CN107460899A - 一种膨胀土边坡监测与防护*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于土木工程基础设施技术领域，公开一种膨胀土边坡监测与防护***，包括膨胀土边坡，膨胀土边坡上覆盖有采用碳纳米管材料、水和膨胀土混合形成的碳纳米管膨胀土，还包括信号采集***和监测防护服务***，碳纳米管膨胀土、信号采集***和监测防护服务***依次信号连接。碳纳米管材料的添加使得碳纳米管膨胀土具有能灵敏感知自身应力‑应变和收缩开裂或膨胀程度的功能，能对膨胀土边坡进行全面监测；碳纳米管膨胀土上设有智能滴灌***有效稳定膨胀土边坡含水量；智能滴灌***与监测防护服务***形成信号连接，监测防护服务***可根据信号采集***的输出信号实时调节智能滴灌***的工作状况，实现膨胀土边坡监测与防护***的监测防护一体化。
Description
技术领域
本发明属于土木工程基础设施技术领域，具体地，涉及一种感应灵敏、兼具监测与防护功能的膨胀土边坡监测与防护***。
背景技术
膨胀土为对水敏性强的非饱和土，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减等特性，性质极不稳定，在我国的分布范围很广，如广西、云南、河南、湖北、四川、陕西、河北、安徽、江苏等地均有不同范围的分布，随着现代化进程地推进，南水北调、中西部开发和一带一路等战略的实施，施工工程中经常会遇到大量的膨胀土问题，膨胀土边坡的失稳和破坏更是屡见不鲜。
一方面膨胀土具有很高的膨胀潜势，这与它含水量的大小及变化有关，如果其含水量保持不变，则不会有体积变化，在工程施工中，建造在含水量保持不变的膨胀土上的构造物不会遭受由膨胀而引起的破坏，而当膨胀土的含水量发生变化，立即就会产生垂直和水平两个方向的体积膨胀，因此在具有膨胀土地区的地基修建设施，膨胀土对地上建筑设施的危害较大，如建造在膨胀土上的地板，在雨季来临时，膨胀土中含水量增加引起的地板面翘起开裂屡见不鲜。
另一方面膨胀土又具有很高的收缩潜势，当其含水量降低时，常使建筑物等产生不均匀的竖向或水平的胀缩变形，且往往成群出现，建筑物尤以低层平房损坏最为严重，危害性很大，裂缝特征有外墙垂直裂缝，端部斜向裂缝和窗台下水平裂缝，内、外墙对称或不对称的倒八字形裂缝等，地坪则易出现纵向长条和网格状的裂缝。
针对膨胀土的膨胀潜势和收缩潜势等特性，如今国内处治膨胀土边坡实际工程的治理措施主要有1）修建支护边坡，提高滑坡体的抗滑力；2）在滑坡体部分上方减重，减小下滑力；3）在容易发生滑坡或已发生滑坡的边缘上方修建截水沟，把滑坡体以外的地面水，从截水沟引向桥涵或排水沟排除；4）在坡面设置排水沟来排除滑坡体范围内的坡面水，然而这些边坡支护工程工程量大，经济性差，且无法从根本上对边坡进行治理。
此外国内目前膨胀土边坡的监测方法有人工定期监测和建立边坡监测预警***，其中人工定期监测需要到现场进行数据采集，工作量大，监测站之间需要相互通视，监测的时效性较差，而且无法在恶劣的气候条件下实施，再者由于大部分边坡变形失稳均发生在暴雨等自然条件下，人员无法进行现场测量，因此人工定期监测的方法一方面耗费人力，另一方面效果并不明显，并且耗费巨大，这样的检测和评估手段已经不满足当今社会形势的要求。
同时边坡监测预警***技术应用和现场施工难度大，技术成本高，实验效果与工程应用实际效果不符，应用于实际工程时遇到施工难度大、野外条件复杂使传感器破坏等未知的困难，同时因为监测条件的限制、边坡监测资料分析和理论模型研究不足、现场监测可能会因电压不稳等因素而影响信号的收集与传输等因素，使得监测效果不佳。
因此目前膨胀土边坡的治理措施未能从根本上对膨胀土边坡进行治理，且其措施都是在单一的监测，而没有做到监测与防护一体化。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述技术缺陷，提供一种能对膨胀土土层状态变化进行监测的、能通过监测信息对膨胀土土层状态进行调节的膨胀土边坡监测与防护***。
本发明的上述目的通过以下技术方案予以实现：
一种膨胀土边坡监测与防护***，包括膨胀土边坡，所述膨胀土边坡上覆盖有采用碳纳米管材料、水和膨胀土混合形成的碳纳米管膨胀土，还包括信号采集***和监测防护服务***，所述碳纳米管膨胀土、信号采集***和监测防护服务***依次信号连接。
具体地，所述信号采集***设置于碳纳米管膨胀土上，所述碳纳米管膨胀土中因碳纳米管材料的存在而具有自感知碳纳米管膨胀土内部应力-应变、收缩开裂和膨胀程度的功能，所述信号采集***通过对碳纳米管膨胀土的动态信号进行采集，并将采集到的信号反馈给监测防护服务***，安全评估人员可在监测防护服务***的提示下及时对膨胀土的状态变化进行处理。
进一步地，所述碳纳米管材料均匀分布于碳纳米管膨胀土中。
进一步地，所述信号采集***包括电压传感器、电流传感器以及电压源或者电流源，具体地，碳纳米管膨胀土的内部应力-应变等可结合信号采集***通过电压、电流变化率体现出来。
进一步地，所述监测防护服务***包括可对信号采集***的输出信号进行计算的处理器。
更进一步地，所述监测防护服务***还包括与处理器连接的人机交互设备，具体地，所述人机交互设备包括显示屏、打印机、键盘等输入或输出设备。
再进一步地，所述人机交互设备还包括声音报警器或声光报警器，安全评估人员可在不通过视野所及的方式下也可了解到碳纳米管膨胀土的状态变化情况。
进一步地，所述监测防护服务***还连接有用于保存***数据的监测***数据库，安全评估人员等可通过查看监测***数据库内的存储信息即可了解一段时间内该区域膨胀土的变化状况等信息。
进一步地，所述碳纳米管膨胀土上还设有智能滴灌***，所述智能滴灌***与监测防护服务***信号连接，监测防护服务***根据信号采集***的输出信号实时调节智能灌***的工作状况。
更进一步地，所述智能滴灌***包括滴灌支管和滴灌喷头，多根滴灌支管相互交错铺设在碳纳米管膨胀土上，优选采用纵横交错呈格栅的形式，所述滴灌喷头安装于滴灌支管上。
再进一步地，多个滴灌喷头根据需求在智能滴灌***中可呈不同形式布置，优选地，采用梅花形布置，可有效保证膨胀土的滴灌效益最大化。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
碳纳米管材料的添加使得碳纳米管膨胀土具有能灵敏感知自身应力-应变和收缩开裂或膨胀程度的功能；
碳纳米管膨胀土覆盖在膨胀土边坡上，覆盖面大，监测范围广，能对膨胀土边坡进行全面监测；
碳纳米管材料价格便宜，减少了膨胀土边坡监测防护的成本，经济性好；
安全评估人员可通过监测防护服务***实时观测现场膨胀土边坡和/或碳纳米管膨胀土边坡的状态；
碳纳米管膨胀土上设置有智能滴灌***，可有效稳定膨胀土边坡含水量，对边坡进行防护；
智能滴灌***与监测防护服务***形成信号连接，监测防护服务***可根据信号采集***的输出信号实时调节智能滴灌***的工作状况，实现了所述膨胀土边坡监测与防护***的监测防护一体化功能，形成一个自反馈循环，且其监测与防护动作均在实时实效状态；
设置于滴灌支管上且呈梅花形布置的滴灌喷头，可对整个膨胀土边坡形成整体辐射，每个滴灌喷头对其周围一定直径的区域范围进行水分补充，使得整个膨胀土边坡无一例外地能被滴灌喷头的射程范围覆盖；
所述监测防护服务***与信号采集***及智能滴灌***之间可实现无线传输，从而实现膨胀土边坡的监测和防护远程智能化，提高了工作效率。
附图说明
图1为所述膨胀土边坡监测与防护***的结构示意图；
图2为所述智能滴灌***设置在碳纳米管膨胀土上的局部示意图。
具体实施方式
本发明实施例附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种膨胀土边坡监测与防护***，其包括膨胀土边坡1，膨胀土边坡1上覆盖有采用碳纳米管材料、水和膨胀土混合形成的碳纳米管膨胀土2，还包括信号采集***3和监测防护服务***4，碳纳米管膨胀土2、信号采集***3和监测防护服务***4依次信号连接。
具体地，碳纳米管膨胀土2为先采用碳纳米管材料粉末和水在超声波的搅拌下混合均匀、然后再与膨胀土混合而成，众所周知，碳纳米管材料是一种新型纳米材料，它具有良好的力学性能、耐久性、抗干扰能力、导电性能以及传热性能，发明人针对碳纳米管材料的这些优点，将碳纳米管材料填充在膨胀土基料中研究其与膨胀土基料的相容性，同时研究其结合后的复合材料的力学性能和导电性能时发现在膨胀土中掺加碳纳米管材料后，膨胀土的导电性能显著提高，发明人巧妙地利用这种复合材料的机敏感知性能，将其应用到膨胀土边坡的实时监测中来。
具体地，信号采集***3设置于碳纳米管膨胀土2上，碳纳米管膨胀土2中因碳纳米管材料的存在而具有自感知碳纳米管膨胀土内部应力-应变、收缩开裂和膨胀程度的功能，信号采集***3通过对碳纳米管膨胀土2的动态信号进行采集，并将采集到的信号反馈给监测防护服务***4，安全评估人员7可在监测防护服务***4的提示下及时对膨胀土的状态变化进行处理。
碳纳米管膨胀土2覆盖在膨胀土边坡1上，覆盖面大，监测范围广，能对膨胀土边坡1进行全面监测，此外碳纳米管材料价格便宜，减少了膨胀土边坡1监测防护的成本，经济性好；
同时为保证碳纳米管膨胀土2的感知均匀，不出现感知强弱对比，碳纳米管材料应均匀分布于碳纳米管膨胀土中。
信号采集***3包括电压传感器（未示出）、电流传感器（未示出）以及电压源或者电流源，具体地，碳纳米管膨胀土2的内部应力-应变等可结合信号采集***3通过电阻变化率体现出来。
为便于将信号采集***3采集的动态信号以某种形式体现，监测防护服务***4包括可对信号采集***3的输出信号进行计算的处理器（未示出），同时处理器中可设定电阻变化率阈值，处理器可将计算出来的信号数据与该阈值进行比较。
同时，为使经处理器计算得出的信号数据为安全评估人员提供有效参考，监测防护服务***4还包括与处理器连接的人机交互设备41，具体地，人机交互设备41包括显示屏、打印机、键盘等输入和/或输出设备。
安全评估人员7也可通过显示屏实时观测现场膨胀土边坡1和/或碳纳米管膨胀土2的状态，有助于安全评估人员通过直观视觉感受来对膨胀土边坡1的情况进行具体分析。
具体来说，人机交互设备41还可以包括声音报警器（未示出）或声光报警器（未示出），即人机交互设备41可将处理器输出的信号数据或比较后的结果以多种声音形式或声光形式表现出来，安全评估人员7可在不通过视野所及的方式下也可了解到碳纳米管膨胀土的状态变化情况。
为对特定区域的膨胀土进行定性分析和处理，往往需要了解其在一定时间内的具体变化情况，因此监测防护服务***4还可连接有用于保存***数据的监测***数据库5，安全评估人员等可通过查看监测***数据库5内的存储信息即可对一段时间内该区域膨胀土的变化状况等信息一目了然。
本发明旨在使膨胀土边坡监测与防护一体化，如上所述的各种***设置已实现了对膨胀土边坡灵敏的监测功能，为进一步做到监测与防护的相辅相成，碳纳米管膨胀土2上还设有智能滴灌***6，智能滴灌***6与监测防护服务***4信号连接，监测防护服务***4根据信号采集***3的输出信号实时调节智能灌***6的工作状况。
具体地，在晴天时，膨胀土边坡有产生裂隙的倾向，碳纳米管膨胀土2发生动态变化，信号采集***3采集到碳纳米管膨胀土2的自感知信号，并将信号反馈至监测防护服务***4进行处理，监测防护服务***4经过对信号进行计算比较后发送相应处理信号至智能滴灌***6，智能滴灌***6即开启对膨胀土边坡1的滴灌工作，稳定边坡的含水率，有效地控制膨胀土边坡1裂隙产生，同时信号采集***3仍在持续采集碳纳米管膨胀土2的动态变化信号，并实时反馈给监测防护服务***4，以便监测防护服务***4对智能滴灌***6进行实时控制，从而有效阻止膨胀土边坡1干湿循环的发生，从根本上维护边坡的稳定性。
更具体地，智能滴灌***6能在晴天时控制膨胀土边坡1含水量，防止边坡开裂，则在雨天时，膨胀土边坡1无裂缝相当于在边坡表面形成了一层防水膜，从而做到在降雨条件下能有效阻止水流渗入膨胀土边坡内部，仅在膨胀土边坡浅层保持一定的含水量，此时膨胀土强度高，可有效防止其在强降雨天气下发生滑坡等现象。
如图2所示，智能滴灌***6包括滴灌支管61和滴灌喷头62，为使智能滴灌***6对膨胀土边坡1形成全面覆盖，本实施例中多根滴灌支管61纵横交错呈格栅形式铺设在碳纳米管膨胀土2上，滴灌喷头62安装于滴灌支管61上。
多个滴灌喷头62根据需求可在智能滴灌***6中呈梅花形布置，可对整个膨胀土边坡1形成整体辐射，每个滴灌喷头62对其周围一定直径的区域范围进行水分补充，使得整个膨胀土边坡1无一例外地能被滴灌喷头62的射程范围覆盖，可有效保证碳纳米管膨胀土的滴灌效益最大化。
本实施例中，监测防护服务***4与信号采集***3及智能滴灌***6之间可实现无线传输，从而实现膨胀土边坡1的监测和防护远程智能化，提高工作效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的包含范围之内。
Claims (10)
1.一种膨胀土边坡监测与防护***，包括膨胀土边坡，其特征在于，所述膨胀土边坡上覆盖有采用碳纳米管材料、水和膨胀土混合形成的碳纳米管膨胀土，还包括信号采集***和监测防护服务***，所述碳纳米管膨胀土、信号采集***和监测防护服务***依次信号连接。
2.根据权利要求1所述膨胀土边坡监测与防护***，其特征在于，所述碳纳米管材料均匀分布于碳纳米管膨胀土中。
3.根据权利要求2所述膨胀土边坡监测与防护***，其特征在于，所述信号采集***包括电压传感器、电流传感器以及电压源或者电流源。
4.根据权利要求2所述膨胀土边坡监测与防护***，其特征在于，所述监测防护服务***包括可对信号采集***的输出信号进行计算的处理器。
5.根据权利要求4所述膨胀土边坡监测与防护***，其特征在于，所述监测防护服务***还包括与处理器连接的人机交互设备。
6.根据权利要求5所述膨胀土边坡监测与防护***，其特征在于，所述人机交互设备包括声音报警器或声光报警器。
7.根据权利要求1所述膨胀土边坡监测与防护***，其特征在于，所述监测防护服务***还连接有用于保存***数据的监测***数据库。
8.根据权利要求1所述膨胀土边坡监测与防护***，其特征在于，所述碳纳米管膨胀土上还设有智能滴灌***，所述智能滴灌***与监测防护服务***信号连接，监测防护服务***根据信号采集***的输出信号实时调节智能滴灌***的工作状况。
9.根据权利要求8所述膨胀土边坡监测与防护***，其特征在于，所述智能滴灌***包括滴灌支管和滴灌喷头，多根滴灌支管纵横交错呈格栅形式铺设在碳纳米管膨胀土上，所述滴灌喷头安装于滴灌支管上。
10.根据权利要求9所述膨胀土边坡监测与防护***，其特征在于，多个滴灌喷头在智能滴灌***中呈梅花形布置。
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