[發明專利]用于巖土體內部空間應力狀態無線智能監測系統及方法

在審

• 申請號: 202011199426.6
• 申請日: 2020-11-01
• 公開（公告）號: CN112629714A
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發明（設計）人: 楊長衛;瞿立明;陳桂龍;陳棟
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G01L1/00
• 分類號: G01L1/00
• 代理公司: 成都東恒知盛知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 51304
• 代理人: 何健雄;廖祥文

1.用于巖土體內部空間應力狀態無線智能監測系統，其特征在于：包括無線三維土壓力盒(1)、無線數據采集系統(2)和應力監測系統(3)；

無線三維土壓力盒(1)用于將檢測到的土壓力數據信號與定位坐標數據信號轉換為電信號以無線電波形式傳輸；

無線數據采集系統(2)用于接收到土壓力和定位電信號后將其轉換成數據信號傳輸給應力監測系統(3)；

應力監測系統(3)用于分離定位坐標與土壓力信號，利用已知基準點定位坐標與監測點定位坐標建立相對坐標系，建立三維可視化模型，利用后處理程序計算監測點主應力，定量分析巖土體彈塑性應力狀態并作出相應的提示。

2.根據權利要求1所述的用于巖土體內部空間應力狀態無線智能監測系統，其特征在于：無線三維土壓力盒(1)包括十四面體基座(4)、無線壓力傳感器(5)、無線定位模塊(6)、中央微處理器(7)和信號發送模塊(8)；

無線壓力傳感器(5)用于檢測土壓力信號；

無線定位模塊(6)用于定位土壓力盒中心處的三維空間坐標；

中央微處理器(7)用于接收壓力信號與坐標信號，將接收到的信號轉換為電信號并擴大；

信號發送模塊(8)用于將擴大后的電信號以無線電波的方式進行傳輸。

3.根據權利要求2所述的用于巖土體內部空間應力狀態無線智能監測系統，其特征在于：十四面體基座(4)由長為2L、寬為高為的長方體沿寬、高的中點和長的三等分點切割而成，十四面體基座(4)共有7對不同方向的截面。

4.根據權利要求3所述的用于巖土體內部空間應力狀態無線智能監測系統，其特征在于：無線壓力傳感器(5)安裝在十四面體基座(4)截面上，無線定位模塊(6)、中央微處理器(7)和信號發送模塊(8)均內嵌在十四面體基座(4)內部。

5.根據權利要求1所述的用于巖土體內部空間應力狀態無線智能監測系統，其特征在于：無線數據采集系統(2)包括無線信號接收器(9)和模數轉換模塊(10)，無線信號接收器(9)將接收到的土壓力與三維空間坐標電信號經模數轉換模塊(10)轉換為數字信號，并傳輸給應力監測系統(3)。

6.根據權利要求1所述的用于巖土體內部空間應力狀態無線智能監測系統，其特征在于：應力監測系統(3)包括三維可視化建模模塊(11)和土壓力后處理模塊(12)；

三維可視化建模模塊(11)接收到監測點坐標后，根據基準點的坐標由空間解析幾何原理計算相對位置并建立相對坐標系，再接合輸入的被監測巖土體構造尺寸建立三維可視化模型；

土壓力后處理模塊(12)根據接收到土壓力信息自動計算主應力，接合輸入的巖土體物理參數，自動繪制庫倫-摩爾應力圓與強度線，智能分析巖土體是否處于塑性區狀態并作出相應的提示。

7.用于巖土體內部空間應力狀態無線智能監測方法，其特征在于：其采用如權利要求1-6中所述的任意一種用于巖土體內部空間應力狀態無線智能監測系統，并包括以下步驟：

一、無線三維土壓力盒(1)檢測土壓力信號和定位坐標信號轉換為電信號以無線電波形式傳輸給無線數據采集系統(2)；

二、無線數據采集系統(2)將接收的信號轉換成數據信號傳輸給應力監測系統(3)；

三、應力監測系統(3)接收信號后，進行如下步驟：

3.1、輸入被檢測巖土體的構造尺寸與基準點定位坐標，利用監測點定位坐標計算監測點與基準點的相對位置，選取一個特征基準點為坐標原點，建立相對坐標系，根據相對坐標與構造尺寸建立三維可視化模型；

3.2、根據壓力數據自動計算空間主應力，其計算方法如下：

①、按下式計算空間應力分量：

[σ_ij]＝A^-1·[σ_l]；

式中，—空間應力分量列矩陣；

[σ_l]—檢測得到的正應力列矩陣；

A——為應力分量系數矩陣，因A恒可逆，故檢測得到的每一組σ_l均有一一對應的σ_ij；

②、根據應力張量特征方程計算空間主應力σ₁、σ₂、σ₃：

σ³-J₁σ²-J₂σ-J₃＝0；

式中，J₁＝σ_x+σ_y+σ_z；

J₃＝det(σ_ij)；

3.3、根據計算的主應力與輸入的巖土體粘聚力C、內摩擦角φ物理參數，自動繪制庫倫-摩爾應力圓與強度線，根據應力圓與強度線的相關位置判斷巖土體是否處于塑性區，若處于塑性區則接通紅色信號燈線路，否則接通綠色信號燈線路。