專利名稱：壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器及其邊坡應(yīng)力監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到巖土邊坡地質(zhì)安全監(jiān)測設(shè)備和監(jiān)測方法，特別涉及到一種壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器及其邊坡應(yīng)力監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
我國山地丘陵占國土總面積2/3以上，隨著我國高等級公路的快速修建和山區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)高速發(fā)展，巖土高切坡數(shù)量日益增多、高度越來越大、坡度越來越陡，地質(zhì)安全問題則日益凸顯。由于巖土邊坡的地質(zhì)危害性較大，巖土邊坡的突然垮塌造成巨大的危害。如 2007年11月國道318線某地段的邊坡發(fā)生巨型崩塌災(zāi)害，一輛客車被崩塌體掩埋，車內(nèi)30 余人全部遇難，該崩塌災(zāi)害源位于路面以上;Mm處，崩塌體沿陡崖走向的長度約35m，高約 24m,厚5m左右，總體積4512m3，墜落在路面的殘余塊體體積500m3左右，壓剪破壞型危巖體由灰?guī)r組成。又如2005年11月渝涪陵高速公路某地段邊坡發(fā)生崩塌災(zāi)害，崩塌體積600m3 左右，砸壞一輛裝載冰箱的運輸車，公路斷道30小時左右。這些災(zāi)害事件表明我國公路、城市、礦山高邊坡目前存在嚴(yán)重地質(zhì)安全問題。鑒于此，針對壓剪破壞型危巖及巖質(zhì)滑坡，遵循科學(xué)發(fā)展觀，開發(fā)相應(yīng)的儀器設(shè)備，實時揭示其破壞敏感區(qū)域的應(yīng)力大小及其變化過程， 為壓剪破壞型危巖及巖質(zhì)滑坡的實時安全警報提供重要基礎(chǔ)信息，對于確保人民生命財產(chǎn)安全，構(gòu)建和諧社會，具有重要現(xiàn)實意義。迄今，國內(nèi)外在鉆孔應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)方面取得了顯著進(jìn)展，提出了鉆孔位移法、鉆孔變形法、鉆孔應(yīng)力法、鉆孔應(yīng)變法、空心包體應(yīng)變法、實心包體應(yīng)變法，開發(fā)了 CSIRO空心包體應(yīng)變計、UNSff實心包體應(yīng)變計、KS-I型鉆孔應(yīng)力計。然而，這些方法多數(shù)用于測試地應(yīng)力，主要通過測量鉆孔壁的變形換算成應(yīng)力，并且，一個鉆孔只能得到一個量測數(shù)據(jù)，獲取的數(shù)據(jù)屬于平均應(yīng)力或平均應(yīng)變，不能獲取不同深度的應(yīng)力大小，難以有效提取壓剪破壞型危巖或巖質(zhì)滑坡破壞敏感區(qū)域內(nèi)實時出現(xiàn)的由危巖體或滑坡體引發(fā)的致災(zāi)應(yīng)力。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有邊坡應(yīng)力測試技術(shù)存在的不能獲取不同深度的應(yīng)力大小，難以有效提取壓剪破壞型危巖或巖質(zhì)滑坡破壞敏感區(qū)域內(nèi)實時出現(xiàn)的由危巖體或滑坡體引發(fā)的致災(zāi)應(yīng)力等問題，本發(fā)明提出一種壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器及其邊坡應(yīng)力監(jiān)測方法。本發(fā)明壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器采用預(yù)制構(gòu)件方式將聚偏氟乙烯高分子材料壓電膜PVdf和信號傳輸線集成在傳感器金屬筒上，能夠?qū)崟r監(jiān)測巖土邊坡內(nèi)部的應(yīng)力變化。本發(fā)明邊坡應(yīng)力監(jiān)測方法將本發(fā)明壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器安置在巖土邊坡的壓剪破壞型危巖或巖質(zhì)滑坡破壞的敏感應(yīng)力區(qū)，對應(yīng)力變化進(jìn)行實時監(jiān)測。本發(fā)明壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器包括縱向薄壁開口金屬筒、傳感器、信號傳輸線和灌注砂漿；傳感器粘貼在縱向薄壁開口金屬筒的外側(cè)，信號傳輸線布置在縱向薄壁開口金屬筒內(nèi)側(cè)；每個傳感器連接一根信號傳輸線；將已經(jīng)裝配傳感器和信號傳輸線的縱向薄壁開口金屬筒安置在預(yù)先鉆好的孔洞中，并在縱向薄壁開口金屬筒內(nèi)灌注砂漿形成預(yù)制結(jié)構(gòu)；其中，縱向薄壁開口金屬筒采用厚度彡2mm的鋁板加工而成，其長度為0. 5至2. 5m，直徑為3至8cm ；傳感器為聚偏氟乙烯高分子材料壓電膜pvdf。進(jìn)一步的，本發(fā)明壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器的聚偏氟乙烯高分子材料壓電膜pvdf 的長、寬分別為0. 8至1. 2cm,厚度為400至450 μ m ；聚偏氟乙烯高分子材料壓電膜pvdf頻帶響應(yīng)范圍為0至700Hz，熱電耦合系數(shù)為40c/cm2. K，承受有效壓應(yīng)力彡900Mpa，適用溫度范圍為-40°C至80°C。進(jìn)一步的，本發(fā)明壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器聚偏氟乙烯高分子材料壓電膜pvdf在傳感器金屬筒外側(cè)的安裝方式為沿傳感器金屬筒外圓周均勻分布并在軸向分為η排，每排 3只聚偏氟乙烯高分子材料壓電膜pvdf，第一排離傳感器金屬筒端頭的距離為a，排與排之間的間距為b;其中，當(dāng)壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器的長度為lm、直徑為6cm時，η為8排，a 為11cm，b為IOcm ；當(dāng)壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器的長度為2m、直徑為6cm時，η為17排，a為 11.5cm,b 為 IOcm0本發(fā)明邊坡應(yīng)力監(jiān)測方法包括以下步驟
(1)選擇危巖體或滑坡體中下部1/3高度范圍作為監(jiān)測區(qū)，并采用梅花樁方式布設(shè)本發(fā)明壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器，其布設(shè)間距為2. 0至2. 5m，布設(shè)數(shù)量為3至5個；所述梅花樁方式為前后排錯位排列，后排的壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器正好位于前排的兩個壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器之間的正中位置；
⑵根據(jù)壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器安置方式在布設(shè)壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器位置鉆孔，其孔徑略大于壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器的傳感器金屬筒外徑；其中，壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器安置方式分為
A方式傳感器軸向與可能的破壞面傾向相反； B方式傳感器軸向與可能的破壞面傾向相同；
(3)鉆孔清孔后，放入預(yù)制的本發(fā)明壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器空心構(gòu)件，應(yīng)力傳輸線有效連接到危巖體或滑坡體邊緣安全部位；在壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器空心構(gòu)件內(nèi)灌注砂漿，振搗密實；
⑷壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器內(nèi)砂漿完全凝固后，即可實施壓剪破壞型危巖或巖質(zhì)滑坡破壞敏感區(qū)內(nèi)的三維應(yīng)力觀測，實時采集每個傳感器上每個聚偏氟乙烯高分子材料壓電膜
pvdf測試所得的應(yīng)力O0f χ = 1，2，3，···，3η;η為聚偏氟乙烯高分子材料壓電膜pvdf在傳
感器金屬筒的軸向排數(shù)；
(5)根據(jù)下式提取各個壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器上所有聚偏氟乙烯高分子材料壓電膜 pvdf測試到的最大壓應(yīng)力
權(quán)利要求
1.一種壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器，包括縱向薄壁開口金屬筒、傳感器、信號傳輸線和灌注砂漿；傳感器粘貼在縱向薄壁開口金屬筒的外側(cè)，信號傳輸線布置在縱向薄壁開口金屬筒內(nèi)側(cè)；每個傳感器連接一根信號傳輸線；將已經(jīng)裝配傳感器和信號傳輸線的縱向薄壁開口金屬筒安置在預(yù)先鉆好的孔洞中，并在縱向薄壁開口金屬筒內(nèi)灌注砂漿形成預(yù)制結(jié)構(gòu)； 其特征在于縱向薄壁開口金屬筒采用厚度< 2mm的鋁板加工而成，其長度為0. 5至2. 5m, 直徑為3至8cm ；傳感器為聚偏氟乙烯高分子材料壓電膜pvdf。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器，其特征在于聚偏氟乙烯高分子材料壓電膜Pvdf的長、寬分別為0. 8至1. 2cm,厚度為400至450 μ m ；聚偏氟乙烯高分子材料壓電膜Pvdf頻帶響應(yīng)范圍為0至700Hz，熱電耦合系數(shù)為40c/cm2. K，承受有效壓應(yīng)力彡900Mpa，適用溫度范圍為-40°C至80°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器，其特征在于聚偏氟乙烯高分子材料壓電膜pvdf在傳感器金屬筒外側(cè)的安裝方式為沿傳感器金屬筒外圓周均勻分布并在軸向分為η排，每排3只聚偏氟乙烯高分子材料壓電膜pvdf，第一排離傳感器金屬筒端頭的距離為a，排與排之間的間距為b ；其中，當(dāng)壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器的長度為lm、直徑為6cm時， η為8排，a為11cm，b為IOcm ；當(dāng)壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器的長度為2m、直徑為6cm時，η為 17 排，a 為 11. 5cm, b 為 IOcm0
4.一種邊坡應(yīng)力監(jiān)測方法，其特征在于，該監(jiān)測方法包括以下步驟(1)選擇危巖體或滑坡體中下部1/3高度范圍作為監(jiān)測區(qū)，并采用梅花樁方式布設(shè)如權(quán)利要求1所述壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器，其布設(shè)間距為2. 0至2. 5m，布設(shè)數(shù)量為3至5個； 所述梅花樁方式為前后排錯位排列，后排的壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器正好位于前排的兩個壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器之間的正中位置；⑵根據(jù)壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器安置方式在布設(shè)壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器位置鉆孔，其孔徑略大于壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器的傳感器金屬筒外徑；其中，壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器安置方式分為A方式傳感器軸向與可能的破壞面傾向相反；B方式傳感器軸向與可能的破壞面傾向相同；(3)鉆孔清孔后，放入預(yù)制的本發(fā)明壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器空心構(gòu)件，應(yīng)力傳輸線有效連接到危巖體或滑坡體邊緣安全部位；在壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器空心構(gòu)件內(nèi)灌注砂漿，振搗密實；⑷壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器內(nèi)砂漿完全凝固后，即可實施壓剪破壞型危巖或巖質(zhì)滑坡破壞敏感區(qū)內(nèi)的三維應(yīng)力觀測，實時采集每個傳感器上每個聚偏氟乙烯高分子材料壓電膜pvdf測試所得的應(yīng)力<%，i = 1，2，3，···，3η;η為聚偏氟乙烯高分子材料壓電膜pvdf在傳感器金屬筒的軸向排數(shù)；(5)根據(jù)下式提取各個壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器上所有聚偏氟乙烯高分子材料壓電膜 pvdf測試到的最大壓應(yīng)力O"膽=HMKfiX0iI I = XlrJ^m(6)根據(jù)下式計算各個壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器所測試到的最大剪應(yīng)力ζ 對于壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器安置方式
全文摘要
為克服現(xiàn)有邊坡應(yīng)力測試技術(shù)存在的不能獲取不同深度的應(yīng)力大小，難以有效提取壓剪破壞型危巖或巖質(zhì)滑坡破壞敏感區(qū)域內(nèi)實時出現(xiàn)的由危巖體或滑坡體引發(fā)的致災(zāi)應(yīng)力等問題，本發(fā)明提出一種壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器及其邊坡應(yīng)力監(jiān)測方法。本發(fā)明壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器采用預(yù)制構(gòu)件方式將聚偏氟乙烯高分子材料壓電膜pvdf和信號傳輸線集成在傳感器金屬筒上，能夠?qū)崟r監(jiān)測巖土邊坡內(nèi)部的應(yīng)力變化。本發(fā)明邊坡應(yīng)力監(jiān)測方法將本發(fā)明壓電型鉆孔應(yīng)力傳感器安置在巖土邊坡的壓剪破壞型危巖或巖質(zhì)滑坡破壞的敏感應(yīng)力區(qū)，對應(yīng)力變化進(jìn)行實時監(jiān)測，確定壓剪破壞型危巖或巖質(zhì)滑坡的實時安全性態(tài)，是進(jìn)行壓剪破壞型危巖或巖質(zhì)滑坡災(zāi)害警報的重要基礎(chǔ)信息。
文檔編號G01L1/16GK102410892SQ20111022388
公開日2012年4月11日 申請日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月5日
發(fā)明者唐紅梅, 陳洪凱, 陳雪諾 申請人:唐紅梅, 陳洪凱, 陳雪諾