一种基于次声技术的滑坡监测模型装置及其试验方法与流程

本发明属于滑坡监测技术领域，尤其与一种基于次声技术的滑坡监测模型装置及其试验方法有关。

背景技术：

滑坡按岩土介质主要分为两类：土质滑坡和岩质滑坡。土质滑坡一般发生在松散未固结的粘性土或砂性土斜坡上，土质滑坡发生滑动时，会产生滑面处的土颗粒体间的摩擦效应，与岩质滑坡滑面处的岩石摩擦不同。目前，世界上以土质滑坡居大多数。土质滑坡的监测方法一般分为三类：(1)滑坡的位移监测：大地精密测量法、gps测量法、近景测量法、tdr法、分布式光纤(基于otdr和botdr法)和准分布式光纤光栅法。这些方法主要用于监测滑坡的表面和深部位移，可以评估滑坡的稳定性；(2)滑坡的水文参数监测：直接监测土体含水量、孔隙水压力和地下水位等地下水位，预估滑坡的稳定性；(3)滑坡的力学监测：利用锚杆加应力计的方式设计了滑坡下滑力的监测系统，通过监测锚杆的轴向应力水平给出不同的滑坡预警等级。成都理工大学的朱星和任际周分别在文章“岩石破裂次声探测技术与信号特征研究”和文章“基于次声波技术的滑坡监测预警系统研究”中提到次声监测滑坡的内容，但是主要研究的对象是岩质滑坡，介于此，本专利申请人通过设计室内的土质滑坡模型试验的方法，利用次声传感器接收土质滑坡在受力-局部破坏-临滑-整体滑动过程中产生的次声信号，分析次声信号在滑坡不同破坏状态下的变化特征，并提取关键信号，用于滑坡滑动的监测，实现基于次声技术的滑坡监测方法。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种利用次声传感器接收土质滑坡在受力-局部破坏-临滑-整体滑动过程中产生的次声信号的基于次声技术的滑坡监测模型装置及其试验方法。

为此，本发明采用以下技术方案：基于次声技术的滑坡监测模型装置，包括次声传感器、压力传感器、千斤顶，滑动块体通过土体堆积形成，滑动块体的顶面为一倾斜斜面并设置在刚性的非滑动块体上，非滑动块体通过水泥浇注形成，非滑动块体内部中空且其顶部开口，中空内腔中填充土体并夯实；千斤顶固定在刚性墙体上，所述的次声传感器通过筒管固定在筒管顶部，筒管的中段以及底部穿入在滑动块体的顶面，在滑动块体上的侧部设置所述压力传感器与千斤顶对应。

作为对上述技术方案的补充和完善，本发明还包括以下技术特征。

滑动块体土体堆积形成的过程通过刚性梯形铁箱完成填充。

所述的筒管为钢管。

一种基于次声技术的滑坡监测试验方法，其特征是，包括以下步骤：

1)、在非滑动体内部填充土体并夯实，待非滑体内的土体填充完毕后，将刚性梯形铁箱放置在非滑动体上部，依靠刚性梯形铁箱的束缚，开始在其内部填土夯实，并将带有次声波传感器的钢管一起插入刚性梯形铁箱内并通过土体将钢管夯实，待填土完成后，利用紧固的螺栓和百叶，将刚性梯形铁箱取下，形成滑动块体；

2)、将矩形钢板放置在滑动体与压力传感器之间，利用油压千斤顶模拟滑动力；非滑体由于受到砌体在滑动方向上的限制，滑面以下的土体无滑动位移产生，而滑动块体由于受到推力的作用，在滑动力超过抗滑力时，砌体上方的块体开始发生滑动，在滑块未发生宏观滑动前，砌体与滑动体连接处(即滑面处)会在推力剪切作用下，发生微观的土颗粒簇破碎，并同步伴随着破碎次声信号，利用插入土体内部的钢管上方所固定的次声传感器监测并接受次声信号，次声传感器接收土质滑坡在受力-微观破坏-整体临滑-宏观滑动过程中产生的次声信号传递给控制系统完成监测滑动体滑坡的整个过程。

使用本发明可以达到以下有益效果：本发明以滑体未出现滑动前内部土颗粒的微观破碎和摩擦是产生滑坡次声的根源为指导，在滑动块体上设置用于检测产生滑坡次声的次声波波传感器，利用次声传感器接收土质滑坡在受力-局部破坏-临滑-整体滑动过程中产生的次声信号，分析次声信号在滑坡不同破坏状态下的变化特征，并提取关键信号，用于滑坡滑动的监测，实现基于次声技术的滑坡监测方法。本发明相对于现有的监测方法具有较好的稳定性，且数据精确，可以广泛用于山体滑坡监测上。

附图说明

图1为本发明的模型结构示意图。

图2为土体次声信号的变化图。

图3为滑动力-次声同步数据图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明包括次声传感器、压力传感器、千斤顶，滑动块体通过土体堆积形成，滑动块体的顶面为一倾斜斜面并设置在刚性的非滑动块体上，土体堆积形成的过程通过刚性梯形铁箱完成填充，非滑动块体通过水泥浇注形成，非滑动块体内部中空且其顶部开口，中空内腔中填充土体并夯实；千斤顶固定在刚性墙体上，所述的次声传感器通过筒管固定在钢管顶部，钢管的中段以及底部穿入在滑动块体的顶面，在滑动块体上的侧部设置所述压力传感器与千斤顶对应。

试验结果及分析：本次试验一共实施了6组不同工况的次声信号监测试验。试验中所采用的土样来自于重庆市奉节县境内典型的黄壤土。所谓的不同工况，主要是指在刚性铁箱内填筑土体时，夯实的程度不一致。次声监测时间为：从千斤顶开始施加荷载至土体完全破坏整个过程。图2所示为土体次声信号的变化图。从图2中的6组波形图来看，每组滑坡的次声工况均会出现声压的一个波峰，在达到波峰之前，声压信号是逐步增强的；达到波峰后，声压逐步减弱。由此可见，声压的波峰位置可能会是滑坡监测的一个特征信号点。为了进一步分析土质滑坡的次声信号，以期能够用于滑坡的监测，申请人将次声信号、滑动力的力学信号和滑面出现整体滑动的时间点进行统一分析,如图3给出了工况2和工况5的滑动力-次声同步数据图，由压力传感器测量的滑动力数据表明：随着千斤顶的逐步施压，滑动力在未达到峰值前，呈现逐步增加的趋势，而当达到滑体的抗滑力，此时压力传感器测得滑动力值达到峰值(即图3a中200kg和图3b中的370kg)；在滑动力未达到峰值之前，次声信号的强度以抛物线的规律与滑动力同步增加，当滑动力达到峰值时，次声信号的声压也相应的达到峰值；滑动力的最大峰值代表着土体的抗滑力，即：此时滑面的破坏已被完全贯通，参与摩擦的土颗粒面积达到最大值，由此也对应着次声信号的最大值。

基于上述的滑动力与次声信号的定性分析，可以发现：次声信号出现逐步增加的趋势则代表着滑坡的滑面处出现局部的破坏和滑动，滑坡灾害预警需要在此时发出危险警告；而次声信号的峰值即表示滑坡处于临滑阶段，此刻代表着滑坡的最高预警等级。由此可以实现利用次声技术对土质滑坡进行监测预警。

本发明的设计原理：以滑面处土颗粒间的微观尺度摩擦和破碎是产生滑坡次声的根源为指导。首先从宏观角度来看，根据无限边坡模型或条分法的假定，滑面以上的滑体被认为是一个均质刚体，滑面处的抗滑力主要来自滑体自身重力的垂向分量乘以土体的内摩擦角φ和土体的粘聚力c的总和，当下滑力(由于降水等因素)高于抗滑力时，滑面以上的块体发生滑动，此时对应着最大的下滑力；而从微观角度来看，滑面以上的块体受下滑力的作用，在未滑动之前就，就已经在滑面处出现局部破坏，颗粒间出现小局部的相互挤压、破坏和摩擦，当宏观的外力增加至抗滑力时，此时滑面处的破坏已被贯通。所以，从坡体受力之后，坡体在滑面处就已经开始破坏，随着下滑力的增大，滑面处的局部破坏也逐步增大，参与挤压破碎和摩擦的颗粒面积也会越大，由此产生的土质滑坡次声信号也会随之增加。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。