一种用于堆填场土工结构的监测系统及监测方法技术方案

本发明专利技术提供本发明专利技术提供一种用于堆填场土工结构的监测系统，该监测系统包括三维应力位移测试仪、温度水分电导率Ph联合测试仪、基质吸力测试仪、信号转换模块、集线器和信号传递模块。同时，提供了分析堆填土工结构位移及土工参数的应用方法。本发明专利技术的效果是采用三个测试仪器能够完整确定堆填场土工结构测点位置的三维应力状态、三维有效应力状态、三维位移及应变状态、温度、含水率、电导率、Ph值，基于不同测点的测试值能够提供用于堆填场土工结构稳定分析、瞬态变形分析、累计变形分析、温度场和水分场分析的数值，为堆填场土工结构的安全评价提供便利。评价提供便利。评价提供便利。

【技术实现步骤摘要】
一种用于堆填场土工结构的监测系统及监测方法


[0001]本专利技术属于环境岩土工程
，特别涉及一种用于堆填场土工结构的监测系统及监测方法。

技术介绍

[0002]随着能源及矿产资源的开采，煤矸石、尾矿、粉煤灰等固体废弃物产量和堆积体量与日俱增。固体废弃物的堆放不仅占用大量的生态和农林业资源，还可能由于堆放不合理或者外界环境及荷载因素的影响，引发尾矿溃坝、堰塞湖和滑坡等大型工程灾害。保证该类多孔多相介质堆积结构的安全和稳定，不仅是土力学和岩土工程领域面临的重要科学问题，也是保证工农业生产和人民生命财产安全的必要条件。土力学主要分析两类问题，一是土单元问题；二是由不同土单元所形成土体结构体的问题分析。相对于前者，后者更应该考虑工程结构中存在的复杂边界条件、影响因素和非线性材料特性。现有的土工结构问题分析主要采用三种技术：
①
理论分析技术，采用构建的数学物理方程预测土工结构的受力和变形特征，进而开展安全评估；
②
仿真分析技术，采用有限元或离散元等数值分析手段，通过定义材料属性和初边界条件分析土工结构的受力和变形特征，并据此开展安全评价；
③
现场监测与分析技术，采用不同类型的传感器技术，基于现场测试数据开展土工结构的受力或变形分析。相较于前两者，第三种方法是最接近于智能化且能够开展长期或者全天候监测的技术。然而，现有的监测技术是依据单个方向的传感器数值确定的；土体承受荷载过程中是无法直接确定最危险滑动面和最大主应力方向的，在某方向上埋设传感器仅能表述该方向土体的力学行为，无法表征该单元(点)的三维变形特征。因此，现有的传感器获取的仅是三维结构内部某方向的应力或位移，并不能反映真实的三维特征。
[0003]也即，对于土工结构问题分析中利用传感器进行力学分析技术中，现有技术存在通过传感器获取的仅是三维结构内部某方向的应力或位移，并不能反映真实的三维特征，导致的获取数据不准确的技术弊端；
[0004]可见，对于土工结构问题分析进行中利用传感器进行力学分析的技术而言，如何实现通过传感器获取三维结构内部全方位的应力或位移，以获取真实的三维特征，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供的一种用于堆填场土工结构的监测系统，以至少解决上述技术问题；
[0006]为了解决上述问题，本专利技术的第一方面提供一种用于堆填场土工结构的监测系统，该监测系统包括三维应力位移测试仪、温度水分电导率Ph联合测试仪、基质吸力测试仪、信号转换模块、集线器、信号传递模块、供电系统；信号转换模块与三维应力位移测试仪的7组微应变测试数据线相连接，将集线器分别与信号转换模块、三维应力位移测试仪的加速度及绕轴角度数据线、温度水分电导率Ph联合测试仪数据线、基质吸力测试仪数据线相连接；将集线器与信号传递模块相连接，将供电系统分别与信号转换模块、集线器和信号传
递模块的供电线路相连接；以形成单测点监测系统；将单测点监测系统分别埋设在堆填场土工结构体内部不同位置处，并将所埋设所有单测点监测系统的信号传递模块与数据采集中枢相连接。
[0007]第二方面，本专利技术提供了一种用于堆填场土工结构的监测方法，所述监测方法包括以下步骤：计算单个测点的三维位移、主位移和三维应变状态，步骤如下：
①
依据单测点监测系统获取的加速度数据，结合公式(1)计算测点的空间位置变化，公式(1)为：
[0008][0009]式(1)中，α
xi
,α
yi
,α
zi
,分别为单测点监测系统获取的x,y,z三个方向的加速度；(x
i
,y
i
,z
i
)为单测点在i时刻的空间坐标；(x
j
,y
j
,z
j
)为单测点在j时刻的空间位置；t为从i时刻至j时刻的时间间隔；取Δt为从i时刻至j时刻加速度传感器的单次采集时间间隔；n为t时间内采集总数量；
②
依据单测点在i时刻至j时刻的位移为对角线构建空间单元体，并依据公式(2)计算测点i在k方向的位移分量D
k
，公式(2)为：
[0010][0011]式(2)中，D
k
为测点在k方向的位移分量；l
k
、m
k
、n
k
分别为k方向在所构建空间单元体上的方向余弦值，l
k
、m
k
、n
k
的计算公式分别为：
[0012][0013][0014][0015]式(3)～(5)中，l
k
、m
k
、n
k
分别为k方向在所构建空间单元体上的方向余弦值；为转换向量(x
k
,y
k
,z
k
)，可通过公式(6)计算获取，公式(6)为：
[0016][0017]式(6)中，(x
k
,y
k
,z
k
)为k方向过原点(0,0,0)绕z、y、x轴旋转后的单位向量终点坐
标；θ、η、ζ分别为p方向绕z、y、x轴的三个欧拉角，p＝σ1,σ2,σ3；l
p
、m
p
、n
p
分别为p方向在场地坐标系下的方向余弦值；
③
依据公式(7)计算测点主应力方向的位移，公式(7)为：
[0018][0019]式(7)中，D1、D2、D3分别为σ1、σ2、σ3方向上的位移分量；m1、n1、m2、n2、m3、n3分别为σ1,σ2,σ3方向在所构建空间单元体上的方向余弦值，依据公式(3)～(6)计算；
④
依据公式(2)计算测点i在场地坐标下x、y、z方向的位移量并分别记为D
u
、D
v
、D
w
，结合公式(8)计算测点i的三维应变状态ε
i
，公式(8)为：
[0020][0021]式(8)中，ε
i
为测点i的三维应变状态；2)依据三维应力和三维应变状态关系判别点i状态的方法，该方法包括以下步骤：
①
依据三维应力测试结果结合公式(8)计算的测点i的三维应变状态ε
i
，采用公式(9)分析测点i的应力与应变之间的关系，公式(9)为：
[0022][σ
i
]＝[E][ε
i
]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0023]式(9)中，[ε
i
]为公式(8)计算获取的测点i的三维应变状态；[σ
i
]为三维应力位移测试仪测定的测点i的三维应变状态；[E]为三维应力位移测试仪所埋设点的本构参数；
[0024]②
依据公式(8)确定的ε
x...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于堆填场土工结构的监测系统，其特征在于，所述监测系统包括：三维应力位移测试仪、温度水分电导率Ph联合测试仪、基质吸力测试仪、信号转换模块、集线器、信号传递模块、供电系统；信号转换模块与三维应力位移测试仪的7组微应变测试数据线相连接，集线器对应与信号转换模块、三维应力位移测试仪的加速度及绕轴角度数据线、温度水分电导率Ph联合测试仪数据线、基质吸力测试仪数据线相连接；集线器与信号传递模块相连接；供电系统分别与信号转换模块、集线器和信号传递模块的供电线路相连接；单测点监测系统分别埋设在堆填场土工结构体内部不同位置处，并将所埋设所有单测点监测系统的信号传递模块与数据采集中枢相连接。2.一种用于堆填场土工结构的监测方法，其特征在于，所述监测方法包括以下步骤：计算单个测点的三维位移、主位移和三维应变状态，步骤如下：
①
依据单测点监测系统获取的加速度数据，结合公式(1)计算测点的空间位置变化，公式(1)为：式(1)中，α
xi
,α
yi
,α
zi
,分别为单测点监测系统获取的x,y,z三个方向的加速度；(x
i
,y
i
,z
i
)为单测点在i时刻的空间坐标；(x
j
,y
j
,z
j
)为单测点在j时刻的空间位置；t为从i时刻至j时刻的时间间隔；取Δt为从i时刻至j时刻加速度传感器的单次采集时间间隔；n为t时间内采集总数量；
②
依据单测点在i时刻至j时刻的位移为对角线构建空间单元体，并依据公式(2)计算测点i在k方向的位移分量D
k
，公式(2)为：式(2)中，D
k
为测点在k方向的位移分量；l
k
、m
k
、n
k
分别为k方向在所构建空间单元体上的方向余弦值，l
k
、m
k
、n
k
的计算公式分别为：的计算公式分别为：
式(3)～(5)中，l
k
、m
k
、n
k
分别为k方向在所构建空间单元体上的方向余弦值；为转换向量(x
k
,y
k
,z
k
)，可通过公式(6)计算获取，公式(6)为：式(6)中，(x
k
,y
k
,z
k
)为k方向过原点(0,0,0)绕z、y、x轴旋转后的单位向量终点坐标；θ、η、ζ分别为p方向绕z、y、x轴的三个欧拉角，p＝σ1,σ2,σ3；l
p
、m
p
、n
p
分别为p方向在场地坐标系下的方向余弦值；
③
依据公式(7)计算测点主应力方向的位移，公式(7)为：式(7)中，D1、D2、D3分别为σ1、σ2、σ3方向上的位移分量；m1、n1、m2、n2、m3、n3分别为σ1,σ2,σ3方向在所构建空间单元体上的方向余弦值，依据公式(3)～(6)计算；
④
依据公式(2)计算测点i在场地坐标下x、y、z方向的位移量并分别记为D
u
、D
v
、D
w
，结合公式(8)计算测点i的三维应变状态ε
i

【专利技术属性】
技术研发人员：万勇，陈之祥，薛强，何星星，罗睿，于化月，刘磊，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：