CN115387407A - 用于挡土墙预警的全覆盖式柔性感知薄膜、系统及方法 - Google Patents

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牟启硕
辛公锋
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姜鹏
范开亮
张小宁
郝建文
包振昊
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Abstract

本发明提供了一种用于挡土墙预警的全覆盖式柔性感知薄膜、系统及方法，柔性感知薄膜中的上微结构和下微结构均包括多个半球形微结构，错位相对布设，形成互锁微穹顶阵列；第一柔性衬底的上部设置有若干孔隙水压力监测单元和地下水位监测单元。本发明综合考虑影响挡土墙崩塌破坏的多重因素，实现挡土墙承压面受力状态的长距离、分布式监测，能够在复杂载荷环境中同时采集多种荷载信号对挡土墙结构的变形与受力情况进行全时空监测。

Description

用于挡土墙预警的全覆盖式柔性感知薄膜、系统及方法
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种用于挡土墙预警的全覆盖式柔性感知薄膜、系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
挡土墙是指支承路基填土或边坡土体、防止土体变形失稳的构造物，可以有效防止路基边坡或地基滑动，在确保路基稳定中发挥重要作用。随着我国基础设施建设的力度不断加大，挡土墙在实际工程中的应用也越来越广泛。然而，在挡土墙施工过程中，由于工程材料缺陷、施工质量不佳、设计考虑不周等原因，挡土墙结构中会不断地出现损伤，尤其是与支撑土体直接接触的墙背部位，会出现裂缝。如果挡土墙这种损伤不能够及时发现，这种损伤便会进一步的发展，最终造成挡土墙结构破坏，甚至造成人员伤亡等惨痛事故。
目前用于挡土墙安全监测预警的各种系统或装置主要基于微波雷达、激光测距传感器、倾角传感器、光纤传感器、压力传感器、应力传感器等一种或者几种传感器的组合，无法同时实现挡土墙承压面全覆盖的监测，对挡土墙出现损伤部位无法做成准确判断，且监测系统复杂，实施成本高，监测精度低，实用性不强。综上所述，现有的挡土墙监测技术存在的问题如下：
(1)现有的监测技术仍属于局部点式监测，难以实现挡土墙承压面全覆盖式监测，不能准确判断出挡土墙损伤部位的具体位置，容易造成薄弱点的漏监，难以完成挡土墙结构的大面积普查的要求。
(2)现有监测方法多采用在挡土墙开孔或开槽等传统方法，工作效率低，且破坏了挡土墙结构的整体性。
(3)现有的监测设备仅通过挡土墙的滑移破坏进行监测预警，未考虑倾覆、滑移和整体稳定性等多种因素的综合作用，与挡土墙的崩塌破坏机理不符。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种用于挡土墙预警的全覆盖式柔性感知薄膜、系统及方法，本发明综合考虑影响挡土墙崩塌破坏的多重因素，实现挡土墙承压面受力状态的长距离、分布式监测，能够在复杂载荷环境中同时采集多种荷载信号对挡土墙结构的变形与受力情况进行全时空监测。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
一种用于挡土墙预警的全覆盖式柔性感知薄膜，包括由上至下依次设置的第一柔性衬底、上电极层、上导电基质层、下导电基质层、下电极层、第二柔性衬底、胶结剂层和封装层；
所述上导电基质层具有上微结构，所述下导电基质层具有下微结构，所述上微结构和下微结构均包括多个半球形微结构，错位相对布设，形成互锁微穹顶阵列；
所述第一柔性衬底的上部设置有若干孔隙水压力监测单元和地下水位监测单元。
作为可选择的实施方式，所述第一柔性衬底、第二柔性衬底材质为聚二甲基硅氧烷或聚对苯二甲酸乙二醇酯，厚度取为200～400μm。
作为可选择的实施方式，所述上电极层和下电极层为金属导电胶带，具有双面粘接功能，厚度取为200～400μm，用于导线引出与外部电路相连。
作为可选择的实施方式，所述上导电基质层和下导电基质层为石墨烯纳米片和环氧树脂的混合体，石墨烯纳米片零乱地分布于环氧树脂中形成导电网络；
或，
上导电基质层和下导电基质层为碳纳米管和聚二甲基硅氧烷复合分散溶液。
作为可选择的实施方式，所述上微结构和下微结构相邻上下半球面相切形成互锁微穹顶阵列，所述互锁微穹顶阵列的拉伸传感机制基于微穹顶之间的接触面积随拉伸比的变化而变化，互锁微穹顶阵列的受压传感机制基于微穹顶之间的接触面积随压缩比的变化而变化；根据输出电流的增减以及变化幅度判断柔性感知薄膜的拉压力以及大小。
作为可选择的实施方式，所述的上微结构设置有互不相同的第一独立编号，所述的下微结构设置有互不相同的第二独立编号，所述互锁微穹顶阵列根据第一独立编号和第二独立编号实现在所述柔性感知薄膜中的定位。
上述柔性感知薄膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、使用制备好的石墨烯纳米片-环氧树脂复合分散溶液或碳纳米管-聚二甲基硅氧烷复合分散溶液，根据几何模型打印出具有微半球图案的弹性体薄膜，得到上导电基质层和下导电基质层，将上下微结构相对错位放置，得到互锁微穹顶阵列；
步骤2、将上、下电极层的双面金属导电胶带的一侧分别与上、下导电基质层粘接形成一个整体；
步骤3、将上电极层与下电极层的双面金属导电胶带的另一侧分别与第一柔性衬底与第二柔性衬底粘接，形成柔性感知薄膜的主体结构；
步骤4、在第二柔性衬底底部均匀涂抹胶结剂，得到胶结剂层；
步骤5、使用塑料薄膜将胶结剂层迅速密封得到封装层；
步骤6、使用环氧植筋胶分别将若干孔隙水压力监测单元和地下水位监测单元沿纵向胶接在第一柔性衬底上表面。
作为可选择的实施方式，所述步骤1中，制备碳纳米管-聚二甲基硅氧烷复合分散溶液包括取一定量的碳纳米管粉末按照设定的比例加入到相应质量的异丙醇溶液中，通过搅拌使碳纳米管均匀分散在异丙醇溶液中；按照设定比例加入聚二甲基硅氧烷基体和固化剂，搅拌均匀得到碳纳米管-聚二甲基硅氧烷复合分散溶液。
作为可选择的实施方式，所述步骤3中，所述第一柔性衬底与第二柔性衬底预先制备，且制备过程包括将熔融态的聚二甲基硅氧烷或聚对苯二甲酸乙二醇酯，进行离心操作，消除气泡，然后倒入模具并冷却一定时间，使其固化完成得到柔性衬底层。
一种用于挡土墙安全监测预警的系统，包括上述柔性感知薄膜、数据采集设备、数据分析设备、控制器以及远程终端，其中：
所述柔性感知薄膜，设置于挡土墙上，利用互锁微穹顶阵列检测柔性感知薄膜受到的拉/压力以及孔隙水压力和地下水位信息；
所述数据采集设备，与柔性感知薄膜通过导线连接，用于获取采集信号，并对采集信号进行预处理；
所述数据分析设备，与数据采集设备连接，用于将预处理后的采集信号与标准荷载数据库进行对比，根据信号特点区分柔性感知薄膜当前受压或受拉状态，结合破坏数学模型计算得到挡土墙实时安全系数和风险指数；
所述控制器，与所述数据分析设备连接，用于根据挡土墙实时安全系数和风险指数阈值发出警报信号；
所述远程终端，与控制器通信，用于实时查看报警信息和报警位置。
作为可选择的实施方式，所述数据分析设备，被配置为计算实时安全系数的过程为现有结构抵抗力负载能力和现有的负荷的比值；风险指数为缺陷因子和实时安全系数的比值。
上述系统的工作方法，包括以下步骤：
步骤1.在挡土墙服役前，将挡土墙墙背表面整平，并根据挡土墙实际情况选择适配尺寸的柔性感知薄膜，将封装层揭开并迅速粘贴到待测的挡土墙面，保持粘贴紧密度；
步骤2.所有的柔性感知薄膜铺设完成后，引出内部导线，各柔性感知薄膜的互锁微穹顶阵列通过导线串联形成监测通路；
步骤3.将挡土墙墙背与支护土体之间的空隙用土体填充；
步骤4.获取采集信号；
步骤5.将采集信号与标准荷载数据库进行对比，根据采集信号特点区分柔性感知薄膜当前受压或受拉状态，然后结合破坏数学模型计算得到挡土墙实时安全系数和风险指数；
步骤6.控制器根据分析结果，需要预警时发出报警信号；
步骤7.将报警信息上传，供远程终端实时查看报警信息和报警位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明基于压阻效应原理，研发的一种柔性感知薄膜，具有与挡土墙良好的共形能力，监测精度高的同时，还能实现挡土墙承压面受压或受拉状态的全覆盖式测量，克服了传统测量方法的单点式测量，具有重要的工程应用价值。
(2)本发明在导电基质层中引入了半球形微结构，可以提高柔性感知薄膜的灵敏度以及增大压力响应范围，互锁微穹顶阵列特殊结构的形成有利于根据变形状态区分薄膜的拉压受力状态，得到挡土墙所受土压力、应变等多种监测数据。依靠上下微结构的独立编号，可以定位挡土墙任意位置的载荷信息，从而实现灾变部位的准确定位。
(3)本发明基于挡土墙崩塌破坏机理，综合倾覆、滑移和整体稳定性等多种破坏因素，结合挡土墙破坏数学模型，设置合理的阈值条件，能够在挡土墙坍塌之前及时的发出预警信息，以便管理人员及时对其做出维修。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为柔性感知薄膜局部示意图；
图2为柔性感知薄膜受压原理示意图；
图3为柔性感知薄膜受拉原理示意图；
图4为柔性感知薄膜全断面示意图；
图5为柔性感知薄膜俯视示意图；
图6为挡土墙背面灾变预警系统布置示意图；
图7为报警控制器工作原理框图；
图8为挡土墙灾变预警系统原理框图。
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。
其中，1、第一柔性衬底；2、上电极层；3、上导电基质层；4、上微结构；5、下微结构；6、下导电基质层；7、下电极层；8、第二柔性衬底；9、胶结剂层；10、封装层；11、孔隙水压力监测单元；12、地下水位监测单元；13、悬臂式挡土墙；14、互锁微穹顶阵列；15、柔性感知薄膜；16、导线若干；17、数据采集设备；18、数据分析设备；19、蓄电池；20、太阳能发电板；21、控制器；22、无线发射器；23、云端数据库；24、远程终端。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有监测技术存在不足，为了解决现有技术中存在的诸多技术难题，本实施例提供了一种用于挡土墙受力-变形全覆盖式测量的柔性感知薄膜及灾变预警系统，主要是为了满足挡土墙等建筑物长距离大范围的分布式监测需求，充分利用柔性材料可拉伸性好、协同变形能力高的优势，提高了监测的精度以及监测响应范围，通过在导电基质层内部设置上下两层半球形微结构构成互锁微穹顶阵列，在提高柔性感知薄膜灵敏度的同时，完成了在复杂载荷环境对多种荷载信号的全面采集，并实现了灾变部位的准确感知。
弥补了传统监测手段仅能监测单一荷载或需要依靠多种传感器协同监测的不足，避免了薄弱点漏监情况的发生。
根据所测得的压力、拉力等载荷信息，以及孔隙水压力和地下水位信息，结合破坏数学模型对监测数据进行实时分析，得到实时安全系数FOSins和风险指数Ri，再根据得出的风险指数Ri值的大小和阈值，向监测终端发出不同等级的实时预警信号。
下面具体介绍本发明的各部分。
首先，本实施例提出的柔性感知薄膜，如图4所示，包括地下水位监测单元(12)、孔隙水压力监测单元(11)、1层封装层(10)、1层胶结剂层(9)、2层柔性衬底层(1和8)、2层电极层(2和7)、2层导电基质层(3和6)以及其上的2层微结构(4和5)。
进一步的，上述的上导电基质层(3)和下导电基质层(6)使用石墨烯纳米片-环氧树脂或碳纳米管-PDMS复合分散溶液并通过3D打印技术打印出具有微半球图案的弹性体薄膜，如图1所示的上下导电基质层表面的半球形微结构(4和5)错位相对形成互锁微穹顶阵列。
上微结构(4)设置有互不相同的第一独立编号，下微结构(5)设置有互不相同的第二独立编号，使用过程中可以根据编号信息实现对任意位置的实时监测。上导电基质层(3)的上部为上电极层(2)，下导电基质层(6)的下部为下电极层(7)，电极层的材质为双面金属导电胶带，通过引出导线与外部测试电路相连。
为了实现柔性感知薄膜的绝缘防水功能以及良好的柔韧性，使用PDMS或PET材料在电极层的外部分别胶接一层柔性衬底，其中上电极层(2)的上部胶接第一柔性衬底(1)，下电极层(7)的下部胶接第二柔性衬底(8)；第二柔性衬底(8)下部为胶结剂层(9)，使用的胶结剂为环氧植筋胶；封装层(10)为一层塑料薄膜，材质可以为聚乙烯或聚氯乙烯，紧密贴合在胶结剂层(9)的下部；使用环氧植筋胶分别将孔隙水压力传感器和地下水位监测仪沿纵向等距胶接在第一柔性衬底(1)上表面，形成孔隙水压力监测单元(11)和地下水位监测单元(12)；至此形成完整的柔性感知薄膜(15)。
在部分实施例中，第一柔性衬底(1)和第二柔性衬底(8)材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，厚度取为200～400μm，其具有良好的防水绝缘性、弹性以及柔韧性。
第一柔性衬底(1)的下部和第二柔性衬底(8)的上部分别为上电极层(2)和下电极层(7)(电极层也可以称为电极板)，材质为金属导电胶带，具有双面粘接功能，厚度取为200～400μm。
上电极层(2)的下部和下电极层(7)的上部分别为上导电基质层(3)和下导电基质层(6)，导电基质层分别设置有半球形微结构，上下两层微结构(4和5)错位相对布置，形成互锁微穹顶阵列，厚度为200～400μm。导电基质为石墨烯纳米片和环氧树脂的混合体，石墨烯纳米片零乱地分布于环氧树脂中形成导电网络。除此以外，导电基质还可采用碳纳米管和PDMS复合分散溶液。
第二柔性衬底(8)下部为胶结剂层(9)，采用环氧植筋胶均匀涂抹于柔性衬底底部，作为优选的，厚度为200μm。
胶结剂层(9)下部为封装层(10)，采用塑料薄膜将胶结剂层覆盖，以保持植筋胶的胶结性，作为优选的，厚度为100μm。
进一步的，图2、图3为该柔性感知薄膜原理示意图，该薄膜受力后能将荷载变化转换成电阻或电流的变化，电阻的计算式为：
R＝ρL/S (1)
式中，R为电阻，ρ为电阻率，L为长度，S是横截面积。
进一步的，如图2、图3所示，在初始状态时，上下两层微结构错位相切形成互锁微穹顶阵列，由于接触面积很小，且上下微结构内散乱排列的碳纳米管或石墨烯纳米片形成的导电网络较为稀疏，电阻率较大，由式(1)可知初始状态时电阻较大，因此输出的电流较小；柔性感知薄膜工作后，在压力或拉力的作用下，应力作用在微结构接触点，互锁微穹顶阵列发生形变，进而导致上下微结构接触面积发生变化，且上下微结构内散乱排列的碳纳米管或石墨烯纳米片形成的导电网络变化，电阻率变化，由式(1)可知薄膜变形后电阻变化，因此输出的电流变化。由于互锁微穹顶阵列的特殊结构，在复杂载荷情况下，半球形微结构表现为不同的变形状态，因此输出的电流信号也有所区别，将电流信号与标准荷载数据库进行对比，故可以同时采集多种荷载信号。
进一步的，互锁微穹顶阵列实现同时采集多种载荷信号的机理如下。互锁微穹顶阵列的拉伸传感机制是基于微穹顶之间的接触面积随拉伸比的变化而变化的。在拉伸应力作用下，互锁微穹顶阵列被拉伸，接触电阻(Rt)和薄膜电阻(Rf)发生变化。随着拉伸应变的增长，微半球间隙增大，接触面积减小，接触电阻(Rt)显著增大。
然而，相对于接触电阻的较大变化，拉伸引起的薄膜电阻变化对总电阻的变化影响很小，这是因为上下微结构距离的变化很小。因此，在拉力的作用下表现为总电阻增大，输出电流减小。
具体的，互锁微穹顶阵列的受压传感机制是基于微穹顶之间的接触面积随压缩比的变化而变化的。在压力的作用下，互锁微穹顶阵列被压缩，接触电阻(Rt)和薄膜电阻(Rf)发生变化。随着压缩应变的增长，微半球结构发生应力集中，接触面积增大，接触电阻(Rt)显著减小。然而，相对于接触电阻的较大变化，拉伸引起的薄膜电阻变化对总电阻的变化影响很小，这是因为上下微结构距离的变化很小。因此，在压力的作用下表现为总电阻减小，输出电流增大。综上所述，可以根据输出电流的增减以及变化幅度判断柔性感知薄膜的拉压力以及大小。
上微结构设置有互不相同的第一独立编号，下微结构设置有互不相同的第二独立编号，所述互锁微穹顶阵列根据第一独立编号和第二独立编号实现在所述柔性感知薄膜中的定位。
作为优选的，石墨烯纳米片和环氧树脂以质量比为1:15～1:10混合组成导电基质层，需特别说明的是，石墨烯纳米片含量不同导电性能会有差异。作为优选的，若导电基质采用碳纳米管和PDMS复合分散溶液制备而成，则二者的质量比为碳纳米管质量：PDMS质量＝1:20。
柔性感知薄膜的制作方法，包括以下步骤：
步骤1、使用制备好的石墨烯纳米片-环氧树脂复合分散溶液(或碳纳米管-PDMS复合分散溶液)利用常用的压电式喷墨3D打印机根据几何模型打印出具有微半球图案的弹性体薄膜。重复以上步骤，得到上导电基质层和下导电基质层，将上下微结构相对错位放置，得到互锁微穹顶阵列。
步骤2、将上下电极层的双面金属导电胶带的一侧分别与上下导电基质层粘接形成一个整体。
步骤3、将上电极层与下电极层的双面金属导电胶带的另一侧分别与第一柔性衬底与第二柔性衬底粘接，形成柔性感知薄膜的主体结构。柔性衬底需要提前在模具中使用PDMS或PET溶液印刷得到或者使用3D打印得到。
步骤4、将环氧植筋胶AB组混合搅拌至完全均匀，采用一定的工艺均匀涂抹于第二柔性衬底底部得到胶结剂层。
步骤5、使用塑料薄膜将胶结剂层迅速密封得到封装层。
步骤6、使用环氧植筋胶分别将孔隙水压力传感器和地下水位监测仪沿纵向等距胶接在第一柔性衬底上表面，形成孔隙水压力监测单元和地下水位监测单元。
优选的，步骤1中，微半球高度为3μm，直径为4μm，阵列间距为6μm。
优选的，步骤3中，将熔融态的聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，放入2500r/min的离心机中离心60s，消除气泡，然后倒入模具并放入50℃的环境中冷却60min，使其固化完成得到柔性衬底层。
优选的，步骤4中，将环氧植筋胶AB组以2:1比例搅拌混合，根据需要增加或减少固化剂来调整植筋胶固化速度。
需要说明的是，上述参数均为不同实施例的优选设计值，在不同的实施例，可以根据具体应用环境，材质性能等，调整所述参数值，并不仅限于上述示例数值。
基于采集到的多种荷载信息，综合建立的破坏数学模型对监测数据进行实时分析，得到实时安全系数FOSins和风险指数Ri，再将得出的风险指数Ri值与预设临界阈值进行比较，向监测终端发出不同等级的实时预警信号。
进一步的，所述实时预警信号包括不同等级的预警信号，若所述风险指数Ri值大于1.0时，则向所述控制器报警模块发出一级预警信号，如红色预警；若所述风险指数Ri值小于1.0且大于0.9，则向所述控制器报警模块发出二级预警信号，如橙色预警；若所述风险指数Ri值小于0.9且大于0.8，则向所述控制器报警模块发出三级预警信号，如黄色预警。若所述风险指数Ri值小于0.8，则所述控制器报警模块不预警，维持为绿色信号。
基于上述的柔性感知薄膜以及实时灾变预警机理，本发明针对悬臂式挡土墙结构设计了一套灾变预警系统，具体使用方法和步骤如下：
如图6所示，在悬臂式挡土墙(13)墙背的全断面铺设挡土墙柔性感知薄膜(15)，其上分布有横向和纵向等间隔排列的多条互锁微穹顶阵列(14)，该互锁微穹顶阵列(14)呈条带状，多个阵列通过导线串联形成监测通路。
通过若干导线(16)将互锁微穹顶阵列(14)、孔隙水压力监测单元(11)以及地下水位监测单元(12)与数据采集设备(17)的输入端相连，采集来自于柔性感知薄膜的输出信号；将数据采集设备(17)的输出端与数据分析设备(18)的输入端相连，综合多种荷载数据并带入破坏数学模型，得出实时安全系数与风险指数；将数据分析设备(18)的输出端与控制器(21)的输入端相连，通过核心微处理器控制报警模块发出不同等级的报警信号，此外还可通过按键调整模块实现监测系统的开关以及基本参数的设定，显示器模块可实时查看参数信息以及电量信息和报警信息，无线通信模块可以控制无线发射器(22)将监测数据上传至云端数据库(23)；用于表面监测系统的用电全部由蓄电池(19)提供，蓄电池(19)连接太阳能发电板(20)可以在野外获得源源不断的电能；远程终端(24)可以通过互联网实时查看云端数据库(23)内的监测数据。
数据采集设备基于信号低噪声采集电路原理，通过幅值解调单元进行解调，降低1/f噪声，得到低噪声、高信噪比的信号。
在部分实施例中，太阳能发电装置由依次连接的太阳能发电板、蓄电池和太阳能控制器组成，为系统其他模块提供电能。
在部分实施例中，报警模块具有声光报警功能，可以结合声音和灯光实时传达报警信号，安装于易观、易听、安全的位置。
在部分实施例中，远程终端与所述云端数据库通过互联网无线连接，用于实时接收监测数据和报警信号，所述远程终端包括手机端APP、PC端等各种设备终端。
破坏数学模型是根据场地水文地质条件以及监测方案建立的客观准确的模型，为后续数据分析和预警评估提供科学合理的依据。
如图7所示为报警控制器原理图，主要包括核心微处理器，以及与其连接/通信的显示器模块、报警模块、电源管理模块、无线通信模块、按键调整模块以及驱动电路模块。
在本实施例中，核心微处理器采用MSP430F5529单片机进行数据处理分析实现对各模块的控制；显示器模块优先选用LCD液晶显示屏，型号为TCG057VGLCT-H51-S，显示屏右上角可显示蓄电池电量信息，第一行可显示预置参数信息，第二行可显示报警信息；所述报警模块包括扬声器和灯光组，通过不同颜色的灯光和声音实现不同等级的报警；所述按键调整模块由数个轻触按钮组成，且按键电路均独立地与单片机相连，可以实现开关、调节、确认、返回、初始化、查询和消除报警等功能；所述无线通信模块使用无线局域网络(WLAN、WI-FI等)或者蜂巢式网络实现监测数据的传输；驱动电路模块通过导线与蓄电池现相连实对整个控制器的供电。
如图8所示，由于互锁微穹顶阵列的特殊结构，柔性感知薄膜可以感知受压和受拉状态，其中所受拉力可以根据应力-应变曲线转换为拉应变，对拉应变分段进行数值积分得到挡土墙的位移；所受压力可以直接带入进行分析。孔隙水压力传感器可以得到实时孔隙水压力数据，地下水位采集仪可以得到实时地下水位数据。将压力、位移数据以及孔隙水压力和地下水位数据带入破坏数学模型，计算得到挡土墙实时安全系数FOSins和风险指数Ri。实时监测数据通过报警模块的警报检测器和警报定位器发出不同等级的报警信号，同时无线传输模块将监测数据和报警信息传输至云端数据库供远程终端实时查看。
数据分析设备可以根据采集到的荷载信号区分柔性感知薄膜的受力状态，比如受压、受拉等。结合建立的破坏数学模型对监测数据进行实时分析，得出实时安全系数FOSins和风险指数Ri，所述实时安全系数FOSins的计算公式为：
FOSins＝RC/L (2)
式中：RC为现有结构抵抗力负载能力，L为现有的负荷。
所述风险指数Ri的计算公式为：
Ri＝e/FOSins (3)
式中，e为缺陷因子，其根据挡土墙年限和裂纹情况而定，具体取值如下表1。
表1缺陷因子e的取值表
Figure BDA0003833021350000181
在部分实施例中，该现有结构抵抗力负载能力RC和现有的负荷L的计算方法可参考《建筑基坑支护技术规范》实现。
根据计算得到的所述挡土墙监测面的风险指数Ri值的大小，向控制器发出实时分级预警信号。灾变预警的阈值设计如式(4)所示。
Figure BDA0003833021350000182
下面以一种典型的实施例来进行描述。
本实施例为某高速公路路基挡土墙全断面分布式灾变预警系统。该灾变预警系统除了使用柔性感知薄膜构成的灾变监测系统外还需配套地下水位监测仪，需要将地下水位监测仪埋置于挡土墙外侧土体中，用于挡土墙外侧土体含水率变化的实时监测。
需要注意的是，在挡土墙服役前，将挡土墙墙背表面整平，并根据挡土墙实际情况选择合适尺寸的柔性感知薄膜，将塑料薄膜封装层揭开并迅速粘贴到待测的挡土墙面，边揭膜边按压，防止时间过久导致植筋胶硬化。粘贴过程中要尽量避免薄膜内部产生气泡，其后续可能影响监测的精度和可靠度。
该灾变预警系统中，柔性感知薄膜和地下水位监测仪协调配合，可以得出用于挡土墙和墙侧土体灾变预警的所有实时物理力学参数，带入挡土墙破坏数学模型计算得到实时安全系数FOSins和风险指数Ri。
进一步的，以悬臂式挡土墙整体稳定性为例，计算挡土墙实时安全系数FOSins和风险指数Ri的计算步骤为：
Figure BDA0003833021350000191
L＝∑(qibi+ΔGi)sinθi (6)
式中，ci、
Figure BDA0003833021350000192
分别为第i土条滑弧面处土的粘聚力(kPa)、内摩擦角(°)；
bi为第i土条的宽度(m)；
θi为第i土条滑弧面中点处的法线与垂直面的夹角(°)；
li为第i土条的滑弧长度(m)，取li＝bi/cosθi；
qi为作用在第i土条上的附加分布荷载标准值(kPa)；
ΔGi为第i土条的自重(kN)，按天然重度计算；
ui为第i土条在滑弧面上的孔隙水压力(kPa)；对地下水位以下的砂土、碎石土、砂质粉土，在挡土墙内侧，可取ui＝γwhwai，在挡土墙外侧，可取ui＝γwhwpi，滑弧面在地下水位以上或对地下水位以下的粘性土，取ui＝0；其中γw为地下水重度(kN/m3)，hwai为挡土墙内地下水位至第i土条滑弧面中点的垂直距离(m)；hwpi为挡土墙外地下水位至第i土条滑弧面中点的垂直距离(m)；
其中，qi、ui和hwai可通过柔性感知薄膜实时监测得到，hwpi可根据挡土墙外地下水位监测仪实时监测得到。
将式(5)和式(6)计算得到的RC和L分别带入式(2)和式(3)中得到挡土墙整体稳定性实时安全系数FOSins和风险指数Ri。
进一步的，以悬臂式挡土墙滑移稳定性为例，计算挡土墙实时安全系数FOSins和风险指数Ri的计算步骤为：
Figure BDA0003833021350000201
L＝Eak (8)
其中，Eak、Epk分别为作用在水泥土墙上的主动土压力、被动土压力标准值(kN/m)；
G为水泥土墙的自重(kN/m)；
um为水泥土墙底面上的水压力(kPa)；水泥土墙底面在地下水位以下时，取um＝γw×(hwa+hwp)/2，在地下水位以上时，取um＝0，此处，hwa为基坑外侧水泥土墙底处的水头高度(m)，hwp为基坑内侧水泥土墙底处的水头高度(m)；
c、
Figure BDA0003833021350000202
分别为水泥土墙底面下土层的粘聚力(kPa)、内摩擦角(°)；
B为水泥土墙的底面宽度(m)；
其中，qi、ui和hwa可通过柔性感知薄膜实时监测得到，hwp可根据挡土墙外地下水位监测仪实时监测得到。
将式(7)和式(8)计算得到的RC和L分别带入式(2)和式(3)中得到挡土墙滑移稳定性实时安全系数FOSins和风险指数Ri。
进一步的，可以根据挡土墙整体稳定性和滑移稳定性实时安全系数FOSins和风险指数Ri计算示例可以得出倾覆稳定性实时安全系数和风险指数、嵌固深度实时安全系数和风险指数以及针对地下水渗流的土体渗透破坏实时安全系数和风险指数等。以上针对挡土墙不同失稳因素的实时安全系数FOSins和风险指数Ri计算用到的RC和L均是利用《建筑基坑支护技术规范》中的现有公式结合灾变预警系统实时监测数据计算得到的，找出计算得到的风险指数Ri中的最低值，依据预置报警阈值向监测终端发出实时预警信号。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于挡土墙预警的全覆盖式柔性感知薄膜，其特征是，包括由上至下依次设置的第一柔性衬底、上电极层、上导电基质层、下导电基质层、下电极层、第二柔性衬底、胶结剂层和封装层；
所述上导电基质层具有上微结构，所述下导电基质层具有下微结构，所述上微结构和下微结构均包括多个半球形微结构，错位相对布设，形成互锁微穹顶阵列；
所述第一柔性衬底的上部设置有若干孔隙水压力监测单元和地下水位监测单元。
2.如权利要求1所述的一种用于挡土墙预警的全覆盖式柔性感知薄膜，其特征是，所述第一柔性衬底、第二柔性衬底材质为聚二甲基硅氧烷或聚对苯二甲酸乙二醇酯，厚度取为200～400μm；
或，所述上电极层和下电极层为金属导电胶带，具有双面粘接功能，厚度取为200～400μm，用于导线引出与外部电路相连；
或，所述上导电基质层和下导电基质层为石墨烯纳米片和环氧树脂的混合体，石墨烯纳米片零乱地分布于环氧树脂中形成导电网络；
或，
上导电基质层和下导电基质层为碳纳米管和聚二甲基硅氧烷复合分散溶液。
3.如权利要求1所述的一种用于挡土墙预警的全覆盖式柔性感知薄膜，其特征是，所述上微结构和下微结构相邻上下半球面相切形成互锁微穹顶阵列，所述互锁微穹顶阵列的拉伸传感机制基于微穹顶之间的接触面积随拉伸比的变化而变化，互锁微穹顶阵列的受压传感机制基于微穹顶之间的接触面积随压缩比的变化而变化；根据输出电流的增减以及变化幅度判断柔性感知薄膜的拉压力以及大小。
4.如权利要求1或3所述的一种用于挡土墙预警的全覆盖式柔性感知薄膜，其特征是，所述的上微结构设置有互不相同的第一独立编号，所述的下微结构设置有互不相同的第二独立编号，所述互锁微穹顶阵列根据第一独立编号和第二独立编号实现在所述柔性感知薄膜中的定位。
5.如权利要求1-4中任一项所述的柔性感知薄膜的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1、使用制备好的石墨烯纳米片-环氧树脂复合分散溶液或碳纳米管-聚二甲基硅氧烷复合分散溶液，根据几何模型打印出具有微半球图案的弹性体薄膜，得到上导电基质层和下导电基质层，将上下微结构相对错位放置，得到互锁微穹顶阵列；
步骤2、将上、下电极层的双面金属导电胶带的一侧分别与上、下导电基质层粘接形成一个整体；
步骤3、将上电极层与下电极层的双面金属导电胶带的另一侧分别与第一柔性衬底与第二柔性衬底粘接，形成柔性感知薄膜的主体结构；
步骤4、在第二柔性衬底底部均匀涂抹胶结剂，得到胶结剂层；
步骤5、使用塑料薄膜将胶结剂层迅速密封得到封装层；
步骤6、使用环氧植筋胶分别将若干孔隙水压力监测单元和地下水位监测单元沿纵向胶接在第一柔性衬底上表面。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征是，所述步骤1中，制备碳纳米管-聚二甲基硅氧烷复合分散溶液包括取一定量的碳纳米管粉末按照设定的比例加入到相应质量的异丙醇溶液中，通过搅拌使碳纳米管均匀分散在异丙醇溶液中；按照设定比例加入聚二甲基硅氧烷基体和固化剂，搅拌均匀得到碳纳米管-聚二甲基硅氧烷复合分散溶液。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征是，所述步骤3中，所述第一柔性衬底与第二柔性衬底预先制备，且制备过程包括将熔融态的聚二甲基硅氧烷或聚对苯二甲酸乙二醇酯，进行离心操作，消除气泡，然后倒入模具并冷却一定时间，使其固化完成得到柔性衬底层。
8.一种用于挡土墙安全监测预警的系统，其特征是，包括权利要求1-4中任一项所述的柔性感知薄膜、数据采集设备、数据分析设备、控制器以及远程终端，其中：
所述柔性感知薄膜，设置于挡土墙上，利用互锁微穹顶阵列检测柔性感知薄膜收到的拉/压力；
所述数据采集设备，与柔性感知薄膜通过导线连接，用于获取采集信号，并对采集信号进行预处理；
所述数据分析设备，与数据采集设备连接，用于将预处理后的采集信号与标准荷载数据库进行对比，根据信号特点区分柔性感知薄膜当前受压或受拉状态，结合破坏数学模型计算得到挡土墙实时安全系数和风险指数；
所述控制器，与所述数据分析设备连接，用于根据挡土墙实时安全系数和风险指数阀出警报信号；
所述远程终端，与控制器通信，用于实时查看报警信息和报警位置。
9.如权利要求8所述的一种用于挡土墙安全监测预警的系统，其特征是，所述数据分析设备，被配置为计算实时安全系数的过程为现有结构抵抗力负载能力和现有的负荷的比值；风险指数为缺陷因子和实时安全系数的比值。
10.如权利要求8或9所述的系统的工作方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1.在挡土墙服役前，将挡土墙墙背表面整平，并根据挡土墙实际情况选择适配尺寸的柔性感知薄膜，将封装层揭开并迅速粘贴到待测的挡土墙面，保持粘贴紧密度；
步骤2.所有的柔性感知薄膜铺设完成后，引出内部导线，各柔性感知薄膜的互锁微穹顶阵列通过导线串联形成监测通路；
步骤3.将挡土墙墙背与支护土体之间的空隙用土体填充；
步骤4.获取采集信号；
步骤5.将采集信号与标准荷载数据库进行对比，根据采集信号特点区分柔性感知薄膜当前受压或受拉状态，然后结合破坏数学模型计算得到挡土墙实时安全系数和风险指数；
步骤6.控制器根据分析结果，需要预警时发出报警信号；
步骤7.将报警信息上传，供远程终端实时查看报警信息和报警位置。
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