[发明专利]铁路路基塌陷全过程演化动态监测系统及监测方法

权利要求书

1.一种铁路路基塌陷全过程演化动态监测系统，其特征在于：包括

-磁场发射元件(10)，埋设在铁路路基内，发射磁场；

-两套磁场探测装置，位于路基表面，所述磁场探测装置包括四个用于接收磁场发射元件所发射的磁场信息的三轴磁传感器(5)、用以定位的GPS(6)、和用以传输三轴磁传感器及GPS数据的无线通讯模块(7)，四个所述三轴磁传感器(5)呈正方形布置，所述GPS(6)位于正方形的中心；

-数据控制系统(13)，处理由无线通讯模块传输的GPS(6)和三轴磁传感器(5)的数据，计算磁场发射元件的三维位置参数对铁路路基塌陷全过程演化动态监测和预警。

2.根据权利要求1所述的铁路路基塌陷全过程演化动态监测系统，其特征在于：所述磁场发射元件(10)包括钕铁硼永磁铁(1)、钕铁硼永磁铁外的依次包围的高阻尼橡胶隔震层(2)、工程塑料防渗层(3)和高耐久性混凝土层(4)。

3.一种铁路路基塌陷全过程演化动态监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1)通过三维离散元方法计算铁路路基塌陷全过程演化，根据铁路路基塌陷全过程演化中的位移和应力的大小，将铁路路基的全过程塌陷演化分为5个不同的变形阶段，分别为：①路基深部变形扩展阶段，②路基深部塌陷扩展阶段，③路基表面变形扩展阶段，④路基表面变形失稳阶段，⑤路基整体塌陷阶段；

在铁路路基内埋设磁场发射元件，通过三维离散元方法理论推演出该磁场发射元件的运动轨迹，绘制磁场发射元件的运动轨迹与铁路路基塌陷全过程演化的关系曲线；

S2)在路基表面任意选择两个测点(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)设置磁场探测装置；

S3)理论计算磁场发射元件在两个测点(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)的磁场梯度值(B_xx-1,B_xy-1,B_xz-1,B_yy-1,B_yz-1)和(B_xx-2,B_xy-2,B_xz-2,B_yy-2,B_yz-2)：

S4)根据磁场探测装置的实测值计算磁场发射元件在两个测点(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)的磁场梯度值(B′_xx-1,B′_xy-1,B′_xz-1,B′_yy-1,B′_yz-1)和(B′_xx-2,B′_xy-2,B′_xz-2,B′_yy-2,B′_yz-2)；

S5)根据理论值(B_xx-1,B_xy-1,B_xz-1,B_yy-1,B_yz-1)和(B_xx-2,B_xy-2,B_xz-2,B_yy-2,B_yz-2)与实测值(B′_xx-1,B′_xy-1,B′_xz-1,B′_yy-1,B′_yz-1)和(B′_xx-2,B′_xy-2,B′_xz-2,B′_yy-2,B′_yz-2)，通过优化算法得到三维位置参数的解，使得计算磁场梯度与实测磁场梯度的拟合误差最小，得到磁场发射元件的三维位置参数

S6)根据S5)得到的实时的磁场发射元件的三维位置参数绘制随着铁路路基塌陷全过程演化的磁场发射元件的实时位置曲线，对照S1)中理论计算得到的铁路路基塌陷全过程演化的关系曲线，确定铁路路基塌陷的变形阶段，并给出相应的预警。

4.根据权利要求3所述的铁路路基塌陷全过程演化动态监测方法，其特征在于：所述S1)中的磁场发射元件的实际埋设位置由理论推演得出，具体包括如下步骤：

S1.1)对于5个变形阶段，选择能反映铁路路基塌陷演变规律的i个典型位置，假定在每个典型位置埋设磁场发射元件，即假定共埋设i个磁场发射元件；

S1.2)对于假定的每一个埋设位置，通过三维离散元方法计算磁场发射元件在5个变形阶段的三维运动，得到与铁路路基塌陷全过程演化相对应的i个磁场发射元件的三维运动轨迹，针对i个不同的埋设位置，比较i个磁场发射元件的三维运动轨迹与铁路路基塌陷全过程演化的趋势，根据三维运动轨迹与全过程演化趋势最接近的原则，推演出磁场发射元件的最佳埋设位置。