CN107024425A - 寒区路基冻融监测系统及其实施方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种寒区路基冻融监测系统及其实施方法，所述监测系统包括传感器、数据采集记录仪、太阳能电池、太阳能控制器、畜电池和电脑，传感器与数据采集记录仪相连，数据采集记录仪与电脑相连，太阳能控制器分别与数据采集记录仪、太阳能电池和畜电池相连，畜电池与数据采集记录仪相连。本发明的路基冻融监测系统可以实现监测数据的连续自动采集及存贮；通过同一竖向上传感器的钢筋预固定及钢筋在坑槽中位置的固定，从而可以保证传感器的位置埋设精度控制；通过坑槽开挖原土的人工回填，并进行回填土压实度的分层对比控制，保证传感器附近回填土体与周围土体状态的一致性，从而保证了测量数据的有效性。
Description
技术领域
本发明涉及一种路基冻融监测系统及其实施方法。
背景技术
路基的冻融破坏是寒区公路的一种典型的破坏形式。由于环境温度及路基湿度的变化所引起的冻融问题会导致路基的冻胀、翻浆冒泥及不均匀沉降等病害的发生，严重影响到公路的服役性能。而寒区路基冻融破坏与路基内部的温度及湿度场的分布与变化密切相关。因此，针对寒区公路路基的冻融破坏问题，通过对路基内部的温-湿度场进行适时监测，可以明确路基冻融破坏的发展过程、影响因素及其产生机理，从而为路基冻融破坏问题的有效解决提供理论依据。
路基冻融监测系统的合理性、有效性及方便性，主要与两个环节密切相关，一是在监测方案的设计上要合理有效，设计方案既要充分考虑监测区域的气候及工程特点，又要方便数据的采集；二是在监测方案的实施过程中，重点是要采取合适的工艺，保证传感器的成活和有效性。目前在路基冻融监测方面还没有形成有效的技术方案；而在监测方案的实施过程中，目前一般采用路基形成后，采用钻孔的方式进行传感器布设，该种方式虽然具有对原路基破坏较小的优势，但在传感器的埋设过程中，存在埋设位置不够准确、传感器成活率较低的技术问题。此外，在传感器埋设过程中，需要对钻孔进行回填，由于受到钻孔孔径的限制，传感器周围的回填状态（土体压实度及湿度）很难达到路基原来的状态，使得传感器所处的外在土壤环境发生了变化。在这种情况下，传感器很难测得路基内部真实的温-湿度数据，影响了监测数据的有效性。
发明内容
针对寒区公路路基的冻融破坏问题，本发明提供了一种寒区路基冻融监测系统及其实施方法，通过对其温-湿度场进行适时监测，可以明确路基冻融破坏的发展过程、影响因素及其产生机理。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种寒区路基冻融监测系统，包括传感器、数据采集记录仪、太阳能电池、太阳能控制器、畜电池和电脑，其中：
所述传感器与数据采集记录仪相连，数据采集记录仪与电脑相连，太阳能控制器分别与数据采集记录仪、太阳能电池和畜电池相连，畜电池与数据采集记录仪相连；
所述传感器在路基顶面以下沿竖向和横向等间距布置，其中：竖向布置深度为D，相邻传感器的竖向布置间隔为d；横向布置宽度为H，相邻传感器的横向布置间隔为h。
一种上述寒区路基冻融监测系统的实施方法，包括如下步骤：
一、传感器的埋设
（1）传感器预固定
a、以每个竖向在一条直线上的传感器作为一组，按照设定的传感器间距d将传感器固定在钢筋上，并使钢筋一端预留0.5m的长度；
b、将传感器的数据线沿钢筋汇集并固定在钢筋上，并对每根数据线对应的传感器位置进行标识；
（2）路基坑槽开挖
按照传感器的布置宽度H，采用人工的方式进行传感器埋设坑槽的开挖；
（3）传感器位置固定
a、当开挖深度超过竖向布置深度0.1m时，停止开挖，对坑槽底进行整平，修整坑槽侧壁，保证其竖直；
b、沿着坑槽侧壁在坑槽底标记出传感器横向位置；
c、将固定好传感器的钢筋沿坑槽侧壁竖直放下，按照坑槽底已标记好的传感器横向位置，使钢筋预留端插入坑槽底部土中，并用水准尺校核钢筋的竖直度，用直尺校核传感器竖向位置，当位置满足要求后，沿基坑侧壁对钢筋进行固定；
d、重复步骤c，完成所有竖向预固定好传感器钢筋的固定；
e、将所有传感器的数据线沿坑槽底汇集在一起进行固定，并于坑槽一边引出坑槽；
（4）路基坑槽回填
当所有传感器固定完成之后，使用原土进行坑槽的回填；
二、系统调试
连接所有线路，检测每个传感器的成活情况，进行采集参数的设置并开始数据的自动采集。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、结合监测路基当地的气候特点及路基状况提出了路基冻融监测系统，可以实现监测数据的连续自动采集及存贮。
2、通过同一竖向上传感器的钢筋预固定及钢筋在坑槽中位置的固定，从而可以保证传感器的位置埋设精度控制。
3、通过坑槽开挖原土的人工回填，并进行回填土压实度的分层对比控制，保证传感器附近回填土体与周围土体状态的一致性，从而保证了测量数据的有效性。
附图说明
图1为寒区路基冻融监测系统的结构示意图，图中：1-数据采集记录仪，2-电脑，3-蓄电池，4-太阳能控制器，5-太阳能电池，6-路基顶面，7-传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式中的寒区路基冻融监测系统由传感器7、数据采集记录仪1、太阳能电池5、太阳能控制器4、畜电池3、电脑2构成，其中：
所述传感器7包括温度传感器和湿度传感器，也可以采用温湿度一体传感器，其布置方式如下：传感器7在路基顶面6以下的竖向布置深度为D，布置深度参照当地大地冻深确定，设当地的大地冻深为D0，则D≥D0。传感器7的竖向布置间隔为d。考虑到路基竖向的温度梯度变化，取d=0.5m较为适宜。传感器7横向布置宽度为H，考虑到路基结构横向的对称性，布置宽度可取路基宽度（H0）的一半，即H=0.5 H0。传感器7的横向布置间隔为h，考虑到路基横向的温度梯度变化，取h=1m较为适宜。
所述数据采集记录仪1用于采集路基内部的温-湿度数据并存贮数据，可以设置采样频率，自动显示，并可以设置休眠模式，即在采集完数据后自动关机，以节约用电。数据采集记录仪1采用太阳能电池5和畜电池3组成的双供电模式。在白天阳光充足的情况下由太阳能电池5通过太阳能控制器4直接给数据采集记录仪1供电；在夜晚或阴雨天由畜电池3供电，太阳能电池5通过电阳能控制器4可以给畜电池3充电；通过该种方式可以实现采集系统的长期无人职守工作。在获取采集数据时，用电脑2与数据采集记录仪1相连，读取数据采集记录仪1采集的数据，并通过电脑2对数据采集记录仪1进行指令操作。
具体实施方式二：本实施方式提供了一种寒区路基冻融监测系统的施工方法，具体实施步骤如下：
一、传感器的埋设
为了保证传感器埋设位置的准确性，保证其成活率及采集数据的有效性，采用如下埋设技术方案：
（1）传感器准备
在确定传感器的布置方案之后，对每个传感器进行校核、标定。然后进行传感器的预固定，每个竖向在一条直线上的传感器作为一组，按照设定的传感器间距d将传感器固定在φ16钢筋上，保证传感器固定牢固，间距准确。同时将传感器的数据线沿钢筋汇集并固定在钢筋上，并对每根数据线对应的传感器位置进行标识。钢筋一端预留0.5m的长度。
（2）路基坑槽开挖
按照传感器的布置宽度H，采用人工的方式进行传感器埋设坑槽的开挖。从路基边坡侧向中间开挖。开挖宽度为0.5m，并保证开挖坑槽侧壁竖直。开挖深度达到d时，检测开挖顶面路基的压实度，继续下挖，每次下挖距度达到d时，均检测开挖顶面路基的压实度，并进行记录。挖出的土堆在坑边，并注意覆盖，避免土中水分的散失。
（3）传感器位置固定
当开挖深度超过竖向布置深度（D）0.1m时，停止开挖，对坑槽底进行整平，修整坑槽侧壁，保证其竖直。沿着坑槽侧壁在坑槽底标记出传感器横向位置。将前述已固定好传感器的钢筋沿坑槽侧壁竖直放下，按照坑槽底已标记好的传感器横向位置，使钢筋预留0.5m的一端插入坑槽底部土中，并用水准尺校核钢筋的竖直度，用直尺校核传感器竖向位置，当位置满足要求后，沿基坑侧壁对钢筋进行固定。以此类推，完成所有竖向预固定好传感器钢筋的固定。所有传感器的数据线沿坑槽底汇集在一起进行固定，并于坑槽一边引出坑槽。
（4）路基坑槽回填
当所有传感器固定完成之后，进行坑槽的回填。回填采用人工的方式进行，分层回填，并进行人工夯实。在对接近传感器的位置进行夯实时，应注意避免传感器的损坏，小心夯实。当回填土顶面达到传感器的对应位置时，对回填土的压实度进行检测，并与之前开挖时的相应压实度进行对比，保证二者一致之后再继续进行回填夯实，直致坑槽全部回填完毕。
二、系统调试
在路基一侧设置数据采集箱，将数据采集记录仪、太阳能控制器、畜电池置于箱内。太阳能电池板固定好，连接好所有线路，并将传感器数据线与数据采集记录仪相连。数据采集记录仪与电脑相连，检测每个传感器的成活情况，进行采集参数的设置，并开始数据的自动采集。
Claims (10)
1.一种寒区路基冻融监测系统，其特征在于所述监测系统包括传感器、数据采集记录仪、太阳能电池、太阳能控制器、畜电池和电脑，其中：所述传感器与数据采集记录仪相连，数据采集记录仪与电脑相连，太阳能控制器分别与数据采集记录仪、太阳能电池和畜电池相连，畜电池与数据采集记录仪相连；所述传感器在路基顶面以下沿竖向和横向等间距布置，其中：竖向布置深度为D，相邻传感器的竖向布置间隔为d；横向布置宽度为H，相邻传感器的横向布置间隔为h。
2.根据权利要求1所述的寒区路基冻融监测系统，其特征在于所述D≥D0，D0为当地的大地冻深。
3.根据权利要求1所述的寒区路基冻融监测系统，其特征在于所述d=0.5m。
4.根据权利要求1所述的寒区路基冻融监测系统，其特征在于所述H=0.5 H0，H0为路基宽度。
5.根据权利要求1所述的寒区路基冻融监测系统，其特征在于所述h=1m。
6.根据权利要求1所述的寒区路基冻融监测系统，其特征在于所述传感器为温度传感器和湿度传感器，或者为温湿度一体传感器。
7.一种权利要求1-6任一权利要求所述的寒区路基冻融监测系统的实施方法，其特征在于所述方法步骤如下：
一、传感器的埋设
（1）传感器预固定
a、以每个竖向在一条直线上的传感器作为一组，按照设定的传感器间距d将传感器固定在钢筋上，并使钢筋一端预留0.5m的长度；
b、将传感器的数据线沿钢筋汇集并固定在钢筋上，并对每根数据线对应的传感器位置进行标识；
（2）路基坑槽开挖
按照传感器的布置宽度H，采用人工的方式进行传感器埋设坑槽的开挖；
（3）传感器位置固定
a、当开挖深度超过竖向布置深度0.1m时，停止开挖，对坑槽底进行整平，修整坑槽侧壁，保证其竖直；
b、沿着坑槽侧壁在坑槽底标记出传感器横向位置；
c、将固定好传感器的钢筋沿坑槽侧壁竖直放下，按照坑槽底已标记好的传感器横向位置，使钢筋预留端插入坑槽底部土中，并用水准尺校核钢筋的竖直度，用直尺校核传感器竖向位置，当位置满足要求后，沿基坑侧壁对钢筋进行固定；
d、重复步骤c，完成所有竖向预固定好传感器钢筋的固定；
e、将所有传感器的数据线沿坑槽底汇集在一起进行固定，并于坑槽一边引出坑槽；
（4）路基坑槽回填
当所有传感器固定完成之后，使用原土进行坑槽的回填；
二、系统调试
连接所有线路，检测每个传感器的成活情况，进行采集参数的设置并开始数据的自动采集。
8.根据权利要求7所述的寒区路基冻融监测系统的实施方法，其特征在于所述传感器埋设坑槽的开挖方法如下：从路基边坡侧向中间开挖，保证开挖坑槽侧壁竖直；当开挖深度达到d时，检测开挖顶面的压实度，继续下挖，每次下挖距度达到d时，均检测开挖顶面的压实度，并进行记录。
9.根据权利要求7所述的寒区路基冻融监测系统的实施方法，其特征在于所述开挖宽度为0.5m。
10.根据权利要求7所述的寒区路基冻融监测系统的实施方法，其特征在于所述坑槽的回填采用人工的方式，分层回填，并进行人工夯实，当回填土顶面达到传感器的对应位置时，对回填土的压实度进行检测，并与之前开挖时的相应压实度进行对比，保证二者一致之后再继续进行回填夯实，直致坑槽全部回填完毕。
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