CN102926368B - 一种道路路基不均匀沉降的监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种道路路基不均匀沉降的监测装置及监测方法，包括多个水平设置的刚性管，相邻两刚性管通过柔性连接管相连接，形成一长管，该长管的一端固接有一竖直设置的刚性管，位于路基之外，刚性管的下端与长管的一端固接，刚性管、多个柔性连接管和多个刚性管的内部相通，管内加注有水银，刚性管与刚性管的连接处、各刚性管与柔性连接管的连接处以及最后一节刚性管的末端分别设置有液压传感器。用于道路路基的长期实时监测，显示的路基顶面不同监测点因沉降而产生的压力差，计算得到路基的沉降变形量，提供采取措施的依据。

Description

一种道路路基不均匀沉降的监测装置及监测方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种路面不均匀沉降的监测装置，本发明还涉及利用该装置监测道路路基不均匀沉降的方法。

背景技术

道路路基经常遇到土质不均、存在不良地质条件引起的不均匀沉降的问题。当前，我国的道路除了新线路以前所未有的速度与规模建设外，改扩建工程也陆续成为道路建设的一大亮点。利用旧路进行拓宽改建是一种投资小、见效快的措施。由于新老路基，特别是软土地基以及湿陷性黄土地基的固结度与力学性质的差异，将引起严重的路面病害，控制新老路基的差异沉降、防止拼接处路面开裂成为扩建工程注意的技术关键。

随着城市规模的不断扩大，敷设较大管径的给水管道、因增容在通行的道路上破路敷设管线、改造原有的电源线等都需要破土施工。这些施工作业过程中大都对道路路基造成一定的破坏，路面沉降的直接原因就是路基回填土压实度不均匀，导致路基不均匀沉降，在路面上就表现为所谓的“马路拉链”现象。这里需要特别指出的是地质构造作用下岩土体大面积不均匀沉降引起的地裂缝，市政工程建设中道路路基若跨越地裂缝，地裂缝的错动则会相应造成路基的相互错动，最终造成路面的不平整，产生不均匀沉降；路基因浸水湿陷引起不均匀沉降。路基沉降会使路面结构层遭到破坏，使路面的承载力降低，使道路的使用寿命缩短。路基沉降量较大处，尤其在高速公路上，会极大地影响道路行车安全，容易引发交通事故。因此，对道路路基沉降量进行实时监测，及时获得道路路基发生不均匀沉降的数据，并根据所记录的数据对道路路基沉降的发展趋势做出预测，然后采取相应的补救措施，这是保证道路正常运营的有效手段。

研究路基沉降的方法很多，基本上可分为如下几种：首先是最经典的分层总和法；其次是Biot固结理论结合土的本构模型的各种有限元法；再次是以数学方法为手段的计算方法，包括遗传算法、人工神经网络法、灰色模型理论等；最后是通过现场实测资料来推算沉降量，最后一种方法最大的优点在于避免了室内试验和理论计算假设条件中存在的欠缺，数据真实可信，非常具有应用前景。

目前，通过现场实测资料来推算沉降量时，国内均采用沉降仪结合水准仪来监测路基不均匀沉降。沉降仪工作原理为：沉降导管由路基测试点沿铅直方向一直埋设到地面以上，将沉降磁环套在沉降导管外，设置在观测点处，沉降磁环内安放磁性材料形成磁力圈，磁力圈外对称安装多根弹簧片，弹簧片埋植在土层中，随土层沉降而沉降；当内装磁场感应器的探头通过磁力圈时，地面接收系统会发出提示，从而测定磁力圈的位置；通过引测水准点来测量沉降管管顶高程，定期定时测得各磁力环距管顶的距离，确定每次路基的沉降量。但上述方法需要埋置大量沉降导管，操作较为复杂，成本较高，且影响施工。

发明内容

本发明的目的是提供一种道路路基不均匀沉降的监测装置，用于道路路基的长期实时监测，显示的路基顶面不同监测点因沉降而产生的压力差，计算得到路基的沉降变形量，提供采取措施的依据。

本发明所采用的技术方案是，一种道路路基不均匀沉降的监测装置，包括横向长管与轴向长管，

其中横向长管包括多个水平设置的刚性管b，相邻两刚性管b通过柔性连接管a相连接，每根刚性管b与柔性连接管a的连接处均设置有液压传感器，连接后的刚性管b的一个末端与刚性管a的一端固接，刚性管b与刚性管a的连接处设置有液压传感器，刚性管a另一端与大气连通，刚性管a竖直设置，连接后的刚性管b未与刚性管a连接的末端封闭并设置有液压传感器，

其中轴向长管包括多个水平设置的刚性管c，相邻两刚性管c通过柔性连接管b相连接，每根刚性管c与柔性连接管b的连接处均设置有液压传感器，连接后的刚性管c一个末端与横向长管中的其中一条刚性管b固接并连通，连接后的刚性管c未与横向长管连接的末端封闭并设置有液压传感器。

本发明的特点还在于，

其中柔性连接管a和柔性连接管b以及与柔性连接管a和柔性连接管b连接的液压传感器外部设置有保护罩。

本发明的目的还在于提供一种利用上述监测装置对道路路基沉降进行监测的方法，具体按以下步骤进行：

步骤1：选取基准点

在装置中加注水银，将装置埋置于需要监测沉降的路基顶面，将横向长管横跨道路路基两侧布设，轴向长管沿道路中心轴向布设，将竖直设置的刚性管a放置于监测断面的路基边坡外，固定于浇筑混凝土埋置的基座上；

在远离沉降区域的稳定地基上，设置混凝土浇筑的基准点，测量刚性管a的基座顶面相对于基准点的初始标高；

步骤2：路基发生沉降后，计算沉降前后测量点与基准点之间的高差，

设刚性管a基座点为C点，即基准点，以各液压传感器的设置点作为测量点，设任意测量点为D点，按下式：

Δh_CD0＝(p_C0-p_D0)/ρg

计算得到沉降前C、D两点的高差Δh_CD0，其中，p_C0、p_D0分别为液压传感器在步骤1记录的C、D两点的初始压力值，ρ为水银密度，g为重力加速度，

再根据下式：

Δh_CD1＝(p_C1-p_D1)/ρg

计算得到沉降后C、D两点的高差Δh_CD1，式中，p_C1、p_D1分别为液压传感器在步骤2记录的沉降后基准点C点和测量点D点的压力值，ρ为水银密度，g为重力加速度；

刚性管a基座沉降前后的高差为Δh

Δh＝h₁-h₀

式中h₀为沉降前刚性管a基座相对于基准点C点的高差，h₁为沉降后刚性管a基座相对于基准点C点的高差；

步骤3：计算测量点的沉降量S

根据步骤2计算得到的沉降前后测量点D点相对于刚性管a的基准点C点的高差，按下式计算测量点D点的沉降量S_D1：

S_D1＝Δh+Δh_CD1-Δh_CD0

式中，Δh_CD0、Δh_CD1分别为步骤2计算得到的道路路基沉降前后测量点D点相对于刚性管a基座点C点的高差；

步骤4，根据步骤2-3所述的方法，再得到道路路基沉降前后另外任意测量点E点相对于基准点的沉降量S_E1；

然后，根据下式计算两测量点E、D之间沉降前后的沉降差Δh_ED：

Δh_ED＝S_E1-S_D1

式中，S_E1、S_D1分别为步骤4计算得到的测量点E点和测量点D点相对于基准点C点的沉降量；

步骤5：将步骤4计算得到沉降量，作为路基纵、横向沉降的长期监测的基础数据，予以保存；

根据步骤4计算得到的沉降差，及时采取有效地措施，保证道路的正常运行。

本发明的有益效果是，

1）通过管内的汞柱高度变化引起的液压变化，反映道路路基的不均匀沉降，并采用柔性管结构，具有适应路基较大变形的能力；

2）对路基变形进行实时、长期监测，可准确、及时了解路基沉降的发展过程，为预测其发展趋势提供依据；

3）运营、造价成本较低，便于更换和修复，维护简便，简单实用。

附图说明

图1是本发明道路路基不均匀沉降的监测装置的结构示意图；

图2是本发明道路路基不均匀沉降的监测装置中保护罩在路基未发生沉降时的结构示意图；

图3是本发明道路路基不均匀沉降的监测装置中保护罩在路基发生沉降后的结构示意图；

图4为道路路基发生沉降前路面路基的横向剖面图；

图5为道路路基发生沉降后路面路基的横向剖面图。

图中，1.刚性管b，2.柔性连接管a，3.刚性管a，4.液压传感器，5.刚性管c，6.柔性连接管b，7.保护罩。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种道路路基不均匀沉降的监测装置，如图1所示，包括横向长管与轴向长管，

所述横向长管包括多个水平设置的刚性管b1，相邻两刚性管b1通过柔性连接管a2相连接，每根刚性管b1与柔性连接管a2的连接处均设置有液压传感器4，连接后的刚性管b1的一个末端与刚性管a3的一端固接，刚性管b1与刚性管a3的连接处设置有液压传感器4，刚性管a3另一端与大气连通，刚性管a3竖直设置，连接后的刚性管b1未与刚性管a3连接的末端封闭并设置有液压传感器4，

所述轴向长管包括多个水平设置的刚性管c5，相邻两刚性管c5通过柔性连接管b6相连接，每根刚性管c5与柔性连接管b6的连接处均设置有液压传感器，连接后的刚性管c5一个末端与横向长管中的其中一条刚性管b1固接并连通，连接后的刚性管c5未与横向长管连接的末端封闭并设置有液压传感器4。

如图2及图3所示，为路基发生沉降前、后长管中刚性管与柔性管连接处的细节图，为了保护柔性连接管以及液压传感器4，柔性连接管a2和柔性连接管b6、1以及与柔性连接管a2和柔性连接管b6连接的液压传感器4外部设置有保护罩7，保护材料从柔性管中间分开以适应路基可能发生的沉降变形。

本发明所采用的另一技术方案是，一种利用上述监测装置对道路路基沉降进行监测的方法，具体按以下步骤进行：

步骤1：选取基准点

制备监测装置，包括横向长管与轴向长管，横向长管包括多个水平设置的刚性管b1，相邻两刚性管b1通过柔性管a2相连接，形成一长管，该长管的一端固接有一竖直设置的刚性管a3，位于路基之外，刚性管a3的下端与长管的一端固接，刚性管a3、多个柔性管柔性管a2和多个刚性管b1的内部相通，管内加注有水银，刚性管a3与刚性管b1的连接处、各刚性管b1与柔性管a3的连接处以及最后一节刚性管b1的末端分别设置有液压传感器4；

轴向长管包括多个水平设置的刚性管c5，相邻两刚性管c5通过柔性连接管b6相连接，每根刚性管c5与柔性连接管b6的连接处均设置有液压传感器，连接后的刚性管c5一个末端与横向长管中的其中一条刚性管b1固接并连通，连接后的刚性管c5未与横向长管连接的末端封闭并设置有液压传感器4。

采用上述的监测装置，将该装置埋置于需要监测沉降的路基顶面，横向长管横跨道路路基两侧布设，另外引出与刚性管a3相通的轴向长管，沿道路中心轴向布设，两条长管彼此间及与刚性管a3均相通，长管包括多个水平设置的刚性管b1及刚性管c5，相邻刚性管b1通过柔性连接管a2相连接，相邻两刚性管c5通过柔性连接管b6相连接，竖直设置的刚性管a3位于监测断面的路基边坡外，固定于浇筑混凝土埋置的基座上，如图4所示；

步骤1：选取基准点

在装置中加注水银，将装置埋置于需要监测沉降的路基顶面，将横向长管横跨道路路基两侧布设，轴向长管沿道路中心轴向布设，将竖直设置的刚性管a3放置于监测断面的路基边坡外，固定于浇筑混凝土埋置的基座上；

在远离沉降区域的稳定地基上，设置混凝土浇筑的基准点，测量刚性管a3的基座顶面相对于基准点的初始标高；

步骤2：路基发生沉降后，计算沉降前后测量点与基准点之间的高差，

设刚性管a3基座点为C点，即基准点，以各液压传感器4的设置点作为测量点，设任意测量点为D点，按下式：

Δh_CD0＝(p_C0-p_D0)/ρg

计算得到沉降前C、D两点的高差Δh_CD0，其中，p_C0、p_D0分别为液压传感器4在步骤1记录的C、D两点的初始压力值，ρ为水银密度，g为重力加速度，

再根据下式：

Δh_CD1＝(p_C1-p_D1)/ρg

计算得到沉降后C、D两点的高差Δh_CD1，式中，p_C1、p_D1分别为液压传感器4在步骤2记录的沉降后基准点C点和测量点D点的压力值，ρ为水银密度，g为重力加速度；

刚性管a3基座沉降前后的高差为Δh

Δh＝h₁-h₀

式中h₀为沉降前刚性管a3基座相对于基准点C点的高差，h₁为沉降后刚性管a3基座相对于基准点C点的高差；

步骤3：计算测量点的沉降量S

根据步骤2计算得到的沉降前后测量点D点相对于刚性管a3的基准点C点的高差，按下式计算测量点D点的沉降量S_D1：

S_D1＝Δh+Δh_CD1-Δh_CD0

式中，Δh_CD0、Δh_CD1分别为步骤2计算得到的道路路基沉降前后测量点D点相对于刚性管a3基座点C点的高差；

步骤4，根据步骤2-3所述的方法，再得到道路路基沉降前后另外任意测量点E点相对于基准点的沉降量S_E1；

然后，根据下式计算两测量点E、D之间沉降前后的沉降差Δh_ED：

Δh_ED＝S_E1-S_D1

式中，S_E1、S_D1分别为步骤4计算得到的测量点E点和测量点D点相对于基准点C点的沉降量；

步骤5：将步骤4计算得到沉降量，作为路基纵、横向沉降的长期监测的基础数据，予以保存；

根据步骤4计算得到的沉降差，及时采取有效地措施，保证道路的正常运行。

本发明监测装置，用于道路路基纵、横向不均匀沉降的长期实时监测，通过该监测装置中横跨道路路基布设的横向长管（包括多个相互连通的刚性管b1和柔性连接管a2）以及沿路基中心轴向设置的轴向长管（包括多个相互连通的刚性管c5和柔性连接管b6）随沉降产生的高差引起的水银柱的压力差，该压力差由液压传感器4测得，然后通过计算得到沉降量，从而能对路基纵、横向沉降量进行长期实时监测，并为了解路基沉降的发展过程，为预测其发展趋势提供依据，同时，通过计算得到沉降差，从而能及时采取措施，保证道路的正常运营。本发明具有长期实时监测，运作成本较低，定量监测沉降变形的特点。

Claims (2)

1.一种道路路基不均匀沉降的监测装置，其特征在于，包括横向长管与轴向长管，

所述横向长管包括多个水平设置的刚性管b(1)，相邻两刚性管b(1)通过柔性连接管a(2)相连接，每根刚性管b(1)与柔性连接管a(2)的连接处均设置有液压传感器(4)，连接后的刚性管b(1)的一个末端与刚性管a(3)的一端固接，刚性管b(1)与刚性管a(3)的连接处设置有液压传感器(4)，刚性管a(3)另一端与大气连通，刚性管a(3)竖直设置，连接后的刚性管b(1)未与刚性管a(3)连接的末端封闭并设置有液压传感器(4)，

所述轴向长管包括多个水平设置的刚性管c(5)，相邻两刚性管c(5)通过柔性连接管b(6)相连接，每根刚性管c(5)与柔性连接管b(6)的连接处均设置有液压传感器，连接后的刚性管c(5)一个末端与横向长管中的其中一条刚性管b(1)固接并连通，连接后的刚性管c(5)未与横向长管连接的末端封闭并设置有液压传感器(4)；

所述柔性连接管a(2)和柔性连接管b(6)以及与柔性连接管a(2)和柔性连接管b(6)连接的液压传感器(4)外部设置有保护罩(7)。

2.一种利用权利要求1所述监测装置对道路路基沉降进行监测的方法，具体按以下步骤进行：

步骤1：选取基准点

在装置中加注水银，将装置埋置于需要监测沉降的路基顶面，将横向长管横跨道路路基两侧布设，轴向长管沿道路中心轴向布设，将竖直设置的刚性管a(3)放置于监测断面的路基边坡外，固定于浇筑混凝土埋置的基座上；

在远离沉降区域的稳定地基上，设置混凝土浇筑的基准点，测量刚性管a(3)的基座顶面相对于基准点的初始标高；

步骤2：路基发生沉降后，计算沉降前后测量点与基准点之间的高差，

设刚性管a(3)基座点为C点，即基准点，以各液压传感器(4)的设置点作为测量点，设任意测量点为D点，按下式：

Δh_CD0＝(p_C0-p_D0)/ρg

计算得到沉降前C、D两点的高差Δh_CD0，其中，p_C0、p_D0分别为液压传感器(4)在步骤1记录的C、D两点的初始压力值，ρ为水银密度，g为重力加速度，

再根据下式：

Δh_CD1＝(p_C1-p_D1)/ρg

计算得到沉降后C、D两点的高差Δh_CD1，式中，p_C1、p_D1分别为液压传感器(4)在步骤2记录的沉降后基准点C点和测量点D点的压力值，ρ为水银密度，g为重力加速度；

刚性管a(3)基座沉降前后的高差为Δh

Δh＝h₁-h₀

式中h₀为沉降前刚性管a(3)基座相对于基准点C点的高差，h₁为沉降后刚性管a(3)基座相对于基准点C点的高差；

步骤3：计算测量点的沉降量S

根据步骤2计算得到的沉降前后测量点D点相对于刚性管a(3)的基准点C点的高差，按下式计算测量点D点的沉降量S_D1：

S_D1＝Δh+Δh_CD1-Δh_CD0

式中，Δh_CD0、Δh_CD1分别为步骤2计算得到的道路路基沉降前后测量点D点相对于刚性管a(3)基座点C点的高差；

步骤4，根据步骤2-3所述的方法，再得到道路路基沉降前后另外任意测量点E点相对于基准点的沉降量S_E1；

然后，根据下式计算两测量点E、D之间沉降前后的沉降差Δh_ED：

Δh_ED＝S_E1-S_D1

式中，S_E1、S_D1分别为步骤4计算得到的测量点E点和测量点D点相对于基准点C点的沉降量；

步骤5：将步骤4计算得到沉降量，作为路基纵、横向沉降的长期监测的基础数据，予以保存；

根据步骤4计算得到的沉降差，及时采取有效地措施，保证道路的正常运行。