CN109653185B - 一种多数据源盐渍土地区路基监测系统及其监测评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多数据源盐渍土地区路基监测系统，所述系统包括在路基用地范围内安装的微型气象站，所述微型气象站包括热辐射传感器、风速传感器、雨量计、相对湿度计，沿路基深度方向分层在路基中埋设的位移计、盐分传感器、体积含水率传感器、加速度计、土压力传感器，通过接线与路基用地范围内安装的数据采集与传输装置电性连接。本法发明通过微型气象站及数据采集与传输装置采集路基的多数据源，并将所得的数据换算为土体动模量、净蒸发率、含盐量和路基累积变形量后进行相关性分析，实现了对盐渍土地区公路长期运营后路面翻浆、路基沉降和路面开裂等病害的监测，同时对路基病害的成因和改善方法提供评价依据。

Description

一种多数据源盐渍土地区路基监测系统及其监测评价方法
技术领域
本发明属于交通运输工程和土木工程中岩土工程技术领域，尤其涉及一种多数据源盐渍土地区路基监测系统及其监测评价方法。
背景技术
我国西北部大量建成与建设中的基础设施位于内陆盐渍土地区，地下水是矿化度较高的盐水，主要以氯盐和硫酸盐为主。兰新铁路、敦煌机场、兰州新区机场、新疆哈密至罗布泊铁路、甘肃国道215线和青海国道315线等工程建设中，均对地基和路基的盐胀和溶陷进行了大量报道。目前盐渍土地区路基的处理多采用粗颗粒材料换填路床，或是铺筑防渗土工膜的方法，以达到隔断水盐上升的目的。但是，目前尚无系统的方法，对盐渍土地区公路长期运营后路面翻浆、路基沉降和路面开裂等病害产生的原因，进行系统的监测和评价。
从工程病害的成因分析，公路路基病害的成因主要包括：一、气候原因，地处干旱-半干旱气候环境下，蒸发量大于降雨量，地下水的盐分随毛细水不断上升并积聚，并入侵路基内部，引起路基盐渍化及膨胀溶沉等；二、车辆循环荷载，引起路面结构层的破坏，或由于循环荷载作用产生的累积变形，引起路基动弹性模量减小(刚度下降)；三、渗透边界条件与路基动弹性模量的耦合作用，引起路基内含水率的变化和路基刚度下降；四、路面材料在长期干燥环境下劣化引起的路面开裂。因此，对盐渍土地区路基长期服役性能进行多因素分析和监测评价具有极为重要的意义。
随着传感器技术和数据远程传输技术的发展，目前可以对土体和气象进行全面的远程监控。Cui等(Transportation Geotechnics,1(3),91-105)采用Penman-Monteith模型，利用空气湿度、温度和风速计算土壤水量蒸发率。Lamas-Lopez等(Soils&Foundations,56(4),627-639)通过加速度传感器和动应力传感器采集的路基数据，分析计算了土体的动模量。
本发明通过分析上述研究，结合现有技术中水盐在路基内的集聚与车辆动荷载的耦合过程难以监测评价的问题，并在研究分析了识别盐渍土路基病害发生的机理的基础上，提出了一种多数据源路基监测体系及数据分析和评价方法，能对盐渍土地区公路长期运营后路面翻浆、路基沉降和路面开裂等病害进行监测，并对其产生的原因进行系统的分析和评价。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多数据源盐渍土地区路基监测系统及其监测评价方法，旨在解决上述背景技术中现有技术对盐渍土地区公路长期运营后路面翻浆、路基沉降和路面开裂等病害产生的原因无法进行系统监测评价的问题。
本发明是这样实现的，一种多数据源盐渍土地区路基监测系统，所述系统包括在路基用地范围内安装的微型气象站，沿路基深度方向分层在路基中埋设的位移计、盐分传感器、体积含水率传感器、加速度计、土压力传感器；所述微型气象站包括热辐射传感器、风速传感器、雨量计、相对湿度计，在深度相同的路基填筑层中埋设盐分传感器、体积含水率传感器、加速度计，所述位移计、盐分传感器、体积含水率传感器、加速度计、土压力传感器分别通过接线与路基用地范围内安装的数据采集与传输装置电性连接。
优选地，所述土压力传感器为双膜土压力传感器。
优选地，在靠近水盐隔断层和路面结构层的路基填筑层中分别埋设一组所述盐分传感器、体积含水率传感器和加速度计。
本发明进一步提供了一种多数据源盐渍土地区路基的监测评价方法，该方法包括以下步骤：
(1)计算路基周围空气的净蒸发率
a.通过安装在路基用地范围内的微型气象站实时监测记录路基周围空气的湿度RH、温度T、风速u2和降雨量Q；
b.根据记录的空气的湿度RH、温度T及风速u2计算路基的蒸发率ET0，蒸发率ET0的计算公式如式(1)所示：
Figure GDA0002629017020000031
其中，Rn为太阳辐射强度，G是土的热通量，T是2m高度的日平均温度，u2是2m高度的风速，es是饱和蒸发压，ea是实际蒸发压，Δ是蒸发压与温度关系曲线的斜率，γ是干湿度常量。饱和蒸发压es和实际蒸发压ea计算公式如下：
Figure GDA0002629017020000032
Figure GDA0002629017020000033
Figure GDA0002629017020000034
c.再将所得蒸发率ET0与记录的降雨量Q相减，得到某时间段的净蒸发率ET0’。
(2)计算路基土体的动模量
a.通过路基用地范围内安装的数据采集与传输装置实时记录土压力传感器传输的竖向压应力σz，加速度计传输的车辆经过路基的竖向振动加速度az，体积含水率传感器传输的路基内部不同深度的体积含水率θw，盐分传感器传输的含盐量c和位移计传输的位移dz；
b.位移dz与竖向振动加速度az的关系如式(5)：
Figure GDA0002629017020000035
根据上部和下部积分得到的位移值的最大值，计算路基土体厚度为H范围的应变Δεmax，计算公式如式(6)：
Figure GDA0002629017020000041
c.根据土压力传感器传输数据，计算应力增量的最大值Δσzmax，结合应变Δεmax计算路基土体的动模量Ed，计算公式如式(7)：
Figure GDA0002629017020000042
(3)计算路基的质量含盐量C
根据路基内部不同深度的体积含水率θw及含盐量c计算路基的质量含盐量C，计算公式如式(8)：
Figure GDA0002629017020000043
(4)统计路基累积变形量Dz
根据位移计的数据统计路基累积变形量Dz。
(5)根据计算所得的路基周围空气的净蒸发率ET0’，路基土体的动模量Ed，路基的质量含盐量C以及路基累积变形量Dz，进行相关性分析；
①对质量含盐量C进行评价，当质量含盐量C低于某一阈值时，评价为弱盐渍土；当质量含盐量C高于该阈值时，评价为中盐渍土以上；所述阈值根据公路路基规范中不同的土体对应的数值查得；
②若路基为弱盐渍土，则通过相关性分析方法评价动模量Ed与路基累积变形量Dz的相关性，当其相关性系数表现为弱相关时，则直接对路面结构层进行评价；当其相关性系数表现为强相关时，则进一步评价气候影响参数净蒸发率ET0’与动模量Ed的相关性，当气候影响参数净蒸发率ET0’与动模量Ed的相关性系数表现为弱相关时，则需改善路基刚度；当气候影响参数净蒸发率ET0’与动模量Ed的相关性系数表现为强相关时，则需改善与水盐隔断层相关的渗透边界及路基刚度；
③若路基为中盐渍土以上，则评价质量含盐量C与路基累积变形量Dz的相关性：
a.当质量含盐量C与路基累积变形量Dz的相关性系数表现为弱相关时，则进一步评价动模量Ed与路基累积变形量Dz的相关性，当动模量Ed与路基累积变形量Dz的相关性系数表现为弱相关时，则直接对路面结构层进行评价；当动模量Ed与路基累积变形量Dz的相关性系数表现为强相关时，则需改善路基刚度；
b.当质量含盐量C与路基累积变形量Dz的相关性系数表现为强相关时，则进一步评价质量含盐量C与气候影响参数净蒸发率ET0’的相关性，当质量含盐量C与气候影响参数净蒸发率ET0’的相关性系数表现为强相关时，则说明原路基水盐隔断措施不适应该地区气候，需改善路基水盐隔断措施；当质量含盐量C与气候影响参数净蒸发率ET0’的相关性系数表现为弱相关时，则重复③a中动模量Ed与路基累积变形量Dz的相关性系数表现为弱相关时的评价方法。
优选地，所述相关性的评价方法采用Pearson相关性分析方法。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：本发明一种多数据源盐渍土地区路基监测系统能对盐渍土地区公路长期运营后路面翻浆、路基沉降和路面开裂等病害进行监测，通过安装热辐射传感器、风速传感器、雨量计和相对湿度计的微型气象站；同时在路基内部安装盐分传感器、体积含水率传感器、加速度计、土压力传感器监测土体情况并将数据远程传输；将所得的以上数据换算为土体动模量、净蒸发率、含盐量和路基累积变形量，并进行相关性分析，对路基病害的成因和改善方法提供评价依据。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种多数据源盐渍土地区路基监测系统的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的一种多数据源盐渍土地区路基的监测评价方法的流程图。
图中：1.热辐射传感器，2.风速传感器，3.雨量计，4.相对湿度计，5.位移计，6.盐分传感器，7.体积含水率传感器，8.加速度计，9.土压力传感器，10.接线，11.数据采集与传输装置，12.水盐隔断层，13.路面结构层，14.路基。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，一种多数据源盐渍土地区路基监测系统，包括在路基用地范围内安装的微型气象站，微型气象站包括热辐射传感器1、风速传感器2、雨量计3和相对湿度计4。沿路基深度方向分层在路基中埋设的位移计5、盐分传感器6、体积含水率传感器7、加速度计8、土压力传感器9，土压力传感器9选择双膜土压力传感器。在深度相同的路基填筑层中埋设盐分传感器6、体积含水率传感器7、加速度计8，位移计5、盐分传感器6、体积含水率传感器7、加速度计8、土压力传感器9分别通过接线10与路基用地范围内安装的数据采集与传输装置11电性连接。为了便于采集不同深度路基填筑层中的相关数据，更全面地对路基进行监测和评价，本系统在靠近水盐隔断层和路面结构层的路基填筑层中分别埋设一组所述盐分传感器、体积含水率传感器和加速度计。
采用上述的检测系统进行盐渍土地区路基的监测评价流程图如图2所示，检测评价的具体方法如下：
(1)计算路基周围空气的净蒸发率
a.通过安装在路基用地范围内的微型气象站实时监测记录路基周围空气的湿度RH、温度T、风速u2和降雨量Q；
b.根据记录的空气的湿度RH、温度T及风速u2计算路基的蒸发率ET0，蒸发率ET0的计算公式如式(1)所示：
Figure GDA0002629017020000071
其中，Rn为太阳辐射强度，G是土的热通量，T是2m高度的日平均温度，u2是2m高度的风速，es是饱和蒸发压，ea是实际蒸发压，Δ是蒸发压与温度关系曲线的斜率，γ是干湿度常量。饱和蒸发压es和实际蒸发压ea计算公式如下：
Figure GDA0002629017020000072
Figure GDA0002629017020000073
Figure GDA0002629017020000074
c.再将所得蒸发率ET0与记录的降雨量Q相减，得到某时间段的净蒸发率ET0’。
(2)计算路基土体的动模量
a.通过路基用地范围内安装的数据采集与传输装置11实时记录土压力传感器9传输的竖向压应力σz，加速度计8传输的车辆经过路基的竖向振动加速度az，体积含水率传感器7传输的路基内部不同深度的体积含水率θw，盐分传感器6传输的含盐量c和位移计5传输的位移dz；
b.位移dz与竖向振动加速度az的关系如式(5)：
Figure GDA0002629017020000075
根据上部和下部积分得到的位移值的最大值，计算路基土体厚度为H范围的应变Δεmax，计算公式如式(6)：
Figure GDA0002629017020000076
c.根据土压力传感器9传输数据，计算应力增量的最大值Δσzmax，结合应变Δεmax计算路基土体的动模量Ed，计算公式如式(7)：
Figure GDA0002629017020000081
(3)计算路基的质量含盐量C
根据路基内部不同深度的体积含水率θw及含盐量c计算路基的质量含盐量C，计算公式如式(8)：
Figure GDA0002629017020000082
(4)统计路基累积变形量Dz
根据位移计5的数据统计路基的累积变形量Dz。
(5)根据计算所得的路基周围空气的净蒸发率ET0’，路基土体的动模量Ed，路基的质量含盐量C以及路基累积变形量Dz，进行相关性分析，所使用的相关性分析方法为Pearson或其他相关性分析方法；
①对质量含盐量C进行评价，当质量含盐量C低于某一阈值时，评价为弱盐渍土；当质量含盐量C高于该阈值时，评价为中盐渍土以上；例如，根据公路路基规范，对于细粒土、氯盐渍土及亚氯盐渍土而言，该阈值为1％，对于硫酸盐渍土及亚硫酸盐渍土而言，该阈值为0.5％；
②若路基为弱盐渍土，则使用Pearson或其他相关性分析方法评价动模量Ed与路基累积变形量Dz的相关性，当其相关性系数表现为弱相关时，则直接对路面结构层13进行评价；当其相关性系数表现为强相关时，则进一步评价气候影响参数净蒸发率ET0’与动模量Ed的相关性，当气候影响参数净蒸发率ET0’与动模量Ed的相关性系数表现为弱相关时，则需改善路基14刚度；当气候影响参数净蒸发率ET0’与动模量Ed的相关性系数表现为强相关时，则需改善与水盐隔断层12相关的渗透边界及路基14刚度；
③若路基为中盐渍土以上，则使用Pearson或其他相关性分析方法评价质量含盐量C与路基累积变形量Dz的相关性：
a.当质量含盐量C与路基累积变形量Dz的相关性系数表现为弱相关时，则进一步评价动模量Ed与路基累积变形量Dz的相关性，当动模量Ed与路基累积变形量Dz的相关性系数表现为弱相关时，则直接对路面结构层13进行评价；当动模量Ed与路基累积变形量Dz的相关性系数表现为强相关时，则需改善路基14刚度；
b.当质量含盐量C与路基累积变形量Dz的相关性系数表现为强相关时，则进一步评价质量含盐量C与气候影响参数净蒸发率ET0’的相关性，当质量含盐量C与气候影响参数净蒸发率ET0’的相关性系数表现为强相关时，则说明原路基水盐隔断层12采用的水盐隔断措施不适应该地区气候，需改善路基水盐隔断措施；当质量含盐量C与气候影响参数净蒸发率ET0’的相关性系数表现为弱相关时，则重复③a中动模量Ed与路基累积变形量Dz的相关性系数表现为弱相关时的评价方法。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种多数据源盐渍土地区路基的监测评价方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)计算路基周围空气的净蒸发率
a.通过安装在路基用地范围内的微型气象站实时监测记录路基周围空气的湿度RH、温度T、风速u2和降雨量Q；
b.根据记录的空气的湿度RH、温度T及风速u2计算路基的蒸发率ET0，蒸发率ET0的计算公式如式(1)所示：
Figure FDA0002629017010000011
其中，Rn为太阳辐射强度，G是土的热通量，T是2m高度的日平均温度，u2是2m高度的风速，es是饱和蒸发压，ea是实际蒸发压，Δ是蒸发压与温度关系曲线的斜率，γ是干湿度常量；
公式(1)中的饱和蒸发压es和实际蒸发压ea计算公式如下：
Figure FDA0002629017010000012
Figure FDA0002629017010000013
Figure FDA0002629017010000014
c.再将所得蒸发率ET0与记录的降雨量Q相减，得到某时间段的净蒸发率ET0’；
(2)计算路基土体的动模量
a.通过路基用地范围内安装的数据采集与传输装置实时记录土压力传感器传输的竖向压应力σz，加速度计传输的车辆经过路基的竖向振动加速度az，体积含水率传感器传输的路基内部不同深度的体积含水率θw，盐分传感器传输的含盐量c和位移计传输的位移dz；
b.位移dz与竖向振动加速度az的关系如式(5)：
Figure FDA0002629017010000021
根据上部和下部积分得到的位移值的最大值，计算路基土体厚度为H范围的应变Δεmax，计算公式如式(6)：
Figure FDA0002629017010000022
c.根据土压力传感器传输数据，计算应力增量的最大值Δσzmax，结合应变Δεmax计算路基土体的动模量Ed，计算公式如式(7)：
Figure FDA0002629017010000023
(3)计算路基的质量含盐量C
根据路基内部不同深度的体积含水率θw及含盐量c计算路基的质量含盐量C，计算公式如式(8)：
Figure FDA0002629017010000024
(4)统计路基累积变形量Dz
根据位移计的数据统计路基的累积变形量Dz；
(5)根据计算所得的路基周围空气的净蒸发率ET0’，路基土体的动模量Ed，路基的质量含盐量C以及路基的累积变形量Dz，进行相关性分析；
①对质量含盐量C进行评价，当质量含盐量C低于某一阈值时，评价为弱盐渍土；当质量含盐量C高于该阈值时，评价为中盐渍土以上；所述阈值根据公路路基规范中不同的土体对应的数值查得；
②若路基为弱盐渍土，则评价动模量Ed与路基累积变形量Dz的相关性，当其相关性系数表现为弱相关时，则直接对路面结构层进行评价；当其相关性系数表现为强相关时，则进一步评价气候影响参数净蒸发率ET0’与动模量Ed的相关性，当气候影响参数净蒸发率ET0’与动模量Ed的相关性系数表现为弱相关时，则需改善路基刚度；当气候影响参数净蒸发率ET0’与动模量Ed的相关性系数表现为强相关时，则需改善与水盐隔断层相关的渗透边界及路基刚度；
③若路基为中盐渍土以上，则评价质量含盐量C与路基累积变形量Dz的相关性：
a.当质量含盐量C与路基累积变形量Dz的相关性系数表现为弱相关时，则进一步评价动模量Ed与路基累积变形量Dz的相关性，当动模量Ed与路基累积变形量Dz的相关性系数表现为弱相关时，则直接对路面结构层进行评价；当动模量Ed与路基累积变形量Dz的相关性系数表现为强相关时，则需改善路基刚度；
b.当质量含盐量C与路基累积变形量Dz的相关性系数表现为强相关时，则进一步评价质量含盐量C与气候影响参数净蒸发率ET0’的相关性，当质量含盐量C与气候影响参数净蒸发率ET0’的相关性系数表现为强相关时，则说明原路基水盐隔断措施不适应该地区气候，需改善路基水盐隔断措施；当质量含盐量C与气候影响参数净蒸发率ET0’的相关性系数表现为弱相关时，则重复③a中动模量Ed与路基累积变形量Dz的相关性系数表现为弱相关时的评价方法。
2.如权利要求1所述的多数据源盐渍土地区路基的监测评价方法，其特征在于，所述相关性的评价方法采用Pearson相关性分析方法。
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