CN114674475B - 一种大型滑坡岩土体内部应力监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
该发明涉及地质灾害监测预警技术领域，尤其涉及一种大型滑坡岩土体内部应力监测装置及方法。包括传感器缸体，所述传感器缸体的内部开设有空腔，所述空腔的侧壁上设有至少2组压力传递杆件，所述压力传递杆件与空腔的侧壁滑动连接，所述压力传递杆件的一端位于传感器缸体外侧，另一端位于空腔的内部，所述空腔的内部设有气囊，所述气囊的一端设有与之连通的高压气管，所述高压气管从传感器缸体内设置的高压气管通道引出，所述高压气管引出传感器缸体外侧的一端上设有三通阀，所述三通阀的一端与高压气管连接，另一端设置有气压采集组件。本技术方案用以解决现有技术中的应力监测方式所测得的应力与岩土内部实际应力存在较大偏差的问题。
Description
技术领域
该发明涉及地质灾害监测预警技术领域，尤其涉及一种大型滑坡岩土体内部应力监测装置及方法。
背景技术
监测预警是当前地质灾害防御的主要技术手段。目前的地质灾害监测主要以位移监测为主，由于地表形变现象更为直观且相对容易获得，因此在传感器研发方面相对成熟。事实上，滑坡灾害的发生，其本质在于岩土体内部应力的变化，而形变只是应力变化作用的结果，因此形变监测往往具有滞后性，这在一定程度上限制了预警的及时性和可靠性，因此对岩土内部应力进行直接测量，对于消除形变测量的滞后性，提升大型滑坡地质灾害预警预报的及时性和可靠性具有更大的价值。
当前国内外对地质灾害体内部应力监测主要采用两种方式，其一是采用光纤传感器，第二是采用应力盒，这两种方式均需要将传感设备采用水泥砂浆锚固在钻孔内。当前上述两种方式均存在一定的不足，首先，光纤传感器具有成本高，易损坏等问题，因此无法做到大规模应用，而应力盒由于并非专业的孔内应力测量装置，在使用过程中往往存在精度、量程、数据可靠性等问题，因此无法很好的满足滑坡灾害内部应力测量的需求。此外，两种测量方式均需要通过水泥砂浆将传感器锚固于钻孔内部，因此实际测得的应力为锚固砂浆所传递的应力，受砂浆自身强度以及与岩体锚固强度等因素影响，所测得的应力与岩土内部实际应力会有较大偏差，这进一步制约了上述方法的应用效果。
发明内容
针对上述技术的不足，本发明的目的在于提供一种大型滑坡岩土体内部应力监测装置及方法，用以解决现有技术中的应力监测方式所测得的应力与岩土内部实际应力存在较大偏差的问题。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种大型滑坡岩土体内部应力监测装置，包括传感器缸体，所述传感器缸体的内部开设有空腔，所述空腔的侧壁上设有至少2组压力传递杆件，所述压力传递杆件与空腔的侧壁滑动连接，所述压力传递杆件的一端位于传感器缸体外侧，另一端位于空腔的内部，所述空腔的内部设有气囊，所述气囊的一端设有与之连通的高压气管，所述高压气管从传感器缸体内设置的高压气管通道引出，所述高压气管引出传感器缸体外侧的一端上设有三通阀，所述三通阀的一端与高压气管连接，另一端设置有气压采集组件，再一端设置有可拆卸式连接的封闭盖，作为向气囊内部注气和排气通道。
本技术方案的原理为：
首先通过气泵从三通阀向气囊内部注入气体，使压力传递组件位于传感器缸体的外侧一端与待测应力变化岩体抵紧，若岩体发生应力变化时，则压力传递组件受压，向空腔的内部移动，使气囊受压，此时气气囊内部的空间减小使气压发生变化，气压采集组件采集到气囊内部的气压变化，实时远程传递至监测平台，监测平台通过气压变化与岩体关系换算成岩体内部应力变化值。
进一步限定，所述传感器缸体位于高压气管的一端外侧设有橡胶膨胀圈，其有益之处在于，用于拦挡传感器上部孔内掉入的石块等物质，避免对压力传递杆件造成影响。
进一步限定，所述压力传递杆件包括长度相等的内部抵接板和外部抵接板，所述内部抵接板位于传感器缸体的空腔内，所述外部抵接板位于传感器缸体的外侧，所述内部抵接板和外部抵接板之间设有至少3根均布的传递杆，所述传递杆与传感器缸体垂直滑动连接，且其两端分别固定于内部抵接板和外部抵接板上，其有益之处在于，设置至少3根均布的传递杆，受到岩体的应力变化时，使应力的传递更加的均匀能更好的对气囊形成挤压，不易出现一端受力倾斜，使传递杆的滑动效果受到影响的问题。
进一步限定，所述传递杆和传感器缸体的滑动连接部位设有橡胶密封件，其有益之处在于，避免外部水进入缸体内部对气囊的注气和形变造成影响。
进一步限定，所述内部抵接板和外部抵接板的形状为弧形板，且弧形板的开口端朝向传感器缸体的中心，其有益之处在于，弧形板可增强外部抵接板与岩土的基础效果和你传递效果，以及可增强内部抵接板与气囊的接触效果，且增大与气囊的接触面积，提升气囊受挤压时的形变效果。
进一步限定，所述传感器缸体的两端均设有连接头，相邻传感器缸体的连接头之间通过连接杆连接，其有益之处在于，这样的设置可使多个应力检测装置串接，适用于较深的孔洞进行岩体的应力变化监测。
进一步限定，所述传感器缸体的内部设有辅助气管通道，所述辅助气管通道贯穿传感器缸体的两端，且传感器缸体内部空腔的外侧，其有益之处在于，通过将高压气管从上部连接的传感器缸体内设置的辅助气管通道引出，可避免高压气管和岩体直接接触，避免高压气管被岩体挤压变形和损坏的问题。
进一步限定，所述气压采集组件包括气压计、传输装置和电源，所述气压计与三通阀的一端连通用以采集气囊内部气压变化，所述传输装置用于对气压计的压力变化进行实施远程传输，所述电源对传输装置进行供电。
进一步限定，所述三通阀设置封闭盖的一端设有泄压计数组件，括气压控制阀、计数装置和传输装置，所述气压控制阀用以设置气囊的最大气压阈值，所述计数装置用以统计气压控制阀的排气次数，所述传输装置用以将计数装置所采集到的排气次数进行实时传输，其有益之处在于，考虑到气囊承受压力的极限值，通过气压控制阀来调节气囊内部气压的变化值，当气囊压力超过安全控制值，控制阀打开，释放多余气体，并记录释放多余次数。岩体应力总变化量等于各次气压调节前后应力变化值的总和。
本技术方案还公开了一种大型滑坡岩土体内部应力监测装置的方法：
（1）首先在监测点钻孔，孔径略小于压力传递杆件完全伸出时的孔径；
（2）根据现场实际情况，设定监测传感器数量和监测点位置；
（3）将传感器缸体下端的连接头与连接杆相连，连接杆长度根据钻孔深度和监测点位置进行合理设置，连接杆下部置于钻孔底部上端保证将传感器支撑至选定的监测点位置，高压气管延伸至钻孔口外；
（4）将压力传递杆件方向与滑坡运动方向一致，分别在高压气管末端安装三通阀和气压计，预留气压控制阀通道；
（5）利用高压充气泵通过预留气压控制阀通道向缸体内部气囊充气，促使气囊体积膨胀，将压力传递杆件向外不断推挤，达到与钻孔孔壁岩土体的紧密耦合，继续增加气压，直至达到标定气压值停止充气，并安装气压控制阀；
（6）如在统一钻孔内设置有多个应力传感器，则相邻传感器间通过连接杆相连，在连接过程中根据应力监测方向的需要，相邻量传感器压力传递杆件方向保持一致或设置一定角度，下一传感器的高压气管通过辅助气压通道引入钻孔口外，其余步骤同上；
（7）在传感器安装完毕后，将钻孔孔口封闭。
本发明所取得技术效果如下：
本技术方案的结构简单，通过通过压力传递杆件将岩土层破坏时的位移变化转换为应力变化，通过气囊将应力变化转换为气压变化，通过对气压变化的监测从而对岩土层的变化进行监测，相对于传统的监测装置，其对岩土层的应力变化监测更加的灵敏，即提升了地质灾害预警的及时性能和可靠性能。
附图说明
图1为应力监测装置的正视图剖视图示意图。
图2为图1中A-A’截面的剖视图。
图3为图1中B-B’处的剖视图。
附图编号
1.传感器缸体；2.膨胀橡胶圈；3.气囊；4.压力传递杆件；5.高压气管；6. 气压控制阀；7.三通阀；8.气压计；9.接头；10. 橡胶密封件；11.高压气管通道；12.辅助高压气管通道。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
一种大型滑坡岩土体内部应力监测装置，包括传感器缸体1，传感器缸体1的内部开设有空腔，空腔的侧壁上设有至少2组压力传递杆件4，在本实施方式中优选为2组，当然也可以为圆周分布的4组，这样能对孔洞4个方向的应力进行监测和采集，压力传递杆件4与空腔的侧壁滑动连接，在本具体实施方式中，滑动连接采用的是类似于光轴在孔中的滑动的连接方式，压力传递杆件4的一端位于传感器缸体1外侧，另一端位于空腔的内部，空腔的内部设有气囊3，气囊3的一端设有与之连通的高压气管5，高压气管5从传感器缸体1内设置的高压气管通道11引出，高压气管通道11指的是从空腔的一端向传感器缸体1对应的一端贯通设置的通孔，高压气管5引出传感器缸体1外侧的一端上设有三通阀7，三通阀7的一端与高压气管5连接，另一端设置有气压采集组件，再一端设置有可拆卸式连接的封闭盖，作为向气囊3内部注气和排气通道。
首先通过气泵从三通阀7向气囊3内部注入气体，使压力传递组件位于传感器缸体1的外侧一端与待测应力变化岩体抵紧，若岩体发生应力变化时，则压力传递组件受压，向空腔的内部移动，使气囊3受压，此时气气囊3内部的空间减小使气压发生变化，气压采集组件采集到气囊3内部的气压变化，实时远程传递至监测平台，监测平台通过气压变化与岩体关系换算成岩体内部应力变化值。
传感器缸体1位于高压气管5的一端外侧设有膨胀橡胶圈2，用于拦挡传感器上部孔内掉入的石块等物质，避免对压力传递杆件4造成影响。在本具体实施方式中压力传递杆件4包括长度相等的内部抵接板和外部抵接板，内部抵接板位于传感器缸体1的空腔内，外部抵接板位于传感器缸体1的外侧，内部抵接板和外部抵接板之间设有至少3根均布的传递杆，在本具体实施方式中优选为3根，传递杆与传感器缸体1垂直滑动连接，传递杆位于传感器缸体1上开设的通孔内，且其两端分别固定于内部抵接板和外部抵接板上，设置至少3根均布的传递杆，受到岩体的应力变化时，使应力的传递更加的均匀能更好的对气囊3形成挤压，不易出现一端受力倾斜，使传递杆的滑动效果受到影响的问题。
传递杆和传感器缸体1的滑动连接部位设有橡胶密封件10，避免外部水进入缸体内部对气囊3的注气和形变造成影响。内部抵接板和外部抵接板的形状为弧形板，且弧形板的开口端朝向传感器缸体1的中心，弧形板可增强外部抵接板与岩土的接触效果和力传递效果，以及可增强内部抵接板与气囊3的接触效果，且增大与气囊3的接触面积，提升气囊3受挤压时的形变效果。
传感器缸体1的两端均设有连接头9，相邻传感器缸体1的连接头9之间通过连接杆连接，这样的设置可使多个应力检测装置串接，适用于较深的孔洞进行岩体的应力变化监测。传感器缸体1的内部设有辅助高压气管通道12，辅助高压气管通道12贯穿传感器缸体1的两端，且传感器缸体1内部空腔的外侧，通过将高压气管5从上部连接的传感器缸体1内设置的辅助高压气管通道12引出，可避免高压气管5和岩体直接接触，避免高压气管5被岩体挤压变形和损坏的问题。
气压采集组件包括气压计8、传输装置和电源，气压计8与三通阀7的一端连通用以采集气囊3内部气压变化，传输装置用于对气压计8的压力变化进行实施远程传输，电源对传输装置进行供电。三通阀7设置封闭盖的一端设有泄压计数组件，括气压控制阀6、计数装置和传输装置，气压控制阀6用以设置气囊3的最大气压阈值，计数装置用以统计压控控制阀的排气次数，传输装置用以将计数装置所采集到的排气次数进行实时传输，考虑到气囊3承受压力的极限值，通过气压控制阀66来调节气囊3内部气压的变化值，当气囊3压力超过安全控制值，控制阀打开，释放多余气体，并记录释放多余次数。岩体应力总变化量等于各次气压调节前后应力变化值的总和。
本技术方案还公开了一种大型滑坡岩土体内部应力监测装置的方法：
（1）首先在监测点钻孔，孔径略小于压力传递杆件4完全伸出时的孔径；
（2）根据现场实际情况，设定监测传感器数量和监测点位置；
（3）将传感器缸体1下端的连接头9与连接杆相连，连接杆长度根据钻孔深度和监测点位置进行合理设置，连接杆下部置于钻孔底部上端保证将传感器支撑至选定的监测点位置，高压气管5延伸至钻孔口外；
（4）将压力传递杆件4方向与滑坡运动方向一致，分别在高压气管5末端安装三通阀7和气压计8，预留气压控制阀6通道；
（5）利用高压充气泵通过预留气压控制阀6通道向缸体内部气囊3充气，促使气囊3体积膨胀，将压力传递杆件4向外不断推挤，达到与钻孔孔壁岩土体的紧密耦合，继续增加气压，直至达到标定气压值停止充气，并安装气压控制阀6；
（6）如在统一钻孔内设置有多个应力传感器，则相邻传感器间通过连接杆相连，在连接过程中根据应力监测方向的需要，相邻量传感器压力传递杆件4方向保持一致或设置一定角度，下一传感器的高压气管5通过辅助气压通道引入钻孔口外，其余步骤同上；
（7）在传感器安装完毕后，将钻孔孔口封闭。
需要提前说明的是，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定” 等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (7)
1.一种大型滑坡岩土体内部应力监测装置，其特征在于，包括传感器缸体，所述传感器缸 体的内部开设有空腔，所述空腔的侧壁上设有至少 2 组压力传递杆件，所述压力传递杆件方向与滑坡运动方向一致，所述压力传递杆件与空腔的侧壁滑动连接，所述压力传递杆件的一 端位于传感器缸体外侧，另一端位于空腔的内部，所述空腔的内部设有气囊，所述气囊的一端设有与之连通的高压气管，所述高压气管从传感器缸体内设置的高压气管通道引出，所述 高压气管引出传感器缸体外侧的一端上设有三通阀，所述三通阀的一端与高压气管连接，另一端设置有气压采集组件，再一端设置有可拆卸式连接的封闭盖，作为向气囊内部注气和排气通道；所述传感器缸体位于高压气管的一端外侧设有橡胶膨胀圈；所述压力传递杆件包括长度相等的内部抵接板和外部抵接板，所述内部抵接板位于传感器缸体的空腔内，所述外部抵接板位于传感器缸体的外侧，所述内部抵接板和外部抵接板之间设有至少 3 根均布的传递 杆，所述传递杆与传感器缸体垂直滑动连接，且其两端分别固定于内部抵接板和外部抵接板上；所述三通阀设置封闭盖的一端设有泄压计数组件，包括气压控制阀、计数装置和传输装置，所述气压控制阀用以设置气囊的最大气压阈值，所述计数装置用以统计压控控制阀的排气次数，所述传输装置用以将计数装置所采集到的排气次数进行实时传输。
2.根据权利要求 1 所述的一种大型滑坡岩土体内部应力监测装置，其特征在于，所述传递杆和传感器缸体的滑动连接部位设有橡胶密封件。
3.根据权利要求 1 所述的一种大型滑坡岩土体内部应力监测装置，其特征在于，所述内部抵接板和外部抵接板的形状为弧形板，且弧形板的开口端朝向传感器缸体的中心。
4.根据权利要求 1 所述的一种大型滑坡岩土体内部应力监测装置，其特征在于，所述传感器缸体的两端均设有连接头，相邻传感器缸体的连接头之间通过连接杆连接。
5.根据权利要求 4 所述的一种大型滑坡岩土体内部应力监测装置，其特征在于，所述传感器缸体的内部设有辅助气管通道，所述辅助气管通道贯穿传感器缸体的两端。
6.根据权利要求 1 所述的一种大型滑坡岩土体内部应力监测装置，其特征在于，所述气压采集组件包括气压计、传输装置和电源，所述气压计与三通阀的一端连通用以采集气囊内部 气压变化，所述传输装置用于对气压计的压力变化进行实施远程传输，所述电源对传输装置 进行供电。
7.根据权利要求 1 所述的一种大型滑坡岩土体内部应力监测装置的方法，其特征在于，（1）首先在监测点钻孔，孔径略小于压力传递杆件完全伸出时的孔径；（2）根据现场实际情况，设定监测传感器数量和监测点位置；（3）将传感器缸体下端的连接头与连接杆相连，连接杆长度根据钻孔深度和监测点位置进行合理设置，连接杆下部置于钻孔底部上端保证将传感器支撑至选定的监测点位置，高压气管 延伸至钻孔口外；（4）将压力传递杆件方向与滑坡运动方向一致，分别在高压气管末端安装三通阀和气压计， 预留气压控制阀通道；（5）利用高压充气泵通过预留气压控制阀通道向缸体内部气囊充气，促使气囊体积膨胀，将压力传递杆件向外不断推挤，达到与钻孔孔壁岩土体的紧密耦合，继续增加气压，直至达到标定气压值停止充气，并安装气压控制阀；（6）如在统一钻孔内设置有多个应力传感器，则相邻传感器间通过连接杆相连，在连接过程中根据应力监测方向的需要，相邻两传感器压力传递杆件方向保持一致或设置一定角度，下 一传感器的高压气管通过辅助气压通道引入钻孔口外，其余步骤同上； （7）在传感器安装完毕后，将钻孔孔口封闭 。
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