本發(fā)明屬于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警，具體的說是涉及一種行車激勵(lì)下的臨路墜落式危巖監(jiān)測及預(yù)警方法。

背景技術(shù)：

1、危巖作為一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，對人員安全和基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成嚴(yán)重威脅，尤其是臨近公路的危巖體，如果在繁忙的交通路段，一旦發(fā)生墜落，可能引起行車事故和人員傷亡，同時(shí)也危害道路結(jié)構(gòu)安全，造成道路損毀，中斷交通運(yùn)輸。

2、為避免危巖可能造成的危害，現(xiàn)在常用的做法是對危巖進(jìn)行定期的裂紋和位移監(jiān)測，這雖然在一定程度上能夠評(píng)估危巖的穩(wěn)定性，但其存在監(jiān)測難度大以及預(yù)警不及時(shí)等問題。隨著振動(dòng)傳感器技術(shù)的發(fā)展，基于振動(dòng)傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析成為可能。巖體振動(dòng)特征，如振動(dòng)頻率，已被證明與危巖的穩(wěn)定性密切相關(guān)。然而，在危巖體振動(dòng)監(jiān)測研究中，由于振源難以獲取等問題，往往無法實(shí)現(xiàn)長期實(shí)時(shí)監(jiān)測。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種臨路墜落式危巖監(jiān)測及預(yù)警方法，以提高危巖監(jiān)測的準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種行車激勵(lì)下的臨路墜落式危巖監(jiān)測及預(yù)警方法，包括如下步驟：

3、1)調(diào)查危巖體基本特征，包括尺寸、重量、彈性模量、破裂面傾角及斷裂韌性等；

4、2)根據(jù)臨路危巖高度，在危巖體不同位置布置若干振動(dòng)信號(hào)傳感器；

5、3)利用振動(dòng)信號(hào)傳感器采集交通荷載引起的巖體振動(dòng)數(shù)據(jù)y(t)，并傳輸至處理器；

6、4)利用處理器對振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，以ceemdan自適應(yīng)噪聲的完全集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法對振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分解—降噪—去趨勢項(xiàng)—重構(gòu)；

7、5)采用快速傅里葉變換方法對重構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并分析重構(gòu)數(shù)據(jù)的頻域特性(頻率分布特征)；

8、6)針對分析重構(gòu)數(shù)據(jù)的頻域特性，提取出危巖體的固有振動(dòng)頻率fn；

9、7)基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和斷裂力學(xué)理論，計(jì)算出危巖體的固有振動(dòng)頻率閾值fni；

10、8)根據(jù)長期監(jiān)測得到危巖體固有振動(dòng)頻率監(jiān)測曲線，結(jié)合危巖體固有振動(dòng)頻率閾值fni，對危巖體進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，如危巖體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為紅色(不穩(wěn)定狀態(tài))以及橙色(欠穩(wěn)定狀態(tài))，則進(jìn)行預(yù)警；如危巖體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為黃色(基本穩(wěn)定狀態(tài))和綠色(穩(wěn)定狀態(tài))則繼續(xù)監(jiān)測。

11、進(jìn)一步，步驟3)中巖體振動(dòng)數(shù)據(jù)y(t)，可以被分解為

12、y(t)＝x(t)+σδ(t)???????(0.5)

13、其中x(t)為有效振動(dòng)信號(hào)；σ為噪聲強(qiáng)度系數(shù)；δ(t)為噪聲信號(hào)。在公路無車行駛時(shí)，y(t)＝σδ(t)，此時(shí)采集到的信號(hào)為噪聲信號(hào)，可以根據(jù)噪聲信號(hào)特點(diǎn)，識(shí)別噪聲信號(hào)。噪聲信號(hào)具有以下特點(diǎn)：①任意噪聲信號(hào)都可視為穩(wěn)定的隨機(jī)信號(hào)，其幅值大小獨(dú)立且任意時(shí)刻的噪音互不相關(guān)；②噪聲信號(hào)能量小，振幅小于0.01m/s2，但是振動(dòng)能量在時(shí)域內(nèi)不會(huì)衰減，并且其均值為0；③噪聲信號(hào)分布頻帶較寬，其中低頻和高頻成分占比較大。

14、進(jìn)一步，步驟4)中ceemdan經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法具體步驟：首先對原始信號(hào)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行ceemdan分解，它基于完全自適應(yīng)噪聲集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，該方法是：每求完一階imf分量，又重新給殘值加入白噪聲(或白噪聲的imf分量)并求此時(shí)的imf分量均值，并逐次迭代。通過完全自適應(yīng)噪聲集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(ceemdan)得到了若干個(gè)信號(hào)分量imf。

15、通過分析各個(gè)imf的頻率和振幅，識(shí)別和去除信號(hào)中的噪聲成分，并對剩下的有效imf分量相加，重構(gòu)振動(dòng)信號(hào)。

16、進(jìn)一步，步驟5)中快速傅里葉變換算法將波形數(shù)據(jù)y(t)分解成為不同頻率的正弦波之和fft(f)即：

17、

18、其中y(t)為振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域數(shù)據(jù)；fft(f)為傅里葉變換后的振動(dòng)信號(hào)的頻域數(shù)據(jù)；e-jft是復(fù)信號(hào)；f為頻率。

19、按公式(1.6)對重構(gòu)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行fft轉(zhuǎn)換，得到其對應(yīng)的頻域圖，可以提取出巖體的固有振動(dòng)頻率fn。

20、進(jìn)一步，步驟7)中，可以將危巖體簡化成單質(zhì)點(diǎn)模型，如圖4所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論，該模型的振動(dòng)方程為：

21、

22、其中m為危巖體的質(zhì)量；k為粘結(jié)層的剛度系數(shù)；d(t)為質(zhì)點(diǎn)的撓度方程。

23、根據(jù)振動(dòng)方程(1.7)，可以求得角頻率w以及固有振動(dòng)頻率fn：

24、

25、

26、

27、其中e為危巖體的彈性模量，i為危巖粘結(jié)層的慣性矩，b為粘結(jié)寬度，簡化為平面問題時(shí)，b取單位寬度；e為粘結(jié)長度。

28、

29、進(jìn)一步，步驟7)中，基于斷裂力學(xué)原理，可以推導(dǎo)出危巖體固有頻率的監(jiān)測閾值，超過閾值則發(fā)出預(yù)警。

30、

31、其中ke(fni)為：危巖主控結(jié)構(gòu)面聯(lián)合斷裂強(qiáng)度因子；kc為危巖完整巖石斷裂韌度；fs為危巖穩(wěn)定系數(shù)。

32、ke(fni)＝ki(fni)+kii(fni)(0.13)

33、

34、公式(1.14)的左側(cè)為一個(gè)關(guān)于fni的一個(gè)函數(shù)，右側(cè)kc為危巖力學(xué)參數(shù)、fs為危巖穩(wěn)定系數(shù)依據(jù)db50t?143-2018《重慶地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》取值。

35、將代入kc和fs具體值代入公式(1.14)中，可以得到一個(gè)只關(guān)于fni的方程，隨后可以通過牛頓-拉夫森方法或者信任域方法，對該方程求解，可以得到fni的三個(gè)對應(yīng)監(jiān)測閾值fn1、fn2、fn3。

36、基于以上監(jiān)測閾值。對危巖劃分等級(jí)：fni＜fn1為不穩(wěn)定狀態(tài)，紅色；fn1≤fni＜fn2為欠穩(wěn)定狀態(tài)，橙色；fn2≤fni＜fn3為基本穩(wěn)定狀態(tài)，黃色，fni≥fn3為穩(wěn)定狀態(tài)，綠色。

37、進(jìn)一步，步驟7)中，基于斷裂力學(xué)原理，為了求解fni，需要先求出對應(yīng)的kⅰ(fni)、kⅱ(fni)。下面給出詳細(xì)求解過程

38、(1)kⅰ(fni)的求解過程：

39、①彎矩作用的應(yīng)力強(qiáng)度因子kⅰ1：

40、a＝h-e?????????????????(0.15)

41、

42、

43、其中a為裂縫長度，可以通過巖體固有振動(dòng)頻率的監(jiān)測閾值fni來表達(dá)。

44、

45、m＝wl?????????????????(0.19)

46、

47、其中，w為危巖體自重，h為危巖體高度，β為主控結(jié)構(gòu)面傾角。

48、②拉應(yīng)力作用的應(yīng)力強(qiáng)度因子kⅰ2：

49、

50、

51、

52、各類應(yīng)力強(qiáng)度因子具有可疊加性，則ⅰ型應(yīng)力強(qiáng)度因子kⅰ：

53、ki(fni)＝ki1+ki2????????(0.24)

54、(2)剪切應(yīng)力作用的應(yīng)力強(qiáng)度因子kⅱ(fni)：

55、

56、

57、本發(fā)明提供的監(jiān)測預(yù)警方法具有如下的特點(diǎn)：通過利用傳感器技術(shù)捕捉行車經(jīng)過時(shí)巖體的振動(dòng)響應(yīng)，并結(jié)合數(shù)據(jù)分析對危巖的穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估和預(yù)警。通有效提高了危巖監(jiān)測的準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度，減少了由危巖墜落引發(fā)的安全事故。