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青藏铁路冻土试验路基内部应变智能监测系统研究

杨唐胜  
【摘要】: 冻土是一种具有负温或零温的含冰土体,它是由固体矿物颗粒、理想塑性冰包裹体、结合态或液态水及气体成分组成的四相体系。冻土对温度十分敏感,温度变化对冻土结构、构造和强度产生重大影响,并伴随冻胀、融沉等病害现象的发生,使基础产生不均匀沉降、鼓丘和翻浆等破坏。 冻土的变形研究是冻土力学中的重要内容,然而由于受到实验测试手段的限制,还远未形成一成熟的理论体系。常用实验测量手段多采用千分表、位移传感器、应变规等,这些手段均受到空间、测点数、安装条件及灵敏度、精确度等的制约,结果常常不能令人满意。从20世纪60年代开始,随着社会生产力和经济的发展,电测技术也开始广泛使用,应变片、光纤传感器、光电传感器逐渐应用到土壤、桥梁和大坝测量方面。最为显著进步是GPS和全站型仪器的广泛使用,实现了地形测量与绘图的数字化。但是,虽然用于变形观测的仪器或方法有很多,但绝大多数都是用于测量宏观位移或整体变形,即使是分布式多点监测也只是测量各点的表面变形,对土壤内部进行微观测量大多数都局限于实验室内。 本文研究的主要内容是开发出一套智能监测系统,该系统能长期监测试验路基下常年冻土随温度变化产生的应变情况,并把监测数据从青藏试验路基现场自动传输到千里之外的研究人员办公室的电脑中。监测的目的在于通过对监测数据进行分析,找到冻土随温度变化产生应变的一般规律,为青藏铁路防冻害措施提供数据和理论依据。 主要研究内容如下: 1.介绍了国内外冻土研究状况。对多年冻土路基监测常用方法进行了分析和总结。 2.设计了高精度应变测量模块。以单片机89C51和CCD元件TCD1500C为核心,将冻土内部应变检测转换为透光缝隙边缘检测,通过CCD元件的感光元进行测量。测量精度可达到0.01mm。 3.设计了循环定时器电路。测试现场在野外采用电瓶供电,节能非常重要。冻土内部温度和应变都是很缓慢的过程,没必要采用连续测量,设计循环定时器的目的就是为了实现定时间断测量。设计的循环定时器启动后能够自动工作,不再需要人工干预。采用循环定时器控制测量较连续测量可节能98%左右。 4.对GSM网络及其短消息业务进行了研究,设计了GSM数据收发系统,用SIEMENS的TC35模块,设计了其电源电路、自启动电路、与SIM卡的接口电路、与单片机的接口电路等,并编制相关软件,实现了单片机对GSM模块的通信与控制。利用中国移动通信网络实现了监测数据的无线传输。 5.用C51语言编写了单片机控制程序。通过对单片机高级语言、CCD工作原理、GSM通信网路、SMS通信协议、PDU数据封装、GSM通信指令等知识的深入学习和研究,用C51语言编写了单片机对CCD的驱动时序控制程序、与数采器的数据通信程序、数据预处理程序、数据打包和短消息收发控制程序等。 6.用VC++编写了监控中心通信程序。监测中心的任务是接收从测试现场发来的短消息数据,并对数据进行分类、处理和存储。软件的编写选用VC++作为开发工具,软件结构采用了多线程编程技术。通信程序利用Windows的API函数采用事件驱动方式编程,实现了PC机对GSM设备的通信与控制。 7.分析了冻土变形因素以及温度影响因素。冻土变形因素主要有冻土构造、融沉性、冻胀性等起主要作用;多年冻土地区路基温度的影响因素以内因为主,冻土内在因素是根本机制,起主要作用,外部条件的变化影响到多年冻土的进化和退化,是影响路基温度变化的诱因和动力。 8.分析了试验冻土路基的变形与温度变化原因,通过对现场实测数据进行分析,对试验路基冻土的变形与温度在不同时间、不同深度的变化情况,为路基设计提供了可靠的依据。


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