CN103196599A - 黄土场地浸水条件下土体内部应力变化监测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种黄土场地浸水条件下土体内部应力监测***及方法，该方法步骤如下：1）监测***的组装：2）传感器的标定：对每个土压力传感器进行标定，得到所有土压力传感器标定曲线；3）传感器的埋设：开挖浸水坑；开挖埋设井；在每个埋设井内埋设土压力传感器；所有土压力传感器埋设完毕后，将所有埋设井回填并夯实；4）数据采集；5）数据处理：计算土压力σ；得到土压力时态曲线。本发明能够快速、连续、准确地监测黄土场地在近地表浸水条件下土体内部的应力发展情况，反馈场地黄土体内部应力状态，为湿陷敏感性评价及侧向变形影响评价提供可靠参数。

Description

黄土场地浸水条件下土体内部应力变化监测***及方法

技术领域

本发明属于工程监测技术领域，具体涉及一种土体内部应力监测***及方法，特别是一种黄土场地浸水条件下土体内部应力监测***及方法。本发明用于地表大面积浸水条件下黄土体内部应力强度及应力分布状态的快速、连续、准确监测。

背景技术

黄土由于其特殊的形成时代和形成环境，导致了其具有大孔隙性进而导致了其具有强烈的水敏性，而黄土水敏性最突出的表现形式就是湿陷。随着国家经济的持续快速发展以及政策倾斜，我国中西部地区的建设速度和规模日渐加大，导致黄土区各大城市用地日趋紧张，新建的工业与民用建筑呈现逐渐由低阶地转向高阶地发展态势，随之而来的大厚度自重湿陷性黄土地基的勘察、评价以及处理问题成为了黄土地区工程技术人员所面临的首要难题。《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB 50025-2004)中对于黄土湿陷性场地得评价体系是以沉降量为导向，强调最终结果而不是很重视过程，这种评价体系在相当长的时间里指导了大量的建设，成效显著。但是，我们必须认识到，随着工程建设规模加大,“长、大、高”的重要工程越来越多，很多工程事故表明黄土的湿陷敏感性与最终湿陷量同样决定着工程的安全。另外，发明人还注意到：湿陷导致地面沉降的过程不只是单纯的土体纵向压缩，而是纵向压缩和侧向挤出相伴而生，一些工程事故的调查已经证明了这一点。由于不同地区土质不同，所以由侧向挤出而反映在地表沉降量值也有所不同。因此，在评价黄土湿陷敏感性及侧向变形影响时需要获得在水的浸入过程中土体内部应力强度和应力分布状态的数据，而目前尚没有获取这类数据的***、科学、高效的装置及方法，对该装置及方法的研究和开发是十分必要的，对黄土地区各种重大工程地基处理工作具有重大的现实意义。

发明内容

针对现有技术中存在的空白和不足，本发明的目的在于，提供一种黄土场地浸水条件下土体内部应力监测***及方法，该***及方法通过电源、采集器和上位机实现全自动化数据获取，能够快速、连续、准确地监测地表大面积浸水条件下黄土体内部应力强度及应力分布状态，从而为黄土湿陷敏感性及侧向变形影响评价提供准确可靠的参数。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决：

一种黄土场地浸水条件下土体内部应力监测***，包括电源、上位机、多个土压力传感器和至少一个数据采集器；其中，每个所述土压力传感器的输出端分别连接数据采集器的输入端，数据采集器的输出端分别连接上位机，所述电源连接土压力传感器、数据采集器及上位机为其供电；

由所述多个土压力传感器实时采集黄土场地浸水条件下土体内部的土压力数据，采集到的数据发送到数据采集器，数据采集器将其发送到上位机，由上位机对接收到的数据进行处理。

本发明的***还包括如下其他技术特征：

所述土压力传感器包括不锈钢质的盒体、电阻应变片、接线板和顶盖，盒体底面的镀锌层作为受力膜，盒体内固定有由电阻应变片组成的桥式电路和接线板，电阻应变片组成的桥式电路紧贴盒体内底面，所述接线板位于电阻应变片组成的桥式电路的上方；电阻应变片组成的桥式电路通过接线板由信号线引出盒体，盒体顶部安装顶盖。

利用上述本发明的***进行黄土场地浸水条件下土体内部应力的监测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）监测***的组装：包括土压力传感器的焊接、电源的组装、上位机的安装、信号线的连接及土压力传感器与数据采集器的匹配调试；

2）传感器的标定：对每个土压力传感器进行标定，得到所有土压力传感器标定曲线；

3）传感器的埋设

第一、在待监测区域开挖浸水坑；

第二、在浸水坑内地面及浸水坑外地面开挖多个埋设井；

第三、在每个埋设井内埋设土压力传感器；所有土压力传感器埋设完毕后，需将所有埋设井回填并夯实；

4）数据采集：在浸水坑开始浸水前，启动数据采集器记录每个土压力传感器的初始值并发送给上位机；浸水开始后，各土压力传感器实时采集土压力数据并实时向数据采集器发出信号，数据采集器以一定的频率采集并记录信号，并实时将采集到的信号发送给上位机；

5）数据处理：上位机通过数据采集器发送的信号得到土压力传感器的初值；对每个土压力传感器的标定曲线进行重新拟合得到拟合标定曲线及对应的拟合公式；由拟合公式得到每个土压力传感器的标定系数A、B，其中A等于拟合曲线在土压力轴的截距，B等于拟合曲线的斜率。

由式1计算得到土压力σ：

σ=A+X*B       （式1）

式中，σ—总应力；X—输出微应变值；A、B—标定系数。

将某一时刻t₁采集的某个土压力传感器的输出微应变值X代入式1，得到该土压力传感器所埋设的监测点在该时刻的土压力σ₁，按照同样的方式对每次采集的土压力传感器的输出微应变值X进行处理，可得到n组数据：(σ₁，t₁)，(σ₂，t₂)，…..，(σ_n，t_n)；其中，n表示试验期内的采集次数；以土压力σ为纵轴，以时间t为横轴建立坐标系，得到的n组数据在该坐标系中表示为σ—t时态曲线；同理，可得由其余土压力传感器采集的数据处理得到的土压力时态曲线。

本发明的方法还包括如下其他技术特征：

所述埋设井的开挖数量不少于4个；

所述埋设井的开挖位置具体设置如下：

假设浸水坑半径为R，则由浸水坑圆心出发，1）R范围内开挖1～2个埋设井，若开挖一个埋设井则宜开在1/2R位置上，若开挖两个埋设井则宜分别开在以1/2R隔开的两部分浸水坑内；2）R～2R范围内开挖3～4个埋设井，首先在(R+1)m处及2R处开挖两个埋设井，若开挖3个埋设井则在1.5R处再开挖一个，若开挖4个埋设井则宜在R+1/3R、R+2/3R处再开挖两个埋设井；3）2R～2.5R范围内：在2.5R±3m开挖1个埋设井；若浸水坑半径R＞30m，则在该范围内最远的埋设井与2R的中点处增加一个埋设井；

所述土压力传感器的埋设形式分为水平埋设与垂直埋设两种，分别用于测试纵向土压力与横向土压力；设置在以浸水坑圆心为出发点的R范围内的埋设井内只埋设测量纵向土压力的土压力传感器；R～2R范围内的埋设井内测量横、纵两向土压力的传感器配合埋设；2R～2.5R范围的埋设井内只埋设测量纵向土压力的传感器。

所述土压力传感器在每个埋设井中的埋设密度以距浸水坑圆心由近及远逐渐减小；具体设置如下：从浸水坑圆心出发，R范围内设置的埋设井内平均2～3m埋设一个测量纵向土压力的土压力传感器；R+1m处的埋设井中平均2～3m埋设一组传感器，R+1m～2R范围内的埋设井内平均4～6m埋设一组传感器，2R处的埋设井内平均10～12m埋设1个测量纵向土压力的传感器，重点关注中部和下部土层；设置在2.5R±3m的埋设井在自重湿陷土层下限深度H附近埋设1个测量纵向土压力的传感器；

所述埋设井的井壁竖直，且埋设井直径大于0.6m。

在埋设测量纵向土压力的土压力传感器时，保证土压力传感器底部的受力面水平且朝上；在埋设测量横向土压力的传感器时，保证土压力传感器底部的受力面为竖直方向且朝向浸水坑圆心。

在监测过程中，所述数据采集器的采集频率最高不超过30min/次。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明的监测***和方法将横纵两向的土压力纳入了监测内容，全面土体内部的应力强度和应力分布状态，弥补了现有技术中未考虑侧向变形导致对场地湿陷性评价不准确以及缺少数据无法对湿陷敏感性进行评价的缺陷，有利于安全性设计。

（2）采用多个高精度土压力监测元件，监测纵向土压力的传感器按监测区重要性的区别以不同密度布设在浸水影响层内部，全方位地覆盖监测区域，监测横向土压力的传感器主要分布在距浸水中心2～3倍直径的地下各土层中，依重要性的不同安排不同的埋设密度。

（3）采集速度快且全自动化，采样速度达每秒1次，可连续地反馈浸水状态下土体内部应力强度和应力分布状态的变化规律，并可以根据土层压力变化情况对数据采集密度和精度进行适时动态调整，为湿陷敏感性评价及侧向变形影响评价提供可靠参数。

（4）本发明的***结构简单，操作简单，安装、使用方便。

附图说明

图1是本发明的监测***的连接框图。

图2是土压力传感器的结构示意图。

图3是U形铁杆示意图。

图4是预制钢模具示意图。

图5是传感器的布设示意图。

图6是本发明的实施例的一个土压力传感器的标定及拟合标定曲线。

图7是本发明的实施例中纵向土压力时态曲线。

图8是本发明的实施例中横向土压力时态曲线。

图中标号：1、受力膜，2、电阻应变片，3、接线板，4、信号线，5、顶盖，6、盒体。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步解释说明。

具体实施方式

如图1所示，本发明的黄土场地浸水条件下土体内部应力监测***，包括电源、上位机、多个土压力传感器和至少一个数据采集器；其中，每个所述土压力传感器的输出端分别连接数据采集器的输入端，数据采集器的输出端分别连接上位机，所述电源连接土压力传感器、数据采集器及上位机为其供电。

如图2所示，所述土压力传感器包括不锈钢质的盒体6、电阻应变片2、接线板3和顶盖5，盒体6底面的镀锌层作为受力膜1，盒体6内固定有由电阻应变片2组成的桥式电路和接线板3，电阻应变片2组成的桥式电路紧贴盒体6内底面，所述接线板3位于电阻应变片2组成的桥式电路的上方。电阻应变片2组成的桥式电路通过接线板3由信号线4引出盒体6，出线处用环氧树脂密封，盒体6顶部安装顶盖5以封闭，盒体6整体具防水性能。

所述数据采集器用于快速、连续的采集土压力传感器的输出信号并上传给上位机进行处理和存储。

如图5所示，所述多个传感器分别安装在距黄土场地浸水区的下部以及预估浸水范围内的土体内部。土压力传感器安装方式有水平和竖直两种，分别用以监测浸水过程中横向和纵向土压力的发展情况。

本发明的黄土场地浸水条件下土体内部应力的监测***及方法，具体包括如下步骤：

1、监测***的组装

监测***由人工组装，包括土压力传感器的焊接、电源模块的组装、上位机的安装、信号线的连接及土压力传感器与数据采集器的匹配调试。

2、传感器的标定

对每个土压力传感器进行标定，得到所有土压力传感器标定曲线。

3、传感器的埋设

参见图5，第一、在待监测区域开挖浸水坑。浸水坑的直径要参考当地自重湿陷性黄土分布的下限深度H（即自重湿陷性土层厚度），浸水坑的直径D大于等于此下限深度H（H从场地工程地质勘查报告中的土工试验部分得到）；另外，浸水坑的深度不大于0.8m，以0.5m为宜，且需在坑底铺设0.1m厚的砂砾石（参照《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004））。

第二、在浸水坑内地面及浸水坑外地面开挖埋设井。埋设井的数量、位置及深度宜遵循如下规律：

为了满足监测需求，埋设井数量不宜少于4个，考虑到工作经费埋设井数量不宜多于8个，以6个为宜。

根据本领域的研究结果，埋设井位置应根据黄土体浸水特性来设置，（参考《大西客运专线与中南部重载铁路通道湿陷性黄土现场浸水坑浸水试验研究报告》、《榆次区郝家沟吉利新能源汽车厂区湿陷性黄土现场浸水坑浸水试验研究报告》以及《兰州地区大厚度自重湿陷性黄土场地浸水试验综合观测研究》）。假设浸水坑半径为R，则由浸水坑圆心出发，1）R范围内（即浸水坑内）是纵向土压力强度及分布变化的重要区域，宜在该范围内开挖1～2个埋设井，若开挖一个埋设井则宜开在1/2R位置上，若开挖两个埋设井则宜分别开在以1/2R隔开的两部分浸水坑内；2）R～2R范围内位于浸水区域以外是地下水分向外扩散的必经区域，也是由于浸水坑内纵向土压力增大导致土体侧向挤出以及由于水分向侧向渗流产生侧向的渗透力，进而引起侧向土压力强度及分布产生变化的关键区域，宜在该范围内开挖3～4个埋设井，首先在R+1米处及2R处开挖两个埋设井，若开挖3个埋设井则在1.5R处增开一个，若开挖4个埋设井则宜在R+1/3 R、R+2/3 R处增开两个埋设井；3）2R～2.5R范围内是水分侧向扩散的最远范围，该区域的土压力强度与分布受浸水影响相对微弱，宜在2.5R±3米内开挖1个埋设井；若浸水坑半径R＞30m，则可增加到2个埋设井，宜开挖在该范围内第1个埋设井与2R的中点处。

埋设井开挖深度以自重湿陷性黄土分布的下限深度H为宜。

第三、在每个埋设井内埋设土压力传感器。其埋设形式、埋设密度与埋设数量宜遵循如下规律：

土压力传感器埋设形式分为水平埋设与垂直埋设两种，分别用于测试纵向土压力与横向土压力。如前文所述以浸水坑中心为起点不同距离为半径的范围所关注的侧重点有所区别，因此，设置在以浸水坑圆心为出发点的R范围内的埋设井中只埋设测量纵向土压力的土压力传感器；R～2R范围内的埋设井中测量横、纵两向土压力的传感器配合埋设；2R～2.5R范围的埋设井中只埋设测量纵向土压力的传感器。

土压力传感器在每个埋设井中的埋设密度（也即埋设数目）以距浸水坑圆心由近及远逐渐减小。具体设置如下：从浸水坑圆心出发，R范围内设置的埋设井内平均2～3m埋设一个测量纵向土压力的土压力传感器；R+1米处的埋设井中平均2～3m埋设一组传感器（分别测量横、纵向土压力），R+1米～2R范围内的埋设井中平均4～6m埋设一组传感器，2R处的埋设井中平均10～12m埋设1个测量纵向土压力的传感器，重点关注中部和下部土层；设置在2.5R±3m内的埋设井在自重湿陷土层下限深度H附近埋设1个测量纵向土压力的传感器。

由于土压力传感器有不同的量程，量程越小精度越高，但超过量程会损坏传感器，所以在土压力传感器埋设之前，要利用现场勘察资料计算出各传感器埋设位置的最大土压力值，以选取合适量程的土压力传感器。然后开始传感器埋设井开挖工作，方便机械进场的地区宜用机械洛阳铲开挖，否则宜人工开挖成井。要求埋设井的井壁竖直，且埋设井直径大于0.6m，以方便工作人员上下。

在埋设测量纵向土压力的土压力传感器时，首先在井壁上需要埋设土压力传感器的相应位置上分别水平开设出与土压力传感器宽度、厚度相同，深度略大于土压力传感器直径的长方体土槽（本发明中，土压力传感器为扁圆柱状），将土压力传感器放入该土槽，保证土压力传感器底部的受力面水平且朝上，用土将空区培实，仅露出数据线。

在埋设测量横向土压力的传感器时，首先在井壁上需要埋设土压力传感器的相应位置上竖直开设出与土压力传感器宽度、厚度相同，深度略大于土压力传感器直径的长方体土槽，土槽的厚度方向指向浸水坑圆心，然后将土压力传感器放入土槽，保证土压力传感器底部的受力面为竖直方向且朝向浸水坑圆心；再用土将空区培实，仅露出数据线。

由于同一埋设井内需在不同深度处埋设多个土压力传感器，每一个传感器的信号都需要用数据线传输到数据采集器，所以井内会有大量纷乱的数据线，宜将其集中扎起固定。

所有土压力传感器埋设完毕后，需将所有埋设井回填并夯实。

4、数据采集

数据的采集工作分为三个阶段：

第一个阶段：在监测开始前，需检查整个线路有无短路、断路现象，确保无误后开启电源。

在第二个阶段，即监测开始后、浸水坑开始浸水前，启动数据采集器，数据采集器记录每个土压力传感器的初始值并发送给上位机；

在第三个阶段，即浸水开始后，各土压力传感器的读数随着土压力的变化而改变，土压力传感器实时采集土压力数据并实时向数据采集器发出信号，数据采集器以一定的频率采集并记录信号，并实时将采集到的信号发送给上位机，监测过程中的采集频率和数据总数按需求而定。一般情况下，数据采集的频率随着浸水过程由高到低，当某一数据采集器所带的土压力传感器的返回值均在一定数值附近波动时，表明已经稳定，此时可适当降低采集频率，采集频率最高不超过30min/次，最低不低于2h/次。

5、数据处理

上位机通过数据采集器发送的信号得到土压力传感器的初值，也即监测开始前各监测点的土层初始应力。土压力传感器的输出信号与压力呈较好的线性关系，为提高监测精度，对标定曲线进行重新拟合得到拟合标定曲线及对应的拟合公式。由拟合公式得到每个土压力传感器的标定系数A、B，其中A为拟合曲线在土压力轴的截距，B为拟合曲线的斜率。

由式1计算得到土压力σ：

σ=A+X*B        （式1）

式中，σ—总应力；X—输出微应变值；A、B—标定系数。

将某一时刻t₁采集的某个土压力传感器的输出微应变值X代入式1，得到该土压力传感器所埋设的监测点在该时刻的土压力σ₁，按照同样的方式对每次采集的土压力传感器的输出微应变值X进行处理，可得到n组数据：(σ₁，t₁)，(σ₂，t₂)，.....，(σ_n，t_n)；其中，n表示试验期内的采集次数；以土压力σ为纵轴，以时间t为横轴建立坐标系，得到的n组数据在该坐标系中表示为σ—t时态曲线（即土压力时态曲线）。

同理，可得由其余土压力传感器采集的数据处理得到的土压力时态曲线。土压力时态曲线可用于场地湿陷敏感性评价和侧向变形影响的分析。

实施例

为了获得黄土场地在大面积浸水条件下，土体内部应力强度和应力分布状态的数据及其变化情况，反馈施工过程中可能存在的问题，以为及时调整施工方案提供理论依据，发明人在山西省某黄土台塬地区利用本发明的***及方法进行了土压力动态监测。具体过程如下：

1、监测***的组装

首先进行了上位机安装与调试，以适应未来数据采集器对上位机的数据发送；然后进行数据采集器与上位机的匹配，确保可以正常连接并传输数据，数据采集器通过RS485转USB数据线连接上位机；之后是电源模块的组装，220v的交流电直接连接上位机和数据采集器，将220v的交流电转换成24v直流电连接土压力传感器，以确保其在额定电压下正常工作；最后进行土压力传感器与数据采集器的连接工作，本实施例中根据需要共用到38个土压力传感器，每个土压力传感器通过四芯屏蔽线缆连接数据采集器，将电源正极、负极（红、绿）及信号正极、负极（黑、蓝）分别连接在相应的接线柱上，检查电路无短路、断路问题后，接通电源，打开数据采集器和上位机，在上位机中有数据正常显示，即***组装完毕。

数据采集器共2台，均采用北京斯创尔建筑测试技术开发有限公司生产的JC-4A数据采集器，其中，1台具备30个数据通道，另1台具备10个数据通道，共40通道，分别分配给38个土压力传感器，2个通道留作备用。

2、传感器的标定

本次使用的土压力传感器厚度15mm，直径68mm，其结构如图2所示。

由于监测***受人工组装和施工现场影响比较大，人工操作可能产生误差，在此次监测中，对每个土压力传感器进行单独标定，得到38个土压力传感器标定曲线，由于数量大，这里仅给出一号埋设井D1内8个土压力传感器的标定曲线（参见图6）。

3、传感器的埋设

根据勘察资料及室内试验揭示的自重湿陷性土层厚度H，设计了本次试验所需的土压力传感器埋设方案，如图5所示。

首先开挖了直径30m，深度0.8m的浸水坑。

然后遵循本发明的方案，具体开挖6口用于埋设井D1～D6，井口直径均为0.6m。D1～D6距浸水坑中心距离依次为2m、10m、16m、22m、30m、40m。其中D1、D2位于浸水坑内部，D3位于R+1m处，D4位于1.5R处，D5位于2R处，D6位于2.5R±3米范围内。

将每个埋设井所需的土压力传感器摆放在井口处，理清线路以备埋设。

土压力传感器统一埋设在埋设井的井壁上，土压力传感器在各埋设井中的分布情况：D1中8个，D2中6个，D3中15个，D4中6个，D5中2个，D6中1个，共38个，其中每个埋设井中测量横纵向土压力传感器埋设情况见下表。测量纵向土压力的土压力传感器受力面向上并保持底面水平，测量横向土压力的土压力传感器受力面朝向浸水中心。埋设时，首先将加工好的开有刃口的内腔为长方体的钢质模具（参加图4）水平或竖直砸入埋设井井壁，然后拉出模具，则可在井壁上掏出与土压力传感器宽度、厚度相同，深度为10cm左右的土槽，而后将土压力传感器放入土槽后再用土将空区培实，只露出数据线。同一井内从深部开始向浅部按传感器布置图逐一埋设，每层埋好后用加工的U型铁杆（图3）将数据线聚拢钉在坑壁上避免回填埋设井时产生破坏。待一口井内的传感器全部埋设好后，查看信号联通情况，若可以返回数据且数据范围合理，则用卷扬机吊锤将所有传感器埋设井分层夯实，以将开挖埋设井时挖出的土全部夯回埋设井内为宜。

4、数据采集

首先需检查整个线路有无短路、断路现象，确保无误后开启电源。

监测开始后、开始浸水前，启动数据采集器，记录并保存每个土压力传感器的初始信号，换算成物理量作为后期处理数据时的基础值。

浸水开始后，各应变式土压力传感器返回的信号随着土压力的变化而改变，本次监测共采集数据90天。开始的30天设定数据采集器以30min/次的采集频率采集并记录每个传感器的输出信号，并将采集到的信号实时发送给上位机，而后60天的采集频率为2h/次。至试验完毕每个未损坏的应变式土压力传感器均采集2160次。

5、数据处理

从步骤2得到的标定曲线看出，土压力传感器的输出信号与土压力呈较好的线性关系，为提高监测精度，对所有土压力传感器的标定曲线进行重新拟合分别得到拟合公式，此处仅给出步骤2得到的8个标定曲线重新拟合后的拟合公式，见下表。

土压力传感器的工作原理是将电阻应变片2组成的桥式电路反应出的应变转化为电阻的变化并以电压的形式输出。土压力的计算公式：

σ=A+X*B      (式1)

式中，σ—总应力；X—输出微应变值；A、B—标定系数。

将t₁时刻某土压力传感器的输出值X代入该土压力传感器对应的标定公式，得到该时刻土压力σ₁，按照同样的方式对每次采集的土压力传感器的输出值X进行处理，共得到n组数据：(σ₁，t₁)，(σ₂，t₂)，…..，(σ_n，t_n)；其中，n表示试验期内的采集次数；以土压力σ为纵轴，以时间t为横轴建立坐标系，得到的2160组数据在该坐标系中表示为σ—t时态曲线，即土压力时态曲线。利用以上原理处理所有传感器所采集的数据可得到全部38条土压力时态曲线。

按照本发明的技术方案，本次黄土场地大面积浸水条件下土体内部应力监测共持续90天（2012年9月21日—2012年12月21日），采集频率为30min/次，图7是D1埋设井各深度土层纵向土压力σ—t时态曲线（图中井号D1之后括号中的数字表示相应土压力传感器的埋设深度，由于8m处传感器损坏，故图中未列出），图8是D3号埋设井各深度土层横向土压力σ—t时态曲线。从图7可以看出，深部土体压应力更大，且对浸水引起的土压力增长响应较中层和深层土体要快；但是，中层土体对浸水引起的土压力增长响应幅度更大，相对增长量更高；浅层土体无论是响应时间还是响应幅度都最小；由此可初步判断中层土体敏感性更强，在地基处理中要更加注意。从图8可已看出，在浸水影响下深部浸水区***土体深部受向外的压力，但幅度较小，随着浸水时间增加挤压力几乎降为零；中层土体（10m左右）受到的侧向挤压力最大；而浅层土体（4m左右）则受到负的挤压应力，亦即出现向浸水区域塌陷的现象；综上侧向应力的分布情况成纺锤形。土体在没有附加应力作用的状态下是稳定***，另外土体中力的传递与刚体有本质区别，由于各种不确定因素导致土体内部在受力过程中出现应力集中，而应力集中的部位自然会产生更大的沉降，通过本发明的监测结果也揭示了这个现象。

由以上监测结果可以看出，使用本发明的监测方法和***能够监测得到个土层在浸水条件下土压力强度、土压力增长与下降的量和率，及揭示土压力分布情况。通过实例验证，本发明的方法可行，且监测结果准确、精度较高，能够为场地评价和制定地基处理方案提供依据。

Claims (10)

1.一种黄土场地浸水条件下土体内部应力监测***，其特征在于，包括电源、上位机、多个土压力传感器和至少一个数据采集器；其中，每个所述土压力传感器的输出端分别连接数据采集器的输入端，数据采集器的输出端分别连接上位机，所述电源连接土压力传感器、数据采集器及上位机为其供电； 

由所述多个土压力传感器实时采集黄土场地浸水条件下土体内部的土压力数据，采集到的数据发送到数据采集器，数据采集器将其发送到上位机，由上位机对接收到的数据进行处理。 

2.如权利要求1所述的黄土场地浸水条件下土体内部应力监测***，其特征在于，所述土压力传感器包括不锈钢质的盒体（6）、电阻应变片（2）、接线板（3）和顶盖（5），盒体（6）底面的镀锌层作为受力膜（1），盒体（6）内固定有由电阻应变片（2）组成的桥式电路和接线板（3），电阻应变片（2）组成的桥式电路紧贴盒体（6）内底面，所述接线板（3）位于电阻应变片（2）组成的桥式电路的上方；电阻应变片（2）组成的桥式电路通过接线板（3）由信号线（4）引出盒体（6），盒体（6）顶部安装顶盖（5）。 

3.一种利用权利要求1所述的***进行黄土场地浸水条件下土体内部应力的监测方法，其特征在于，具体包括如下步骤： 

1）监测***的组装：包括土压力传感器的焊接、电源的组装、上位机的安装、信号线的连接及土压力传感器与数据采集器的匹配调试； 

2）传感器的标定：对每个土压力传感器进行标定，得到所有土压力传感器标定曲线； 

3）传感器的埋设 

第一、在待监测区域开挖浸水坑； 

第二、在浸水坑内地面及浸水坑外地面开挖多个埋设井； 

第三、在每个埋设井内埋设土压力传感器；所有土压力传感器埋设完毕后，需将所有埋设井回填并夯实； 

4）数据采集：在浸水坑开始浸水前，启动数据采集器记录每个土压力传感器的初始值并发送给上位机；浸水开始后，各土压力传感器实时采集土压力数据并实时向数据采集器发出信号，数据采集器以一定的频率采集并记录信号，并实时将采集到的信号发送给上位机； 

5）数据处理：上位机通过数据采集器发送的信号得到土压力传感器的初值；对每个土压力传感器的标定曲线进行重新拟合得到拟合标定曲线及对应的拟合公式；由拟合公式得到每个土压力传感器的标定系数A、B，其中A等于拟合曲线在土压力轴的截距，B等于拟合曲线的斜率。 

由式1计算得到土压力σ： 

σ=A+X*B           （式1） 

式中，σ—总应力；X—输出微应变值；A、B—标定系数。 

将某一时刻t₁采集的某个土压力传感器的输出微应变值X代入式1，得到该土压力传感器所埋设的监测点在该时刻的土压力σ₁，按照同样的方式对每次采集的土压力传感器的输出微应变值X进行处理，可得到n组数据：(σ₁，t₁)，(σ₂，t₂)，.....，(σ_n，t_n)；其中，n表示试验期内的采集次数；以土压力σ为纵轴，以时间t为横轴建立坐标系，得到的n组数据在该坐标系中表示为σ—t时态曲线；同理，可得由其余土压力传感器采集的数据 处理得到的土压力时态曲线。 

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述3）传感器的埋设中，所述埋设井的开挖数量不少于4个。 

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述3）传感器的埋设中，所述埋设井的开挖位置具体设置如下： 

假设浸水坑半径为R，则由浸水坑圆心出发，1）R范围内开挖1～2个埋设井，若开挖一个埋设井则宜开在1/2R位置上，若开挖两个埋设井则宜分别开在以1/2R隔开的两部分浸水坑内；2）R～2R范围内开挖3～4个埋设井，首先在(R+1)m处及2R处开挖两个埋设井，若开挖3个埋设井则在1.5R处再开挖一个，若开挖4个埋设井则宜在R+1/3R、R+2/3R处再开挖两个埋设井；3）2R～2.5R范围内：在2.5R±3m范围内开挖1个埋设井；若浸水坑半径R＞30m，则在该范围内最远的埋设井与2R的中点处增加一个埋设井。 

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述3）传感器的埋设中，所述土压力传感器的埋设形式分为水平埋设与垂直埋设两种，分别用于测试纵向土压力与横向土压力；设置在以浸水坑圆心为出发点的R范围内的埋设井内只埋设测量纵向土压力的土压力传感器；R～2R范围内的埋设井内测量横、纵两向土压力的传感器配合埋设；2R～2.5R范围的埋设井内只埋设测量纵向土压力的传感器。 

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述3）传感器的埋设中，所述土压力传感器在每个埋设井中的埋设密度以距浸水坑圆心由近及远逐渐减小；具体设置如下：从浸水坑圆心出发，R范围内设置的埋设井内平均2～3m埋设一个测量纵向土压力的土压力传感器；R+1m处的埋设井中平 均2～3m埋设一组传感器，R+1m～2R范围内的埋设井内平均4～6m埋设一组传感器，2R处的埋设井内平均10～12m埋设1个测量纵向土压力的传感器，重点关注中部和下部土层；设置在2.5R±3m的埋设井在自重湿陷土层下限深度H附近埋设1个测量纵向土压力的传感器。 

8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述3）传感器的埋设中，所述埋设井的井壁竖直，且埋设井直径大于0.6m。 

9.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述3）传感器的埋设中，在埋设测量纵向土压力的土压力传感器时，保证土压力传感器底部的受力面水平且朝上；在埋设测量横向土压力的传感器时，保证土压力传感器底部的受力面为竖直方向且朝向浸水坑圆心。 

10.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述3）传感器的埋设中，在监测过程中，所述数据采集器的采集频率最高不超过30min/次。 

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