一种用于堆填场土工结构的监测系统及监测方法

1.本发明属于环境岩土工程技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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；
4.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。


技术实现要素：

5.本发明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；
6.为了解决上述问题，本发明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。
7.第二方面，本发明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；(xi,yi,zi)为单测点在i时刻的空间坐标；(xj,yj,zj)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dk，公式(2)为：
[0010][0011]
式(2)中，dk为测点在k方向的位移分量；lk、mk、nk分别为k方向在所构建空间单元体上的方向余弦值，lk、mk、nk的计算公式分别为：
[0012][0013][0014][0015]
式(3)～(5)中，lk、mk、nk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(xk,yk,zk)，可通过公式(6)计算获取，公式(6)为：
[0016][0017]
式(6)中，(xk,yk,zk)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du、dv、dw，结合公式(8)计算测点i的三维应变状态εi，公式(8)为：
[0020][0021]
式(8)中，εi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εi，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]
[σi]＝[e][εi]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0023]
式(9)中，[εi]为公式(8)计算获取的测点i的三维应变状态；[σi]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
、εy、εz，分别查询测试区域同种材料室内三轴实验中ε
x
、εy、εz数值分别对应的净应力值并分别记为σ
tx
、σ
ty
、σ
tz
，并将室内三轴实验中同种材料的峰值应力记为σ
p
；
③
分别比较σ
tx
、σ
ty
、σ
tz
与测定的应力状态[σi]中σ
x
、σy、σz的数值大小，当σ
x
≥σ
tx
或σy≥σ
ty
或σz≥σ
tz
或σ
x
≥σ
p
或σy≥σ
p
或σz≥σ
p
时，测点i即达到了破坏状态；
[0025]
3)堆填场土工结构累计位移的一种计算方法，该方法包括以下步骤：
①
采用据公式(2)计算监测测点任意方向的位移；
②
将同一监测点同一方向的位移从初始时刻叠加至当前时刻，并记为do；
③
将上部测点u和下部测点b在i方向上的位移作差，确定上部测点与下部测点之间的净位移量d
(u-b)-i
，即d
(u-b)-i
＝d
u-i-d
b-i
；
④
当三维应力位移测试仪的加速度达到100
×
10mm/s时，判定为进入地震作用状态；
⑤
当do大于s倍的坡体高度或d
(u-b)-i
大于s倍的上部测点u与下部测点b或的间距时，即判定为上部测点u与下部测点b之间的区域产生了破坏；正常工况时s取6％～15％；地震作用时s取5％。
[0026]
有益效果：本发明提出了一种用于堆填场土工结构的监测系统，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
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。
附图说明
[0027]
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]
图1为本发明的一种用于堆填场土工结构的监测系统示意图；
[0029]
图2为本发明涉及的计算单个测点三维位移的计算示意图。
具体实施方式
[0030]
下面将结合附图，对本发明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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]
同时，本说明书实施例中，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本说明书实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在限制本发明。
[0032]
实施例一：
[0033]
如图1-2所示，本实施例一提供了本发明的一种用于堆填场土工结构的监测系统及其实施方法原理：通过信号转换后集成的方式构建了一种用于堆填场土工结构的监测系统；通过加速度计算测点的位移量，通过位移分解的形式确定测点的三维位移状态，结合主位移求解手段给出空间内最大位移发生方向。
[0034]
具体而言，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；将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；即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，即形成一种用于堆填场土工结构的监测系统。
[0035]
在上述实施例一的技术方案中，通过一种用于堆填场土工结构的监测系统，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。
[0036]
实施例二：
[0037]
本实施例二提供了一种用于堆填场土工结构的监测系统的实施方法，如图2所示，该方法包括以下方面：
[0038]
1)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：
[0039]
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：
[0040][0041]
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；(xi,yi,zi)为单测点在i时刻的空间坐标；(xj,yj,zj)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；
[0042]
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dk，公式(2)为：
[0043][0044]
式(2)中，dk为测点在k方向的位移分量；lk、mk、nk分别为k方向在所构建空间单元体上的方向余弦值，lk、mk、nk的计算公式分别为：
[0045][0046][0047][0048]
式(3)～(5)中，lk、mk、nk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(xk,yk,zk)，可通过公式(6)计算获取，公式(6)为：
[0049]
[0050]
式(6)中，(xk,yk,zk)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；
[0051]
③
依据公式(7)计算测点主应力方向的位移，公式(7)为：
[0052][0053]
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；
[0054]
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du、dv、dw，结合公式(8)计算测点i的三维应变状态εi，公式(8)为：
[0055][0056]
式(8)中，εi为测点i的三维应变状态；
[0057]
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：
[0058]
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εi，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：
[0059]
[σi]＝[e][εi]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0060]
式(9)中，[εi]为公式(8)计算获取的测点i的三维应变状态；[σi]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；
[0061]
②
依据公式(8)确定的ε
x
、εy、εz，分别查询测试区域同种材料室内三轴实验中ε
x
、εy、εz数值分别对应的净应力值并分别记为σ
tx
、σ
ty
、σ
tz
，并将室内三轴实验中同种材料的峰值应力记为σ
p
；
[0062]
③
分别比较σ
tx
、σ
ty
、σ
tz
与测定的应力状态[σi]中σ
x
、σy、σz的数值大小，当σ
x
≥σ
tx
或σy≥σ
ty
或σz≥σ
tz
或σ
x
≥σ
p
或σy≥σ
p
或σz≥σ
p
时，测点i即达到了破坏状态；
[0063]
3)堆填场土工结构累计位移的一种计算方法，该方法包括以下步骤：
[0064]
①
采用据公式(2)计算监测测点任意方向的位移；
[0065]
②
将同一监测点同一方向的位移从初始时刻叠加至当前时刻，并记为do；
[0066]
③
将上部测点u和下部测点b在i方向上的位移作差，确定上部测点与下部测点之间的净位移量d
(u-b)-i
，即d
(u-b)-i
＝d
u-i-d
b-i
；
[0067]
④
当三维应力位移测试仪的加速度达到100
×
10mm/s时，判定为进入地震作用状态；
[0068]
⑤
当do大于s倍的坡体高度或d
(u-b)-i
大于s倍的上部测点u与下部测点b或的间距时，即判定为上部测点u与下部测点b之间的区域产生了破坏；正常工况时s取6％～15％；地震作用时s取5％。
[0069]
对于上述实施例二来说，本发明提供了计算测点三维位移、主位移和三维应变状态的方法；提供了能够同时测定三维应力状态和三维应变状态的方法；提供了基于三维应力和三维应变关系判别测点状态的方法；提供了基于三维应力和三维应变关系计算本构参数的方法，共同解决了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的技术问题。
[0070]
由于该实施例二与实施例一为同一发明构思下的一个实施例，其部分结构完全相同，因此对实施例二中与实施例一实质相同的结构不在详细阐述，未详述部分请参阅实施例一即可。
[0071]
最后应说明的是：以上上述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
[0072]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。