淺析微芯樁的適用范圍

謝遠彬

(廣東省地質局第八地質大隊，廣東梅州 514089)

0 引言

我國人口眾多，幅員遼闊，地質環境復雜，人類活動頻繁。特別是改革開放以來，大量的鐵路、公路、水利、房地產以及礦產資源開發等人類活動，改變了場地原有的地質條件，在惡劣的天氣下，可能會誘發各類地質災害。針對頻發的地質災害，國家頒布了有關地質災害勘察、評估、治理及自動化監測的條例與規范。同時，市場上各種自動化監測的儀器設備也不斷出現，其中微芯樁的自動化監測設備逐步被業界人士認可。為此，筆者通過查閱資料，并研究得出該傳感器特性及應用范圍，使從業者充分認識微芯樁、用好微芯樁，從而更好地為監測治理地質災害服務，保護人民的生命財產安全。

1 微芯樁的工作原理

1.1 微芯樁的外部結構

微芯樁是一個直徑約15 cm、高約20 cm的圓柱型結構，四周是太陽能電池，上方是一塊正方形太陽能電池以及一個指示燈和天線，還標示有x、y和z軸的方向，除安裝螺栓的底部外，其余地方均用透明硬塑料一次成形制造，具備防雨水淋濕功能，見圖1。

圖1 微芯樁外形結構Fig.1 The structure of micro core pile

1.2 微芯樁傳感器及工作原理

微芯樁是一個自動化監測設備，集成了加速度、角速度和磁場的多軸的傳感器，由通訊模塊、供電線路、采集單片機及外圍電路組成。傳感器所采集到的數據再通過無線通信GPRS、NB-IoT或4G等通信方式傳送到平臺，平臺把收集到的數據進行運算，再將結果通過廣播、手機等方式通知地災點群眾及相關部門，從而實現自動化監測。傳感器與上機位可以采用邊緣采集方式，當傳感器出現數據變化時，就會即時上報，從而實現即時報警。

加速度傳感器是一種能夠測量線性加速度的傳感器，通常由質量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調電路等組成。在加速過程中，傳感器對質量塊所受慣性力進行測量，利用牛頓第二定律求得加速度值。

角加速度計通常指的是陀螺儀，傳統的陀螺儀內部結構就是一個陀螺。三軸陀螺儀的工作原理是測量三維坐標系內陀螺轉子的垂直軸與設備之間的夾角，并計算角速度，通過夾角和角速度來判別物體在三維空間的運動狀態。三軸陀螺儀可以同時測定上、下、左、右、前、后6個方向的變化狀態，判斷出設備當前運動狀態，常用于運動物體的角度及振動強度測量。

磁力計可用于測試磁場強度和方向，測量設備的方位。磁力計的原理與指南針原理類似，可以測量出當前設備與東南西北四個方向上的夾角。通過磁力計可以測量物體的變化角度，主要用于測量相對靜止的物體的角度變化，我們平時使用的固定測斜儀就是一個通過測磁場角度變化來測量物體傾角的儀器。

隨著電子技術的發展，可以把加速度計、角速度、磁場、氣壓、溫度等傳感器集中在一個元器件上，可以做到小型化、低功耗，能夠測量物體振動、三維姿態的變化，廣泛應用于手機、無人機、汽車控制、游戲控制、地震測量、振動測試、攝像等領域。但是該傳感器沒有相對的參照物，不能檢測到物體相對位置的變化，也就是說傳感器從一個地方移到另一個地方是監測不到的，要感知位置的變化通常采用激光測距、無線電、全球衛星定位、拉線等方式。

2 微芯樁的現場測試

為了準確了解微芯樁的各項參數，把微芯樁水平放置在木質臺面上，通過電腦采集各種指標，分別進行振動、傾斜和移動的試驗，每種試驗測兩次，振動的數據取最大值，傾斜和移動取靜止值，測得的數據見表1。

表1 微芯樁的現場測試數據Table 1 Field test data of micro core pile

由表1的數據可以看出，微芯樁在振動和傾斜時能夠很好地測出振動的大小和傾角的變化。角加速度與線加速度的關系式為a=rα，成正比例關系，也就是說通過算法可以計算出線性加速度大小，從角加速度變化也可以測出物體振動強度。但是微芯樁在沿x軸和y軸方向移動時，各項指標均未產生變化。

3 地質災害自動化監測的相關要求

根據國務院《地質災害防治條例》等規定，相關部門頒布了《崩塌、滑坡、泥石流監測規范》、《突發地質災害應急監測預警技術指南》、《地質災害地表變形監測技術規程》等相關規范標準，要求崩塌、滑坡等地災監測必須具備監測點表面垂直沉降和位移的測量，深部的變形、傾角監測，還有如降雨量、土壤含水率、土壓力等環境因素的監測，只有從多角度對可能造成的崩塌、滑坡的山體進行全面監測，才夠能準確判斷當前山體的安全狀況。顯然，微芯樁只測量傾斜角度和振動，不能夠檢測物體的沉降和位移，不完全符合規范的要求。

4 影響微芯樁測量的因素

微芯樁用于地質災害的自動化監測，安裝在被監測的物體上，由于傳感器的固有特點，在測量過程中，振動強度和傾角的大小會受到外界因素影響，主要影響因素有以下幾種：①惡劣天氣影響，如打雷、大風、暴雨、冰雹引起的振動；②靠近居民區燃放煙花炮竹會引起誤報；③微芯樁安裝在野外，容易被動物觸碰造成誤報；④磁場的干擾會引起傾角變化。

如果把振動強度和傾角大小均設置為報警輸出，會出現誤報現象，如果出現誤報，將導致危險區人員的緊急疏散，引起群眾恐慌，嚴重干擾人民群眾的生產和生活秩序，產生不良的社會影響。

5 微芯樁的適用范圍

微芯樁是通過振動和傾斜來監測崩塌、滑坡、泥石流等地質災害的，在北方地區常會發生巖崩、泥石流等地質災害，當災害發生時會伴隨著有巨大的震動，山上滾動的巖石也會觸發起微芯樁警報。如果用于地災點離村莊較遠的地方，當發生地質災害時，應及時通知受威脅群眾，使災害來臨前有足夠的時間疏散。

山上的危石，經地災技術人員確定為隱患點，且山下較遠處才有群眾居住，那么在石頭上可以安裝微芯樁，當出現異常的傾角時，會及時向下方較遠處的群眾發出警報，組織群眾及時疏散。

在南方地區，大多數土體的崩塌、滑坡等地質災害發生時，不會產生較大的振動和傾斜。也就是說，微芯樁如果安裝在土體滑坡上，滑坡已經發生了，微芯樁也可能不會被觸發，或災難發生后才被觸發，所以只使用微芯樁進行地災自動化監測是不可靠的。

6 結語

微芯樁設備簡單、安裝方便、價格便宜，具備一個6軸或9軸的速度傳感器模塊、通訊模塊、電源模塊、外圍配件以及平臺。也正是因為這些特點，被一些經銷商吹捧為高科技產品,加之對微芯樁的認識不足，使得這個產品的應用有不斷蔓延之勢，但沒有得到規范使用。地質災害離我們很近，在我國南方地區，因削坡建房而引發的地質災害隱患點隨處可見，如果這種單一手段的微芯樁在南方地區被廣泛推廣應用，又過于依賴這種自動監測的結果，將對當地群眾生命安全構成極大威脅。只有充分認識微芯樁，合理運用微芯樁采集的振動和傾角的數據，豐富地質災害自動化監測的各種參數和技術手段，才能更準確預報地質災害的發生，保護人民生命財產的安全。