[发明专利]一种寒区路基未冻水实时监测系统及方法

说明书

一种寒区路基未冻水实时监测系统及方法，监测系统包括路基探测系统、数据传输系统和监测管理系统。路基探测系统包括埋设在路基冻土层的核磁共振传感器、冻土温度传感器，原位测试路基冻土层的核磁信号及实时温度；数据传输系统包括无线通信仪、路基监测分站和寒区监测环网，实现路基探测数据与监测管理系统命令的双向传输；监测管理系统包括数据存储器、数据处理器、人机交互平台，对监测数据进行存储与处理，结果显示于人机交互平台。将无线通信仪与路基监测分站之间为无线通信连接，通过寒区路基冻土未冻结率测定的分析流程，建立了完整的寒区路基未冻水实时监测体系，解决了现场布线对路基工程的破坏以及信号线之间缠绕串扰难管理的问题。

技术领域

本发明涉及一种实时监测系统及方法，尤其是一种适用于寒区路基冻土未冻结率实时监测系统及方法。

背景技术

由于昼夜温差、季节温差的作用，我国西部、东北寒区的冻土路基(公路、铁路等)需要克服冻土层反复冻融作用对地基稳定性的影响。冻土，是一种温度低于0℃且含有冰的土，此类土冻结之后并非所有的液态水都转变成了冰，而是在毛细作用和颗粒表面能的作用下始终保持着一定数量的液态水，这部分水称之为未冻水。

一方面，冻土未冻结率是冻土特征参量之一，此参数对于冻土区或季节冻土区众多地下工程设计与计算等方面具有重要的影响，是导致冻土物理力学性质不稳定的一个重要因素。另一方面，土体在冻结过程中产生冻胀现象和水分迁移运动，水分从未冻结端向冻结端迁移，冻胀时的水分迁移正是在温度梯度作用下以未冻水(或薄膜水)的形式发生运动的。因此，冻土层在冻融过程中的未冻结率是关键数据，需要建立一种针对寒区路基冻土未冻结率的永久动态监测系统及方法。

核磁共振(NMR)技术是冻土领域采用较早且较为成熟的一种未冻水含量测试技术。但核磁共振技术多用于实验室测定，且测试成本较高。所以，可用于现场冻土的未冻结率原位测试的技术亟待解决。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中存的不足之处，提供一种寒区路基未冻水实时监测系统及方法，通过冻土未冻结率测定的分析流程，建立完整的寒区路基未冻水实时监测体系，从而解决对冻融循环作用下冻土路基工程的地基稳定性缺乏有效的观测手段问题。

技术方案：本发明的寒区路基未冻水实时监测系统，包括路基探测系统、连接路基探测系统的数据传输系统和监测管理系统；所述的路基探测系统包括间隔布设在路基冻土层中的多个核磁共振传感器和分别设在每个核磁共振传感器外围的多个冻土温度传感器，路基坡体表面上设有与核磁共振传感器和冻土温度传感器信号线相连的数据采集器；所述核磁共振传感器负责提供产生核磁共振现象的场所和条件、激发并接收回波信号，所述的冻土温度传感器负责探测核磁共振传感器外围共振区域范围内冻土实时温度，所述的数据采集器负责采集核磁共振传感器接收的回波信号以及冻土温度传感器探测的温度数据；

所述核磁共振传感器包括防水护套、设在防水护套中部的支撑杆，所述支撑杆上设有经射频信号线与数据采集器相连的射频线圈，所述射频线圈的上下两端对称设有永磁体，数据采集器通过射频信号线发射交变电流使射频线圈产生激励射频信号，激发冻土层中的氢质子，同时接收冻土层回波信号；

所述数据传输系统包括设在路基坡体表面与数据采集器通过数据线连接的无线通信仪、设在地面的路基监测分站和寒区监测环网，无线通信仪通过无线网络与路基监测分站无线连接，路基监测分站通过寒区监测环网与监测管理系统连接，数据采集器通过射频信号线接收回波信号，并将数据采集器中的数据信息回传至监测管理系统；

所述监测管理系统包括数据存储器、数据处理器和人机交互平台，所述数据存储器接受并存储来自寒区监测环网的数据；所述数据处理器将处理的数据结果输入数据存储器中，数据处理器负责调取数据存储器中的数据，并计算路基冻土层的实时未冻结率，计算结果于人机交互平台上动态显示，以便工作人员通过人机交互平台所显示结果做出预警判断。

所述设在核磁共振传感器外围的多个冻土温度传感器为2-4个。