青藏铁路冻土试验路基内部应变智能监测系统研究

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。 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。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究的目的和意义

1.2国内外研究现状，包括发展水平和存在的问题

1.3主要研究内容

第二章监测系统方案设计

2.1测试内容及要求

2.1.1测试内容

2.1.2测试要求

2.2测点布置方案

2.3电源方案

2.3.1电源分配

2.3.2电平转换

2.4其它配套设备介绍

2.4.1 MWF1000-p光纤转换器

2.4.2 MWF5800-p双环自愈式光端机

2.4.3测温传感器

2.4.4数据采集仪

2.5系统总体方案设计

2.5.1监测系统总体连接框图

2.5.2监测系统各环节功能介绍

2.6本章内容小结及说明

第三章位移测量模块开发

3.1 CCD基本工作原理[38]

3.1.1光生电荷的产生

3.1.2电荷耦合

3.1.3 CCD输出检测

3.2 TCD1500C的结构和性能及工作原理

3.2.1 TCD1500C的结构和性能[40]

3.2.2 TCD1500C工作原理

3.3用CCD传感器测量冻土变形的方法

3.3.1采用CCD传感器测量冻土位移原理

3.3.2 TCD1500C驱动电路设计

3.3.3二值化电路设计

3.4通信接口设计

3.4.1 RS-232串行接口简介

3.4.2串行通讯接口设计

3.5硬件复位电路设计

3.6变形测量模块软件设计

3.7本章内容小结

第四章远程智能监测系统设计

4.1监测系统智能化改进

4.2测试系统供电方案设计

4.2.1定时器集成器件S-8081B介绍

4.2.2循环定时器电路设计

4.2.3定时器工作时间计算

4.3 GSM系统简介

4.3.1 GSM数字移动通信网络概述

4.3.2 GSM系统组成与外部接口

4.3.3 SIM卡的有关知识

4.3.4 GSM系统的短消息业务

4.4 GSM通信模块及接口电路设计电路

4.4.1西门子TC35模块介绍

4.4.2 TC35模块引脚介绍

4.4.3 TC35模块接口电路设计

4.5数据接收端硬件介绍

4.6智能监测系统框图

4.7本章小结

第五章系统软件设计

5.1短消息PDU格式编码及收发指令分析

5.1.1 AT指令介绍

5.1.2短消息数据编码发送

5.1.3短消息数据接收

5.2单片机程序设计

5.3监测中心软件设计

5.3.1Windows下串行通信API函数

5.3.2Windows下串行通信工作方式

5.3.3从串口收发短消息数据

5.4本章内容小结

第六章试验路基冻土变形监测与分析

6.1试验路基的自然条件及地质概况[111-114]

6.1.1试验段地形地貌

6.1.2试验段气候特征

6.1.3试验段冻土工程地质特征

6.2冻土的变形与温度变化机理

6.2.1冻土路基变形因素

6.2.2影响路基变形的主要因素

6.3冻土路基温度变化

6.3.1冻土的热学性质研究

6.3.2冻土路基的温度场的影响因素

6.4路基变形、温度监测结果与分析

6.4.1路基冻土变形监测

6.4.2温度监测结果与分析

6.5小节

第七章总结与展望

7.1本文的主要研究成果和创新点

7.2研究展望

参考文献

攻读博士期间发表的论文

致谢