[发明专利]压电型钻孔应力传感器及其边坡应力监测方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及到岩土边坡地质安全监测设备和监测方法，特别涉及到一种压电型钻孔应力传感器及其边坡应力监测方法。

背景技术

我国山地丘陵占国土总面积2/3以上，随着我国高等级公路的快速修建和山区城镇建设高速发展，岩土高切坡数量日益增多、高度越来越大、坡度越来越陡，地质安全问题则日益凸显。由于岩土边坡的地质危害性较大，岩土边坡的突然垮塌造成巨大的危害。如2007年11月国道318线某地段的边坡发生巨型崩塌灾害，一辆客车被崩塌体掩埋，车内30余人全部遇难，该崩塌灾害源位于路面以上34m处，崩塌体沿陡崖走向的长度约35m，高约24m，厚5m左右，总体积4512m³，坠落在路面的残余块体体积500m³左右，压剪破坏型危岩体由灰岩组成。又如2005年11月渝涪陵高速公路某地段边坡发生崩塌灾害，崩塌体积600m³左右，砸坏一辆装载冰箱的运输车，公路断道30小时左右。这些灾害事件表明我国公路、城市、矿山高边坡目前存在严重地质安全问题。鉴于此，针对压剪破坏型危岩及岩质滑坡，遵循科学发展观，开发相应的仪器设备，实时揭示其破坏敏感区域的应力大小及其变化过程，为压剪破坏型危岩及岩质滑坡的实时安全警报提供重要基础信息，对于确保人民生命财产安全，构建和谐社会，具有重要现实意义。

迄今，国内外在钻孔应力监测技术方面取得了显著进展，提出了钻孔位移法、钻孔变形法、钻孔应力法、钻孔应变法、空心包体应变法、实心包体应变法，开发了CSIRO空心包体应变计、UNSW实心包体应变计、KS-1型钻孔应力计。然而，这些方法多数用于测试地应力，主要通过测量钻孔壁的变形换算成应力，并且，一个钻孔只能得到一个量测数据，获取的数据属于平均应力或平均应变，不能获取不同深度的应力大小，难以有效提取压剪破坏型危岩或岩质滑坡破坏敏感区域内实时出现的由危岩体或滑坡体引发的致灾应力。

发明内容

为克服现有边坡应力测试技术存在的不能获取不同深度的应力大小，难以有效提取压剪破坏型危岩或岩质滑坡破坏敏感区域内实时出现的由危岩体或滑坡体引发的致灾应力等问题，本发明提出一种压电型钻孔应力传感器及其边坡应力监测方法。本发明压电型钻孔应力传感器采用预制构件方式将聚偏氟乙烯高分子材料压电膜pvdf和信号传输线集成在传感器金属筒上，能够实时监测岩土边坡内部的应力变化。本发明边坡应力监测方法将本发明压电型钻孔应力传感器安置在岩土边坡的压剪破坏型危岩或岩质滑坡破坏的敏感应力区，对应力变化进行实时监测。

本发明压电型钻孔应力传感器包括纵向薄壁开口金属筒、传感器、信号传输线和灌注砂浆；传感器粘贴在纵向薄壁开口金属筒的外侧，信号传输线布置在纵向薄壁开口金属筒内侧；每个传感器连接一根信号传输线；将已经装配传感器和信号传输线的纵向薄壁开口金属筒安置在预先钻好的孔洞中，并在纵向薄壁开口金属筒内灌注砂浆形成预制结构；其中，纵向薄壁开口金属筒采用厚度≤2mm的铝板加工而成，其长度为0.5至2.5m，直径为3至8cm；传感器为聚偏氟乙烯高分子材料压电膜pvdf。

进一步的，本发明压电型钻孔应力传感器的聚偏氟乙烯高分子材料压电膜pvdf的长、宽分别为0.8至1.2cm，厚度为400至450μm；聚偏氟乙烯高分子材料压电膜pvdf频带响应范围为0至700Hz，热电耦合系数为40c/cm².K，承受有效压应力≤900Mpa，适用温度范围为-40℃至80℃。

进一步的，本发明压电型钻孔应力传感器聚偏氟乙烯高分子材料压电膜pvdf在传感器金属筒外侧的安装方式为沿传感器金属筒外圆周均匀分布并在轴向分为n排，每排3只聚偏氟乙烯高分子材料压电膜pvdf，第一排离传感器金属筒端头的距离为a，排与排之间的间距为b；其中，当压电型钻孔应力传感器的长度为1m、直径为6cm时，n为8排，a为11cm，b为10cm；当压电型钻孔应力传感器的长度为2m、直径为6cm时，n为17排，a为11.5cm，b为10cm。

本发明边坡应力监测方法包括以下步骤：

⑴ 选择危岩体或滑坡体中下部1/3高度范围作为监测区，并采用梅花桩方式布设本发明压电型钻孔应力传感器，其布设间距为2.0至2.5m，布设数量为3至5个；所述梅花桩方式为前后排错位排列，后排的压电型钻孔应力传感器正好位于前排的两个压电型钻孔应力传感器之间的正中位置；