土体抗剪强度的原位测量方法及其远程实时自动测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种土体抗剪强度的原位测量方法及其远程实时自动测量系统。一对剪切波速测量压电片通过压电效应测得剪切波速；通过土体含水率传感器测得土体含水率；根据剪切波速、土体含水率与土体抗剪强度之间关系得出土体抗剪强度。一对剪切波速测量压电片的激励和接收信号经鉴相电路连接微控制器，再通过远程信号发送电路和远程信号接收电路传送到上位计算机；各器件均由蓄电池供电，蓄电池与太阳能供电装置连接。本发明利用土体剪切波速与土体含水率测量土体抗剪强度，进行原位、远程、实时自动测量，为观测滑坡、泥石流隐患点可能出现的灾变过程，研究滑坡、泥石流灾害的规律，最终实现滑坡、泥石流灾害的预报，提供现场实时远程监测的手段。
【专利说明】土体抗剪强度的原位测量方法及其远程实时自动测量系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种土体中的测量方法及测量系统，尤其是涉及岩土防灾工程技术领 域的一种土体抗剪强度的原位测量方法及其远程实时自动测量系统。
【背景技术】
[0002] 滑坡、泥石流对人类社会发展和经济建设的危害是世界性的，而土体的抗剪强度 是岩土体一项重要的物理性能指标，它取决于土壤的内粘聚力和内摩擦力，是反应滑坡、 泥石流灾害隐患点是否可能发生灾害的重要参数之一，结合地形地貌以及其他因素分析滑 坡、泥石流灾害隐患点的土体抗剪强度，可实现滑坡、泥石流灾害的预报。要实现预报，需要 现场实时自动测量出土体抗剪强度。现有的土体抗剪强度的测量方法有以下几种：室内直 接剪切测量，三轴压缩测量，无限侧抗压强度测量和现场十字板剪切测量。前三种测量方法 是将土体样品采回实验室进行，最后一种十字剪板测量是在现场由人操作相应装备完成， 可见这些测量方法都不能实现在滑坡、泥石流灾害隐患点现场进行无人、自动、长期、原位、 实时、远程的测量。
[0003] 根据岩土力学的研究结果，诸多学者得出了 土体抗剪强度与土体剪切波 速的关系，如夏唐代于在《港工技术》2005年12月撰文提出了 ： τ = Ac' +B P Vs2，
【权利要求】
1. 一种土体抗剪强度的原位测量方法，其特征在于包括以下步骤： 将一对剪切波速测量压电片以固定间隔距离d垂直插入到土体（19)中，一对剪切波速 测量压电片包括剪切波激励压电片（8)和剪切波接收压电片（9)，剪切波激励压电片（8)通 过正弦电压ua激励产生机械振动，在土体（19)中形成剪切波； 剪切波接收压电片（9)接收经土体（19)传来的剪切波产生机械振动，进而产生电压 ub，ua与ub之间的滞后时间为Λ t，由以下公式1得到剪切波速Vs : Vs = d/ Δ t (1) 再通过土体含水率传感器测得土体含水率Wi，采用以下公式2得到土体抗剪强度τ， 完成原位测量过程： τ = fi(Vs) I wi (2) 其中，fi表示随Wi变化下入与τ的函数关系。
2. 根据权利要求1所述的一种土体抗剪强度的原位测量方法，其特征在于：测量时，所 述剪切波激励压电片（8)和剪切波接收压电片（9)之间不存在除土体以外干扰剪切波传播 的介质。
3. 根据权利要求1所述的一种土体抗剪强度的原位测量方法，其特征在于：所述的Vs 与τ的函数关系fi(Vs)具体采用以下公式3:
(3) 其中，c/为土体的内凝聚力，Pi为土体密度，钓为土的内摩擦角，μ i为土的泊松比， ε i'为土的轴向应变；这些参数均为在土体含水率为&时的参数。
4. 用于实施权利要求1所述方法的一种土体抗剪强度的远程实时自动测量系统，其特 征在于：包括一对剪切波速测量压电片、土体含水率传感器（10)、土体含水率信号采集电 路、正弦波发生电路、鉴相电路、微控制器、远程信号发送电路、远程信号接收电路和上位计 算机；一对剪切波速测量压电片、土体含水率传感器（10)垂直插装到土体（19)中，一对剪 切波速测量压电片由正弦波发生电路激励产生激励和接收的剪切波信号，再经鉴相电路连 接到微控制器中转化为土体剪切波速信息；土体含水率传感器（10)采集土体含水率信息 经土体含水率信号采集电路传送到微控制器；微控制器对土体含水率信息和土体剪切波速 信息处理得到土体抗剪强度信息，通过远程信号发送电路连接天线发送无线信号，无线信 号经天线接收后由远程信号接收电路将土体剪切强度信息传送到上位计算机（8);上述各 个器件均由蓄电池供电，蓄电池与太阳能供电装置连接，在白天进行充电储备电能，在晚上 向各器件供电。
5. 根据权利要求4所述的一种土体抗剪强度的远程实时自动测量系统，其特征在于： 所述的一对剪切波速测量压电片包括固定间隔距离安装的剪切波激励压电片（8)和剪切 波接收压电片（9)，剪切波激励压电片（8)与正弦波发生电路连接，通过正弦波发生电路的 激励信号发生机械振动，在土体（19)中形成剪切波；剪切波接收压电片（9)在一个滞后时 间后接收到剪切波接收信号，剪切波接收信号经电压采集放大电路放大后与剪切波激励压 电片⑶的激励信号连接到鉴相电路，鉴相电路输出与滞后时间成正比的电压信号到微控 制器中转化为土体剪切波速信息。
6. 根据权利要求5所述的一种土体抗剪强度的远程实时自动测量系统，其特征在于： 所述的剪切波激励压电片（8)和剪切波接收压电片（9)之间设有用于固定距离的压电片固 定组件，通过压电片固定组件保持剪切波激励压电片（8)和剪切波接收压电片（9)之间的 固定距离；压电片固定组件包括T形固定架（2)和定位件（3)，剪切波激励压电片（8)和剪 切波接收压电片（9)的压电片（1)顶端均连接有相同的T形固定架（2)，两个T形固定架 (2)上端之间连接有用于固定两片压电片插装入土体位置的定位件（3)，两片压电片垂直 插入土体后拆卸定位件（3)。
7. 根据权利要求4所述的一种土体抗剪强度的远程实时自动测量系统，其特征在于： 所述的太阳能供电装置包括光伏电池板（16)和支撑钢管（15);光伏电池板（16)固定在支 撑钢管（15)顶部，支撑钢管（15)底部通过混凝土墩（17)固定在土体（19)上，光伏电池板 (16)经太阳能电池电能馈线（18)与蓄电池（11)连接。
8. 根据权利要求4所述的一种土体抗剪强度的远程实时自动测量系统，其特征在于： 所述的无线信号采用GSM移动通讯方式传输。
9. 根据权利要求5所述的一种土体抗剪强度的远程实时自动测量系统，其特征在于： 所述的土体含水率传感器位于除剪切波激励压电片（8)和剪切波接收压电片（9)之间以外 的两片压电片附近，距离任一压电片5?10cm。
10. 根据权利要求4所述的一种土体抗剪强度的远程实时自动测量系统，其特征在于： 所述的土体含水率传感器为电导式、电容式或者TDR式传感器。
【文档编号】G01N29/07GK104090029SQ201410356451
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】李青, 胡鹏, 王燕杰, 童仁园 申请人:中国计量学院