CN109112938A - 路基内部分层变形实时监测系统及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本公开公开了一种路基内部分层变形实时监测系统及安装方法，包括沉降帽、表面防护盖、沉降板、软管、碳纤维杆、卡环基座、导线和位移传感器，沉降帽的上端设置表面防护盖，下端连接沉降板，沉降板上设置有若干位移传感器，且位移传感器的探针伸出沉降帽外，位移传感器的导线从沉降帽翼缘处引出，导线外套有软管；位移传感器的下端与多个碳纤维杆连接，碳纤维杆并排设置，且长度依次增加，且最长的碳纤维杆底端通过螺纹方式连接在设置在路基钻孔内的锚固端上，碳纤维杆上间隔设置有卡环基座，且卡环基座之间设置有波纹管，以容纳所述碳纤维杆。本公开能够测量多深度的土壤刚度,减少测量的时间和成本。

Description

路基内部分层变形实时监测系统及其安装方法

技术领域

本公开涉及一种路基内部分层变形实时监测系统及其安装方法。

背景技术

目前现场对土体内部位移的测量方法，主要的一种原位测试方法是将一根圆形沉降管锚固到基岩，把磁环套在沉降管外围，埋设在各观测层面位置。在土体发生位移时，磁环可随土体一起位移而沉降管不会下沉，磁环则沿沉降管轴产生移动，通过测算磁环与沉降管之相对滑移量，实现测量目的。

该方法存在以下缺点：1、沉降管埋设位置不能压实处理，沉降管附近土体与离沉降管较远处土体性质存在差异，造成测量误差；2、检测时必须从沉降管的孔中放下磁性探头才能测量磁环的位置，只能人工测量，精度差，工作量大，效率低。

土体刚度测定的要求包括(1)土体表面预加的应力(2)测量土的竖向形变。当前面临的问题是在缺少能够在不同的深度获取原位土壤条件的实际刚度数据的仪器,以获得对现有土壤条件的定义和评估所需的数据,适当地确定上覆路面系统现有的承载能力。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种路基内部分层变形实时监测系统及其安装方法，本公开能够测量多深度的土壤刚度,通过自动配对系统提供快速、准确的连续测量,以减少测量的时间和成本。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种路基内部分层变形实时监测系统，包括沉降帽、表面防护盖、沉降板、软管、碳纤维杆、卡环基座、导线和位移传感器，其中：

所述沉降帽的上端设置表面防护盖，下端连接沉降板，所述沉降板上设置有若干位移传感器，且位移传感器的探针伸出沉降帽外，所述位移传感器的导线从沉降帽翼缘处引出，导线外套有软管；

所述位移传感器的下端与多个碳纤维杆连接，所述碳纤维杆并排设置，且长度依次增加，碳纤维杆上间隔设置有卡环基座，且卡环基座之间设置有波纹管，以容纳所述碳纤维杆。

作为进一步的限定，所述表面防护盖用螺栓连接在沉降帽上，沉降板胶结在沉降帽底部，位移传感器胶结在沉降板上。

作为进一步的限定，所述沉降帽的翼缘和底部均设置有钻孔，沉降板设置有对应的孔。

作为进一步的限定，所述碳纤维杆与位移传感器采用螺纹方式连接，碳纤维杆的底端与卡环基座通过螺纹方式连接，最长的碳纤维杆底端通过螺纹方式连接在锚固端上。

作为进一步的限定，所述位移传感器为LVDT位移传感器,且LVDT位移传感器的探针外部设置有弹簧，且探针底端设置有外螺纹。

作为进一步的限定，所述卡环基座由上下两部分组成，其中间夹有外包橡胶的钢球，卡环基座上设置有至少一个具有内螺纹的孔洞和数个孔径大于碳纤维杆的孔洞。

作为进一步的限定，所述锚固端的顶部有一具有内螺纹的孔洞，以和对应的碳纤维杆连接。

作为进一步的限定，所述卡环基座与外部介质共同进行垂直移动，卡环基座的运动带动碳纤维杆做相应的垂直运动，碳纤维杆的运动被其上部的位移传感器所接收。

作为进一步的限定，所述碳纤维杆的长度不同，且长度与路基土每一层的深度相适配，每个卡环基座对应设置在每个碳纤维杆的末端，与其对应的碳纤维杆固定好，按照从最底层开始的顺序逐一设置，保证每个卡环基座均处于两层路基土层交界位置。

上述监测系统的安装方法，包括以下步骤：将监测系统放入预先钻好的孔洞中，达到预设深度后，将锚固端固定，依次拧紧碳纤维杆，将卡环基座中的钢球挤出，令卡环基座固定在波纹管内，波纹管与孔壁之间的空隙采用灌注柔性聚氨酯发泡材料的方式进行填充，使波纹管与土体形成一个整体，共同进行竖直方向的位移；位移传感器探针穿过沉降板和沉降帽预留的孔洞，沉降帽固定在土体中，把位移传感器的探针与碳纤维杆上端拧紧，将位移传感器胶结在沉降板上，位移传感器的导线外套上软管，再令其穿过翼缘处预留孔洞，与外部接收装置相连，表面防护盖固定在沉降帽上。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

1、本公开应用于现场测试，解决了无法便捷测试土体内部位移情况的难题。本公开能直观、准确、有效的测试土体内部各个土层的位移。

2、本公开的位移传感器采用可拆卸形式，放置在头部结构内，该头部构件可以从表面打开，以使传感器可以方便放入和取出，通过位于细长构件中的锚固装置，将传感器固定在每一土层对应位置处。

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为本公开的主视图。

图2为沉降帽内部的结构的主视图。

图3为LVDT位移传感器探针与碳纤维杆连接处的主视图。

图4为一个卡环基座处的主视图。

其中，1、沉降帽，2、表面防护盖，3、沉降板，4、波纹软管，5、细长碳纤维杆，6、卡环基座，7、导线，8、软管，9、LVDT位移传感器，10、锚固端。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

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。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

如图1所示，在土体中钻孔，将本系统放置在孔中，将细长碳纤维杆5，其向下延伸穿过卡环基座固定器6，直至底部锚固端10，锚固端10采用液压锚。锚固端10通过卡环或机械连接元件与波纹管4相连接，通常将锚固端10固定在路面下方2-3米处。锚固端固定完成后，锚固件嵌入路基中，锚固件10膨胀后变得足够长且宽后，便可以将系统固定在其安装位置，即本测量系统唯一允许的运动形式为纵向移动。将本装置延伸，穿过路面面层、路面基层及路基，与锚固端10相连接。将沉降帽1放置在细长碳纤维杆5的顶部，用螺丝或其他机械构件连接，沉降帽中的每个LVDT位移传感器9与下部的细长碳纤维杆5相接触。令沉降帽1的顶部与路面相齐平，沉降帽1内包含LVDT位移传感器9及沉降板3，用导线7使其穿过路面并连接至数据采集系统，导线7外均套有软管8(图中未示出)以维持其正常使用及免受外部环境的影响。沉降帽1采用边长为10cm的立方体，表面防护盖2采用可拆卸装置以方便箱内组件的养护和维修。

如图2所示，在波纹软管4内设置数个卡环基座6，以维持碳纤维杆的稳定和降低碳纤维杆的用量来降低成本。如图4所示卡环基座，将测量该层位移的碳纤维杆通过螺丝形式固定在卡环基座6上，令其上端与对应的LVDT位移传感器探针相连。在本层的卡环基座上还需有其余2个孔，孔径需略大于碳纤维杆5的直径，使其余2根碳纤维杆能够正常通过此卡环而不受其影响，这2根杆分别是最下层路基对应的杆和锚固端对应的杆。所有的卡环基座均以相似的方式固定在与之对应的杆上。

按照钻孔取芯所测数据，确定路基土每一层的深度，分别制作与之相对应长度的碳纤维杆5。将每个卡环基座6与其对应的碳纤维杆5固定好，按照从最底层开始的顺序逐一放入，令已放入的杆穿过卡环基座6上预留的孔。将所有碳纤维杆5放置完成后，卡环基座6均处于两层路基土层交界位置。如图4所示，将杆件扭紧后，会将卡环基座中间的橡胶包裹的钢球挤出，使其向外移出并与波纹管4内壁相咬合，卡环基座6便被固定在了波纹管4上。在安装完成后，用水泥砂浆将波纹软管4与所钻孔之间的环形间隙进行填充。这样就可以保证内部的卡环基座6与外部介质共同进行垂直移动，而卡环基座6的运动又会带动碳纤维杆5做相应的垂直运动，碳纤维杆的5的运动又会被其上部的LVDT位移传感器9所接收，并通过导线7传输到外部的显示器上。因此，采用本监测系统，可以方便的实时监测路基各层的沉降状况。

对于本监测系统，应对以下事项进行注意。为保证波纹软管4的稳定与节省填充材料，应使所钻孔的孔径仅略大于波纹软管4外径。软管纵向须是柔性的，以随外部介质的竖向位移而位移。但在其他方向上，波纹软管4必须具有足够的刚性，以抵抗来自压实土壤的压力。为确保碳纤维杆5的位移不受湿气等其他环境因素的影响，波纹软管4必须具有较好的防水性能。碳纤维材料具有足够的刚性与稳定性，在本监测系统的使用寿命中可以满足准确反应外部介质竖向位移的要求。

本公开没有串联的电气元件，每组位移传感器、杆、环、锚都是彼此之间没有相互影响的单独组件组合。如果其中一组组件中因某些原因而失效，则仅丢失该组所对应深度处的测量值，其他组所测数据并不会受到影响。本装置将较为简易的机械部件安装在难以接近的地下位置，而将精密的电气部件放置在便于维修的沉降帽1中。若LVDT位移传感器或导线7出现问题，仅需打开位于路面处的表面防护盖2，便可以进行维修或更换。

本监测系统的大部分组件均采用预制构件，故现场安装非常简便。可提前将每个碳纤维杆5逐一穿过卡环基座6，再将沉降帽安装在碳纤维杆5的顶部，安装完成后将本监测系统整体拉至施工处。现场施工仅需进行如下三个步骤：(1)钻出具有足够深度和孔径的孔。(2)将本监测系统整体降至孔中。(3)填充波纹软管与孔壁之间的空隙。这种简单快速的安装方式可以所需安装人员的数量和安装时间，整个现场安装过程可以在三个小时甚至更短的时间内完成。这种简单快速的安装过程在节约成本和便于施工等方面都有显著的效果。若所安装的路面为机场跑道、高速公路或城市主干道等，长期封闭所带来的问题是显而易见的。

本监测系统可以内部安装大量的LVDT位移传感器、碳纤维杆等，故可以测量各个深度处的沉降变化，仅需增加组件和增大钻孔直径即可。本公开提供了快速的自动测量路基沉降的方法，减少了测量的时间和成本，可以将数据自动记录并储存起来。

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。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种路基内部分层变形实时监测系统，其特征是：包括沉降帽、表面防护盖、沉降板、软管、碳纤维杆、卡环基座、导线和位移传感器，其中：

所述沉降帽的上端设置表面防护盖，下端连接沉降板，所述沉降板上设置有若干位移传感器，且位移传感器的探针伸出沉降帽外，所述位移传感器的导线从沉降帽翼缘处引出，导线外套有软管；

所述位移传感器的下端与多个碳纤维杆连接，所述碳纤维杆并排设置，且长度依次增加，且最长的碳纤维杆底端通过螺纹方式连接在设置在路基钻孔内的锚固端上，碳纤维杆上间隔设置有卡环基座，且卡环基座之间设置有波纹管，以容纳所述碳纤维杆。

2.如权利要求1所述的一种路基内部分层变形实时监测系统，其特征是：所述表面防护盖用螺栓连接在沉降帽上，沉降板胶结在沉降帽底部，位移传感器胶结在沉降板上。

3.如权利要求1所述的一种路基内部分层变形实时监测系统，其特征是：所述沉降帽的翼缘和底部均设置有钻孔，沉降帽的底部与沉降板胶结，沉降板设置有对应的孔。

4.如权利要求1所述的一种路基内部分层变形实时监测系统，其特征是：所述碳纤维杆与位移传感器采用螺纹方式连接，碳纤维杆的底端与卡环基座通过螺纹方式连接，最长的碳纤维杆底端通过螺纹方式连接在锚固端上。

5.如权利要求1所述的一种路基内部分层变形实时监测系统，其特征是：所述位移传感器的探针外部设置有弹簧，且探针底端设置有外螺纹。

6.如权利要求1所述的一种路基内部分层变形实时监测系统，其特征是：所述卡环基座由上下两部分组成，其中间夹有外包橡胶的钢球，卡环基座上设置有至少一个具有内螺纹的孔洞和数个孔径大于碳纤维杆的孔洞。

7.如权利要求1所述的一种路基内部分层变形实时监测系统，其特征是：所述锚固端的顶部有一具有内螺纹的孔洞，以和对应的碳纤维杆连接。

8.如权利要求1所述的一种路基内部分层变形实时监测系统，其特征是：所述卡环基座与外部介质共同进行垂直移动，卡环基座的运动带动碳纤维杆做相应的垂直运动，碳纤维杆的运动被其上部的位移传感器所接收。

9.如权利要求1所述的一种路基内部分层变形实时监测系统，其特征是：所述碳纤维杆的长度不同，且长度与路基土每一层的深度相适配，每个卡环基座对应设置在每个碳纤维杆的末端，与其对应的碳纤维杆固定好，按照从最底层开始的顺序逐一设置，保证每个卡环基座均处于两层路基土层交界位置。

10.如权利要求1-9中任一项所述的监测系统的安装方法，其特征是：包括以下步骤：将监测系统放入预先钻好的孔洞中，达到预设深度后，将锚固端固定，依次拧紧碳纤维杆，将卡环基座中的钢球挤出，令卡环基座固定在波纹管内，波纹管与孔壁之间的空隙采用灌注柔性聚氨酯材料的方式进行填充，使波纹管与土体形成一个整体，共同进行竖直方向的位移；位移传感器探针穿过沉降板和沉降帽预留的孔洞，沉降帽固定在土体中，把位移传感器的探针与碳纤维杆上端拧紧，将位移传感器胶结在沉降板上，位移传感器的导线外套上软管，再令其穿过翼缘处预留孔洞，与外部接收装置相连，表面防护盖固定在沉降帽上。