基于廉价压电薄膜传感器和机电阻抗技术的土岩界面层间滑移监测试验研究
编号:3768
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更新:2023-05-05 10:01:53
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口头报告
摘要
边坡失稳,尤其是土质边坡失稳,是山区常见的问题之一,其造成的崩塌滑坡等地质灾害对坡体下人民的生命财产安全构成巨大威胁。有效的边坡监测技术可以提供有关坡体实时变形的详细信息和前兆,这对于向公众提供预警具有重要意义。本研究发明了一种基于机电阻抗技术(electromechanical impedance,EMI)的新型滑坡智能探测杆件(deep slide monitoring bar,DSMB)。主要目的是研究EMI技术在滑坡深部沿土岩界面顺层滑移监测中的应用。在这项研究中,首先在实验室中制作了一个嵌入有DSMB的小型土质滑坡试件。为验证低成本压电薄膜(即蜂鸣器)的适用性,将四个传统的锆钛酸铅(PZT)贴片和四个蜂鸣器贴片分别粘合在智能探测杆件的前表面和后表面的特定位置。因此,一个智能探测杆件一共由2类、8片压电陶瓷传感器组成。然后,对滑坡试件施加水平推力以启动上覆土体沿下伏基岩的层间滑移过程。试验一共设置了6种工况,分别是:失稳滑动前、滑动10mm、滑动20mm、滑动30mm、滑动40mm、滑动50mm。通过精密阻抗分析仪分别测量这些传感器在上述特定工况下的导纳信号。为减少误差和增加可信度,实验在相同条件下重复实施了3次。得出的结论是,传统的PZT贴片和蜂鸣器对滑坡深部沿土岩界面顺层滑移监测具有相似的敏感性。定性分析表明:对PZT,可以清楚地看到峰值频率随着滑动位移增加而依次递减,而其峰值在整个滑动过程中则逐渐增加。对于压电薄膜,其峰值频率和幅值的变化趋势完全相反。由上述定性分析可知,基于智能探测杆上的分布式压电传感器,尤其是靠近滑移面的传感器电导谱的变化趋势,可以定性地监测到滑坡体深部土岩界面滑移的发生和发展过程,也可以通过分析不同部位传感器的电导信号来判定滑坡体发生滑动的位置。另外,可以通过均方根偏差(root mean square deviation,RMSD)和相关系数偏差(correlation coefficient deviation,CCD)两个指标来识别滑坡的失稳滑移过程,上述压电传感器的RMSD和CCD曲线均表现出了不同程度的递增趋势。通过对比试验可知,与PZT片相比,压电薄膜更廉价且更易于获得,这使其对包括滑坡滑移监测在内的土木工程智能监测具有强大的吸引力。因此,本研究选用的压电薄膜片是一种优越的、可替代传统PZT片的且易于进行滑坡深部滑移监测的新型智能传感器。本研究所提出的智能探测杆件可能为实际土质滑坡体深部滑移监测提供有价值的参考。
关键词
压电陶瓷,机电阻抗,智能监测,结构健康监测,压电主动传感
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