一种基于结构力学分析的数字化边坡安全监测方法与流程

1.本发明涉及一种基于结构力学分析的数字化边坡安全监测方法，属于边坡安全监测技术领域。


背景技术：

2.近年来，边坡安全事件频发，对边坡安全监测的需求也日益增多，工程领域内也在尝试不同的方法来进行边坡安全监测，但多数是通过位移监测的测量方法，存在精度低、局限性大、成本高等问题，因此本技术发明通过对造成边坡滑坡等安全问题进行结构力学分析，根据边坡滑坡时的力学特性，设计受力感知系统，与数字化感知技术相融合，提出一种基于结构力学分析的数字化边坡安全监测方法，能够准确、高效的实现对边坡的安全监测。
3.对于边坡安全监测，目前主要为通过监测位移的方法实现，如gnss技术、insar技术等；gnss技术为在对应边坡测点位置放置gnss监测站，通过gps、北斗卫星的方式进行位移的监测，这种方法成本较高，容易受到天气的影响，且位移精度受限；insar技术为干涉合成孔径雷达技术，利用微波合成孔径雷达图像对地表重复观测形成的微波相位差计算地表位移变化，这种方法为非接触式测量，容易收到植被影响，且敏感度不够，成本较高。本技术方法是对造成边坡滑坡等安全问题进行结构力学分析，得到边坡滑坡时的力学模型，根据力学模型设计对应受力感知结构，在结构对应位置焊接应变计组成应变花，通过应变花感知边坡受力情况，然后将应变花接入数字化感知系统，通过数字化感知内置的dsp数字信号处理器对数据进行实时处理，将处理后的数据通过4g实时发送至云端进行安全预警，从而实现了基于结构力学分析的数字化边坡安全监测。本技术从边坡滑坡时的力学模型出发，能够直接感知边坡的受力情况，相比常规方法更加准确、高效，同时仅使用了相关物联网技术，相比gnss技术、insar技术可以明显节约成本。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对上述存在的问题提供一种基于结构力学分析的数字化边坡安全监测方法，直接感知边坡受力情况，能够更加直观、准确、高效、低成本的完成边坡的安全监测。
5.上述的目的通过以下的技术方案实现：
6.一种基于结构力学分析的数字化边坡安全监测方法，该方法包括如下步骤：
7.步骤一、结构力学分析，计算土体的滑坡平衡条件；
8.步骤二、设置受力感知结构，通过将桩打入地下，均匀分布在监测区域，当区域内产生滑坡时，滑体下坡力会对桩造成弯矩与扭矩变化，通过在桩的底部、中部与上部分别焊接三组应变计，组成应变花，通过应变花所测应变的变化来反映桩的弯矩、扭矩的变化；
9.步骤三、将步骤二所述桩上组成三组应变花的应变计接入数字化监测系统，数字化监测系统由应变桥路、放大器、ad、dsp、4g通讯、供电模块组成，应变桥路用于将应变计组成惠斯通电桥，当应变计受力时会产生自身电阻的变化，通过惠斯通电桥的方式将应变计
的电阻变化转换为电压变化，通过后端对电压进行发大，放大后至ad进行采集，转换为数字信号，应变与电压的关系如下：
[0010][0011]
式中：ε为应变；vo为放大器输出电压；eg为供桥电压；k为应变计灵敏度系数；kf为放大器增益；
[0012]
将对应计算公式写成算法模块写入dsp数字信号处理器中进行实时处理，将处理后的数据通过4g模块实时上传至云平台中；
[0013]
步骤四、云平台安全预警
[0014]
云平台接收4g模块传输的数据，在云平台上直观的显示不同位置的数字桩的受力情况，通过内置的预警模块对各个桩的受力情况进行监测与预警，实现基于结构力学分析的数字化边坡安全监测。
[0015]
进一步地，步骤一所述土体平衡条件如下：
[0016]
f＝k
×g×
sina-g
×
cosa
×
tgb-c
×
l
[0017]
式中：f为滑体下坡力，kn/m；k为安全系数；g为滑体总重量，kn/m；a为滑面与水平面的夹角；b为滑体内摩擦夹角；c为滑面上单位黏聚力，kpa；l为滑面长度；当f＞0时，平衡遭到破坏形成滑坡；当f≤0时，滑坡处于稳定状态。
[0018]
进一步地，步骤二中，当区域内产生滑坡时，滑体下坡力会对桩造成弯矩与扭矩变化，弯矩、扭矩与力的关系公式如下：
[0019]
弯矩：
[0020]m弯
＝f
×b[0021]
式中：m
弯
为弯矩；f为滑体下坡力；b为弯矩力臂；
[0022]
扭矩：
[0023]m扭
＝f
×a[0024]
式中：m
扭
为扭矩；f为滑体下坡力；b为扭矩力臂；
[0025]
通过在桩的底部、中部与上部分别焊接三组应变计，组成应变花，通过应变花所测应变的变化来反映桩的弯矩、扭矩的变化，弯矩、扭矩与应变的关系如下：
[0026]
弯矩：
[0027][0028]
式中：m
弯
为弯矩；d为圆管外径；d为圆管内径；e为弹性模量；ε为应变；
[0029]
扭矩：
[0030][0031]
式中：m
扭
为扭矩；
[0032]
d为圆管外径；d为圆管内径；e为弹性模量；μ为泊松比；ε为应变；
[0033]
进一步地，步骤三种所述供电模块用于数字化监测系统长期供电，通过内置的电池组与外置的太阳能板组合实现，满足野外现场长期监测需求。
[0034]
有益效果：
[0035]
本发明通过对边坡滑坡过程进行结构力学分析，根据分析得到的力学模型设计感知结构，通过在感知结构上焊接应变计组成应变花的方式感知边坡的受力情况，将应变计接入数字化感知系统，通过4g传输至云平台中，实现边坡安全监测，此方法能够直接从边坡的受力角度出发，相比常规位移的检测方法，更加直观、准确、高效，同时使用了物联网相关技术，相比gnss技术、insar技术可以明显节约成本。
附图说明
[0036]
图1是本发明所述受理感知结构的示意图；
[0037]
图2是本发明的应变桥路与ad采集应变计的原理图；
[0038]
图3是本发明的数字化监测系统的示意图；
[0039]
图4是本发明的系统整体示意图。
[0040]
图中标记1-桩，2-应变花，3-数字化监测系统，4-供电模块。
具体实施方式
[0041]
如图1-4所示，本发明的基于结构力学分析的数字化边坡安全监测方法，该方法包括如下步骤：
[0042]
步骤一、结构力学分析
[0043]
滑坡的发生主要是因为土体的平衡条件遭到破坏的结果，对于土体的特性不同，主要的滑动面有平面形和圆柱形两种特性，两者表现形式不一样，但平衡关系原理是一致的，平衡条件如下：
[0044]
f＝k
×g×
sina-g
×
cosa
×
tgb-c
×
l
[0045]
式中：f为滑体下坡力，kn/m；
[0046]
k为安全系数；
[0047]
g为滑体总重量，kn/m；
[0048]
a为滑面与水平面的夹角；
[0049]
b为滑体内摩擦夹角；
[0050]
c为滑面上单位黏聚力，kpa；
[0051]
l为滑面长度；
[0052]
当f＞0时，平衡遭到破坏形成滑坡；当f≤0时，滑坡处于稳定状态。
[0053]
从上述分析可以看出，滑坡平衡条件的破坏与否，取决于下滑力矩与滑力矩的关系，因此通过对边坡进行受力监测，实时监测土质受力情况，可实现边坡的安全监测。
[0054]
步骤二、设计受力感知结构与焊接应变花
[0055]
根据结构力学分析结果，设计空心圆柱形桩结构，空心圆柱形桩结构具有受力均匀、各向同性等特点，对于复杂的地下工程结构，各向同性能够更加容易的感知各方向受力。
[0056]
监测过程中，通过将桩1打入地下，均匀分布在监测区域，当区域内产生滑坡时，滑体下坡力会对桩造成弯矩与扭矩变化，弯矩、扭矩与力的关系公式如下：
[0057]
弯矩：
[0058]m弯
＝f
×b[0059]
式中：m
弯
为弯矩；f为滑体下坡力；b为弯矩力臂；
[0060]
扭矩：
[0061]m扭
＝f
×a[0062]
式中：m
扭
为扭矩；f为滑体下坡力；b为扭矩力臂；
[0063]
通过在桩的底部、中部与上部分别焊接三组应变计2，组成应变花，通过应变花所测应变的变化来反映桩的弯矩、扭矩的变化，弯矩、扭矩与应变的关系如下：
[0064]
弯矩：
[0065][0066]
式中：m
弯
为弯矩；
[0067]
d为圆管外径；
[0068]
d为圆管内径；
[0069]
e为弹性模量；
[0070]
ε为应变；
[0071]
扭矩：
[0072][0073]
式中：m
扭
为弯矩；
[0074]
d为圆管外径；
[0075]
d为圆管内径；
[0076]
e为弹性模量；
[0077]
μ为泊松比；
[0078]
ε为应变；
[0079]
步骤三、接入数字化感知系统
[0080]
将桩上组成三组应变花的应变计接入数字化监测系统3，数字化监测系统由应变桥路、放大器、ad、dsp、4g通讯、供电模块4组成，应变桥路用于将应变计组成惠斯通电桥，当应变计受力时会产生自身电阻的变化，通过惠斯通电桥的方式将应变计的电阻变化转换为电压变化，通过后端对电压进行发大，放大后至ad进行采集，转换为数字信号，应变与电压的关系如下：
[0081][0082]
式中：ε为应变；
[0083]
vo为放大器输出电压；
[0084]
eg为供桥电压；
[0085]
k为应变计灵敏度系数；
[0086]
kf为放大器增益；
[0087]
将对应计算公式写成算法模块写入dsp数字信号处理器中进行实时处理，将处理
后的数据通过4g模块实时上传至云平台中。
[0088]
供电模块主要用于数字化监测系统长期供电，通过内置的电池组与外置的太阳能板组合实现，满足野外现场长期监测需求。
[0089]
步骤四、云平台安全预警
[0090]
云平台接收4g模块传输的数据，在云平台上直观的显示不同位置的数字桩的受力情况，通过内置的预警模块对各个桩的受力情况进行监测与预警，实现基于结构力学分析的数字化边坡安全监测。
[0091]
上述实施仅仅是为清楚地说明本发明所做描述，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此引申出的显而易见的变化或者变动仍处于本发明的保护范围之中。