计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法与系统技术方案

本发明专利技术涉及危岩崩塌预警技术领域，为解决如何根据冻胀力的实时变化进行危岩崩塌预警的技术问题，公开了一种计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法与系统，实时获取岩体的裂隙内两个位置处冰的温度；裂隙尖端处的冻胀力作用则由裂隙尖端处的均布冻胀应力P以及从裂隙开口端至裂隙尖端由温度差引起的线性分布冻胀应力差ΔP

【技术实现步骤摘要】
计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法与系统


[0001]本专利技术涉及危岩崩塌预警


技术介绍

[0002]我国永冻土和季节性冻土的分布区域面积已经超过了我国国土总面积的三分之二，并且受海拔和气候等因素影响，冻土区主要分布在高海拔地区和北部季节性寒带气候区。伴随着交通基础设施建设的主要力量向西北地区转移，而边坡开挖又是工程施工过程中不可避免的环节难免会导致危岩的出现，因此西北地区危岩裂隙中水结冰所产生的冻胀力对危岩的影响是不容忽视的。为了使人民的生命安全、财产以及交通基础设施得到有效保护，通过监测手段实现危岩在冻胀力作用下的崩塌风险预测是十分紧要、迫切的。
[0003]当前对于危岩体的监测、预警主要是通过位移的变化和变形来实现，但岩质边坡在整体破坏之前并不一定有较为明显的位移发生，其具有突发性强、致灾能力强等特点，因此上述方法相对耗时而且预警效果较差；同时，冻胀力对危岩的影响仍然没有得到研究者们足够的重视。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术的不足，本专利技术提供一种计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法与系统，解决如何根据冻胀力的实时变化进行危岩崩塌预警的技术问题。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：一种计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法，包括以下步骤：
[0006]实时获取岩体的裂隙内两个位置处冰的温度，所述两个位置沿裂隙长度方向距离为b，b＞0；
[0007]根据以采集到的温度数据所推导的结冰过程的热传递特性计算公式，计算裂隙尖端处冰的实时温度T；
[0008]将整个裂隙内的冻胀应力分解为均布冻胀应力和线性分布冻胀应力，其中，裂隙内各位置处的均布冻胀应力均相等并等于裂隙尖端处的均布冻胀应力P，裂隙内各位置处的线性分布冻胀应力随着热传递过程的温差而变化；
[0009]裂隙尖端处的冻胀力作用则由裂隙尖端处的均布冻胀应力P以及从裂隙开口端至裂隙尖端由温度差引起的线性分布冻胀应力差ΔP
T
产生；
[0010]根据裂隙尖端处的均布冻胀应力P计算第一应力强度因子K
′
I
；根据裂隙尖端处的线性分布冻胀应力差ΔP
T
计算第二应力强度因子K
″
I
；
[0011]根据第一应力强度因子K
′
I
与第二应力强度因子K
″
I
组合得到裂隙尖端处的I型应力强度因子K
I
；
[0012]根据I型应力强度因子K
I
计算裂隙尖端处在弹性阶段产生的张开位移δ
e
，再结合裂纹尖端处在塑性阶段产生的张开位移δ
P
，得到在当前温度下的裂隙尖端张开位移总量δ；
[0013]比较裂隙尖端张开位移总量δ与裂隙尖端张开位移临界值δ
cr
，当δ≥δ
cr
时，表示危
岩在冻胀力作用下存在发生断裂而崩塌的风险，此时发出警报。
[0014]进一步的，所述热传递特性计算公式如下：
[0015][0016]式中，T
i
表示裂隙内某一位置的实时温度；T1表示在裂隙开口端起始位置处采集到的冰的实时温度；T2表示在沿裂隙长度方向距离裂隙开口端起始位置距离为b的位置处采集到的冰的实时温度；x表示沿裂隙长度方向距离裂隙开口端起始位置的距离，0≤x≤L，L表示从裂隙开口端起始位置到裂隙尖端处的裂隙长度，L≥b。
[0017]本专利技术还提供一种危岩崩塌实时预警系统，用于执行本专利技术的计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法；包括温度采集系统、远程通信系统与远程预警系统；
[0018]所述温度采集系统包括第一温度传感器与第二温度传感器，所述第一温度传感器安装在裂隙开口端起始位置处，所述第二温度传感器安装在沿裂隙长度方向距离裂隙开口端起始位置距离为b的位置处；
[0019]所述温度采集系统用于实时获取岩体的裂隙内两个位置处冰的温度，并通过远程通信系统发送至远程预警系统；
[0020]所述远程预警系统用于根据岩体的裂隙内两个位置处冰的实时温度，计算裂隙尖端张开位移总量δ，并比较裂隙尖端张开位移总量δ与裂隙尖端张开位移临界值δ
cr
，当δ≥δ
cr
时，表示危岩在冻胀力作用下存在发生断裂而崩塌的风险，此时发出警报。
[0021]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0022]1、本专利技术首次将冻胀力作用纳入危岩崩塌预警中，对于冻土地区的基础设置建设施工具有重要意义。要计及冻胀力作用必须要先能够测量到冻胀力，然而冻胀力不便于测量，现有技术中对冻胀力的测量几乎没有提供任何有效解决办法。然而，本专利技术将对冻胀力的测量转变为对温度的测量，根据冻胀力与温度的关系得到裂隙内各部位冻胀力的分布情况，有效解决了裂隙深处温度、冻胀力不便测量的问题。
[0023]2、随着所在地区温度的下降，岩体中的裂隙水开始发生由外及内的冻结，水结冰过程中将发生体积膨胀，因而对裂隙壁产生了额外的应力；温度持续降低的过程中，裂隙内的水也不断进行着冻结的过程，直至整个裂隙都被并充满。若冰已经充满整个裂隙后温度仍持续降低，将导致冻胀力的进一步增大，因此极容易导致危岩体裂隙的尖端发生扩展导致其整体破坏。本专利技术深入考虑了温度对冻胀力的影响，随着温度变化，冻胀力也实时发生变化，因此，本专利技术通过对温度的监测就能根据冻胀力的实时变化进行危岩崩塌预警。
[0024]3、本专利技术以裂缝发生断裂作为危岩体失稳的前提，符合危岩崩塌的自然过程，能够更加准确的对危岩崩塌进行预警，降低误报、漏报率。
附图说明
[0025]图1危岩体及裂隙示意图；
[0026]图2为危岩崩塌预警系统架构图；
[0027]图3为信号传输流向图；
[0028]图4为冻胀力在裂隙中的分布情况示意图。
具体实施方式
[0029]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。
[0030]危岩体及裂隙结构参考图1所示，危岩位于岩体基座2上，岩体上的裂隙3将岩体切割出危岩1，随着裂隙的扩展，危岩1将发生崩塌。岩体中的裂隙水发生冻结的过程产生的冻胀作用将加速危岩崩塌，通过监测手段实现危岩在冻胀力作用下的崩塌风险预测是十分紧要、迫切的，为此，本专利技术提供了一种计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法，并设计了相应的危岩崩塌实时预警系统进行实施。下面对危岩崩塌预警系统的各部分进行说明。
[0031]一)、温度采集系统
[0032]参考图2所示，温度采集系统包括第一温度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法，其特征在于，包括以下步骤：实时获取岩体的裂隙内两个位置处冰的温度，所述两个位置沿裂隙长度方向距离为b，b＞0；根据以采集到的温度数据所推导的结冰过程的热传递特性计算公式，计算裂隙尖端处冰的实时温度T；将整个裂隙内的冻胀应力分解为均布冻胀应力和线性分布冻胀应力，其中，裂隙内各位置处的均布冻胀应力均相等并等于裂隙尖端处的均布冻胀应力P，裂隙内各位置处的线性分布冻胀应力随着热传递过程的温差而变化；裂隙尖端处的冻胀力作用则由裂隙尖端处的均布冻胀应力P以及从裂隙开口端至裂隙尖端由温度差引起的线性分布冻胀应力差ΔP
T
产生；根据裂隙尖端处的均布冻胀应力P计算第一应力强度因子K
′
I
；根据裂隙尖端处的线性分布冻胀应力差ΔP
T
计算第二应力强度因子K
″
I
；根据第一应力强度因子K
′
I
与第二应力强度因子K
″
I
组合得到裂隙尖端处的I型应力强度因子K
I
；根据I型应力强度因子K
I
计算裂隙尖端处在弹性阶段产生的张开位移δ
e
，再结合裂纹尖端处在塑性阶段产生的张开位移δ
P
，得到在当前温度下的裂隙尖端张开位移总量δ；比较裂隙尖端张开位移总量δ与裂隙尖端张开位移临界值δ
cr
，当δ≥δ
cr
时，表示危岩在冻胀力作用下存在发生断裂而崩塌的风险，此时发出警报。2.根据权利要求1所述的计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法，其特征在于，所述热传递特性计算公式如下：式中，T
i
表示裂隙内某一位置的实时温度；T1表示在裂隙开口端起始位置处采集到的冰的实时温度；T2表示在沿裂隙长度方向距离裂隙开口端起始位置距离为b的位置处采集到的冰的实时温度；x表示沿裂隙长度方向距离裂隙开口端起始位置的距离，0≤x≤L，L表示从裂隙开口端起始位置到裂隙尖端处的裂隙长度，L≥b。3.根据权利要求2所述的计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法，其特征在于，所述裂隙尖端处的均布冻胀应力P的计算公式如下：式中，T表示裂隙尖端处的冰的实时温度；E(T)表示在温度T下冰的弹性模量；ε(T)表示在温度T下冰的应变。4.根据权利要求2所述的计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法，其特征在于，线性分布冻胀应力的计算公式如下：式中，ΔT表示热传递过程中裂隙内某位置处的温度增量，0≤x≤L；
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【专利技术属性】
技术研发人员：王林峰，冉楗，夏万春，张继旭，唐宁，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：