[发明专利]一种基于能量耗散的岩土体稳定性监测装置

说明书

技术领域：

本发明属于岩土工程监测领域，特别涉及一种基于能量耗散的岩土体稳定性监测装置，适用于边坡、隧道等岩土工程的监测与预警。

技术背景：

岩土体能量耗散是导致工程灾害发生的本质因素之一。目前，常规监测手段主要是监测岩土体变形位移等作为表征能量耗散的间接指标，采用精密仪器对岩土体的外部位移变形进行测量，或采用深埋传感器监测岩土体的内部变形位移，通过监测位移的变化及变化速率分析岩土体的稳定性情况。岩土体的破坏一般先发生在内部，对于岩土体外部的位移测量并不能发现岩土体的早期变形破坏，给出及时有效的安全预警。采用深埋传感器进行岩土体内部变形监测虽能较外部位移监测更早的发现岩土体的变形，但是成本较高，监测点的控制范围较小，在深部岩土体的压力对位移监测装置的干扰较大，仍然无法满足工程安全保障与重大灾害控制的需要。因此，设计并研制一种实时监测岩土体稳定性并可及时准确的发现岩土体内部早期变形的监测装置，具有十分重要的科学意义和实际应用价值。

发明内容：

针对现阶段岩土体稳定性监测技术的不足，本发明提供了一种基于能量耗散的岩土体稳定性监测装置，通过提取温度作为表征岩土体能量耗散的指标，建立区域温度变化与能量耗散的关系，进行岩土体内部变形破坏的监测，从能量的角度分析岩土体的稳定性，准确及时的发现岩土体早期变形，为工程施工做出安全指导。

岩土体系统的破坏、变形等演化过程都与外界有着密切的能量交换过程。外界能量的输入一部分以弹性变性能的形式积聚在岩石内部，另一部分以塑性变形能与热能的形式被耗散掉，当能量积聚到一定极限，超过岩土体所能承受的极限，岩土体就会失稳破坏，并向外界释放大量能量。

假设在岩土体变形时释放的热量为Q，则影响范围内岩土体的温度变化为

其中，c_v为岩土体的定容热容，c为岩土体比热容；ρ为岩土体的密度；V₀为影响范围内岩土体的体积。

当温度改变Δt时，固体在一定方向上会发生相对体积的变化，采用体积热膨胀系数来表示则为

根据格林艾森定律可知，热膨胀系数为

其中γ为格林艾森数，可由实验测定，一般在1-3范围内；K为体积弹性模量。

由式(1)、(2)、(3)可得

将V＝V₀+VΔ带入到上式中，可得

由于固体，相对变形较小，因此上式左端的二次项可忽略，则有

因此可通过对温度的监测来表征岩土体的变形，且研究表明岩土体在临近破坏时，会快速升温，通过监测温度的变化速率，可提前发现岩土体的破坏，对岩土体的稳定性进行及时有效的判断，并作出提前预警。