浅析微芯桩的适用范围

谢远彬

(广东省地质局第八地质大队，广东梅州 514089)

0 引言

我国人口众多，幅员辽阔，地质环境复杂，人类活动频繁。特别是改革开放以来，大量的铁路、公路、水利、房地产以及矿产资源开发等人类活动，改变了场地原有的地质条件，在恶劣的天气下，可能会诱发各类地质灾害。针对频发的地质灾害，国家颁布了有关地质灾害勘察、评估、治理及自动化监测的条例与规范。同时，市场上各种自动化监测的仪器设备也不断出现，其中微芯桩的自动化监测设备逐步被业界人士认可。为此，笔者通过查阅资料，并研究得出该传感器特性及应用范围，使从业者充分认识微芯桩、用好微芯桩，从而更好地为监测治理地质灾害服务，保护人民的生命财产安全。

1 微芯桩的工作原理

1.1 微芯桩的外部结构

微芯桩是一个直径约15 cm、高约20 cm的圆柱型结构，四周是太阳能电池，上方是一块正方形太阳能电池以及一个指示灯和天线，还标示有x、y和z轴的方向，除安装螺栓的底部外，其余地方均用透明硬塑料一次成形制造，具备防雨水淋湿功能，见图1。

图1 微芯桩外形结构Fig.1 The structure of micro core pile

1.2 微芯桩传感器及工作原理

微芯桩是一个自动化监测设备，集成了加速度、角速度和磁场的多轴的传感器，由通讯模块、供电线路、采集单片机及外围电路组成。传感器所采集到的数据再通过无线通信GPRS、NB-IoT或4G等通信方式传送到平台，平台把收集到的数据进行运算，再将结果通过广播、手机等方式通知地灾点群众及相关部门，从而实现自动化监测。传感器与上机位可以采用边缘采集方式，当传感器出现数据变化时，就会即时上报，从而实现即时报警。

加速度传感器是一种能够测量线性加速度的传感器，通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等组成。在加速过程中，传感器对质量块所受惯性力进行测量，利用牛顿第二定律求得加速度值。

角加速度计通常指的是陀螺仪，传统的陀螺仪内部结构就是一个陀螺。三轴陀螺仪的工作原理是测量三维坐标系内陀螺转子的垂直轴与设备之间的夹角，并计算角速度，通过夹角和角速度来判别物体在三维空间的运动状态。三轴陀螺仪可以同时测定上、下、左、右、前、后6个方向的变化状态，判断出设备当前运动状态，常用于运动物体的角度及振动强度测量。

磁力计可用于测试磁场强度和方向，测量设备的方位。磁力计的原理与指南针原理类似，可以测量出当前设备与东南西北四个方向上的夹角。通过磁力计可以测量物体的变化角度，主要用于测量相对静止的物体的角度变化，我们平时使用的固定测斜仪就是一个通过测磁场角度变化来测量物体倾角的仪器。

随着电子技术的发展，可以把加速度计、角速度、磁场、气压、温度等传感器集中在一个元器件上，可以做到小型化、低功耗，能够测量物体振动、三维姿态的变化，广泛应用于手机、无人机、汽车控制、游戏控制、地震测量、振动测试、摄像等领域。但是该传感器没有相对的参照物，不能检测到物体相对位置的变化，也就是说传感器从一个地方移到另一个地方是监测不到的，要感知位置的变化通常采用激光测距、无线电、全球卫星定位、拉线等方式。

2 微芯桩的现场测试

为了准确了解微芯桩的各项参数，把微芯桩水平放置在木质台面上，通过电脑采集各种指标，分别进行振动、倾斜和移动的试验，每种试验测两次，振动的数据取最大值，倾斜和移动取静止值，测得的数据见表1。

表1 微芯桩的现场测试数据Table 1 Field test data of micro core pile

由表1的数据可以看出，微芯桩在振动和倾斜时能够很好地测出振动的大小和倾角的变化。角加速度与线加速度的关系式为a=rα，成正比例关系，也就是说通过算法可以计算出线性加速度大小，从角加速度变化也可以测出物体振动强度。但是微芯桩在沿x轴和y轴方向移动时，各项指标均未产生变化。

3 地质灾害自动化监测的相关要求

根据国务院《地质灾害防治条例》等规定，相关部门颁布了《崩塌、滑坡、泥石流监测规范》、《突发地质灾害应急监测预警技术指南》、《地质灾害地表变形监测技术规程》等相关规范标准，要求崩塌、滑坡等地灾监测必须具备监测点表面垂直沉降和位移的测量，深部的变形、倾角监测，还有如降雨量、土壤含水率、土压力等环境因素的监测，只有从多角度对可能造成的崩塌、滑坡的山体进行全面监测，才够能准确判断当前山体的安全状况。显然，微芯桩只测量倾斜角度和振动，不能够检测物体的沉降和位移，不完全符合规范的要求。

4 影响微芯桩测量的因素

微芯桩用于地质灾害的自动化监测，安装在被监测的物体上，由于传感器的固有特点，在测量过程中，振动强度和倾角的大小会受到外界因素影响，主要影响因素有以下几种：①恶劣天气影响，如打雷、大风、暴雨、冰雹引起的振动；②靠近居民区燃放烟花炮竹会引起误报；③微芯桩安装在野外，容易被动物触碰造成误报；④磁场的干扰会引起倾角变化。

如果把振动强度和倾角大小均设置为报警输出，会出现误报现象，如果出现误报，将导致危险区人员的紧急疏散，引起群众恐慌，严重干扰人民群众的生产和生活秩序，产生不良的社会影响。

5 微芯桩的适用范围

微芯桩是通过振动和倾斜来监测崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害的，在北方地区常会发生岩崩、泥石流等地质灾害，当灾害发生时会伴随着有巨大的震动，山上滚动的岩石也会触发起微芯桩警报。如果用于地灾点离村庄较远的地方，当发生地质灾害时，应及时通知受威胁群众，使灾害来临前有足够的时间疏散。

山上的危石，经地灾技术人员确定为隐患点，且山下较远处才有群众居住，那么在石头上可以安装微芯桩，当出现异常的倾角时，会及时向下方较远处的群众发出警报，组织群众及时疏散。

在南方地区，大多数土体的崩塌、滑坡等地质灾害发生时，不会产生较大的振动和倾斜。也就是说，微芯桩如果安装在土体滑坡上，滑坡已经发生了，微芯桩也可能不会被触发，或灾难发生后才被触发，所以只使用微芯桩进行地灾自动化监测是不可靠的。

6 结语

微芯桩设备简单、安装方便、价格便宜，具备一个6轴或9轴的速度传感器模块、通讯模块、电源模块、外围配件以及平台。也正是因为这些特点，被一些经销商吹捧为高科技产品,加之对微芯桩的认识不足，使得这个产品的应用有不断蔓延之势，但没有得到规范使用。地质灾害离我们很近，在我国南方地区，因削坡建房而引发的地质灾害隐患点随处可见，如果这种单一手段的微芯桩在南方地区被广泛推广应用，又过于依赖这种自动监测的结果，将对当地群众生命安全构成极大威胁。只有充分认识微芯桩，合理运用微芯桩采集的振动和倾角的数据，丰富地质灾害自动化监测的各种参数和技术手段，才能更准确预报地质灾害的发生，保护人民生命财产的安全。