[发明专利]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

说明书

技术领域

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

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。

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’+BρV_s²，τ为土体抗剪强度，c’为土体的内凝聚力，ρ为土体密度，V_s为土体剪切波速，为土的内摩擦角，μ为土的泊松比，ε’为土的轴向应变。从前面诸式可知，其中c’、ρ、μ、ε’均与土体含水率有关，在对土体不同的含水率情况下进行实验后，得出土体抗剪强度与土壤含水率、土体剪切波速的关系：τ＝f_i(V_s)∣_wi，w_i是土体含水率，τ是土体抗剪强度，f_i是随w_i变化时V_s与τ的函数关系。

发明内容

本发明的目的在于提供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。方法通过在土体中运用压电效应产生、接收剪切波，并测出剪切波速，同时测出土壤含水率，再计算得出抗剪强度，系统运用传感器技术、电子技术、计算机技术、通讯技术实现实时远程自动测量，实现原位测量和远程实时自动测量。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案。

一、一种土体抗剪强度的原位测量方法，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垂直插入到土体中，一对剪切波速测量压电片包括剪切波激励压电片和剪切波接收压电片，剪切波激励压电片通过正弦电压u_a激励产生机械振动，在土体中形成剪切波；剪切波接收压电片接收经土体传来的剪切波产生机械振动，进而产生电压u_b，测出u_b滞后于u_a的滞后时间Δt，由以下公式1得到剪切波速V_s：

V_s＝d/Δt  (1)

再通过土体含水率传感器测得土体含水率w_i，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＝f_i(V_s)∣_wi  (2)

其中，f_i表示随w_i变化下V_s与τ的函数关系。

测量时，所述剪切波激励压电片和剪切波接收压电片之间不存在除土体以外干扰剪切波传播的介质。

所述的V_s与τ的函数关系f_i(V_s)具体采用以下公式3：

其中，c_i’为土体的内凝聚力，ρ_i为土体密度，为土的内摩擦角，μ_i为土的泊松比，ε_i’为土的轴向应变。

二、一种土体抗剪强度的远程实时自动测量系统：