發(fā)布時間：2018-06-29 00:33

  本文選題：地下位移測量 + 傳感器　； 參考：《浙江大學》2013年博士論文

【摘要】：地下位移監(jiān)測是地質(zhì)災害預測、巖土工程項目質(zhì)量安全評價的重要手段及研究熱點。它可以深入巖土體內(nèi)部進行地下不同深度水平位移、沉降、傾斜方向等地質(zhì)參數(shù)的動態(tài)監(jiān)測,因此能準確檢測地下位移形變信息,確定滑移面和變形范圍,進而研究變形機制、成災現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及防災預報。監(jiān)測上的不可見和復雜性導致地下位移監(jiān)測技術(shù)發(fā)展緩慢,存在精度差、成本高、非自動化或難于準確計算地下位移量等問題。本文提出了一種基于新型電磁式地下位移傳感器組和GPRS無線網(wǎng)絡的地下位移自動測量及遠程監(jiān)控方法,設(shè)計了水平型(Ⅰ型)和水平-垂直復合型(Ⅱ型)兩款電磁式地下位移傳感器。針對這兩款傳感器進行了地下位移測量方法及相關(guān)理論的深入研究工作。綜合考慮影響Ⅰ、Ⅱ型傳感器傳感特性的各種因素及相關(guān)參數(shù),提出了三個具有較高計算精度且適合硬件實現(xiàn)的測量理論模型。利用這三個測量模型,對Ⅰ型、Ⅱ型地下位移傳感器獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行參數(shù)反演,推算出地下不同深處的相對水平位移量、垂直位移量及傾斜角度。實驗和理論仿真對比研究結(jié)果既檢驗了Ⅰ、Ⅱ型傳感器的地下位移測量性能,又驗證了上述測量模型及地下位移反演算法的有效性,同時也構(gòu)成了較完備的地下位移測量理論基礎(chǔ)。 本文主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點總結(jié)如下： (1)提出了一種新的地下位移測量方法。即將電磁理論、霍爾效應、重力測斜等傳感機制相融合,結(jié)合現(xiàn)代集成傳感技術(shù)和通信技術(shù),設(shè)計了一種新型的地下位移測量儀和GPRS無線監(jiān)控系統(tǒng)。測量儀采用地下位移測量串的組織形式,由多個等距間隔的集成地下位移傳感器單元與一個地下位移測量集中處理單元串接組成。任兩相鄰傳感器單元構(gòu)成一個電磁式地下位移傳感器,可測出地下某深度處的相對位移和傾斜角度,而整個測量串則可實現(xiàn)從地表直至地下不動巖之間整體位移及傾斜角度的測量；配套開發(fā)的GPRS無線監(jiān)測系統(tǒng)可進一步實現(xiàn)地下位移和傾斜量的遠程網(wǎng)絡化傳輸及監(jiān)控。針對不同應用場合,設(shè)計出水平型(Ⅰ型)和水平-垂直型(Ⅱ型)兩款地下位移傳感器。前者主要用于如順層滑坡、邊坡、基坑及圍護樁、公鐵路路基等以側(cè)向變形為主的巖土項目的地下水平位移監(jiān)測；后者常用于像崩塌、旋轉(zhuǎn)滑坡、地塌陷、地沉降、軟土基、隧道、圍巖等需要對水平和垂直兩個方向的地下位移同時進行監(jiān)測的應用場合。 (2)針對Ⅰ型傳感器主要對地下水平位移和傾斜角進行監(jiān)測的應用特點,將電磁場公式推導法和等效圓環(huán)模型相結(jié)合,提出了稱為“公式-圓環(huán)等效法”(EELA)的互感電壓測量模型。建立起Ⅰ型傳感器待測的地下水平位移量、傾斜角度與傳感器輸出互感電壓及傳感器單元幾何形狀參數(shù)之間的理論關(guān)系。實驗結(jié)果論證了該模型的準確性和有效性。 (3)針對Ⅱ型傳感器需對地下水平位移、垂直位移及傾斜角同時進行監(jiān)測的特點,將電磁場公式推導法、等效圓環(huán)法和數(shù)值積分法相融合,提出了稱為“數(shù)值積分-圓環(huán)等效法”(NIELA)的互感電壓測量模型,用于描述Ⅱ型傳感器待測地下水平位移量、垂直位移量、傾斜角度與傳感器的互感電壓輸出、傳感器單元幾何、形狀參數(shù)之間的理論關(guān)系。 (4)將霍爾傳感機理分析、永磁體3D磁場建模和多維數(shù)值積分法相結(jié)合,提出了稱為“等效磁荷-數(shù)值積分法”(EMC-NI)的霍爾電壓測量模型,用于描述Ⅱ型傳感器待測地下水平位移量、垂直位移量、傾斜角度與傳感器的霍爾電壓輸出、傳感器單元及永磁體幾何、形狀、材料特性參數(shù)之間的理論關(guān)系。實驗結(jié)果表明NIELA和EMC-NI模型能較準確高效地描述Ⅱ型傳感器的互感和霍爾特性。二者構(gòu)成Ⅱ型傳感器的地下位移測量模型。 (5)提出了基于“正演模擬-尋優(yōu)反演法”的地下位移反演算法。該算法將上述3個具有較高精度的測量模型分別作為Ⅰ、Ⅱ型傳感器的正演模型,結(jié)合尋優(yōu)逼近反演法,實現(xiàn)對Ⅰ型傳感器地下水平位移的反演和對Ⅱ型傳感器地下水平和垂直位移的聯(lián)合反演。研究結(jié)果表明,所提出的地下位移參數(shù)反演算法是穩(wěn)定有效的,Ⅰ傳感器的水平位移反演偏差平均值小于3mm(實測水平位移變化范圍0-100mm),Ⅱ型傳感器的水平位移和垂直位移的反演偏差平均值分別小于2mm和0.5mm(實測水平位移和垂直位移變化范圍均為0～30mm),反演結(jié)果能較準確地預測傳感器所埋地層處的相對水平位移量和垂直位移量。 (6)將基于上述三個理論模型計算所得互感電壓、霍爾電壓理論值與互感電壓、霍爾電壓實驗實測值進行綜合比對分析和參數(shù)反演應用研究,一方面客觀評估這三個模型的建模有效性和計算精確度,為定性分析和定量評估Ⅰ型和Ⅱ型傳感器的傳感特性、影響因素及傳感器優(yōu)化設(shè)計提供理論支持和指導意見；另一方面,將上述理論建模的高精度和傳感器自身測數(shù)的穩(wěn)定性相結(jié)合,通過實施基于正演模型的尋優(yōu)反演算法,將Ⅰ型和Ⅱ型傳感器輸出的互感電壓和霍爾電壓直接換算成Ⅰ、Ⅱ型傳感器所監(jiān)測地下巖土體的水平位移量和垂直位移量,具有直觀、精度較高等優(yōu)點。
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【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：P227;TP212.1

【參考文獻】

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本文編號：2080040