一种膨胀土边坡锚杆预应力的监测系统及方法与流程

1.本发明涉及膨胀土边坡锚杆预应力监测技术领域，具体而言，涉及一种膨胀土边坡锚杆预应力的监测系统及方法。


背景技术：

2.膨胀土作为一类具有裂隙性和胀缩性的高塑性黏土，对气候变化极其敏感，常因经历反复干湿循环而发生不可逆的胀缩变形。在持续的降雨
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蒸发作用下，膨胀土水分丧失、土体开裂，从而为降雨入渗提供了通道，进而导致膨胀土强度衰减而发生渐进性破坏。因此，在膨胀土的边坡工程中，素有“逢堑必崩，无堤不塌”之说，可见膨胀土边坡的稳定性严重影响着工程建设的安全。由于膨胀土具有胀缩性、超固结性和裂隙性，相比一般的黏性土边坡，膨胀土边坡的失稳破坏具有以下特点：浅层性、牵引式、长期性、平缓性和季节性。
3.在实际的膨胀土边坡工程中，常采用预应力锚杆格构梁进行支护。设计人员进行膨胀土边坡支护设计时，通常认为锚杆的预应力固定不变，然而实际工程中因各种因素，导致施加于格构梁之上的锚杆预应力不断减小，而锚杆预应力减小后会对膨胀土边坡的稳定性产生重要影响。因此，如何实时监测膨胀土边坡锚杆预应力的衰减情况，并对其整体稳定性进行预警评价可避免膨胀土滑坡的产生。
4.目前，现有锚杆预应力的监测大都采用现场连线测试，无法做到全天候、经常性的检测，并且监测到锚杆预应力损失后对膨胀土边坡稳定性的影响如何缺少相应的评价方法，且现有的设备难以针对于已经实施施工的锚杆结构进行监测，整体的创新实施成本巨大且工时过高，同时难以短期内大量实施应用，针对于现有的监测数据评定环境单一难以应对不同情况下的锚杆预应力实际数值需求，因此亟需一种膨胀土边坡锚杆预应力的监测系统及方法。


技术实现要素：

5.根据本发明的实施例旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一，
6.根据本发明的实施例的第一目的在于提供一种膨胀土边坡锚杆预应力的监测系统。
7.发明第一方面的实施例提供了一种膨胀土边坡锚杆预应力的监测系统，包括：应力传感器，所述应力传感器能够装夹固定于锚杆上，且所述应力传感器被配置为监测所述锚杆的预应力；数据传输模块，所述数据传输模块被配置为执行所述应力传感器与监测数据预报平台之间的数据传输，所述监测数据预报平台被配置为对所述锚杆预应力数据与时间的变化曲线进行显示；其中，所述应力传感器上表面开设通孔，且所述应力传感器设置至少一个。
8.根据本发明提供的一种膨胀土边坡锚杆预应力的监测系统，通过将应力传感器直接装夹固定在锚杆上然后进行预应力的施加即可进行持续的监测，并且借助数据传输模块进行数据的远程发送，使得监测现场不需要工作人员长期停留，能够进行多个位置的远程
监测，在单个监测位置设置至少一个，可进行一个以上的锚杆的同时监测，能够得到同一地点的一个以上的即时数据，能够使得数据的真实性更高，通过压力传感器的直接安装无需锚杆的结构更改和重新设计，降低了装置的实施成本，且方便大面积铺设，考虑到锚杆的长杆类结构，应力传感器通过设备通孔，使得整体为环形结构能够直接套接在锚杆上，方便了应力传感器的固定，也使得应力传感器能够进行圆周的环形监测，使得数据更加真实或者更加准确地降低极端数据。
9.另外，根据本发明的实施例提供的技术方案还可以具有如下附加技术特征：
10.上述任一技术方案中，一种膨胀土边坡锚杆预应力的监测系统还包括：膨胀土边坡整体稳定性预警评价平台，所述膨胀土边坡整体稳定性预警评价平台用于显示边坡安全系数数据与时间的变化曲线。
11.在该技术方案中，增设膨胀土边坡整体稳定性预警评价平台对远程输送的数据进行判定和汇总，以及绘制边坡安全系数数据与时间的变化曲线，方便工作人员进行一段时间内的锚杆应力持续变化，能够使得工作人员针对于数据的走势预判之后一段时间内的可能产生的数据，以及何时进行锚杆预应力的重新施加，增强了数据的可分析性。
12.上述任一技术方案中，所述监测数据预报平台及膨胀土边坡整体稳定性预警评价平台包括电脑或移动手机端。
13.在该技术方案中，通过电脑或移动手机端，可使得工作人员能够更加方便的获得监测数据，增强了装置末端设备的灵活性，能够将现有的设备进行直接应用降低了本装置的应用成本。
14.上述任一技术方案中，防护外壳，设于所述数据传输模块外壁上，所述防护外壳被配置为进行所述数据传输模块的隔离保护、所述数据传输模块的移动和/或数据传输模块的检修。
15.在该技术方案中，加设防护外壳将数据传输模块与外部环境进行隔离，起到了防护的作用，避免外部的破坏，通过防护外壳的整体包装，使得数据传输模块的方便移动，防护外壳设置推拉门，使得数据传输模块能够进行暴露以便工作人员进行维修，防护外壳内部也可放置可移动的维修工具，以便工作人员进行直接的现场维修。
16.上述任一技术方案中，所述防护外壳上设置有充电模组，所述充电模组包括：转换部和充电部，所述转换部能够向所述充电部传输无线电波能量，所述转换部设于所述防护外壳外壁和/或所述充电部设于所述防护外壳内壁，其中，所述充电部被配置为能够存储电量或释放电量，所述充电部连接于所述监测数据预报平台的供电模块，所述转换部被配置为能够将外部自然能转化为电能。
17.在该技术方案中，加设充电模组对数据传输模块进行供电，可使得本装置能够降低对外部用电的依赖，增大了本装置可工作的地点，转换部和充电部进行隔离的无线充电，可避免防护外壳的开孔，增强了防护外壳的密闭性，避免受水潮影响造成数据传输模块损坏，通过转换部的能量转化，能够将外部的自然能转化为本装置能够使用的电能。
18.上述任一技术方案中，所述充电模组还包括：移动提手，所述移动提手通过铰链转动安装在防护外壳外壁顶部；和/或万向轮，所述万向轮固定装配在防护外壳外壁底部。
19.在该技术方案中，加设移动提手可使得防护外壳和数据传输模块能够方便工作人员手动提拉移动，提高了本装置的移动性；通过加设万向轮能够进行装置的移动，降低了工
作人员对装置的移动难度，方便工作人员对本装置的快速架设。
20.上述任一技术方案中，一种膨胀土边坡整体稳定性的预警评价方法，包括以下步骤：s1、通过所述监测数据预报平台提取膨胀土边坡同一个剖面下应力传感器的数据，绘制出该剖面下的每个所述应力传感器数据与时间的变化曲线；s2、提取同一剖面每个时刻下的锚杆预应力数据，计算该时刻下膨胀土边坡的整体稳定安全系数，整体稳定性计算时采用3个工况，分别为自重工况、自重 暴雨工况、自重 暴雨 地震工况；s3、分别将3个工况下膨胀土边坡的整体稳定安全系数与规范中的值进行对比分析，得到该时刻下膨胀土边坡的预警状态。
21.在该技术方案中，通过对膨胀土边坡同一个剖面下应力传感器的数据能够得出同一固定地点的不同锚杆预应力数据，降低了单一锚杆由于施工和自身品质的差别产生极端数据的情况，使得监测的数据能够更接近锚杆所处环境所能够获得的真实预应力，进行三种工况的分别分析，具体可为自重工况、自重 暴雨工况、自重 暴雨 地震工况使得本装置的结论能够面对不同的自然环境，降低突发事件对本装置的监测结论的干扰。
22.上述任一技术方案中，若在自重工况下，所述膨胀土边坡整体稳定性预警级别的判别为：膨胀土边坡的整体稳定安全系数大于1.35，此时膨胀土边坡的预警级别为绿色；膨胀土边坡的整体稳定安全系数为1.30～1.35，此时膨胀土边坡的预警级别为黄色；膨胀土边坡的整体稳定安全系数为1.21～1.29，此时膨胀土边坡的预警级别为橙色；膨胀土边坡的整体稳定安全系数分别为1.10～1.20，此时膨胀土边坡的预警级别为红色。
23.在该技术方案中，在自重工况下通过阶梯式的判定标准，能够对不同的数据进行分类总结，在对不同阶段的数据进行再判定，输出为工作人员能够直接了解的工况情况，使得工作人员在面对大量的数据时能够以更短的时间获得锚杆的实际工作状况，降低了工作人员的工作强度，绿色、黄色、橙色、红色依次所表示的锚杆工作状况为逐渐变坏。
24.上述任一技术方案中，若在自重 暴雨工况下，所述膨胀土边坡整体稳定性预警级别的判别为：膨胀土边坡的整体稳定安全系数大于1.15，此时膨胀土边坡的预警级别为绿色；膨胀土边坡的整体稳定安全系数为1.10～1.15，此时膨胀土边坡的预警级别为黄色；膨胀土边坡的整体稳定安全系数为1.04～1.09，此时膨胀土边坡的预警级别为橙色；膨胀土边坡的整体稳定安全系数分别为1.00～1.03，此时膨胀土边坡的预警级别为红色。
25.在该技术方案中，在自重 暴雨工况下通过阶梯式的判定标准，能够对不同的数据进行分类总结，在对不同阶段的数据进行再判定，输出为工作人员能够直接了解的工况情况，使得工作人员在面对大量的数据时能够以更短的时间获得锚杆的实际工作状况，降低了工作人员的工作强度，绿色、黄色、橙色、红色依次所表示的锚杆工作状况为逐渐变坏。
26.上述任一技术方案中，若在自重 暴雨 地震工况下，所述膨胀土边坡整体稳定性预警级别的判别为：膨胀土边坡的整体稳定安全系数大于1.05，此时膨胀土边坡的预警级别为绿色；膨胀土边坡的整体稳定安全系数为1.00～1.05，此时膨胀土边坡的预警级别为黄色；膨胀土边坡的整体稳定安全系数为0.96～0.99，此时膨胀土边坡的预警级别为橙色；膨胀土边坡的整体稳定安全系数分别为0.92～0.95，此时膨胀土边坡的预警级别为红色。
27.在该技术方案中，在自重 暴雨 地震工况下通过阶梯式的判定标准，能够对不同的数据进行分类总结，在对不同阶段的数据进行再判定，输出为工作人员能够直接了解的工况情况，使得工作人员在面对大量的数据时能够以更短的时间获得锚杆的实际工作状
况，降低了工作人员的工作强度，绿色、黄色、橙色、红色依次所表示的锚杆工作状况为逐渐变坏。
28.根据本发明的实施例的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或根据本发明的实施例的实践了解到。
附图说明
29.图1为本发明膨胀土边坡锚杆预应力的监测系统结构示意图；
30.图2为本发明实施例振弦式锚杆应力传感器示意图；
31.图3为本发明的自重工况下膨胀土边坡整体稳定安全系数随时间变化示意图；
32.图4为本发明的自重 暴雨工况下膨胀土边坡整体稳定安全系数随时间变化示意图；
33.图5为本发明的自重 暴雨 地震工况下膨胀土边坡整体稳定安全系数随时间变化示意图；
34.其中，图1至图5中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
35.1应力传感器、2锚杆、3数据传输模块、4监测数据预报平台、5膨胀土边坡整体稳定性预警评价平台、6防护外壳、7充电模组、8螺母、9型钢垫板、10滑动面、11膨胀土。
具体实施方式
36.为了可以更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
37.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
38.参照图1
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5，本发明提供了一种膨胀土边坡锚杆2预应力的监测系统及方法，下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。
39.如图1
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5所示，本发明第一方面的实施例提供了一种膨胀土边坡锚杆2预应力的监测系统，包括：应力传感器1，应力传感器1能够装夹固定于锚杆2上，且应力传感器1被配置为监测锚杆2的的预应力；数据传输模块3，数据传输模块3被配置为执行应力传感器1与监测数据预报平台4之间的数据传输，监测数据预报平台4被配置为对锚杆2预应力数据与时间的变化曲线进行显示；其中，应力传感器1上表面开设通孔，且应力传感器1设置至少一个。
40.根据本发明提供的一种膨胀土边坡锚杆2预应力的监测系统，通过将应力传感器1直接装夹固定在锚杆2上然后进行预应力的施加即可进行持续的监测，并且借助数据传输模块3进行数据的远程发送，使得监测现场不需要工作人员长期停留，能够进行多个位置的远程监测，在单个监测位置设置至少一个，可进行一个以上的锚杆2的同时监测，能够得到同一地点的一个以上的即时数据，能够使得数据的真实性更高，通过压力传感器的直接安装无需锚杆2的结构更改和重新设计，降低了装置的实施成本，且方便大面积铺设，考虑到锚杆2的长杆类结构，应力传感器1通过设备通孔，使得整体为环形结构能够直接套接在锚
杆2上，方便了应力传感器1的固定，也使得应力传感器1能够进行圆周的环形监测，使得数据更加真实或者更加准确地降低极端数据。
41.具体地，应力传感器1选用振弦式锚杆应力传感器，且应力传感器1通过电缆与数据传输模块3进行数据传输，应力传感器1在锚杆2上的螺母8和型钢垫板9之间形成夹持完成固定，锚杆2穿过滑动面10和膨胀土11。
42.上述任一实施例中，一种膨胀土边坡锚杆预应力的监测系统还包括：膨胀土边坡整体稳定性预警评价平台5，膨胀土边坡整体稳定性预警评价平台5用于显示边坡安全系数数据与时间的变化曲线。
43.在该实施例中，增设膨胀土边坡整体稳定性预警评价平台5对远程输送的数据进行判定和汇总，以及绘制边坡安全系数数据与时间的变化曲线，方便工作人员进行一段时间内的锚杆2应力持续变化，能够使得工作人员针对于数据的走势预判之后一段时间内的可能产生的数据，以及何时进行锚杆2预应力的重新施加，增强了数据的可分析性。
44.具体地，将所测得的预应力数据带入相应的计算公式得到边坡安全系数数据，具体公式如下：
45.式中：f
s
为膨胀土边坡安全系数；δg
ni
为作用于第i条滑动面上的膨胀土的的垂直分力；δg
ti
为作用于第i条滑动面上的膨胀土的的切向分力；n为滑动面的总条数；f、c为膨胀土的摩擦系数标准值和黏聚力的标准值；δl
i
为第i条滑动面圆弧段长度；t
dnj
为第j根预应力锚杆受拉承载力设计值作用于滑动面上的垂直分量；t
dtj
为第j根预应力锚杆受拉承载力设计值作用于滑动面上的切向分量；m为预应力锚杆的总根数。
46.上述任一实施例中，监测数据预报平台4及膨胀土边坡整体稳定性预警评价平台5包括电脑或移动手机端。
47.在该实施例中，通过电脑或移动手机端，可使得工作人员能够更加方便的获得监测数据，增强了装置的末端设备的灵活性，能够将现有的设备进行直接应用降低了本装置的应用成本。
48.上述任一实施例中，防护外壳6，设于数据传输模块3外壁上，防护外壳6被配置为进行数据传输模块3的隔离保护、数据传输模块3的移动和/或数据传输模块3的检修。
49.在该实施例中，加设防护外壳6将数据传输模块3与外部环境进行隔离，起到了防护的作用，避免外部的破坏，通过防护外壳6的整体包装，使得数据传输模块3的方便移动，防护外壳6设置推拉门，使得数据传输模块3能够进行暴露以便工作人员进行维修，防护外壳6内部也可放置可移动的维修工具，以便工作人员进行直接的现场维修。
50.具体地，防护外壳6采用钢板焊接围成，外壁涂抹防护涂层，防护外壳6呈现正方体结构，使得重心稳定避免倾倒。
51.上述任一实施例中，防护外壳6上设置有充电模组7，充电模组7包括：转换部和充电部，转换部能够向充电部传输无线电波能量，转换部设于防护外壳6外壁和/或充电部设于防护外壳6内壁，其中，充电部被配置为能够存储电量或释放电量，充电部连接于监测数
据预报平台4的供电模块，转换部被配置为能够将外部自然能转化为电能。
52.具体地，转换部可采用太阳能板进行光能和电能的相互转换。
53.具体地，转换部可采用风力发电机进行风能和电能的转换。
54.具体地，转换部可采用水轮发电机进行水能和电能的转换。
55.进一步地，转换部可设置两个及以上，以便增大充电模组7的电力来源，保证装置在野外供电充足，充电部采用蓄电池。
56.在该实施例中，加设充电模组7对数据传输模块3进行供电，可使得本装置能够降低对外部用电的依赖，增大了本装置可工作的地点，转换部和充电部进行隔离的无线充电，可避免防护外壳6的开孔，增强了防护外壳6的密闭性，避免受水潮影响造成数据传输模块3损坏，通过转换部的能量转化，能够将外部的自然能转化为本装置能够使用的电能。
57.上述任一实施例中，充电模组7还包括：移动提手，移动提手通过铰链转动安装在防护外壳6外壁顶部；和/或万向轮，万向轮固定装配在防护外壳6外壁底部。
58.在该实施例中，加设移动提手可使得防护外壳6和数据传输模块3能够方便工作人员手动提拉移动，提高了本装置的移动性；通过加设万向轮能够进行装置的移动，降低了工作人员对装置的移动难度，方便工作人员对本装置的快速架设。
59.上述任一实施例中，一种膨胀土边坡整体稳定性的预警评价方法，包括以下步骤：s1、通过监测数据预报平台提取膨胀土边坡同一个剖面下应力传感器1的数据，绘制出该剖面下的每个应力传感器1数据与时间的变化曲线；s2、提取同一剖面每个时刻下的锚杆2预应力数据，计算该时刻下膨胀土边坡的整体稳定安全系数，整体稳定性计算时采用3个工况，分别为自重工况、自重 暴雨工况、自重 暴雨 地震工况；s3、分别将3个工况下膨胀土边坡的整体稳定安全系数与规范中的值进行对比分析，得到该时刻下膨胀土边坡的预警状态。
60.在该实施例中，通过对膨胀土边坡同一个剖面下应力传感器1的数据能够得出同一固定地点的不同锚杆2预应力数据，降低了单一锚杆2由于施工和自身品质的差别产生极端数据的情况，使得监测的数据能够更接近锚杆2所处环境所能够获得的真实预应力，进行三种工况的分别分析，具体可为自重工况、自重 暴雨工况、自重 暴雨 地震工况使得本装置的结论能够面对不同的自然环境，降低突发事件对本装置的监测结论的干扰。
61.上述任一实施例中，若在自重工况下，膨胀土边坡整体稳定性预警级别的判别为：膨胀土边坡的整体稳定安全系数大于1.35，此时膨胀土边坡的预警级别为绿色；膨胀土边坡的整体稳定安全系数为1.30～1.35，此时膨胀土边坡的预警级别为黄色；膨胀土边坡的整体稳定安全系数为1.21～1.29，此时膨胀土边坡的预警级别为橙色；膨胀土边坡的整体稳定安全系数分别为1.10～1.20，此时膨胀土边坡的预警级别为红色。
62.在该实施例中，在自重工况下通过阶梯式的判定标准，能够对不同的数据进行分类总结，在对不同阶段的数据进行再判定，输出为工作人员能够直接了解的工况情况，使得工作人员在面对大量的数据时能够以更短的时间获得锚杆2的实际工作状况，降低了工作人员的工作强度，绿色、黄色、橙色、红色依次所表示的锚杆2工作状况为逐渐变坏。
63.上述任一实施例中，若在自重 暴雨工况下，膨胀土边坡整体稳定性预警级别的判别为：膨胀土边坡的整体稳定安全系数大于1.15，此时膨胀土边坡的预警级别为绿色；膨胀土边坡的整体稳定安全系数为1.10～1.15，此时膨胀土边坡的预警级别为黄色；膨胀土边
坡的整体稳定安全系数为1.04～1.09，此时膨胀土边坡的预警级别为橙色；膨胀土边坡的整体稳定安全系数分别为1.00～1.03，此时膨胀土边坡的预警级别为红色。
64.在该实施例中，在自重 暴雨工况下通过阶梯式的判定标准，能够对不同的数据进行分类总结，在对不同阶段的数据进行再判定，输出为工作人员能够直接了解的工况情况，使得工作人员在面对大量的数据时能够以更短的时间获得锚杆2的实际工作状况，降低了工作人员的工作强度，绿色、黄色、橙色、红色依次所表示的锚杆2工作状况为逐渐变坏。
65.上述任一实施例中，若在自重 暴雨 地震工况下，膨胀土边坡整体稳定性预警级别的判别为：膨胀土边坡的整体稳定安全系数大于1.05，此时膨胀土边坡的预警级别为绿色；膨胀土边坡的整体稳定安全系数为1.00～1.05，此时膨胀土边坡的预警级别为黄色；
66.膨胀土边坡的整体稳定安全系数为0.96～0.99，此时膨胀土边坡的预警级别为橙色；膨胀土边坡的整体稳定安全系数分别为0.92～0.95，此时膨胀土边坡的预警级别为红色。
67.在该实施例中，在自重 暴雨 地震工况下通过阶梯式的判定标准，能够对不同的数据进行分类总结，在对不同阶段的数据进行再判定，输出为工作人员能够直接了解的工况情况，使得工作人员在面对大量的数据时能够以更短的时间获得锚杆2的实际工作状况，降低了工作人员的工作强度，绿色、黄色、橙色、红色依次所表示的锚杆2工作状况为逐渐变坏。
68.具体的实施方式：
69.在时间轴上t逐渐增大，绿色、黄色、橙色、红色的时钟塔警示颜色中，绿色为最安全，红色为最危险，若出现两种以上的颜色，则以相对危险的颜色作为输出结果；
70.膨胀土边坡整体稳定性预警级别的判别为：若自重、自重 暴雨、自重 暴雨 地震3个工况下膨胀土边坡的整体稳定安全系数都分别大于1.35、1.15、1.05，此时膨胀土边坡的预警级别为绿色；若自重、自重 暴雨、自重 暴雨 地震3个工况下膨胀土边坡的整体稳定安全系数分别为1.30～1.35、1.10～1.15、1.00～1.05，上述3个工况的整体稳定安全系数有1个满足，此时膨胀土边坡的预警级别为黄色；若自重、自重 暴雨、自重 暴雨 地震3个工况下膨胀土边坡的整体稳定安全系数分别为1.21～1.29、1.04～1.09、0.96～0.99，上述3个工况的整体稳定安全系数有1个满足，此时膨胀土边坡的预警级别为橙色；若自重、自重 暴雨、自重 暴雨 地震3个工况下膨胀土边坡的整体稳定安全系数分别为1.10～1.20、1.00～1.03、0.92～0.95，上述3个工况的整体稳定安全系数有1个满足，此时膨胀土边坡的预警级别为红色。
71.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
72.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。