CN114840904B - 一种土质边坡自动监测及稳定判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种土质边坡自动监测及稳定判定方法，属于边坡监测技术领域，将现场测量得到的土壤含水量与室内试验得到的含水率进行修正，获得较为准确的现场含水率值。同时将修正后的含水率值与室内得到的不同含水率与黏聚力和内摩擦角关系曲线进行内插法计算，获得坡体实际黏聚力和内摩擦角值，进而计算坡体的稳定性，给出判断依据。采用土壤含水率测定仪测量边坡土体的含水率变化，并通过自动化设备进行传输，不仅可以测量边坡土体不同时间段的土体含水率变化，还能将测量的数据自动上传，提高了监测效率，自动化程度较高，省时省力。

Description

一种土质边坡自动监测及稳定判定方法

技术领域

本发明涉及边坡监测技术领域，尤其涉及一种土质边坡自动监测及稳定判定方法。

背景技术

在边坡工程建设领域，往往需要对边坡进行监测，包括前期、中期以及后期全过程的监测。边坡产生滑坡的原因除了自身地质条件以外，还与人为开挖有关，坡体内部的水文条件及坡体排水不畅对边坡的影响也较大。大部分边坡滑塌的原因与水的存在密不可分，水会直接影响土体内部的水压力变化，不仅会使得土体重量增加，还会降低土颗粒间的粘滞力，从而降低土体的剪切强度，导致边坡失稳，产生滑坡灾害。目前对于边坡的监测方式多种多样，各有利弊。因此，需要设计一种更加精准的，根据边坡的实际成分及含量进行监测的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土质边坡自动监测及稳定判定方法，解决背景技术中提到的技术问题。本发明从坡体本身的含水率、黏聚力、内摩擦角等变化出发来综合判定边坡的稳定情况，可时时了解坡体含水率情况及坡体稳定情况，同时还采用了自动化监测设备进行数据的监测收集，智能化程度较高。在此基础上，还可以更换其它监测设备，实现不同参数的测量需求，可开发的应用前景较大。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种土质边坡自动监测及稳定判定方法，所述方法包括如下步骤：

S1、对所监测边坡的不同典型断面进行不同土层钻探，获得具有代表性的不同土层的钻探土样；

S2、将现场获得的不同土层的土样进行室内试验，获得相关物理力学性质参数，得到不同土体含水率w与黏聚力c和内摩擦角之间的变化关系曲线/>

S3、将含水率测定装置与所测土体进行初步测量，获得含水率数据，得到含水率修正系数α；

S4、将土壤含水率测定仪埋入不同深度处的钻探孔内，测量土体内部不同深度处的含水率值，并接入自动化传输设备上进行数据传输；

S5、将现场获得的含水率通过修正系数α进行修正，将修正后的含水率值与室内试验对应的含水率进行内插法计算，获得现场含水率w对应的黏聚力c和内摩擦角

S6、将获得的现场黏聚力c和内摩擦角自动输入三维地质模型中进行分析计算；

S7、通过三维地质模型的计算获得坡体在此刻黏聚力c和内摩擦角下的变形情况，并进一步计算边坡的安全稳定系数Fs；

S8、基于安全稳定系数Fs判定边坡的稳定情况，是否需要采取进一步的加固措施，用以指导边坡现场施工。

进一步地，S1步骤中，依据设计图纸和地勘报告，并结合现场边坡实际情况，选择边坡可能滑移的断面，设置边坡监测点，不同土层的钻探深度与坡体可能失稳的滑移深度有关，应根据坡体土层分布情况进行合理钻探。

进一步地，S2步骤中，室内试验中获得的岩土力学参数包括土体容重γ、含水率w、黏聚力c和内摩擦角通过计算绘制不同含水率w条件下的黏聚力c和内摩擦角/>之间的变化关系曲线/>并通过抗剪强度公式/>获得土体的抗剪强度，将现场坡体不同土层分别命名为A1、A2……AN，相对应的容重分别为γ1-0、γ1-1……γ1-N，γ2-0、γ2-1……γ2-N，黏聚力为c1-0、c1-1……c1-N，内摩擦角为/>

进一步地，S3步骤中，含水率测定装置包括GNSS天线、蓄电池、电路板、传输电缆、若干个含水率测定仪、含水率测针和太阳能板，若干个含水率测定仪设置在土体的不同深度，含水率测针设置在含水率测定仪的侧边，若干个含水率测定仪通过传输电缆与设置在地面电路板连接，GNSS天线与电路板连接，太阳能板与蓄电池连接充电，蓄电池与电路板连接供电，GNSS天线将检测的数据传给远程客户端。

进一步地，S3步骤中，含水率测定仪还需要根据现场监测边坡情况做进一步的测定值修正，得到修正系数α，对将要使用的含水率测定仪埋入监测土体不同位置处，测量土体的含水率值，同时取埋入点的土体进行室内试验，获得室内含水率测定值，将两者进行对比分析，获得含水率测定仪的修正系数α。

进一步地，S4步骤中，所有土壤含水率测定仪收集边坡各个孔位在不同深度对应下的含水率值，同时对测量所得值进行修正，获得土体实际含水率值。

进一步地，S5步骤中，将现场测量得到的含水率进行系统自动修正，将修正后的含水率值与步骤S2中得到的黏聚力和内摩擦角关系曲线进行内插法计算，获得现场实际含水率对应下的黏聚力和内摩擦角值。

进一步地，S6步骤中，输入三维地质模型中进行分析计算的参数包括当前边坡土体的容重，现场边坡实际黏聚力和内摩擦角值，将步骤S4中通过内插法计算得到的黏聚力和内摩擦角及相应土体容重等参数输入三维地质模型中进行运行分析计算。

进一步地，S7步骤中，计算得到的三维地质模型包括初始含水率、初始黏聚力以及初始内摩擦角下的模型，以及由于含水率变化导致黏聚力和内摩擦角变化后的模型对比，三维地质模型采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型进行计算，边坡安全稳定系数Fs为抗滑力与滑动力的比值，通过计算获得当前含水率和内摩擦角对应的坡体变形图，并与初始含水率和初始黏聚力以及内摩擦角计算得到的坡体模型进行对比分析，得到坡体的变形量，估算坡体的可能失稳滑移土方量，同时进一步计算坡体的整体安全稳定系数Fs。

进一步地，S8步骤中，通过对步骤S6中计算得到的安全稳定系数Fs进行自动对比，当Fs＜1时，边坡即将发生破坏，当Fs＝1时，边坡处于极限平衡状态，当Fs＞1时，边坡处于稳定状态，其中当Fs≤1时，边坡需要采取进一步的加固措施，防治边坡产生滑坡，重复步骤S5至S8可实现另一时刻含水率下的黏聚力和内摩擦角对应的边坡稳定情况。

本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明采用土壤含水率测定仪测量边坡土体的含水率变化，并通过自动化设备进行传输，不仅可以测量边坡土体不同时间段的土体含水率变化，还能将测量的数据自动上传，提高了监测效率，自动化程度较高，省时省力。

(2)将现场测量得到的土壤含水量与室内试验得到的含水率进行修正，获得较为准确的现场含水率值。同时将修正后的含水率值与室内得到的不同含水率与黏聚力和内摩擦角关系曲线进行内插法计算，获得坡体实际黏聚力和内摩擦角值。

(3)通过当前计算的坡体模型与初始含水率、初始黏聚力、初始内摩擦角下的边坡模型进行对比，获得前后的变化量，推算可能产生土方滑移量。

(4)通过三维地质模型的计算分析，可以获得土体不同黏聚力和内摩擦角下的稳定状态，判定边坡是否需要采取加固措施。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是本发明土体含水率测定布置示意图。

附图中，1、GNSS天线，2、蓄电池及电路板，3、土体，4、传输电缆，5、含水率测定仪，6、传感器探针，7、太阳能板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

如图1-2所示，一种土质边坡自动监测及稳定判定方法，所述方法包括如下步骤：

S1、对所监测边坡的不同典型断面进行不同土层钻探，获得具有代表性的不同土层的钻探土样。依据设计图纸和地勘报告，并结合现场边坡实际情况，选择边坡可能滑移的断面，设置边坡监测点，不同土层的钻探深度与坡体可能失稳的滑移深度有关，应根据坡体土层分布情况进行合理钻探。

S2、将现场获得的不同土层的土样进行室内试验，获得相关物理力学性质参数，得到不同土体含水率w与黏聚力c和内摩擦角之间的变化关系曲线。室内试验中获得的岩土力学参数包括土体容重γ、含水率w、黏聚力c和内摩擦角/>通过计算绘制不同含水率w条件下的黏聚力c和内摩擦角/>之间的变化关系曲线/>并通过抗剪强度公式获得土体的抗剪强度，将现场坡体不同土层分别命名为A1、A2……AN，相对应的容重分别为γ1-0、γ1-1……γ1-N，γ2-0、γ2-1……γ2-N，黏聚力为c1-0、c1-1……c1-N，内摩擦角为/>如下表所示。

表1为不同土层检测数据表

S3、将含水率测定装置与所测土体进行初步测量，获得含水率数据，得到含水率修正系数α。如图2所示，含水率测定装置包括GNSS天线1、蓄电池2、电路板2、传输电缆4、若干个含水率测定仪5、含水率测针6和太阳能板7，若干个含水率测定仪5设置在土体3的不同深度，含水率测针6设置在含水率测定仪5的侧边，若干个含水率测定仪5通过传输电缆4与设置在地面电路板2连接，GNSS天线1与电路板2连接，太阳能板7与蓄电池2连接充电，蓄电池2与电路板2连接供电，GNSS天线1将检测的数据传给远程客户端。含水率测定仪还需要根据现场监测边坡情况做进一步的测定值修正，得到修正系数α，对将要使用的含水率测定仪埋入监测土体不同位置处，测量土体的含水率值，同时取埋入点的土体进行室内试验，获得室内含水率测定值，将两者进行对比分析，获得含水率测定仪的修正系数α。

S4、将土壤含水率测定仪埋入不同深度处的钻探孔内，测量土体内部不同深度处的含水率值，并接入自动化传输设备上进行数据传输。所有土壤含水率测定仪收集边坡各个孔位在不同深度对应下的含水率值，同时对测量所得值进行修正，获得土体实际含水率值。

S5、将现场获得的含水率通过修正系数α进行修正，将修正后的含水率值与室内试验对应的含水率进行内插法计算，获得现场含水率w对应的黏聚力c和内摩擦角将现场测量得到的含水率进行系统自动修正，将修正后的含水率值与步骤S2中得到的黏聚力和内摩擦角关系曲线进行内插法计算，获得现场实际含水率对应下的黏聚力和内摩擦角值。

S6、将获得的现场黏聚力c和内摩擦角输入三维地质模型中进行分析计算。输入三维地质模型中进行分析计算的参数包括当前边坡土体的容重，现场边坡实际黏聚力和内摩擦角值，将步骤S4中通过内插法计算得到的黏聚力和内摩擦角及相应土体容重等参数输入三维地质模型中进行自动运行分析计算。

S7、通过三维地质模型的计算获得坡体在此刻黏聚力c和内摩擦角下的变形情况，并进一步计算边坡的安全稳定系数Fs。计算得到的三维地质模型包括初始含水率、初始黏聚力以及初始内摩擦角下的模型，以及由于含水率变化导致黏聚力和内摩擦角变化后的模型对比，三维地质模型采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型进行计算，边坡安全稳定系数Fs为抗滑力与滑动力的比值，通过计算获得当前含水率和内摩擦角对应的坡体变形图，并与初始含水率和初始黏聚力以及内摩擦角计算得到的坡体模型进行对比分析，得到坡体的变形量，估算坡体的可能失稳滑移土方量，同时进一步计算坡体的整体安全稳定系数Fs。

S8、基于安全稳定系数Fs判定边坡的稳定情况，是否需要采取进一步的加固措施，用以指导边坡现场施工。通过对步骤S6中计算得到的安全稳定系数Fs进行自动对比，当Fs＜1时，边坡即将发生破坏，当Fs＝1时，边坡处于极限平衡状态，当Fs＞1时，边坡处于稳定状态，其中当Fs≤1时，边坡需要采取进一步的加固措施，防治边坡产生滑坡，重复步骤S5至S8可实现另一时刻含水率下的黏聚力和内摩擦角对应的边坡稳定情况。

采用精度较高的土壤含水率测定仪测定边坡土体不同时间段内的含水率，并进行自动化数据传输。通过测量现场土体含水率，将修正后的含水率值与前期室内试验得到的不同含水率与黏聚力和内摩擦角之间的关系曲线进行内插法计算，得到土体当前黏聚力和内摩擦角。通过土体黏聚力和内摩擦角计算当前土体的状态，并可与初始含水率、初始黏聚力、初始内摩擦角下的边坡进行对比，获得土体在此刻黏聚力和内摩擦角下的变形量，推算当前可能的土方滑移量。

发明中测量土体含水率的设备不止局限于本发明提供的样式，应包含所有可测量含水率并可进行数据传输的设备，若替换本发明中的含水率测定仪型号等，应包含在本发明内。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种土质边坡自动监测及稳定判定方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1、对所监测边坡的不同典型断面进行不同土层钻探，获得具有代表性的不同土层的钻探土样；

S2、将现场获得的不同土层的土样进行室内试验，获得相关物理力学性质参数，得到不同土体含水率w与黏聚力c和内摩擦角之间的变化关系曲线；

S3、将含水率测定装置与所测土体进行初步测量，获得含水率数据，得到含水率修正系数α；

S4、将土壤含水率测定仪埋入不同深度处的钻探孔内，测量土体内部不同深度处的含水率值，并接入自动化传输设备上进行数据传输；

S5、将现场获得的含水率通过修正系数α进行修正，将修正后的含水率值与室内试验对应的含水率进行自动内插法计算，获得现场含水率w对应的黏聚力c和内摩擦角

S6、将获得的现场黏聚力c和内摩擦角自动输入三维地质模型中进行分析计算；

S7、通过三维地质模型的计算获得坡体在此刻黏聚力c和内摩擦角下的变形情况，并进一步计算边坡的安全稳定系数Fs；

S8、基于安全稳定系数Fs判定边坡的稳定情况，给出计算书，是否需要采取进一步的加固措施，用以指导边坡现场施工。

2.根据权利要求1所述的一种土质边坡自动监测及稳定判定方法，其特征在于：S1步骤中，依据设计图纸和地勘报告，并结合现场边坡实际情况，选择边坡可能滑移的断面，设置边坡监测点，不同土层的钻探深度与坡体可能失稳的滑移深度有关，应根据坡体土层分布情况进行合理钻探。

3.根据权利要求1所述的一种土质边坡自动监测及稳定判定方法，其特征在于：S2步骤中，室内试验中获得的岩土力学参数包括土体容重γ、含水率w、黏聚力c和内摩擦角通过计算绘制不同含水率w条件下的黏聚力c和内摩擦角/>之间的变化关系曲线，并通过抗剪强度公式/>获得土体的抗剪强度，将现场坡体不同土层分别命名为A1、A2……AN，相对应的容重分别为γ1-0、γ1-1……γ1-N，γ2-0、γ2-1……γ2-N，黏聚力为c1-0、c1-1……c1-N，内摩擦角为/>

4.根据权利要求1所述的一种土质边坡自动监测及稳定判定方法，其特征在于：S3步骤中，含水率测定装置包括GNSS天线、蓄电池、电路板、传输电缆、若干个含水率测定仪、含水率测针和太阳能板，若干个含水率测定仪设置在土体的不同深度，含水率测针设置在含水率测定仪的侧边，若干个含水率测定仪通过传输电缆与设置在地面电路板连接，GNSS天线与电路板连接，太阳能板与蓄电池连接充电，蓄电池与电路板连接供电，GNSS天线将监测的数据传给远程客户端。

5.根据权利要求4所述的一种土质边坡自动监测及稳定判定方法，其特征在于：S3步骤中，含水率测定仪还需要根据现场监测边坡情况做进一步的测定值修正，得到修正系数α，对将要使用的含水率测定仪埋入监测土体不同位置处，测量土体的含水率值，同时取埋入点的土体进行室内试验，获得室内含水率测定值，将两者进行对比分析，获得含水率测定仪的修正系数α。

6.根据权利要求4所述的一种土质边坡自动监测及稳定判定方法，其特征在于：S4步骤中，所有土壤含水率测定仪收集边坡各个孔位在不同深度对应下的含水率值，同时对测量所得值进行修正，获得土体实际含水率值。

7.根据权利要求4所述的一种土质边坡自动监测及稳定判定方法，其特征在于：S5步骤中，将现场测量得到的含水率进行系统自动修正，将修正后的含水率值与步骤S2中得到的黏聚力和内摩擦角关系曲线进行内插法计算，获得现场实际含水率对应下的黏聚力和内摩擦角值。

8.根据权利要求1所述的一种土质边坡自动监测及稳定判定方法，其特征在于：S6步骤中，输入三维地质模型中进行分析计算的参数包括当前边坡土体的容重，现场边坡实际黏聚力和内摩擦角值，将步骤S4中通过内插法计算得到的黏聚力和内摩擦角及相应土体容重等参数输入三维地质模型中进行运行分析计算。

9.根据权利要求1所述的一种土质边坡自动监测及稳定判定方法，其特征在于：S7步骤中，计算得到的三维地质模型包括初始含水率、初始黏聚力以及初始内摩擦角下的模型，以及由于含水率变化导致黏聚力和内摩擦角变化后的模型对比，三维地质模型采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型进行计算，边坡安全稳定系数Fs为抗滑力与滑动力的比值，通过计算获得当前含水率和内摩擦角对应的坡体变形图，并与初始含水率和初始黏聚力以及初始内摩擦角计算得到的坡体模型进行对比分析，得到坡体的变形量，估算坡体的可能失稳滑移土方量，同时进一步计算坡体的整体安全稳定系数Fs。

10.根据权利要求9所述的一种土质边坡自动监测及稳定判定方法，其特征在于：S8步骤中，通过对步骤S6中计算得到的安全稳定系数Fs进行自动对比，当Fs＜1时，边坡即将发生破坏，当Fs＝1时，边坡处于极限平衡状态，当Fs＞1时，边坡处于稳定状态，其中当Fs≤1时，边坡需要采取进一步的加固措施，防治边坡产生滑坡，同时给出相应计算书，重复步骤S5至S8可实现另一时刻含水率下的黏聚力和内摩擦角对应的边坡稳定情况。