刘茂金
深圳市岩土综合勘察设计有限公司
【摘 要】在进行地面塌陷变形的测量中，虽然有不同的方法可以采用，但或多或少地存在一些漏洞，因此本文就该采用何种技术方法最为适宜进行分析研究。
【关键词】螺旋平行线；时域反射法；地面塌陷变形
螺旋平行线和时域反射的结合是对地面塌陷变形测量的重大技术设计，因此也被得到了重用，那么这项技术是如何实现对变形的预测的，要经过一系列的数据分析。
一、地面塌陷变形
如果要探究对地面塌陷变形的测量，首先我们要深入了解地面塌陷的原因和影响因素等等，只有在全面掌握问题状态后，才能有针对性地进行技术选择，更好地运用技术。
地面塌陷是指在人为作用下或者受到自然灾害后，土体或者地表岩受到破坏，从而坍塌下陷的一种地面破坏现象。如果这种破坏现象对人类的出行生活造成影响的话，便可归类为地质灾害的一种了。地面塌陷可以分为岩溶塌陷灾害和非岩溶塌陷灾害两种，而这其中最为严重的便属于岩溶塌陷灾害了，这种灾害由于受牵制的因素较多、分布广泛，且频率很高不易发现存在很大的偶然性，因此给人民及公共财产带来很大的影响。地面塌陷的形状主要决定于土体本身的特征等，可以看到的有圆形、长方形以及更多的不规则形状，而其剖面形态有各种各样。
鉴于地面塌陷所存在的不可预知性和多发性，加强检测和预警就成为重中之重了。但是传统的检测方法由于技术限制，在面对灾害发生的位置、时间的不确定性时，也通常无可奈何。所以这种情况下只有密集的监测和随时远程操控、加强检测频率等，才可以实现预防解决这一问题。这种情况的技术监测有两种技术方法可以实现，一种是光纤传感技术，另一种则是同轴电缆的时域反射法技术。但是这两种技术检测方法也有其不足之处，其中的光纤传感技术虽然以其稳定性能以及可靠性在对地质检测方面占据很大的优势，但是需要了解的是，该检测技术有其制约性，由于光纤的变形量受到限制，因此在地面塌陷这样的地质现象发生时，大一些的变形状态就会使光纤受损而无法继续稳定地工作。另外一种方法同轴电缆时域反射技术，也存在着不足之处。虽然同轴电缆时域反射技术拥有很好的变形测量性能特征且这种测量技术多使用于边坡部分的地下位移的分布测量，但是由于同轴的电缆的结构特点制约，就导致了该技术测量的变形量在实际的地面塌陷的状况中的测量变形也受到了制约。并且，由于同轴电缆的物理特性便造成了它只能够用于剪切变形的测量，而无法对更多的地面变形塌陷探测。
由此便衍生出了一种新型探测技术，可以弥补以上两种方法的不足之处，同时又兼备它们的优点，很巧妙地运用测量，这种方法就是基于螺旋平行线和时域反射法对地面塌陷变形测量的方法。
二、螺旋平行线的结构
（一）螺旋平行线的结构
图1 螺旋平行线的结构示意图
螺旋平行线，顾名思义，平行而上，螺旋缠绕，这样的结构首先是平行线作为基础概念，然后在同轴电缆的基本设计上进行再创意的过程。首先我们可以从图一中看到，一二层的铜线皆是保持着平行的状态，然后呈螺旋状均匀有序地在圆柱结构上的弹性硅胶面缠绕，这样的状态持续下去，然后采用硅胶的方法将铜线实现密封，从而避免了水分的侵蚀以及产生绝缘的功能。
图2 螺旋平行线的实物图
在图二里，我们可以看到这只是图一实例中的一部分，这里面首层的硅胶径长为三毫米，此层的硅胶径长为六毫米，总径长则为七点五七毫米。和同轴电缆不同的是，螺旋平行线拥有更加可靠的拉伸变形量，更为先进的是在缠绕过程中螺旋的拉伸并不会对铜线造成断裂的损害，因此，螺旋平行线的结构是对地面塌陷变形测量中比较适宜的一种方法。
（二）均匀传输线的模型
均匀传输线就是说两个导体在介质里互相平行，而螺旋平行线证是基于这样的原理而设计，符合该概念的要求。因此螺旋平行线的电路性能就可以参考均匀传输线来了解了。如本文图三所看到的，就将传输线上面的随机取出长度为dx的传输线进行研究。
图11 特性阻抗与介电常数、拉伸量的三维图
三、螺旋平行线的时域反射研究
这种方法称之为时域反射法，它的工作就是可以对螺旋平行线进行激励的信号输入，然后在螺旋平行线处于拉伸状态而变形的时候，变形的区域里的阻抗会产生变化，这个时候的激励信号便会针对于发生变化的阻抗的位置上发生一个反射信号。当我们接收到这个反射信号时，便可以对其进行研究，我们可以根据该反射信号所处的拉伸区域与长度值，还有反射信号的幅度等等进行分析，从而判断测量出地面塌陷的位置以及损毁的程度等。如图12所见，时域反射法在螺旋平行线的基础上的测量图：
图13 实验装置结构图
如上图所示的实验装置中，实现了该装置中的齿轮和螺纹的一个对立转化问题，造成了左右平板的拉伸，也就实现了螺旋平行线得到拉伸这样一个结果。这里所用到的是泰克DSA8300型号仪器的时域反射法模块发射的信号而且可以收到显示出反射信号所呈现的波形，这个时候，运用设置在固定平板上的游标卡尺对拉伸值进行测量，如十四图：
图15 反射幅度、拉伸位置、拉伸长度的关系图
我们可以得知的是，该装置下的信号发射以及接受实际上是和缠绕的铜线息息相关的。因此在十五图中，一米的螺旋线里的铜线的长度值可以用表示为图中所示的横坐标，也就是一共有六十米的长度。通过对十五图的分析来看，螺旋线的拉伸变形值如果越大，那么时域反射仪器当中的反射的信号的幅度也会越大，同时，幅度最大的时候所对应的横坐标，也就是变形的位置是一样的。但是变形的位置案例来说处于横坐标上坐标值应该是四十五，但是通过计算得出的却是四十三，原因就是我们没有将两个压板下的铜线长度考虑在内。
四、UVE-PLS模型的建立与地面塌陷的预测
根据以上的实验可以知道，螺旋平行线是可以用于水泥固定土体里面的测量地面的塌陷。因为往往当地面塌陷之前的时间里，其内部皆会有变形而致使螺旋平行线出现拉伸变形的状况。我们结合时域反射仪器针对于所接收到的信号进行研究，便能够对地面塌陷的程度值和区域进行确认，这里面反射信号最大的部分就是地面塌陷的区域，而螺旋平行线拉伸的长度值则可以看出地面塌陷的程度值。因此就将螺旋平行线处于不一样区域时的拉伸的不一样的长度值进行了五十九组实验，而每组的实验可以收到两千个反射信号结果，这样可以结合UVE-PLS模型来建设反射信号的数据和螺旋线拉伸长度值的关系了，从而可以预测出地面的塌陷变形情况。
UVE是依靠回归系数稳定分析来实现的新变量的方式，这种方式的好处在于可以避免没有关系的信息变量，从而可以避免预测模型过拟合。PLS也就是我们通常所说的偏最小二乘法，这种方法是新型的多元统计数据的方式。因为每组涉及到的数据过于繁多，因此使用无信息量消除法可以最后筛选出一千个每组的有效数据来，然后用四十九组的实验数据用偏最小二乘法的方式来进行多元性拟合，以致最后可以用所剩的十组数据来预测。
偏最小二乘法重要的是建设一个线性模型如图：
图17 表达式
现在可以把实验的数据代入上面的表达式，从而可以得到系数Km的数值和常数b，b为三千七百二十五点二，这时可以把没有参与偏最小二乘法计算的十组实验数据来测算。然后把反射幅度值最大的部分所对照的横坐标值，也就是螺旋线里面的铜线的变形部分，换算为螺旋平行线所变形的部分。结果如如十八和图十九所示：
图19 变形位置预测结果
结语：
对地面塌陷的测量方法也是随着技术地不断发展而有的重大突破，我们再采用科学地技术与分析方法后，将其很好地运用在地面塌陷的日常监测中，以便我们的使用。
参考文献：
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[3]钟汝鹏，王玉玺，徐福缘，肖作兵. 基于UVE-SPA的卷烟味觉烟气成分分析[J]. 科技与管理，2011，02：40-43
论文作者:刘茂金
论文发表刊物:《低碳地产》2015年第17期
论文发表时间:2016/8/18
标签：平行线论文; 螺旋论文; 反射论文; 地面论文; 时域论文; 测量论文; 技术论文; 《低碳地产》2015年第17期论文;