CN111855529A - 一种土体监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土体监测系统和方法，所述土体监测系统包括自上而下依次连接的水压传感机构、倾斜角度传感机构和压力传感机构，所述水压传感机构设置有第一空腔层，所述第一空腔层水平设置有第一传感器，所述倾斜角度传感机构设置有第二空腔层，所述第二空腔层竖直设置有传感组件，所述压力传感机构设置有压力感应层，所述压力感应层水平设置有第二传感器。本发明公开的所述土体监测系统能够同时监测多种土体参数，且多种土体参数的监测互不干扰，从而大大简化了监测多种土体参数的测量装置，减少了测量多种土体参数的测量程序。

Description

一种土体监测系统和方法

技术领域

本发明涉及工程结构监测技术领域，特别是一种土体监测系统和方法。

背景技术

随着我国经济技术的高速发展，我国的高速公路的交通流量日益增加，修建长里程、高质量、高标准、高等级的高速公路是缓解这一难题的主要解决方法。但是我国地域广表辽阔，地形错综复杂，软土类别较多且分布较广，在规划高速公路时会不可避免地穿过软土地带。由于软土的沉降量大、灵敏度高、透水性差、固结过程时的稳定性差等不良工程特点，因此，土体孔隙水压力，土体倾斜角度和土体压力的监测尤为重要。

在工程中，传统的孔隙水压力监测中多是采用电阻等各种电子元器件作为传感器的核心原件，通过电信号来进行孔隙水压力的测量，而且装置过多且造价不菲，但在测量土体中孔隙水压力的这样一个恶劣的环境下，电阻式的传感器就暴露出了很多缺点，比如随着时间和环境的变化，构成传感器的材料和器件性能会发生变化，若长期监测，由于时漂、温漂较大，可能无法取得真实有效的数据，同时易受到电场、磁场、辐射、等影响，而且由于埋置在含有大量水分的土体中，电子元件，及其电信号不可避免的随着时间的推移，极其容易受到干扰，甚至停止工作。

现有技术中，需要通过不同的测量装置分别对土体孔隙水压力，土体倾斜角度和土体压力进行测量：如常用MEMS压力传感器的测量压力，且现有MEMS压力传感器普遍采用硅薄膜，硅的物理性能有限，导致现有MEMS压力传感器尺寸较大，灵敏度有限；对于土体倾斜角度的测量，现有技术装置过于复杂，且造价不菲。因此土体工程中，对土体孔隙水压力，土体倾斜角度和土体压力进行测量的测量程序较为复杂。

因此现有技术还有待改进。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明提供一种土体监测系统和方法，旨在克服现有土体工程中测量土体孔隙水压力，土体倾斜角度和土体压力程序较为复杂的问题。

本发明提供的技术方案如下：

一种土体监测系统，其中，包括自上而下依次连接的水压传感机构、倾斜角度传感机构和压力传感机构，所述水压传感机构设置有第一空腔层，所述第一空腔层水平设置有第一传感器，所述倾斜角度传感机构设置有第二空腔层，所述第二空腔层竖直设置有传感组件，所述压力传感机构设置有压力感应层，所述压力感应层水平设置有第二传感器。

所述土体监测系统，其中，所述水压传感机构设置有开口，所述开口布置有渗透层以覆盖所述开口，所述渗透层覆盖于所述第一空腔层上方。

所述土体监测系统，其中，所述第一传感器、所述传感组件和所述第三传感器均由FBG传感器制作而成。

所述土体监测系统，其中，所述第一空腔层水平设置有水压应变层，所述水压应变层的边沿和所述第一空腔层的内壁相贴合，以将所述第一空腔层分隔为两个密闭的空腔,所述第一传感器水平设置于所述水压应变层内。

所述土体监测系统，其中，所述第二空腔层竖直设置有悬挂梁，所述悬挂梁包括传感部和重物固定部，所述传感组件设置于所述传感部内，所述重物固定部设置有悬挂物。

所述土体监测系统，其中，所述传感部沿竖直方向延伸并在所述传感部的表面形成凹槽，所述传感部通过所述凹槽和所述重物固定部相连接，以使所述悬挂梁呈工字型。

所述土体监测系统，其中，所述悬挂梁内设置有传感通道，所述传感通道包括平行部和弧形部，所述平行部布置于所述传感部内，所述弧形部布置于所述重物固定部内，所述平行部和所述弧形部相连接以使所述传感通道呈U字型。

所述土体监测系统，其中，所述传感组件包括第三传感器和第四传感器，所述第三传感器和第四传感器平行设置于所述传感通道内，且所述第三传感器和所述第四传感器均位于所述凹槽相对应的位置。

所述土体监测系统，其中，所述水压传感机构、所述倾斜角度传感机构和所述压力传感机构通过增材制造技术打印成一体结构。

一种土体监测方法，其中，所述监测方法步骤如下：

获取现场土层状况对应的土体监测的需求，根据所述土体监测的需求制作所述的土体监测系统；

将所述土体监测系统安装到现场土层中后，采集所述土体监测系统中第一传感器、传感组件和第二传感器的波长变化，根据各传感器的波长变化计算现场土层的土体孔隙水压力、土体倾斜角度以及土体压力。

有益效果：本发明公开了一种土体监测系统和方法，所述土体监测系统包括自上而下依次连接的水压传感机构、倾斜角度传感机构和压力传感机构，所述水压传感机构设置有第一空腔层，所述第一空腔层水平设置有第一传感器，所述倾斜角度传感机构设置有第二空腔层，所述第二空腔层竖直设置有传感组件，所述压力传感机构设置有压力感应层，所述压力感应层水平设置有第二传感器。本发明公开的所述土体监测系统能够同时监测多种土体参数，且多种土体参数的监测互不干扰，从而大大简化了多种土体参数监测的测量装置，减少了测量多种土体参数的测量程序。

附图说明

图1是本实施例中提供的一种土体监测系统的结构示意图；

图2是本实施例中提供的所述水压传感机构的结构示意图；

图3是本实施例中提供的所述倾斜角度传感机构的结构示意图；

图4是本实施例中提供的所述压力传感机构的结构示意图；

图5是本实施例中提供的一种土体监测方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种土体监测系统和方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例提供了一种土体监测系统，如图1所示，所述土体监测系统包括自上而下依次连接的水压传感机构1、倾斜角度传感机构2和压力传感机构3，所述水压传感机构1设置有第一空腔层10，所述第一空腔层内水平设置有第一传感器11，所述倾斜角度传感机构2设置有第二空腔层20，所述第二空腔层竖直设置有传感组件21，所述压力传感机构3设置有压力感应层30，所述压力感应层水平设置有第二传感器31，从而实现通过所述土体监测系统同时监测多种土体参数，且多种土体参数的监测互不干扰，从而大大简化了多种土体参数监测的测量装置，减少了测量多种土体参数的测量程序。

如图1和图2所示，所述水压传感机构设置有开口，所述开口布置有渗透层12以覆盖所述开口，所述渗透层12覆盖于所述第一空腔层10上方且和所述第一空腔10相连通，所述渗透层12通过所述开口和土体环境相连通，以使得土体空隙中水流通过渗透层12进入第一空腔层10。在本实施例的一个具体实现方式中，所述渗透层12由透水石铺设于所述第一空腔层的上方并覆盖所述开口。

进一步，所述第一空腔层水平设置有水压应变层13，所述水压应变层13的一端和所述第一空腔层10的第一内壁相连接，所述水压应变层的另一端和所述第一空腔层10的第二内壁相连接，所述第一内壁和第二内壁互相平行，所述水压应变层垂直于所述第一内壁和所述第二内壁，以将所述第一空腔层10分隔为第一空腔101和第二空腔102，当土体孔隙中的水流通过渗透层进入第一空腔层10后，水流在所述第一空腔内沉积并对所述水压应变层13表面产生水压力，以使所述水压应变层13产生形变。所述水压应变层13内水平设置有所述第一传感器11，所述水压应变层13发生形变时，同时引起所述第一传感器11产生压力应变，从而实现根据所述第一传感器的压力应变计算土体空隙水压力。

可以理解的是，所述水压应变层13发生最大弯曲形变时由第一水平高度沿远离所述渗透层12的方向弯曲至第二水平高度，所述第一水平高度和第二水平高度之间的距离差小于所述第二空腔102的高度，以使得所述第二空腔102具有足够的空间容纳变形的水压应变层13。

如图1所示，所述第二空腔层垂直设置有悬挂梁，所述悬挂梁包括传感部22和重物固定部，所述传感组件21设置于所述传感部22内，所述重物固定部设置有悬挂物23，所述悬挂物用以在所述倾斜角度传感机构2发生倾斜时引起所述传感组件产生拉力应变或压力应变。所述传感部22的一端和所述第二空腔层的第三侧壁相连接，所述传感部的另一端沿竖直方向延伸并在所述传感部的表面形成凹槽，所述传感部通过所述凹槽和所述重物固定部相连接，以使所述悬挂梁呈工字型。

在本实施例的一个具体方式中，所述传感部未形成凹槽为直径为第一预设长度的第一圆柱体，所述传感部形成凹槽的部分为直径为第二预设长度的第二圆柱体，所述第一预设长度大于所述第二预设长度，所述重物固定部为直径为第一预设长度的第三圆柱体，所述第二圆柱体和所述第三圆柱体相连接，以使所述悬挂梁呈工字型，所述第三圆柱体远离所述第二圆柱体的底部形成一凹陷，所述重物成球形并和所述凹陷的底面相贴合，进而固定于所述重物固定部上。

在本实施例的一个实现方式中，所述悬挂梁内设置有传感通道，所述传感通道包括平行部和弧形部，所述传感通道的两端为平行部，所述传感通道的中间部分为弧形部，所述平行部分布于所述传感部内，所述弧形部分布于所述重物固定部内，所述平行部和所述弧形部相连接以使所述传感通道呈U字型。所述传感组件包括第三传感器211和第四传感器212，所述第三传感器211和第四传感器212平行设置于U字型传感通道内，且所述第三传感器211和所述第四传感器212位于传感部22所述凹槽相对应的位置，当受到重物固定部的悬挂物的重力作用时，所述传感部形成所述凹槽的位置会发生形变，进而引起所述第三传感器211和所述第四传感器212产生应变。可以理解的是，所述凹槽的设计能够增大所述第三传感器211和第四传感器212的应变，在受到相同重量的悬挂物的重力作用时，若所述凹槽凹槽的深度越深，也就是所述传感部22第二圆柱体的直径越小，所述第二圆柱体受到悬挂物的重力作用力时发生的形变越大，因而引起所述第三传感器211和所述第四传感器212产生的应变越大，进而提高测量土体倾斜角度的灵敏度。当所述倾斜角度传感机构2发生倾斜时，如图2所示，在所述传感部22内，所述第三传感器211被拉伸产生拉力应变，所述第四传感器212被压缩产生压力应变，进而实现根据所述第三传感器211和所述第四传感器发生的应变之差计算所述倾斜角度传感机构2的倾斜角度。进一步，所述压力传感机构包括水压应变层30以及嵌置于所述水压应变层30内的第二传感器31，所述水压应变层30的底部和外部土体环境相连接且水平布置于土体中，所述第二传感器31平行于所述水压应变层30的底部。

在本实施例的一个实现方式中，所述第一传感器11、第二传感器31、第三传感器211和第四传感器212均由FBG传感器制作而成，所述FBG传感器也称光纤布拉格光栅(FiberBragg Grating,FBG)传感器，光纤布拉格光栅可以实现压力应变或拉力应变的传感信息测量，分别用以计算土体孔隙水压力、土体倾斜角度和土体压力。本实施例采用FBG传感器，使得所述土体监测系统还具有高灵敏度、高精度、抗电磁干扰等优势。

在本实施例的一个实现方式中，所述水压传感机构1、倾斜角度传感机构2和压力传感机构3通过增材制造一体打印以形成包括所述第一空腔层10和第二空腔层20的整体结构，所述水压应变层13、悬挂梁22和水压应变层30均通过增材制造技术打印填充，同时在打印填充过程中分别对所述第一传感器11、所述传感组件21以及所述第二传感器31进行封装。

在本实施例的一个具体实现方式中，增材制造过程中打印填充使用的材料为碳纤维材料，所述碳纤维材料具有耐腐蚀、重量轻以及强度高的特点，所述碳纤维材料在受到压力时能够发生形变，进而能引起其封装的传感器产生应变。本实施例通过增材制造技术打印填充制作而成的所述土体监测系统，能够使得水压传感机构1、倾斜角度传感机构2和压力传感机构3具有更好的整体性，且降低了测量装置的生产成本和周期。

进一步，本实施例水压传感机构1的工作原理如下：

首先，通过标定试验得出水压传感机构1所受水压力与第一传感器11波长变化之间的关系，根据传感器示数随时间的变化，利用标定实验得出传感器测得示数与测量量之间的关系，并建立相应的函数关系，进一步的通过采集数据推算出测量量，实现孔隙水压力的有效测量。标定试验中通过实验得出所加载水压力(P)与收集的数据(X)之间的关系P＝F(X)。可以理解的是，具体标定实验会因为传感器的不同以及其他因素的影响，可能导致最后的函数关系不一样，在此不再给出具体函数关系。

如图2所示，通过在第一空腔层10注入水体以在压力应变膜上加载水压力P₁，从而引起水压应变层13发生膨胀，进一步水压应变层13引起其内部的第一传感器11发生一定的应变，第一传感器解调仪上采集到示数X₁，将示数代入P＝F(X)，得到水压力具体值P₁＝F(X₁)，从而得到水压力P₁的具体数值，即该水压力测出。

进一步，所述倾斜角度传感机构2的工作原理如下：

当倾斜角度传感机构2相对于垂直方向(顺时针方向)倾斜时，由于悬挂梁安装有重物作为荷载，使悬挂梁受到拉力(F)和弯矩(M)，如图3所示。

传感器布置呈“U”形分布，在监测过程中，第三传感器211和第四传感器212分别被拉伸和压缩。在公式中，所述第三传感器用FGBA表示，所述第四传感器用FGBB表示。因为光纤传感器对伸长敏感，而对压缩不敏感，因此两个光纤光栅传感器在固定在悬挂梁22内之前是预应力的，所以两个光纤光栅传感器的波长变化可以用来计算倾斜角度的大小。在忽略传感器梁与自重之间的碳纤维材料重量的情况下，可将拉力和弯矩按倾角计算如下：

F＝Wcosφ (2)

M＝WL₂sinφ (3)

式(1)为FBG传感器测量原理，其中，Δε为光纤布拉格光栅轴向应变变化量；ΔT为温度变化量；p_eff为有效弹光系数；ζ，α分别为光纤布拉格光栅的热光系数和热膨胀系数,Δλ_B表示FBG传感器的波长变化，λ_B表示FBG传感器产生应变后的波长。

当光纤光栅受到外界应变或者应力的作用时，光栅的周期会发生变化，同时光弹效应会导致光栅有效折射率变化，当光纤光栅受到外界温度影响时，热膨胀会引起光栅周期发生变化，同时热敏效应会引起光栅的有效折射率变化。本实施例利用传感组件中FBG传感器的应变使光栅中心的波长发生变化，从而实现通过传感组件中FBG传感器的波长变化测量土体的倾斜角度的目的。具体地，所述

式(3)中L₂为悬挂物23中心到悬挂梁22底部的长度，W为悬挂物重量。拉力和弯曲力矩都会导致两个光纤光栅传感器的应变变化，这种应变变化可以通过以下方法计算出来：

其中E为悬挂梁22的弹性模量，I为传感器梁的转动惯量。A为悬挂梁22的截面面积。整理方程(2)、(3)、(4)得：

将式(1)、式(5)结合起来，考虑由倾斜角度从φ₁到φ₂的变化引起的应变变化相关波长值从λ₂变到λ₁)，得到：

第三传感器FBGA的应变变化量Δε_FBGA和第四传感器FBGB的应变变化量Δε_FBGB的计算如下：

其中，λ_FBGA2表示第三传感器FBGA的初始波长值，λ_FBGA1表示第三传感器FBGA产生应变后的波长值，λ_FBGB2表示第四传感器FBGB的初始波长值，λ_FBGB2表示第四传感器FBGB产生应变后的波长值。

结合式(7)和(8)两个方程消去常数项

得到：

因此，最终两个传感器的倾斜角变化(从φ₁变为φ₂)与波长变化的关系为：

其中EI、p_eff、W、L₂等参数均为常数。通过两个光纤光栅传感器的波长值可以直接得到倾斜角度的变化。由该方程还可以看出，温度变化不会影响两个FBG传感器的角度变化与波长变化之间的相关性。因此，这种倾斜角度传感机构2不受温度影响。

根据式(10)，初始倾角φ₁为0°，倾角φ₂是倾角相对于垂直方向的直接变化，可以更简单地写为：

式中

为波长比差，λ_FBGB表示简化式中第四传感器FBGB产生应变后的波长值，λ_FBGA表示简化式中第三传感器FBGA产生应变后的波长值，因此式(11)建立了土体倾斜角度

与传感组件中的两个传感器波长比差之间的相关关系。倾斜角度传感机构2的倾斜角度可以根据内部的两个光纤光栅传感器的波长变化直接计算出来。

进一步，本实施例压力传感机构3的工作原理如下：

关于图4所示压力感应层30，其为碳纤维层状结构，考虑胡克定律，垂直应力导致模型的相应的横向扩展，考虑图4所示的坐标系，并考虑模型的无序行为，可以得到如下的应变-应力关系：

其中E_i、v_ij、ε_ij、σ_ij分别为不同方向的弹性模量、泊松比、应变和应力。当第二传感器31只承受垂直载荷时，可以得到如下的应变-应力关系：

因此，结合式(1)和式(13)，垂直压力变化Δσ₁₁可以用第二传感器31的波长变化Δλ表示如下：

因此，第二传感器31可用于测量不同加载条件下的压力变化，而第二传感器31位于所述土体监测系统的底部，可用于测量所述土体监测系统底部受到的压力的变化。

基于上述土体监测系统，本实施例还公开了一种土体监测方法，所述监测方法步骤如下：

S10、获取现场土层状况对应的土体监测的需求，根据所述土体监测的需求，通过增材制造技术打印制作本实施例所述的土体监测系统。

具体地，根据现场工况来确定所需的土体监测系统的灵敏度以及量程，通过所述灵敏度和量程调节增材制造的填充密度，以制作本实施例所述的土体监测系统。

S20、将所述土体监测系统安装到现场土层中后，采集所述土体监测系统中第一传感器、传感组件和第二传感器的波长变化，根据和各传感器的波长变化计算出现场土层的土体孔隙水压力、土体倾斜角度以及土体压力。

具体地，通过实施标定试验，分别建立所述水压和所述第一传感器波长变化的第一标准曲线，土体倾斜角度和所述传感组件波长变化的第二标准曲线以及土体压力与和所述第二传感器波长变化的第三标准曲线，具体过程已在上述水压传感机构、倾斜角度传感机构以及压力传感机构的工作原理给出，在此不作赘述，从而实现通过各标准曲线计算得到现场土层的土体孔隙水压力、土体倾斜角度以及土体压力。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种土体监测系统，其特征在于，包括自上而下依次连接的水压传感机构、倾斜角度传感机构和压力传感机构，所述水压传感机构设置有第一空腔层，所述第一空腔层水平设置有第一传感器，所述倾斜角度传感机构设置有第二空腔层，所述第二空腔层竖直设置有传感组件，所述压力传感机构设置有压力感应层，所述压力感应层水平设置有第二传感器。

2.根据权利要求1所述土体监测系统，其特征在于，所述水压传感机构设置有开口，所述开口布置有渗透层以覆盖所述开口，所述渗透层覆盖于所述第一空腔层上方。

3.根据权利要求1所述土体监测系统，其特征在于，所述第一传感器、所述传感组件和所述第二传感器均由FBG传感器制作而成。

4.根据权利要求1-3任一所述土体监测系统，其特征在于，所述第一空腔层水平设置有水压应变层，所述水压应变层的边沿和所述第一空腔层的内壁相贴合，以将所述第一空腔层分隔为两个密闭的空腔,所述第一传感器水平设置于所述水压应变层内。

5.根据权利要求1所述土体监测系统，其特征在于，所述第二空腔层竖直设置有悬挂梁，所述悬挂梁包括传感部和重物固定部，所述传感组件设置于所述传感部内，所述重物固定部设置有悬挂物。

6.根据权利要求5所述土体监测系统，其特征在于，所述传感部沿竖直方向延伸并在所述传感部的表面形成凹槽，所述传感部通过所述凹槽和所述重物固定部相连接，以使所述悬挂梁呈工字型。

7.根据权利要求6所述土体监测系统，其特征在于，所述悬挂梁内设置有传感通道，所述传感通道包括平行部和弧形部，所述平行部布置于所述传感部内，所述弧形部布置于所述重物固定部内，所述平行部和所述弧形部相连接以使所述传感通道呈U字型。

8.根据权利要求7所述土体监测系统，其特征在于，所述传感组件包括第三传感器和第四传感器，所述第三传感器和第四传感器平行设置于所述传感通道内，且所述第三传感器和所述所述第四传感器均位于所述凹槽相对应的位置。

9.根据权利要求1所述土体监测系统，其特征在于，所述水压传感机构、所述倾斜角度传感机构和所述压力传感机构通过增材制造技术打印成一体结构。

10.一种土体监测方法，其特征在于，所述监测方法步骤如下：

获取现场土层状况对应的土体监测的需求，根据所述土体监测的需求制作如权利1-9任一所述的土体监测系统；

将所述土体监测系统安装到现场土层中后，采集所述土体监测系统中第一传感器、传感组件和第二传感器的波长变化，根据各传感器的波长变化计算现场土层的土体孔隙水压力、土体倾斜角度以及土体压力。

Images