專利名稱：一種土體裂隙發(fā)育監(jiān)測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于巖土工程中土體監(jiān)測領(lǐng)域，涉及一種土體裂隙發(fā)育監(jiān)測儀，尤其
是特別涉及通過測量土體內(nèi)部電導(dǎo)值的變化監(jiān)測土體裂隙發(fā)育的監(jiān)測裝置。
背景技術(shù)：
對土體裂隙研究的傳統(tǒng)方法多屬于對某一時刻的裂隙進(jìn)行量測觀察的方法，主要包括裂隙尺寸參數(shù)的觀測、分布與發(fā)展規(guī)律、滲流特性和力學(xué)性質(zhì)等方面的測量，并且這些方法多屬于對巖石體裂隙的觀測，主要方法有壓汞法、顯微鏡切片法、X射線衍射法、掃描電鏡法、超聲波法和計算機(jī)斷面成像技術(shù)(CT法)等?，F(xiàn)有的裂隙觀測方法及監(jiān)測儀存在以下三個方面的主要技術(shù)問題(l)傳統(tǒng)的裂隙觀測法屬于靜態(tài)的觀測，無法實現(xiàn)對裂隙發(fā)育過程連續(xù)動態(tài)觀測；(2)傳統(tǒng)裂隙觀測方法多屬于室內(nèi)研究方法，無法避免對研究巖土體造成擾動，無法實現(xiàn)對野外原位土體裂隙發(fā)育過程進(jìn)行監(jiān)測；(3)傳統(tǒng)裂隙觀測方法受測量工具或操作空間的影響，無法對大尺度空間范圍內(nèi)裂隙情況進(jìn)行觀測，也無法對大尺度的裂隙結(jié)構(gòu)體進(jìn)行觀測。

發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種土體裂隙發(fā)育監(jiān)測儀，能夠克服現(xiàn)有技術(shù)中裂隙監(jiān)測儀所存在的無法對裂隙發(fā)育過程進(jìn)行原位、大空間范圍、連續(xù)動態(tài)觀測的缺陷，本實用新型的裂隙發(fā)育監(jiān)測儀，能夠?qū)︷ば酝恋貐^(qū)裂隙發(fā)育進(jìn)行連續(xù)動態(tài)的原位監(jiān)測，在不擾動土體的情況下，對大尺度空間范圍內(nèi)的土體裂隙發(fā)育進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)裂隙在長度和深度方向發(fā)育程度的實時監(jiān)測。 本實用新型是一種利用土體導(dǎo)電性變化監(jiān)測土體裂隙發(fā)育的新型監(jiān)測裝置，其監(jiān)測方法的理論基礎(chǔ)是裂隙的出現(xiàn)和發(fā)育會明顯改變土體的導(dǎo)電性。簡而言之，本實用新型通過埋入土體內(nèi)的多功能探頭網(wǎng)絡(luò)，來研究土體導(dǎo)電性變化，根據(jù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，實現(xiàn)對巖土體裂隙發(fā)育過程的連續(xù)動態(tài)監(jiān)測。[0005] 本實用新型所采用的技術(shù)方案如下 —種土體裂隙發(fā)育監(jiān)測儀，其特征在于包括測量探頭部分和數(shù)據(jù)接收處理部分；所述的測量探頭部分包含電導(dǎo)測量探頭、水分測量探頭和溫度測量探頭；所述的數(shù)據(jù)接收處理部分包括數(shù)據(jù)接收儀、計算機(jī)處理和裂隙發(fā)育參數(shù)反演部分。 所述的測量探頭部分可稱為多功能探頭，包含電導(dǎo)測量探頭、水分測量探頭和溫度測量探頭，將它們組合在一個探頭中。其中，電導(dǎo)測量探頭采用不易氧化腐蝕的石墨制成，并有導(dǎo)線引出。水分測量探頭采用土體體積含水率測量元件。溫度測量探頭可以采用熱電偶或紅外線傳溫部件作為探頭。多功能探頭分別通過三組導(dǎo)線來傳輸和接收其中的電導(dǎo)、含水率和溫度測量數(shù)據(jù)。 所述的數(shù)據(jù)接收處理部分包括數(shù)據(jù)接收儀、計算機(jī)處理和裂隙發(fā)育參數(shù)反演三個部分。數(shù)據(jù)接收儀有三個數(shù)據(jù)接收器組合而成，分別為電導(dǎo)數(shù)據(jù)接收器、體積含水率接收器和溫度數(shù)據(jù)接收器，分別與電導(dǎo)測量探頭、水分測量探頭和溫度測量探頭由導(dǎo)線連接，接受 探頭測得的參數(shù)。將這三者組裝在一個殼體內(nèi)，成為數(shù)據(jù)接收儀。 計算機(jī)處理部分是將數(shù)據(jù)接收器所接收到的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)入計算機(jī)，進(jìn)行計算和分 析的部分。其功能是將測得的電導(dǎo)值對含水率和溫度作出校正，剔除這兩者的影響，從而得 到因裂隙發(fā)育而產(chǎn)生的土體的電導(dǎo)值。采用的數(shù)據(jù)分析方法是，根據(jù)接收到的電導(dǎo)值、體積
含水率和溫度，與非飽和粘土電導(dǎo)計算公式(^/G ，A《(G-土體電導(dǎo)，P-尺寸修正
丄
系數(shù)，kw-孔隙水電導(dǎo)率，R。_電極有效測量半徑，n-孔隙率，S「飽和度，L-電極間距離)、
非飽和粘土溫度與電導(dǎo)的關(guān)系式G = G18.6+k(T-18. 6) (G-土體電導(dǎo)，618.6-試驗初始溫度
18.6t:下的電導(dǎo)值，k二 aS18.6， a-試驗常數(shù))作對比計算分析，剔除后兩者的影響，得到
監(jiān)測剖面的電導(dǎo)值。其輸出的結(jié)果包括監(jiān)測土體的電導(dǎo)值，土體電導(dǎo)值、含水率和溫度參數(shù)
等隨時間的變化曲線等；監(jiān)測土體的電導(dǎo)值至少包括監(jiān)測剖面的電導(dǎo)值分布等值線數(shù)據(jù)。 裂隙發(fā)育參數(shù)反演部分是將計算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行裂隙發(fā)育
參數(shù)的反演，以動態(tài)觀測裂隙的變化。所述的反演是指利用計算機(jī)程序，將電導(dǎo)值分布等土
體參數(shù)值與數(shù)據(jù)庫中存儲的監(jiān)測土體在確定的時間或空間上的參數(shù)特征值，如電導(dǎo)值基準(zhǔn)
分布狀態(tài)進(jìn)行對比，分析監(jiān)測剖面的電導(dǎo)值分布在時間或空間上的變化，對裂隙發(fā)育進(jìn)行
監(jiān)測的方法。土體裂隙發(fā)育的反演分析方法包括在時間域上的分析和空間域上的分析兩個
方面。土體裂隙在時間域上的發(fā)育分析方法一般對監(jiān)測過程中的不同時間點的數(shù)據(jù)作整理
和分析，而后進(jìn)行裂隙的反演；上述時間點至少包括探頭布置后的監(jiān)測初期、氣候劇烈變化
時、人工破壞劇烈時等等關(guān)鍵時間點。土體裂隙在空間域上的發(fā)育分析方法一般在監(jiān)測土
體的不同監(jiān)測剖面上，對監(jiān)測土體的電導(dǎo)值的數(shù)據(jù)進(jìn)行整體反演分析，得到裂隙在土體的
水平方向、垂直方向由表及里的發(fā)育變化過程。 將本發(fā)明所述監(jiān)測儀器多功能探頭按照一定的方式布置在土體中，隨著土體裂隙 的發(fā)育，可以將任何時刻土體的電導(dǎo)值、體積含水率與溫度記錄下來，傳入計算機(jī)，分析土 體裂隙發(fā)育、體積含水率與溫度對所測電導(dǎo)值的影響，進(jìn)而剔除體積含水率與溫度的影響， 得到電導(dǎo)值 裂隙的變化關(guān)系，從而通過所測得的電導(dǎo)值進(jìn)行反演，可以研究出任意時刻、 任意位置的裂隙發(fā)育狀況；最后，將整個土體的電導(dǎo)值綜合考慮并加以反演，可以得到整個 區(qū)域土體裂隙發(fā)育過程和發(fā)育程度。 本實用新型的土體裂隙發(fā)育監(jiān)測儀，可以在不擾動監(jiān)測土體的情況下，在大尺度 空間范圍內(nèi)，對土體內(nèi)的裂隙發(fā)育進(jìn)行連續(xù)動態(tài)的原位監(jiān)測，實現(xiàn)裂隙在長度和深度方向 發(fā)育程度的實時監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確可靠，操作簡便。輸出的土體電導(dǎo)值、含水率和溫度參 數(shù)等變化曲線清晰易懂，通過數(shù)據(jù)分析和圖形繪制，可以直觀反應(yīng)裂隙在空間位置上出現(xiàn) 的時間、發(fā)育過程以及最終發(fā)育穩(wěn)定時間，本實用新型還可以對裂隙閉合過程進(jìn)行實時監(jiān)
以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式
進(jìn)行詳細(xì)描述。本實用新型的保護(hù)范 圍并不以具體實施方式
為限，而是由權(quán)利要求的范圍加以限定。

圖1為土體裂隙發(fā)育監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)框圖[0015] 圖2為為多功能探頭結(jié)構(gòu)示意圖 圖3為多功能探頭的截面圖 圖4為傳輸導(dǎo)線的截面圖 圖5為數(shù)據(jù)接收儀的表盤結(jié)構(gòu)示意圖 圖6為多功能探頭布置示意圖 圖7為土體裂隙發(fā)育監(jiān)測儀實施示意圖 圖8為監(jiān)測剖面探頭布置區(qū)域剖面圖 圖9為監(jiān)測初期監(jiān)測剖面電導(dǎo)值等值線圖 圖10為監(jiān)測后期監(jiān)測剖面電導(dǎo)值等值線圖
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型的土體裂隙發(fā)育監(jiān)測儀包括兩個部分測量探頭部分和數(shù)據(jù)接收處理部分。測量探頭部分包含電導(dǎo)測量探頭、水分測量探頭和溫度測量探頭三個部分；數(shù)據(jù)接收處理部分包括數(shù)據(jù)接收儀、計算機(jī)處理和裂隙發(fā)育參數(shù)反演三個部分。[0025] 如圖2、圖3所示，多功能探頭1，包含電導(dǎo)測量探頭8、水分測量探頭9和溫度測量探頭IO，將它們組合在一個探頭中。多功能測量探頭1為底面直徑約5cm、高約5cm的圓柱體。從多功能測量探頭1橫斷面可以看出，多功能探頭1被分為三個部分，分別來布置電導(dǎo)測量探頭8、水分測量探頭9和溫度測量探頭10。多功能測量探頭1由傳輸導(dǎo)線2與數(shù)據(jù)接收儀連接，如圖4，傳輸導(dǎo)線2是由三股導(dǎo)線組合而成，分別為電導(dǎo)傳輸導(dǎo)線5、體積含水率傳輸導(dǎo)線6與溫度傳輸導(dǎo)線7。 數(shù)據(jù)接收儀3有三個數(shù)據(jù)接收器組合而成，分別為電導(dǎo)數(shù)據(jù)接收器、體積含水率接收器和溫度數(shù)據(jù)接收器，圖5為其表盤結(jié)構(gòu)示意圖，上部有三個數(shù)據(jù)傳輸孔電導(dǎo)傳輸孔11、體積含水率傳輸孔12和溫度傳輸孔13。右下角為電源插線孔14，用來充電。中間布置了三個開關(guān)15，分別用來控制數(shù)據(jù)顯示屏16的開啟和閉合。數(shù)據(jù)接收儀3的為長約30cm、寬約30cm、高約20cm的長方體，其中的數(shù)據(jù)接收器可以在市場上選購合適的量測儀。[0027] 計算機(jī)處理和裂隙發(fā)育參數(shù)反演兩個部分由計算機(jī)和數(shù)據(jù)處理程序和數(shù)據(jù)庫構(gòu)成。 將所述的土體裂隙發(fā)育監(jiān)測儀用于土體裂隙發(fā)育的監(jiān)測。首先，將多功能探頭1按照一定的方式布置在土體中。如圖6所示，為多功能探頭1布置示意圖。多功能測量探頭1在土體中的呈網(wǎng)格狀布置，網(wǎng)格的間距17按照場地裂隙發(fā)育嚴(yán)重程度而進(jìn)行設(shè)計。[0029] 布置多功能探頭1后，將多功能探頭1進(jìn)行組合，測量并記錄測量點土體的電導(dǎo)值、含水率和溫度。如圖7所示，為土體裂隙發(fā)育監(jiān)測儀實施示意圖。多功能測量探頭l在土體中呈網(wǎng)格狀布置，AB之間的弧狀虛線19為兩個多功能測量探頭1之間電流的影響范圍。數(shù)據(jù)接收儀18布置在AB間，可以監(jiān)測該兩個多功能測量探頭1之間的電導(dǎo)值，也可以分別測量該兩個探頭附近的溫度和體積含水率。AB之間的弧狀虛線19內(nèi)如果有裂隙發(fā)育，則測得的AB之間的電導(dǎo)值將會發(fā)生變化。把測得的土體的電導(dǎo)值、體積含水率與溫度記錄下來，并傳入數(shù)據(jù)接收儀3。 土體的電導(dǎo)值、含水率和溫度數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)接收儀3傳入計算機(jī)系統(tǒng)，由計算機(jī)處理和裂隙發(fā)育參數(shù)部分分析土體裂隙發(fā)育、體積含水率與溫度對所測電導(dǎo)值的影響，進(jìn)而與非飽和粘土電導(dǎo)計算公式、非飽和粘土溫度與電導(dǎo)的關(guān)系式作對比分析，剔除體積含水 率與溫度的影響，得到電導(dǎo)值 裂隙的變化關(guān)系，從而通過所測得的電導(dǎo)值進(jìn)行反演，可以 研究出任意時刻、任意位置的裂隙發(fā)育狀況；最后，將整個土體的電導(dǎo)值測量值綜合考慮并 加以反演，可以得到整個區(qū)域土體裂隙發(fā)育過程和發(fā)育程度。 如圖8所示，在邊坡土體內(nèi)監(jiān)測剖面上布置測量探頭。圖中的豎直虛線為布置多 功能測量探頭的位置，從邊坡上部往下打孔，打孔后每隔lm設(shè)置一個探頭，布置時候從下 往上布置，將導(dǎo)線引到地表便于測量。將探頭布置好后，人工修整邊坡，對邊坡原有裂隙進(jìn) 行開挖填土等處理，然后碾壓，做到邊坡表面完整結(jié)實。 用所述的監(jiān)測儀可以得到圖9和圖10。 圖9為監(jiān)測初期測量所埋設(shè)的多功能測量探頭后計算繪制的電導(dǎo)值等值線圖。從 圖中可以看出，從邊坡表面往下，邊坡剖面上電導(dǎo)值等值線比較平緩均衡，沒有突出和凹進(jìn) 的地方，這說明邊坡土體中基本無裂隙發(fā)育，土體較完整。圖10為監(jiān)測后期測量所埋設(shè)的 多功能測量探頭后計算繪制的電導(dǎo)值等值線圖。從圖中可以看出，邊坡表面等值線出現(xiàn)了 兩個下凹，為低導(dǎo)高阻區(qū)域，深度約為1 2m，同時通過觀測邊坡表面發(fā)現(xiàn)該兩處有裂隙發(fā) 育，通過開挖發(fā)現(xiàn)，裂隙的發(fā)育深度為1.8m。 可見，在土體裂隙發(fā)育監(jiān)測方面，應(yīng)用本實用新型的土體裂隙發(fā)育監(jiān)測儀，可以更 好地對裂隙在時間域和空間域上的發(fā)育狀態(tài)進(jìn)行原位、動態(tài)地觀測，本實用新型有很好的 實際應(yīng)用價值。
權(quán)利要求一種土體裂隙發(fā)育監(jiān)測儀，包括測量探頭部分和數(shù)據(jù)接收處理部分，其特征在于所述的測量探頭部分包含電導(dǎo)測量探頭、水分測量探頭和溫度測量探頭；所述的數(shù)據(jù)接收處理部分包括數(shù)據(jù)接收儀、計算機(jī)處理和裂隙發(fā)育參數(shù)反演部分，數(shù)據(jù)接收儀包括電導(dǎo)數(shù)據(jù)接收器、體積含水率接收器和溫度數(shù)據(jù)接收器；電導(dǎo)測量探頭、水分測量探頭和溫度測量探頭分別由導(dǎo)線與電導(dǎo)數(shù)據(jù)接收器、體積含水率接收器和溫度數(shù)據(jù)接收器連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的土體裂隙發(fā)育監(jiān)測儀，其特征在于所述的測量探頭為一圓柱體，被分為三個部分，分別用來布置電導(dǎo)測量探頭、水分測量探頭和溫度測量探頭。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的土體裂隙發(fā)育監(jiān)測儀，其特征在于所述的導(dǎo)線由電導(dǎo)傳輸導(dǎo)線、體積含水率傳輸導(dǎo)線與溫度傳輸導(dǎo)線三股導(dǎo)線組合而成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的土體裂隙發(fā)育監(jiān)測儀，其特征在于所述的電導(dǎo)測量探頭采用石墨制成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的土體裂隙發(fā)育監(jiān)測儀，其特征在于所述的水分測量探頭采用土體體積含水率測量元件。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的土體裂隙發(fā)育監(jiān)測儀，其特征在于所述的溫度測量探頭采用熱電偶或紅外線傳溫部件。
專利摘要本實用新型公開了一種土體裂隙發(fā)育監(jiān)測儀，利用土體的導(dǎo)電性實現(xiàn)對巖土體裂隙發(fā)育過程的連續(xù)動態(tài)監(jiān)測，包括測量探頭部分和數(shù)據(jù)接收處理部分；所述的測量探頭部分包含電導(dǎo)測量探頭、水分測量探頭和溫度測量探頭；所述的數(shù)據(jù)接收處理部分包括數(shù)據(jù)接收儀、計算機(jī)處理和裂隙發(fā)育參數(shù)反演部分。探頭部分監(jiān)測土體的電導(dǎo)值，數(shù)據(jù)接收處理部分根據(jù)得到的電導(dǎo)值變化關(guān)系進(jìn)行反演，對裂隙發(fā)育實現(xiàn)監(jiān)測。本實用新型的土體裂隙發(fā)育監(jiān)測儀，在不擾動監(jiān)測土體的情況下，在大尺度空間范圍內(nèi)，對土體內(nèi)的裂隙發(fā)育進(jìn)行連續(xù)動態(tài)的原位監(jiān)測，實現(xiàn)裂隙在長度和深度方向發(fā)育程度的實時監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確可靠，操作簡便。
文檔編號G01K7/02GK201449248SQ20092003573
公開日2010年5月5日 申請日期2009年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月18日
發(fā)明者張開普, 武廣繁, 陳亮, 龔永康 申請人:河海大學(xué)