一种路基内部动态回弹模量实时监测装置及其安装方法与流程

本发明涉及路基领域，特别是涉及一种路基内部动态回弹模量实时监测装置及其安装方法。

背景技术：

1962年seed等在研究路基土回弹特性与沥青路面疲劳损坏关系的过程中引入回弹模量的概念。从而，路基土动态回弹模量(简称回弹模量)作为柔性路面力学－经验设计方法中表征路基土力学特性的主要参数之一。

目前道路工程中应用较多的路基回弹模量检测方法主要有现场承载板法、贝克曼梁法、fwd法、瑞利波法等。上述方法中，现场承载板法与贝克曼量法为静态检测方法，所测路基回弹模量为静态模量；fwd法、瑞利波法、所测路基回弹模量为动态模量。

现场承载板法利用承载板对路基逐级加载、卸载，测定各级荷载所对应的回弹变形值，进而求得路基回弹模量。该方法是路基回弹模量测定的标准方法之一，在公路工程中应用广泛。采用现场承载板法检测路基回弹模量的难点在于合理确定试验加载上限，使其与道路路基实际受力和变形特性相一致，从而避免或降低路面设计偏差。此外，现场承载板法较繁琐，效率低，难以满足公路工程中快速检测的需要；该方法所测回弹模量为静态模量，难以完全反映路基在车辆动荷载作用下的变形特性，尤其是高速公路路基在车辆荷载作用下的动力变形特性。

贝克曼梁法是利用弯沉仪测量路面在标准差作用下的回弹弯沉值，通过公式反算求得路基回弹模量。该方法加载方式直观，测点位置改变方便，在公路工程路基回弹模量检测中也得到广泛应用。贝克曼梁法应用中影响因素较多，车轮胎荷载与充气压力、车速、侧头垂直度、测点位置、支点变形、环境因素、人为因素及现场管理等都会对其检测精度带来影响。与现场承载板法一样，贝克曼梁法所测路基回弹模量为静态模量，难以反映路基在行车动荷载作用下的变形特性。

fwd法利用落锤式弯沉仪测量路基在冲击荷载下的动态弯沉值，通过弯沉值反算路基回弹模量。fwd法现场检测时所施加的荷载往往明显大于实际工程中路基可能承受的行车荷载，导致路基发生塑性变形，影响回弹模量测量结果。此外，fwd法现场检测成本较高，设备运输费时、费力。

瑞利波传播速度与传播介质的弹性参数理论关系明确，且在均匀介质中瑞利波传播速度与频率无关，即无频散性，这种基本特性使其可用于路基施工质量检测。

上述各种回弹模量检测方法存在的问题总结如下：反应行车动荷载下的变形测量的整体结构复杂，测量手段繁琐；回弹模量测量结果准确性不高；因此，需要对一种路基内部动态回弹模量实时监测装置进行新的研究设计。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种路基内部动态回弹模量实时监测装置，方便快捷，能长期实时测定路基内动态回弹模量。

一种路基内部动态回弹模量实时监测装置的具体方案如下：

一种路基内部动态回弹模量实时监测装置，包括能插入到路基内的管件和设于路面和路基间的压力传感器，压力传感器测量车辆荷载引起的附加应力，管件端部设置用于测量车辆荷载对应路基变形的位移传感器，压力传感器和位移传感器连接，根据压力传感器和位移传感器测量的数值获得动态回弹模量值。

上述装置，一次安装可长期使用，通过压力传感器和位移传感器的设置，能满足路基内部动态回弹模量长期实时监测的需求，得到的数据结果可用于分析道路受力特性，为高速公路的养护、维修及道路状况的评估提供科学依据，具有广泛的应用前景。

其中，压力传感器直接设于路基与路面的连接处；压力传感器的上端面与所述路基上端面齐平。

进一步地，所述位移传感器通过压力传感器侧部的开孔实现两个传感器的连接，压力传感器为土压力传感器，土压力传感器的端面设置开孔。

进一步地，所述位移传感器的探针套有弹性件，探针在弹性件的端部设置压块以使弹性件处于压缩状态，探针突出压块设置，探针与压力传感器的开孔连接，压力传感器承受动荷载检测压力变化，因位移传感器与压力传感器连接，并通过位移传感器测量压力传感器的位移变化，从而实现车辆荷载对应的路基变形。

进一步地，所述位移传感器与所述的管件粘连，具体可通过粘结剂如胶水实现可靠连接，位移传感器为lvdt位移传感器，该位移传感器的探针竖直朝上设置。

进一步地，所述压力传感器、位移传感器分别通过导线与调制解调器连接，且压力传感器与位移传感器与设于路面或路床侧部的太阳能电池板连接，太阳能电池板与调制解调器连接，通过太阳能电池板实现对压力传感器、位移传感器和调制解调器的供电。

进一步地，为了保证导线的使用寿命，所述导线设于柔性软管内，柔性软管为波纹管。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种路基内部动态回弹模量实时监测装置的安装方法，包括如下步骤：

选取道路中需要测量动态回弹模量的位置，确定该处路基层厚度，制备长度大于等于该处路基层厚度的管件；

将管件打入路基内；

在管件设于路基内的端部安装位移传感器，在位移传感器探针端部与压力传感器连接；

并将压力传感器设于路面和路基之间；

根据压力传感器和位移传感器测量的数值获得动态回弹模量值。

其中，所述管件为螺纹钢管，且管件与路基连接为一体；

所述将管件打入路基的具体方法为：通过钻孔器械将管件打入路基中。

进一步地，所述根据压力传感器和位移传感器测量的数值获得动态回弹模量值m的具体计算公式如下：

其中d为压力传感器的直径，μ为土体泊松比，σ为压力传感器测得的车辆荷载引起的附加应力值，l为位移传感器测得的车辆荷载对应的路基变形值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明整个装置应用于现场测试，通过压力传感器和位移传感器的设置，实现实时测量，解决了无法实时测量路基内部动态回弹模量的难题，本发明能准确、有效的测量路基内部的回弹模量。

2)本发明装置简便，安装便捷，可以节省大量的金钱和时间成本，一次安装可长期使用。

3)本发明通过位移传感器的设置位置，压力传感器的设置位置，可有效提高测量数据的准确性。

4)本发明采用无线传输的方式进行数据采集工作，具有无人值守自动采集数据的特点，同时可以远程控制数据的采集工作。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明测量装置的结构示意图；

图2是本发明部分结构放大图；

其中：1.路面，2.路床，3.下路基，4.土压力传感器，5.位移传感器，6.管件，7.调制解调器，8.太阳能电池板，9.压块，10.弹簧。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种路基内部动态回弹模量实时监测装置。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1和图2所示，一种路基内部动态回弹模量实时监测装置，路基包括路床2和下路基3，监测装置包括能插入到路基内的管件和设于路面1和路床2间的压力传感器，压力传感器测量车辆荷载引起的附加应力，管件6端部设置用于测量车辆荷载对应路基变形的位移传感器，压力传感器和位移传感器连接，根据压力传感器和位移传感器测量的数值获得动态回弹模量值。

上述装置，管件可在路基设置前进行安装，或者在路面施工前进行安装，或者在路面施工完成后，管件需要通过钻机被打入路基内，一次安装可长期使用，通过压力传感器和位移传感器5的设置，能满足路基内部动态回弹模量长期实时监测的需求，得到的数据结果可用于分析道路受力特性，为高速公路的养护、维修及道路状况的评估提供科学依据，具有广泛的应用前景。

压力传感器能与位移传感器的探针连接，压力传感器采用直径为30cm、厚度为2cm的土压力传感器4，具体土压力传感器4一侧设置开孔，开孔为盲孔。位移传感器5探针套有弹簧，探针在弹簧的端部设置压块以使弹簧处于压缩状态，以实现lvdt位移传感器的测量，且探针突出压块9设置，压块9距离土压力传感器4有设定距离，探针突出压块9的端部与压力传感器端面的盲孔连接，具体探针穿过盲孔与压力传感器可通过螺纹连接，或者通过胶水实现连接。

位移传感器5与管件6粘连，具体可通过粘结剂如胶水实现可靠连接，位移传感器5的探针竖直朝上设置。

压力传感器、位移传感器5分别通过导线与调制解调器7连接，且压力传感器与位移传感器与设于路面或路床侧部的太阳能电池板8连接，太阳能电池板8与调制解调器连接，通过太阳能电池板8实现对压力传感器、位移传感器5和调制解调器7的供电，调制解调器7为gsm解调器。

上述监测装置有两种数据采集方式，一是gsm模块自身具有储存功能，可以将数据储存在模块内，获取数据时仅需采用usb接入的方式便可获取数据；二是无线数据传输方式，通过gsm的数据无线传输功能，可以通过电脑远程控制数据的采集，并将数据无线传输至数据采集基站。

为了保证导线的使用寿命，导线设于柔性软管内，柔性软管为波纹管，波纹软管纵向须是柔性的，以随lvdt位移传感器探针的竖向位移而位移。但在其他方向上，波纹软管必须具有足够的刚性，以抵抗来自压实土壤的压力。为确保lvdt位移传感器的位移不受湿气等其他环境因素的影响，波纹软管必须具有较好的防水性能。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种路基内部动态回弹模量实时监测装置的安装方法，包括如下步骤：

1)选取道路中需要测量动态回弹模量的位置，确定该处路基层厚度，制备长度大于等于该处路基层厚度的管件；

2)将管件打入下路基3中，管件不随路基的移动而移动；

3)在管件设于路床2内的端部安装位移传感器5，在位移传感器5探针端部设置轻质弹簧，并在探针端部设置压块9，使弹簧处于被压缩状态，探针突出压块设置；

4)将位移传感器的探针端部设于土压力传感器4的开孔内，将土压力传感器4上端面与路床2上端面齐平进行设置；

5)土压力传感器4和位移传感器5分别通过导线连接至调制解调器7，根据土压力传感器4和位移传感器5测量的数值获得动态回弹模量值。

其中，管件6为螺纹钢管；

将管件6打入路基的具体方法为：通过钻孔器械将管件6打入下路基3中。

根据土压力传感器4和位移传感器5测量的数值获得动态回弹模量值m的具体计算公式如下：

其中d为土压力传感器4的直径，μ为土体泊松比，σ为压力传感器测得的车辆荷载引起的附加应力值，l为位移传感器测得的车辆荷载对应的路基变形值。

本发明现场安装简便，可以减少所需安装人员的数量和安装时间，不会因本装置的安装而导致道路长时间封闭等状况。本发明提供了快速的自动测量路基内部动态回弹模量的方法，可以将数据自动记录并储存起来，并可以通过无线传输的方式远程获取数据，减少了测量的时间和成本。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。