改扩建高速公路边坡智能防护系统的制作方法

[0001]
本发明属于边坡监测与防护技术领域， 尤其涉及一种改扩建高速公路边坡智能防护系统。


背景技术：

[0002]
近年来由于交通量的快速增长，国内早期建设的四车道高速公路已不能满足交通需求，面临着高速公路的改扩建任务。相对于高速公路路基两侧的边坡的扩建也需要考虑在内，路基一侧边坡指的是为保证路基稳定，在路基两侧做成的具有一定坡度的坡面。
[0003]
台阶开挖是目前高速公路扩建工程路基拼接普遍采用的方式，其高度和宽度由路基填料类型、路基承载能力等因素确定。在这个过程中，需要确定合理的台阶开挖高度，最大限度地利用老路基。
[0004]
高速公路改扩建过程中势必要拆除边坡原有支护，造成边坡应力重分布，因此在开挖过程中边坡的稳定性处于动态发展过程中，开挖支护时序、施工期内的降雨量等对其均有较大影响。若处理不当，边坡极有可能失稳破坏。因此，研究开挖过程中的边坡变形规律及其稳定性，寻求合理的开挖支护方法及边坡加固措施，对于确保改扩建边坡工程的安全稳定有着重要意义。
[0005]
申请号为cn201911318571.9的中国发明专利申请提出一种改扩建高速公路边坡智能防护系统，包括：智能监测模块；防护装置，其包括：多个固定装置，相邻固定装置之间以可拆卸的方式固定连接；固定装置包括：主杆，其为中空结构，沿主杆的纵向设置多个第一孔洞；主杆内浇筑泥浆，泥浆内包括土壤粘合剂；多个插板，其间隔均匀的设置在主杆的外周；连接板，其连接在平行且相邻的插板之间，连接板朝向边坡外的一侧设置腔室，腔室内设置可移动的支板，支板包括第一支板和连接在第一支板外侧的第二支板，第二支板的上设置多个第二孔洞。该发明利于建立对边坡的整体性加固，并且对可能发生的边坡灾害现象及时发现，及时预防，还具备降低灾害发生的缓冲结构。
[0006]
申请号为 cn202010431672.3的中国发明专利申请提出一种高速公路改扩建防堵车交通疏导方法，包括以下步骤：s1.优先检测公路改扩建的范围；s2.对于开启gps定位系统的高速行驶车辆而言，采用将扩建的范围信息传输至定位导航装置；s3.定位导航装置对开启gps的用户传输高速道路疏通信息，并且通过车载的语音系统进行播报，涉及高速公路改扩建防堵方案技术领域。该高速公路改扩建防堵车交通疏导方法通过语音提醒的方式方便驾驶人提前进行变道，保持在安全行驶行线上进行行驶，有效的避免接近后变道而影响车辆的正常通行，加快高速公路改扩建路段的通行速度和流畅，三组方向引导设备的安装距离为行驶车辆提供变道的距离和时间，有效的避免紧急变道而引起的交通事故和添堵。
[0007]
然而，现有技术中，不管是高速公路扩建工程中路基拼接设计与施工，还是已有的高速公路边坡防护方案选择，都需要大量工程技术人员在现场人工采集相关数据，再结合实际经验给出相应的改扩建或者防护方案，其效率较低，并且受到工程技术人员本身的经验和主观认识限制，也局限于现场数据采集的准确性，其效率和准确性都有待提高。


技术实现要素：

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为此，本发明提出改扩建高速公路边坡智能防护系统，包括动力锥贯入仪与多个光纤传感器与移动式工程车，所述动力锥贯入仪包括落锤、贯入杆以及多个贯入圆锥头；所述移动式工程车包括提升装置、垂直夹持装置和车体固定盘；车体固定盘用于固定所述移动式工程车；所述移动式工程车还包括数据存储模块和数据分析模块；所述动力锥贯入仪在所述移动式工程车的控制下对所述预定目标区域面进行贯入采样，所述光纤传感器将每次贯入采样获取的数据发送给所述数据存储模块；所述每次贯入采样获取的数据包括所述贯入杆的贯入深度数据；所述智能防护系统通过数据分析模块对所述采样数据进行分析后，得出所述高速公路在所述预定目标区域面的边坡扩展方案。
[0009]
本发明的技术方案，通过移动式工程控制动力锥贯入仪自动在现场进行采样，同时基于光纤传感器获取的数据生成反馈信号改变控制方式，从而能够更完整准确的获取现场实际数据，从而基于准确客观的实际数据记性分析后，智能化的得出边坡扩展方案、边坡防护方案。
[0010]
本发明的技术方案总体上实现如下：一种改扩建高速公路边坡智能防护系统，所述智能防护系统包括动力锥贯入仪与多个光纤传感器。
[0011]
其中，所述动力锥贯入仪包括落锤、贯入杆以及多个贯入圆锥头。
[0012]
作为本发明的第一个改进点，所述智能防护系统还包括移动式工程车，所述移动式工程车包括提升装置、垂直夹持装置和车体固定盘；所述提升装置用于握持所述落锤垂直提升至预定高度；所述垂直夹持装置用于将所述动力锥贯入仪除所述落锤之外的其他部分夹持后，使其与所述高速公路边坡的预定目标区域面垂直，并使得所述贯入圆锥头与所述预定目标区域面垂直接触；所述车体固定盘用于固定所述移动式工程车，使得所述移动式工程车在处于工作状态时不发生位移；作为本发明的第二个改进点，至少两个光纤传感器与所述贯入杆平行，所述两个光纤传感器与所述贯入杆位于同一平面；所述移动式工程车还包括数据存储模块和数据分析模块；所述数据存储模块还连接反馈控制装置，所述反馈控制装置与所述提升装置无线通信。
[0013]
所述动力锥贯入仪在所述移动式工程车的控制下对所述预定目标区域面进行贯入采样，所述光纤传感器将每次贯入采样获取的数据发送给所述数据存储模块；所述每次贯入采样获取的数据包括所述贯入杆的贯入深度数据；所述智能防护系统通过数据分析模块对所述采样数据进行分析后，得出所述高速公路在所述预定目标区域面的边坡扩展方案。
[0014]
本发明的上述系统具体实现原理如下：所述提升装置握持所述落锤垂直提升至第一预定高度后，使得所述落锤自由落体；响应于所述落锤自由落体，通过所述光纤传感器获取所述贯入杆的贯入深度数据。
[0015]
更具体的，作为本发明的进一步创新点，所述智能防护系统通过数据分析模块对
所述采样数据进行分析后，得出所述高速公路在所述预定目标区域面的边坡扩展方案，具体包括：数据数据分析模块获取所述贯入杆的贯入深度数据以及对应贯入次数，得出所述预定目标区域面的cbr值或回弹模量；基于所述cbr值或回弹模量，确定所述边坡扩展方案。
[0016]
作为上述创新的关键性技术手段之一，所述边坡扩展方案包括扩建所述高速公路时所述边坡的开挖厚度；和/或，改建所述高速公路时所述边坡的防护方案，所述防护方案包括根据所述cbr值确定的生态防护物种。
[0017]
作为一种情形，若所述数据存储装置获取的所述贯入深度数据持续低于第二阈值，则控制所述提升装置以及所述垂直夹持装置改变所述动力锥贯入仪的贯入位置，然后重新握持所述落锤垂直提升至第一预定高度后，使得所述落锤自由落体；作为另一种情况，若所述数据存储装置获取的所述贯入深度数据持续低于第二阈值，则所述反馈控制装置生成反馈控制信号发送至所述提升装置，使得所述提升装置增大所述第一预定高度；然后，重新握持所述落锤垂直提升至所述增大后的第一预定高度后，使得所述落锤自由落体。
[0018]
与此相对应的，若所述数据存储装置获取的所述贯入深度数据持续增大，则在所述贯入深度数据大于第二阈值之后，则控制所述提升装置以及所述垂直夹持装置改变所述动力锥贯入仪的贯入位置，将所述贯入圆锥头与至少一个光纤传感器集成后，灌入到所述预定目标区域面中。
[0019]
在预定时间段后，获取所述多个光纤传感器的监测数据，基于所述监测数据，分析所述预定目标区域面的稳定性指标；基于所述稳定性指标，确定所述高速公路在所述预定目标区域面的边坡扩展方案。
[0020]
本发明的优点和关键性技术手段至少包括：（1）采用移动式工程车控制动力锥贯入仪进行智能化的自动化采样工作，改变了现有技术中需要人工操作存在的效率低下问题；（2）基于光纤传感器获取采样数据，并且对采样数据进行时间序列的实时性阶段分析后，生成对应的反馈或者调整信号，使得所述移动式工程车能够调整控制方式，更好的适应现场变化；（3）光纤传感器和动力锥贯入仪组合配置使用，使得光纤传感器能够更方便的在现场配置获取更长时间尺度的采样数据，从而进行稳定性分析，得出更优的边坡防护方案或者改扩建参照指标。
[0021]
本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。
[0022]
附图说明
[0023]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]
图1是本发明一个实施例的改扩建高速公路边坡智能防护系统的主体架构图图2是图1所述系统中移动式工程车的组成模块图图3-图5是利用图1所述系统进行数据采集和控制的原理的不同实施例流程图。
具体实施方式
[0025]
下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出进一步的描述。
[0026]
图1是本发明一个实施例的改扩建高速公路边坡智能防护系统的主体架构图。
[0027]
图1中，智能防护系统包括动力锥贯入仪与多个光纤传感器。所述动力锥贯入仪包括落锤、贯入杆以及多个贯入圆锥头。
[0028]
在本实施例中，动力贯入仪是指—种将测头以锤击的方式贯人土壤测定土壤坚实度的仪器，以测头达到某一深度的锤击量，或以锤击量的深度表示。
[0029]
动力圆锥贯入仪（dcp）的优点是快速、简便，不受场地限制，适用于施工现场或老路路基承载力评价。而动态圆锥贯入仪（dynamic
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penetrometer，简称dcp）通过快速检测土基的贯入度可有效地克服灌沙、环刀、灌水与电动取土器等方法的缺点，是新一代土基压实性能的快速检测设备。
[0030]
现有技术中，dcp测试时，通常需要3个人员操作，其中：一人握住手柄，竖起并扶住仪器，同时将锥尖朝下贴紧土基表面，并尽量使贯入杆垂直于土基表面；一人提升落锤并让其自由下落，一人记录每2次锤击后对应的标尺读数。
[0031]
贯入杆在落锤的冲击作用下，逐渐贯入土基内部，显然，土基越坚硬，贯入一定深度的次数就越多，相应的每锤贯入的深度就越小；反之，土基越软，则贯入一定深度的次数就越少，而每锤贯入深度就越大。因此，dcp的测试结果可以反映土基内部的结构性能和压实情况。
[0032]
显然，上述人工操作过程效率低下。
[0033]
在本实施例中，所述智能防护系统还包括移动式工程车，所述移动式工程车包括提升装置、垂直夹持装置和车体固定盘；所述提升装置用于握持所述落锤垂直提升至预定高度；所述垂直夹持装置用于将所述动力锥贯入仪除所述落锤之外的其他部分夹持后，使其与所述高速公路边坡的预定目标区域面垂直，并使得所述贯入圆锥头与所述预定目标区域面垂直接触；所述提升装置握持所述落锤垂直提升至第一预定高度后，使得所述落锤自由落体；响应于所述落锤自由落体，通过所述光纤传感器获取所述贯入杆的贯入深度数据。
[0034]
在这个过程中，所述车体固定盘用于固定所述移动式工程车，使得所述移动式工程车在处于工作状态时不发生位移。
[0035]
所述移动式工程车还包括数据存储模块和数据分析模块；所述动力锥贯入仪在所述移动式工程车的控制下对所述预定目标区域面进行贯入采样，所述光纤传感器将每次贯入采样获取的数据发送给所述数据存储模块；所述每次贯入采样获取的数据包括所述贯入杆的贯入深度数据；
所述智能防护系统通过数据分析模块对所述采样数据进行分析后，得出所述高速公路在所述预定目标区域面的边坡扩展方案。
[0036]
至少基于本实施例，本发明采用移动式工程车控制动力锥贯入仪进行智能化的自动化采样工作，改变了现有技术中需要人工操作存在的效率低下问题。
[0037]
进一步的，在图1基础上，参照图2。
[0038]
所述移动式工程车还包括数据存储模块和数据分析模块；所述数据存储模块还连接反馈控制装置，所述反馈控制装置与所述提升装置无线通信；所述智能防护系统通过数据分析模块对所述采样数据进行分析后，得出所述高速公路在所述预定目标区域面的边坡扩展方案，具体包括：数据数据分析模块获取所述贯入杆的贯入深度数据以及对应贯入次数，得出所述预定目标区域面的cbr值或回弹模量；基于所述cbr值或回弹模量，确定所述边坡扩展方案。
[0039]
作为一个原理性的介绍，根据美国aashto的规定，dcp测试结果与cbr之间存在如下的关系：其中，式中， pr为dcp测试的贯入率，mm/锤击次；cbr为加州承载比，%，因此，通过现场测试时记录dcp的贯入率，即可快速计算土基cbr ，初步评价路基各层承载能力。
[0040]
现有技术中，虽然知晓上述原理，但是也只是静态的获取采样数据进行计算，无法准确的全面的反映现场数据。为解决上述问题，本发明进一步改进为，基于光纤传感器获取采样数据，并且对采样数据进行时间序列的实时性阶段分析后，生成对应的反馈或者调整信号，使得所述移动式工程车能够调整控制方式，更好的适应现场变化。
[0041]
具体的，可参见附图3-5。
[0042]
系统开始工作后，所述提升装置握持所述落锤垂直提升至第一预定高度后，使得所述落锤自由落体；响应于所述落锤自由落体，通过所述光纤传感器获取所述贯入杆的贯入深度数据。
[0043]
上述过程可以持续多次获得多个采样的贯入深度数据；若所述数据存储装置获取的所述贯入深度数据持续低于第二阈值，则所述反馈控制装置生成反馈控制信号发送至所述提升装置，使得所述提升装置增大所述第一预定高度。
[0044]
例如，现有技术中，一般要求，重锤砸下后，记录单次贯入深度超过5mm后的锤击次数及杆身贯入深度；如果单次锤击贯入深度小于5mm，则意味着当前数据不符合采样要求，需要重复采样；本实施例中，为了提高效率，则生成反馈控制信号发送至所述提升装置，使得所述提升装置增大所述第一预定高度。
[0045]
在另一个方面，为了使得采样点具备代表性，若所述数据存储装置获取的所述贯入深度数据持续低于第二阈值，则控制所述提升装置以及所述垂直夹持装置改变所述动力锥贯入仪的贯入位置。
[0046]
在此基础上，数据数据分析模块获取所述贯入杆的贯入深度数据以及对应贯入次数，得出所述预定目标区域面的cbr值或回弹模量；基于所述cbr值或回弹模量，确定所述边坡扩展方案，例如，根据cbr均值以及贯入深度均值，确定边坡承载能力后，确定开挖台阶深
度，贯入深度均值月底，开挖深度越浅。
[0047]
所述边坡扩展方案包括扩建所述高速公路时所述边坡的开挖厚度；和/或，改建所述高速公路时所述边坡的防护方案，所述防护方案包括根据所述cbr值确定的生态防护物种。
[0048]
根据所述cbr值确定的生态防护物种，可以是根据cbr值确定开挖深度或者浅层深度后，选择对应的植物植被。
[0049]
类似的植被选择技术，可以参考如下现有技术：舒翔,杜娟,曹映泓,廖晓瑾. 生态工程在高速公路岩石边坡防护工程中的应用[a]. 中国公路学会.第四届国际道路和机场路面技术大会论文集[c].中国公路学会:中国公路学会,2002:6.在另一个方面，若所述数据存储装置获取的所述贯入深度数据持续增大，则在所述贯入深度数据大于第二阈值之后，将所述贯入圆锥头与至少一个光纤传感器集成后，灌入到所述预定目标区域面中；更具体的，控制所述提升装置以及所述垂直夹持装置改变所述动力锥贯入仪的贯入位置，将所述贯入圆锥头与至少一个光纤传感器集成后，灌入到所述预定目标区域面中。
[0050]
更具体的，关闭所述车体固定盘的固定操作，使得所述移动式工程车在所述高速公路上行进预定位移长度。
[0051]
然后，在预定时间段后，获取所述多个光纤传感器的监测数据，基于所述监测数据，分析所述预定目标区域面的稳定性指标；基于所述稳定性指标，确定所述高速公路在所述预定目标区域面的边坡扩展方案。
[0052]
采用光纤传感器可以对边坡混凝土结构的基坑、边坡、温度场、土体变形等方面进行监测，从而得出对应的扩建或者防护方案，例如，基于稳定性指标后，得到边坡的稳定性结果，然后给出对应的防护措施。
[0053]
利用光纤传感技术进行边坡监测以及稳定性分析属于现有技术，例如可可参见：殷建华, 崔鹏, 裵华富等. 基于光纤传感技术的边坡监测系统的应用［j]. 兰州大学学报： 自然科学版, 2011, 47(增刊) : 290-292 .xiaoyi bao,chunshu zhang,wenhai li,et al. using distributed brillouin sensor to predict pipe deformation with carbon coated fibers[j]. the 2nd international workshop on opto-electronic sensor-based monitoring in geo-engineering(2nd osmg-2007)[c]. nanjing university, nanjing,china, october18-19,2007.刘永莉. 分布式光纤传感技术在边坡工程监测中的应用研究[d]. 浙江大学博士学位论文, 2011.然而，尽管相关的原理属于现有技术，但是如何在边坡现场布设所述光纤传感器，同时降低成本，才是本发明要解决的问题。
[0054]
在本实施例中，只有所述数据存储装置获取的所述贯入深度数据持续增大，则在所述贯入深度数据大于第二阈值之后，才将所述贯入圆锥头与至少一个光纤传感器集成后，灌入到所述预定目标区域面中。
[0055]
此时，贯入圆锥头为一次性使用的工具，在贯入深度达到要求 （贯入深度达到或
稍超过需判断承载能力层层厚） 后，取出贯入杆，结束测试圆锥头和光纤传感器留在土基中。
[0056]
需要注意的是，这里还完成了光纤传感器的复用。即不满足上述条件时，光纤传感器用于短时的现场实时采样数据获取；当满足上述条件时，光纤传感器将和贯入圆锥头集成后布设到现场，进行长期的数据采样分析。
[0057]
可以看到，基于本实施例，光纤传感器和动力锥贯入仪组合配置使用，使得光纤传感器能够更方便的在现场配置获取更长时间尺度的采样数据，从而进行稳定性分析，得出更优的边坡防护方案或者改扩建参照指标。
[0058]
作为一个更具体的实施例，在获取更长时间尺度的采样数据后，所述智能防护系统的数据分析模块通过midas gts 软件进行有限元分析。边坡岩土体采用修正的莫尔
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库仑模型，用于等代边坡的本构模型 模型采用实体单元中的高阶单元划分网格，并在上部加密网格尺寸，有利于提高有限元计算结果的精确度。
[0059]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。