一種土體裂隙發育的監測方法

專利名稱：一種土體裂隙發育的監測方法
技術領域：
本發明屬于巖土工程中土體監測領域，涉及一種土體裂隙發育的監測方法。
背景技術：
對土體裂隙研究的傳統方法多屬于對某一時刻的裂隙進行量測觀察的方 法，主要包括裂隙尺寸參數的觀測、分布與發展規律、滲流特性和力學性質等 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、超聲波法和計算機斷面成像技術
(CT法)等。現有的裂隙觀測方法存在以下三個方面的主要技術問題(1) 傳統的裂隙觀測法屬于靜態的觀測，無法實現對裂隙發育過程連續動態觀測；
(2)傳統裂隙觀測方法多屬于室內研究方法，無法避免對研究巖土體造成擾 動，無法實現對野外原位土體裂隙發育過程進行監測；(3)傳統裂隙觀測方法 受測量工具或操作空間的影響，無法對大尺度空間范圍內裂隙情況進行觀測， 也無法對大尺度的裂隙結構體進行觀測。

發明內容
本發明的目的在于提供一種土體裂隙發育的監測方法，能夠克服現有技術 中裂隙觀測方法所存在的無法對裂隙發育過程進行原位、大空間范圍、連續動 態觀測的缺陷，本發明的裂隙發育原位監測的方法，能夠廣泛應用于黏性土地 區裂隙發育的連續動態監測，在不擾動土體的情況下，對大尺度空間范圍內的土體裂隙發育進行監測，實現裂隙在長度和深度方向發育程度的實時監測。
本發明是一種利用電阻率法監測土體裂隙發育的新方法，其監測方法的理 論基礎是裂隙的出現和發育會明顯改變土體的導電性。簡而言之，本發明對土 體裂隙發育的監測是通過布置在土體中的測量探頭，來研究土體導電性變化， 根據對監測數據的分析，實現對巖土體裂隙發育過程的連續動態監測。 本發明所采用的技術方案如下 一種土體裂隙發育的監測方法，包括以下步驟
1) 布置測量點并植入探頭在土體內布置測量點并植入測量探頭，測量 點在土體內的監測剖面上呈網格狀分布，所述測量探頭包括電導測量探頭、水 分測量探頭和溫度測量探頭；
2) 參數監測在有效測量半徑內，將測量點進行組合，測量并記錄測量 點土體的電導值、含水率和溫度；
3) 數據分析將測得的電導值對含水率和溫度作出校正，得到監測土體 的電導值；
4) 裂隙發育的監測根據監測土體的電導值進行反演，監測土體裂隙的 發育狀況。
根據土體導電性變化進行裂隙發育的監測，本發明主要涉及測量點布置、 參數監測、數據分析方法、土體裂隙在時間域和空間域上的發育分析方法的選 擇和確定。
所述的步驟l)確定測量點的布置方案。測量點的布置根據監測土體條件 和監測目的進行設計，測量點在土體內呈網格狀分布，對于裂隙發育非常密集 的監測土體，測量點之間的距離一般在0.1 3m，如選擇lm左右；對于裂隙 發育稀疏的監測土體，測量點之間的距離可以增大， 一般在3m以上至測量探頭的有效測量半徑的范圍內。
所述的步驟2)確定參數監測。參數監測可根據所布置的測量點進行設計， 且針對監測土體所需要重點觀測的區域進行監測順序的排列，原則上是在有效 測量半徑內，盡可能將測量點之間進行排列和組合，以求建立完善的數據庫資 料，便于反演分析。
所述的步驟3)涉及數據分析方法的確定。為取得監測剖面的電導值分布 數據，要剔除含水率和溫度的影響，從而能得到因裂隙發育而產生的土體的電 導值。采用的數據分析方法即根據監測到的測量點上電導值、體積含水率和溫
度，與非飽和粘土電導計算公式G^^式^"^ (G-土體電導，/ -尺寸修正
丄
系數，、-孔隙水電導率，A-電極有效測量半徑，"-孔隙率，&-飽和度，丄-電極間距離)、非飽和粘土溫度與電導的關系式<^ = ( 186+^"-18.6) (G-土體電 導，^186-試驗初始溫度18.6。C下的電導值，A: = "G186，"-試驗常數)作對比計 算分析，剔除后兩者的影響，得到單一的監測剖面的電導值分布，從而通過對 所取得的電導值進行反演，可以研究出任意時刻、任意位置的裂隙發育狀況。 所述的步驟4)涉及土體裂隙發育分析監測方法的確定。對土體裂隙發育 的分析監測，根據所得到的電導值分布進行反演，所述的反演是指利用計算機 程序，將電導值分布等土體參數值與數據庫中存儲的監測土體在確定的時間或 空間上的參數特征值，如電導值基準分布狀態進行對比，分析監測剖面的電導 值分布在時間或空間上的變化，對裂隙發育進行監測的方法。土體裂隙發育分 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，即一方面取監測過 程中的關鍵時間點，綜合整個土體電導值數據進行反演，分析裂隙在千濕循環 條件下在時間域上的發育變化；另一方面對土體電導值所有數據(全部監測剖面)進行整理和分析，對整個觀測區域中的裂隙從表層往內部逐步發育的空間 演變過程進行反演和分析。
土體裂隙在時間域上的發育分析方法一般對監測過程中的不同時間點的 數據作整理和分析，而后進行裂隙的反演；上述時間點至少包括探頭布置后的 監測初期、氣候劇烈變化時、人工破壞劇烈時等等關鍵時間點。土體裂隙在空 間域上的發育分析方法一般在監測土體的不同監測剖面上，對監測土體的電導 值的數據進行整體反演分析，得到裂隙在土體的水平方向、垂直方向由表及里 的發育變化過程。
本發明的土體裂隙發育的監測方法，在不擾動監測土體的情況下，在大尺 度空間范圍內，對土體內的裂隙發育進行連續動態的原位監測，實現裂隙在長 度和深度方向發育程度的實時監測，監測結果準確可靠，操作簡便。得到的土 體電導值、含水率和溫度參數等隨時間變化曲線清晰易懂，通過數據分析和圖 形繪制，可以直觀反應裂隙在空間位置上出現的時間、發育過程以及最終發育 穩定時間，本發明方法還可以對裂隙閉合過程進行實時監測。
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
進行詳細描述。本發明的保護范圍 并不以具體實施方式
為限，而是由權利要求的范圍加以限定。


圖1為土體內測量點布置示意圖
圖2為參數監測中測量點組合方式示意圖
圖3為土體裂隙發育監測儀結構框圖
圖4為土體內測量點布置區域監測剖面圖
圖5為監測初期監測剖面電導值等值線6為監測后期監測剖面電導值等值線圖
圖7為邊坡監測剖面電導值等值線圖A 圖8為邊坡監測剖面電導值等值線圖B
具體實施例方式
如上所述，本發明涉及測量點布置、參數監測、數據分析和土體裂隙發育 的監測四個步驟。
如圖1所示，為測量點布置示意圖。測量點1布置方案是根據場地條件進 行設計的，測量點l在土體中的呈網格狀布置，網格的間距即測量點之間的距 離2按照場地裂隙發育嚴重程度而進行設計。對于裂隙發育非常密集的場地， 測量點之間的距離2—般在0.1 3m左右；對于裂隙發育稀疏的場地，測量點 之間的距離2可以增大至3m以上。
如圖2所示，為參數監測中測量點組合方式示意圖。本發明方法中參數監 測方案是根據所布置的測量點進行設計的，且是針對場地所需要重點觀測的區 域進行監測順序的排列，原則上是盡量多的進行測量點之間的排列和組合，以 求建立完善的數據庫資料，便于反演分析。以圖2中的測量點或探頭A、 B、 C、 D和E為例，它們在土體中呈網格狀布置，探頭A、 B之間的弧狀虛線3 為兩個測量探頭之間電流的影響范圍。監測時，可以將探頭A與探頭B、 C、 E進行配對測量電導值，甚至可以與探頭D配對測量來探測網格對角線上的裂 隙發育狀況。數據接收儀4可以布置在A、 B間，也可以布置在任何設計好的 監測電極對之間，這樣就可以監測任兩個測量探頭之間的電導值，同時也可以 分別測量任兩個測量點附近的溫度和體積含水率。A、 B之間的弧狀虛線3內 如果有裂隙發育，則測得的A、 B之間的電導值將會發生變化。
把測得的土體的電導值、體積含水率與溫度記錄下來，傳入計算機，分析土體裂隙發育、體積含水率與溫度對所測電導值的影響，進而與非飽和粘土電 導計算公式G^10、^0《(G-土體電導，/ -尺寸修正系數，、-孔隙水電導
率，A-電極有效測量半徑，"-孔隙率，S廠飽和度，丄-電極間距離)、非飽和 粘土溫度與電導的關系式(^ = ( 186+^(「18.6) (G-土體電導，《86-試驗初始溫度 18.6。C下的電導值，* = "G186，"-試驗常數)作對比分析，剔除體積含水率與 溫度的影響，得到電導值 裂隙的變化關系，從而通過所測得的電導值進行反 演，可以研究出任意時刻、任意位置的裂隙發育狀況。
最后，將整個土體的電導值測量值綜合考慮并加以反演，即一方面取監測 過程中的關鍵時間點，綜合整個場地數據進行反演，分析裂隙在干濕循環條件 下在時間域上的發育變化；另一方面對場地所有數據進行整理和分析，對整個 觀測區域中的裂隙從表層往內部逐步發育的空間演變過程進行反演和分析。
如圖3所示， 一種土體裂隙發育監測儀可以用以實現本發明的方法，土體 裂隙發育監測儀包括測量探頭部分和數據接收處理部分；其中，測量探頭部分 包含電導測量探頭、水分測量探頭和溫度測量探頭，組合成為多功能探頭；數 據接收處理部分包括數據接收儀、數據處理和裂隙發育參數反演三個部分。數 據接收儀包括電導數據接收器、體積含水率接收器和溫度數據接收器組合而 成。數據處理是將數據接收器所接收到的數據傳輸進入計算機，進行計算和分 析。裂隙發育參數反演部分是將處理后的數據傳輸進入數據庫，進行裂隙發育 參數的反演，以動態觀測裂隙的變化。
實施例
本實施例利用本發明的方法對邊坡土體裂隙發育進行監測，包括以下步1) 布置測量點并植入探頭如圖4所示，在邊坡土體內監測剖面上布置 測量點，并植入多功能測量探頭，測量探頭包括電導測量探頭、水分測量探頭 和溫度測量探頭。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設置一個探頭，布置的時候從下往上布置，將導線 引到地表便于測量。將探頭布置好后，人工修整邊坡，對邊坡原有裂隙進行開 挖填土等處理，然后碾壓，做到邊坡表面完整結實。
2) 參數監測使用土體裂隙發育監測儀測量并記錄測量點土體的電導值、 含水率和溫度；
3) 數據分析將測量所得的電導值、體積含水率、溫度按以下方法進行 數據處理
由&=^ (&-土體飽和度，w-土體含水率，G,-土體比重，e-土體孔隙 比)得到飽和度&，運用非飽和粘土電導計算公式6 = / ^^^ (G-土體
電導，p-尺寸修正系數，、-孔隙水電導率，A-電極有效測量半徑，"-孔隙率， &-飽和度，丄-電極間距離)得到土體水分(飽和度/體積含水率)影響下的電
導值G,;然后，運用非飽和粘土溫度與電導的關系式C^C^6+Wr-18.6) (G國 土體電導，G^-試驗初始溫度18.6匸下的電導值，* = "S186，"-試驗常數)計 算當前溫度影響下的電導值《，將土體裂隙發育監測儀所測得的電導值G。減去 《和《，即G^G。-G廣G2，將G3在測量剖面上繪制成電導值等值線圖。 經過上述過程分別得到圖5 圖8。
4) 裂隙發育的監測根據所得到的等值線圖進行反演，即根據邊坡上監 測剖面在不同時間及不同空間所得到的電導值等值線圖對比，監測土體裂隙在時間域和/或空間域上的發育狀況。
圖5為試驗初期測量所埋設的多功能測量探頭后計算繪制的電導值等值線
圖。從圖5中可以看出，從邊坡表面往下，邊坡剖面上電導值等值線比較平緩
均衡，沒有突出和凹進的地方，這說明邊坡土體中基本無裂隙發育，土體較完
整。圖6為試驗后期測量所埋設的多功能測量探頭后計算繪制的電導值等值線 圖。從圖6中可以看出，邊坡表面等值線出現了兩個下凹，為低導高阻區域， 深度約為1 2m，同時通過觀測邊坡表面發現該兩處有裂隙發育。通過開挖發 現，裂隙的發育深度為1.8m。圖5和圖6為土體裂隙發育監測方法在時間域 上的分析實例。
如圖7所示，為試驗邊坡另一個剖面電導值等值線圖A。電導值等值線圖 A中的黑色方框處為對某關鍵裂隙發育點進行監測的圖，此圖反映出此時裂隙 發育深度尚淺，約為l 1.5m左右，因為從該圖中可以看出電導值等值線較為 平緩，等值線低導高阻區域所涉及的范圍較淺。然而如圖8所示，為該試驗邊 坡剖面電導值等值線圖B。電導值等值線圖B中的黑色方框處仍然為某關鍵裂 隙發育點的監測圖，此圖反映處裂隙發育較深，黑色方框所圈的范圍較大，深 度約為2 2.5m左右，電導值等值線比較凹進，低導高阻環狀區域離地表深度 比較大。因此，如圖7和圖8，通過對某關鍵裂隙發育點進行監測，可以對裂 隙發育進行時間域上的分析。
同理，對邊坡上不同監測剖面的電導值等值線圖進行對比，可以對空間域 上裂隙的發育狀況進行分析監測。
可見，在土體裂隙發育監測方面，應用本發明的方法，可以更好地對裂隙 在時間域和空間域上的發育狀態進行原位、動態地觀測，本發明有良好的工程 應用價值。
權利要求
1、一種土體裂隙發育的監測方法，包括以下步驟1)布置測量點并植入探頭在土體內布置測量點并植入測量探頭，測量點在土體內的監測剖面上呈網格狀分布，所述測量探頭包括電導測量探頭、水分測量探頭和溫度測量探頭；2)參數監測在有效測量半徑內，將測量點進行組合，測量并記錄測量點土體的電導值、含水率和溫度；3)數據分析將測得的電導值對含水率和溫度作出校正，得到監測土體的電導值；4)裂隙發育的監測根據監測土體的電導值進行反演，監測土體裂隙的發育狀況。
2、 根據權利要求1所述的監測方法，其特征在于在步驟l)中，對于裂 隙發育密集的監測土體，測量點之間的距離為0.1 3m;對于裂隙發育稀疏的 監測土體，測量點之間的距離為3m以上。
3、 根據權利要求1所述的監測方法，其特征在于在步驟3)中，測得的電導值對含水率和溫度作出校正的方法是，根據非飽和粘土電導公式和非飽和 粘土溫度與電導的關系式分別計算含水率和溫度影響下的電導值q和《，將步驟2)所測得的電導值G。減去(^和《。
4、 根據權利要求3所述的監測方法，其特征在于所述的非飽和粘土電 導公式為<formula>formula see original document page 2</formula>式中G-電導值，^-尺寸修正系數，、-孔隙水電導率，A-電極有效測量 半徑，"-孔隙率，&-飽和度，Z-電極間距離。
5、 根據權利要求3所述的監測方法，其特征在于所述的非飽和粘土溫 度與電導的關系式為G = G186+A:(r-18.6)式中G-電導值，0186-試驗初始溫度18.6匸下的電導值，""G186，"-試驗 常數。
6、 根據權利要求1所述的監測方法，其特征在于在步驟3)中，所述的 監測土體的電導值至少包括監測剖面的電導值分布等值線數據。
7、 根據權利要求1所述監測方法，其特征在于所述的反演是指利用計 算機程序，將包括電導值分布在內的土體參數值與數據庫中存儲的監測土體在 確定的時間或空間上的參數特征值進行對比，分析監測剖面的土體參數在時間 或空間上的變化，對裂隙發育進行監測的方法。
8、 根據權利要求7所述監測方法，其特征在于所述的反演包括土體裂 隙發育在時間域上的分析和空間域上的分析。
9、 根據權利要求8所述監測方法，其特征在于所述的時間域上的分析是指在監測過程中的不同時間點上，對監測土體的電導值進行對比和分析，對 裂隙發育進行監測的反演分析方法。
10、 根據權利要求8所述監測方法，其特征在于所述的空間域上的分析是指在監測土體的不同監測剖面上，對監測土體的電導值進行對比和分析，對 裂隙發育進行監測的反演分析方法。
全文摘要
本發明公開了一種土體裂隙發育的監測方法，利用土體的導電性實現對巖土體裂隙發育過程的連續動態監測，包括在土體內呈網格狀布置測量點并植入電導、水分和溫度測量探頭；監測并記錄測量點土體的電導值、含水率和溫度；將測得的電導值對含水率和溫度作出校正，根據監測土體的電導值進行反演，對土體裂隙發育作時間域和空間域上的分析，監測土體裂隙的發育狀況。本發明的土體裂隙發育的監測方法，在不擾動監測土體的情況下，在大尺度空間范圍內，對土體內的裂隙發育進行連續動態的原位監測，實現裂隙在長度和深度方向發育程度的實時監測，監測結果準確可靠，操作簡便。
文檔編號G01N27/04GK101581686SQ20091002606
公開日2009年11月18日 申請日期2009年3月18日 優先權日2009年3月18日
發明者張開普, 武廣繁, 亮 陳, 龔永康 申請人:河海大學