，更能体现防护桩对边坡的稳固效果，系统监测到的各项数据也能更好地反映边坡土体情况。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种边坡防护桩，其特征碍于，包括由碳纳米管和混凝土融合制成的芯部和包裹在芯部外周的由碳纳米管和膨胀土制成的包覆部，防护桩用于插入边坡土体内；防护桩包覆部外周还附有至少一层透水材料；透水材料外周还包附有至少一层对防护桩自身起整体固定作用的固定网；多个防护桩在边坡土体内呈矩形阵列或梅花型排列布置；透水材料为土工布或网布；防护桩一端为尖形端部。

2.一种设有如权利要求1所述的边坡防护桩的边坡监测与防护系统，其特征在于，包括多个分散插入边坡土体内的防护桩、与各防护桩信号连接的数据采集终端、对数据采集终端所采集信息进行处理的数据处理终端、为监测与防护系统提供电能的电源设备，还包括与数据处理终端链接的人机交互设备。

3.根据权利要求2所述的防护桩的边坡监测与防护系统，其特征在于，电源设备包括太阳能充电板。

4.根据权利要求2所述的防护桩的边坡监测与防护系统，其特征在于，多个防护桩在边坡土体内整齐排列布置。

5.根据权利要求2所述的防护桩的边坡监测与防护系统，其特征在于，防护桩插入边坡土体内的深度需穿透土体滑动。