CN111982709A

CN111982709A - 路基动态回弹模量传感器及其埋设与测试方法

Info

Publication number: CN111982709A
Application number: CN202010852989.4A
Authority: CN
Inventors: 张锋; 尹思琪; 朱龙; 刘天赐; 唐康为; 陆许锋; 王东升; 冯德成
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2020-08-22
Filing date: 2020-08-22
Publication date: 2020-11-24

Abstract

本发明公开了一种路基动态回弹模量传感器及其埋设与测试方法，所述传感器包括垫片、基座、底板和连接屏蔽线的压电陶瓷片，其中：所述基座为圆柱体，包括外环和内环；所述外环的上表面每120°开一个外环圆孔；所述内环的上表面向下凹陷形成内环凹槽，内环的中部开内圆孔；所述外环和内环的下表面正对某一外环圆孔向上凹陷形成底部凹槽；所述内环凹槽内放置两片垫片，两片垫片间的空隙正对底部凹槽，压电陶瓷片插在两片垫片间的空隙中；所述底板为对应基座外环圆孔开孔的带底板圆孔的薄带孔圆柱体；所述外环圆孔和底板圆孔供螺纹杆穿入，将底板贴合基座。相较于现有的路基回弹模量测试系统，具有以下四个优点：(1)快速获取路基动态回弹模量；(2)无损测量；(3)经济简单；(4)易于携带。

Description

路基动态回弹模量传感器及其埋设与测试方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，涉及一种用于路基动态回弹模量监测的传感器及其埋设与测试方法。

背景技术

路基是道路的基础，回弹模量是公路路基设计、施工和养护的重要参数。回弹模量是描述路基土与粒料力学特性的主要参数之一，过去40多年，国外许多道路研究机构和科研人员曾致力于路基土与粒料回弹响应的研究，发现影响路基回弹模量的因素包括：土的种类与颗粒性质、湿度、密度、应力水平、应力历史等，并基于此建立一些预估模型，为路基设计带来一定便利。目前测定路基回弹模量的方法主要有现场承载板法、贝克曼梁弯沉法。

现场承载板法先通过千斤顶加载预压，然后进行逐级加载卸载，记录每次加载和卸载时两台路面弯沉仪上百分表的数值，随后通过压力-变形曲线，测定出每级荷载相应的回弹变形值，计算得到路基的静态回弹模量值。贝克曼梁法通过测试标准车后轴双轮轮隙中心处的回弹弯沉值，并考虑温度修正、路面弯沉仪支点的变形修正因素，计算得到路基的代表弯沉值，并结合路基材料的泊松比和路基的代表弯沉值，计算结构层的静态回弹模量值。

综上可知，现有方法多为静态。随着新版《公路沥青路面设计规范(JTG D50-2017)》和《公路路基设计规范(JTG D30-2015)》的相继颁布实施，路基动态回弹模量已经代替原有的静态回弹模量指标。限于测试过程的技术复杂性和试验设备的昂贵性，我国路基动态回弹模量指标距离工程应用还存在一定距离。为推进新版沥青路面、路基规范的顺利运行，减少路基动态回弹模量测试工作，设计发明一种操作简单、价格便宜、计算简便且精度高的测量路基动态回弹模量的仪器成为了亟待解决的问题。

广泛应用于土体小应变剪切模量获取的弯曲元剪切波速测试为解决这个问题提供了灵感。弯曲元是一种可实现机械能和电能相互转化的机电元件，分为发射元和接收元两部分。发射元在输入的激振信号下发生机械振动，所产生的剪切波经过土样后传播至接收元，使之发生振动而产生电信号。激振信号和接收信号通过示波器显示并记录，通过比对激振信号和接收信号可得到剪切波的传播时间，在传播距离已知的前提下通过计算得到剪切波速。继而通过剪切波速和小应变剪切模量之间的转换公式得到土体的小应变剪切模量。而若能建立剪切波速和动态回弹模量之间的转换公式，则可通过弯曲元测得的波速转换得到土体的动态回弹模量。当前，弯曲元剪切波速测试方法的研究已较为成熟。其中压电陶瓷弯曲元波速测试技术由于原理简明、操作便捷及无损检测等特点，被广泛应用在各种土工仪器中进行土样小应变剪切波速的测量研究。例如浙江大学在2002年开发了在三轴室内安装压电陶瓷弯曲元的土样波速测试装置(专利号：02261611.X)，随后又开发了在固结仪上安装压电陶瓷元的土样波速测试装置(专利号：200520013094.2)，2008年浙江大学周燕国等人开发了直接利用压电陶瓷弯曲元在现场进行土体波速测试的测试方法和相应装置(专利号：200820086397.0)，避免取样扰动对波速测试结果的影响。

综上，当前的路基回弹模量测量技术存在以下不足：(1)大部分测量结果为静态回弹模量，难以满足规范需求；(2)土体波速测试技术已经相当成熟，波速与小应变剪切模量的转换关系也已建立，建立波速与动态回弹模量之间的转换关系也是可能的。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简便、数据易处理，易于携带且经济性高的路基动态回弹模量传感器及其埋设与测试方法，旨在利用弯曲元技术对土体剪切波速进行测量，通过建立的剪切波速和路基动态回弹模量之间的关系，将传感器直接测得的波速数据转换为路基动态回弹模量值，实现路基动态回弹模量的快速、准确、无损获取。本发明突破了现有剪切波速测试技术仅应用于小应变剪切模量获取的局限，利用传感器测量路基的剪切波速，建立剪切波速与路基动态回弹模量之间的关系，通过易测的剪切波速更快更便捷地获得路基动态回弹模量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种路基动态回弹模量传感器，包括垫片a、基座b、底板c和连接屏蔽线的压电陶瓷片d，其中：

所述基座b为圆柱体，包括外环和内环；

所述外环的上表面每120°开一个外环圆孔；

所述内环的上表面向下凹陷形成内环凹槽，内环的中部开内圆孔；

所述外环和内环的下表面正对某一外环圆孔向上凹陷形成底部凹槽；

所述内环凹槽内放置两片垫片a，两片垫片a间的空隙正对底部凹槽，压电陶瓷片d插在两片垫片a间的空隙中；

所述底板c为对应基座外环圆孔开孔的带底板圆孔的薄带孔圆柱体；

所述外环圆孔和底板圆孔供螺纹杆穿入，将底板c贴合基座b。

一种路基动态回弹模量传感器的埋设方法，包括如下步骤：

步骤一、前期准备：

①根据钻孔数量购买匹配钻孔孔径、满足钻孔深度的PVC水管，防止钻孔结束路基塌陷；

②制作路基动态回弹模量传感器；

③利用环刀法测量土体密度，酒精燃烧法测量土体干密度，按指定含水率制备土样；

④在土样两端安装作为发射元的路基动态回弹模量传感器和接收元的路基动态回弹模量传感器，确保发射元和接收元的激振片方向一致；

⑤规划信号传输路径并开挖信号传输线槽；

⑥确定采集箱安装位置，进行安装；

步骤二、埋置过程：

①根据钻孔规划确定使用的钻孔钻头，确定位置并进行钻孔；

②钻孔结束后，在孔内放置PVC水管，防止钻孔塌陷；

③取出护壁后，将安装好的带有土样的路基动态回弹模量传感器垂直缓缓放入钻孔内，分层回填细土并夯实；

④将导线沿导线槽埋设，屏蔽线与导线的BNC接头连接，将导线的BNC接入信号采集箱。

一种利用上述传感器进行路基动态回弹模量测试的方法，包括如下步骤：

步骤一、土样制备：

利用环刀法测量土体密度，酒精燃烧法测量土体干密度，按指定含水率制备土样；

步骤二、传感器装配：

在土样两端安装作为发射元的路基动态回弹模量传感器和接收元的路基动态回弹模量传感器，确保发射元和接收元的激振片方向一致；

步骤三、埋置传感器：

②钻孔结束后，在孔内放置PVC水管，防止钻孔塌陷；

④将导线沿导线槽埋设，屏蔽线与导线的BNC接头连接，将导线的BNC接头接入信号采集箱；

步骤四、测试系统连接：

取一根导线一端接入信号发生器通道一，另一端接入BNC三通头，将发射元中的屏蔽线接入三通头，用另一导线连接BNC三通头另一端接口与示波器通道一；将接收元接入放大滤波器输入端的通道一，从放大滤波器输出端的通道一再接入输入端的通道二，从输出端的通道二接入示波器通道二，最后将示波器USB接口接入电脑采集测试信息；

步骤五、试件测试：

信号发生器制造电信号传递到土样中的发射元上，发射元上的压电陶瓷片接受电信号震动产生剪切波，通过土体到达接收元上并转化为电信号，放大滤波器过滤其余扰乱信号，将需要的电信号放大传递到示波器上显示，与由信号发生器直接输入到示波器上的信号对比，由波信号直接得出土样传播的时间差Δt，最后用电脑采集并进行处理，将其转化为波速v_s；

步骤六、数据处理：

电脑得到从示波器传输来的时间差数据Δt，根据试样制备的高度h，由公式h＝Δt×v直接计算出剪切波速v_s；建立剪切波速和路基土动态回弹模量两者之间的模型，计算相关模型参数，得到剪切波速和路基动态回弹模量的转换公式。

本发明的路基动态回弹模量传感器用于室外路基回弹模量研究，测量试件在工况下由发射端的剪切波经过土体的速度，根据这一剪切波速可建立与路基动态回弹模量的关系。相较于现有的路基回弹模量测试系统，具有以下四个优点：

(1)快速获取路基动态回弹模量：测试系统易于连接，试件埋入路基后即可进行测试。测试波速直接由示波器读出，根据剪切波速与路基动态回弹模量的关系，可立即得出路基动态回弹模量。

(2)无损测量：本发明通过直接测得的波速间接转换得到回弹模量，波速测试过程中采用高精度传感器及高频采集器组成的高质量数据采集系统，可实时、无损、精准地测量和记录试验过程波形数据，降低人为因素的影响，解决现有试验装置数据采集精度不足、取样式采集破坏试件的问题，有利于更进一步分析路基土工作过程中的强度变化规律。

(3)经济简单：路基动态回弹模量传感器设计简单，制备所需的材料价格较为便宜，可广泛应用于路基动态回弹模量的监测及检测，具有较高的经济效益。

(4)易于携带：传感器及测试设备易与携带，便于采集，亦可通过增加远程控制端实现无线监测。

附图说明

图1为垫片、基座和底板组合整体图；

图2为路基动态回弹模量传感器零部件图，(a)垫片，(b)基座，(c)底板；

图3为模量测试系统连接示意图；

图4为一对传感器安置示意图。

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。

实施例1：

本实施例提供了一种路基动态回弹模量传感器，如图1、图2和图4所示，所述传感器由垫片a、基座b和底板c和插在两垫片a间的压电陶瓷片d组成，其中：

所述基座b为圆柱体，包括外环1和内环2；

所述外环1的上表面每120°开一个外环圆孔4，外环圆孔4用以放置螺纹杆11和螺帽12，保证一对传感器不发生错动，以免造成波信号传输问题；

所述内环2的上表面向下凹陷形成内环凹槽，内环2的中部开内圆孔3，外环1和内环2的下表面正对某一外环圆孔4向上凹陷形成底部凹槽5；内环凹槽用以放置垫片a，垫片a厚度较薄，两垫片a间的空隙6供加工后的压电陶瓷片d穿过保证其方位且不轻易发生晃动；内圆孔3和底部凹槽5是为了方便连接信号传输线的压电陶瓷片d从底部进行安装；

所述底板c为对应基座外环圆孔4开孔的带底板圆孔7的薄带孔圆柱体，保护基座b主体，减少水、化学物质等对传感器的影响；

所述基座b和底板c之间的圆孔供螺纹杆穿入，底板c外用螺帽拧紧，保证底板c贴合基座b且一对传感器的方位正对。

实施例2：

本实施例提供了一种路基动态回弹模量传感器的埋设方法，所述方法包括如下步骤：

(1)前期准备：

①材料准备：根据钻孔数量购买匹配钻孔孔径、满足钻孔深度的PVC水管，防止钻孔结束路基塌陷；

②传感器制作：在基座b内环2涂上粘合剂，将垫片a安装在基座b的内环凹槽中，保证两垫片a间的空隙正对底部凹槽5。将制备好的连接屏蔽线的压电陶瓷片d从基座b底部往上安装，使得压电陶瓷片d穿过两垫片a空隙。用粘合剂封装基座凹槽5，保证电线位置固定。最后封装底板c，保护传感器主体少受水和其他化学物质的影响。

③土样制备：现场取土过筛，利用环刀法测量土体密度，酒精燃烧法测量土体干密度，烘干后按指定含水率配土并焖料，准备一定规格的有机玻璃圆筒，在有机玻璃圆筒壁涂抹凡士林，在有机玻璃圆筒底部放入垫块，垫块上放置滤纸片，随后称取一定质量的配好的湿土装入模具并捣实，在土样上部放置垫块，在静压机下静压成型土试件；

④传感器装配：在土样8两端安装作为发射元9的路基动态回弹模量传感器和接收元10的路基动态回弹模量传感器，采用螺纹杆11和螺帽12进行紧固，保证试件在测试过程中不发生错位，保证传感器压电陶瓷片正对，即确保发射元9和接收元10的激振片方向一致，信号传输用线胶带绑在上下路基动态回弹模量传感器同一侧；

⑤线槽开挖：规划信号传输路径并开挖信号传输线槽；

⑥采集箱安装：确定采集箱安装位置，进行安装。

(2)埋置过程：

①钻孔：根据钻孔规划确定使用的钻孔钻头，确定位置并进行钻孔；

②下放护壁：钻孔结束后，在孔内放置PVC水管，防止钻孔塌陷；

③传感器埋置：取出护壁后，将安装好的带有土样8的路基动态回弹模量传感器垂直缓缓放入钻孔内，分层回填细土并夯实；

④导线埋置：将导线沿导线槽埋设，将导线的BNC接头接入信号采集箱。

实施例3：

本实施例提供了一种路基动态回弹模量测试方法，具体包括如下步骤：

(1)测试系统集成：

a、示波器选择：数字示波器具有多个通道，设置采样速率、采样模式后，每个传感器数据实时显示。调整触发值，去除不必要信号，突出波形重要部分。调节变焦旋钮即可呈现清晰实验结果。

b、信号发生器：不同信号会对系统产生不同的影响，波形函数发生器通过调节波形、振幅和周期，激发各种信号发射端的传感器上以获得最佳实验结果。

c、放大滤波器选择：可在波形函数发生器输出的电压不足时，接受来自波形函数发生器的电压，将其放大后传入作为发射端的弯曲元中。还可过滤传入示波器的电信号，以确保获得最佳的电信号。

(2)测试流程：

a、土样制备：

现场取土过筛，利用环刀法测量土体密度，酒精燃烧法测量土体干密度，烘干后按指定含水率配土并焖料，准备一定规格的有机玻璃圆筒，在有机玻璃圆筒壁涂抹凡士林，在有机玻璃圆筒底部放入垫块，垫块上放置滤纸片，随后称取一定质量的配好的湿土装入模具并捣实，在土样上部放置垫块，在静压机下静压成型土试件。

b、传感器装配：

在土样8两端安装作为发射元9的路基动态回弹模量传感器和接收元10的路基动态回弹模量传感器，采用螺纹杆11和螺帽12进行紧固，保证试件在测试过程中不发生错位，保证传感器压电陶瓷片正对，即确保发射元9和接收元10的激振片方向一致，信号传输用线胶带绑在上下路基动态回弹模量传感器同一侧。

c、埋置传感器：

④导线埋置：将导线沿导线槽埋设，将导线的BNC接入信号采集箱。

d、测试系统连接：

如图3所示，首先信号发生器13、示波器14和放大滤波器15分别插上电源。取一根导线一端接入信号发生器13通道一，另一端接入BNC三通头，将发射元9中的屏蔽线接入三通头，用另一导线连接BNC三通头另一端接口与示波器14通道一，利用发射端的波形进行对比；将接收元10接入放大滤波器15输入端的通道一，从放大滤波器15输出端的通道一再接入输入端的通道二，调节放大滤波器数值进行高低波过滤，过滤后的电信号从输出端的通道二接入示波器14通道二，与发射端波信号进行对比分析，最后将示波器USB接口接入电脑16采集测试信息。

e、设备调试：

①调试信号发生器13：选择波形，调试为方波；频率设为100Hz，振幅设为1.5Vpp；按激振Burst按钮，将Off改为On，调试激振周期BurstPeriod为50ms；打开通道一。

②调试放大滤波器15：选择通道一，截止频率cutofffrequency为LP，输入60KHz，过滤60KHz以上的波，input gain和output gain皆调为20；选择通道二，截止频率调为HP，输入500Hz，input gain和output gain皆调为20。

③调试示波器14：选择采集模式为平均模式，旋转按钮将平均调到512，将采样率调到500MSa/S,待波形稳定，按STOP，保留瞬时图形，调节垂直和水平比例尺使图像便于观察，点击Measure选择游标读取两波形时间差。

f、试件测试：

路基土回弹模量的测试过程中，信号发生器13制造电信号传递到土样8中作为发射元9的路基动态回弹模量传感器上，路基动态回弹模量传感器上表面的压电陶瓷片接受电信号震动产生剪切波，通过土体到达作为接收元10的路基动态回弹模量传感器上并转化为电信号，放大滤波器15过滤其余扰乱信号，将需要的电信号放大传递到示波器14上显示，与由信号发生器13直接输入到示波器14上的信号对比，由波信号直接得出土样传播的时间差Δt，最后用电脑16采集并进行处理，将其转化为波速v_s。

g、数据处理：

电脑16得到从示波器14传输来的时间差数据Δt，根据试样制备的高度h，由公式h＝Δt×v可直接计算出剪切波速v_s。建立剪切波速和路基土动态回弹模量两者之间的模型，计算相关模型参数，得到剪切波速和路基动态回弹模量的转换公式。

(3)注意事项：

在测量过程中，波形生产器、放大滤波器和示波器需要保证一定工作环境温度。在低温环境工作时，可将设备放置在车内，保证设备在室内工作，满足其温度要求。

Claims

1.一种路基动态回弹模量传感器，其特征在于所述传感器包括垫片、基座、底板和连接屏蔽线的压电陶瓷片，其中：

所述基座为圆柱体，包括外环和内环；

所述外环的上表面每120°开一个外环圆孔；

所述内环凹槽内放置两片垫片，两片垫片间的空隙正对底部凹槽，压电陶瓷片插在两片垫片间的空隙中；

所述底板为对应基座外环圆孔开孔的带底板圆孔的薄带孔圆柱体；

所述外环圆孔和底板圆孔供螺纹杆穿入，将底板贴合基座。

2.一种权利要求1所述路基动态回弹模量传感器的埋设方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、前期准备：

②制作路基动态回弹模量传感器；

④在土样两端安装作为发射元的路基动态回弹模量传感器和接收元的路基动态回弹模量传感器；

⑤规划信号传输路径并开挖信号传输线槽；

⑥确定采集箱安装位置，进行安装；

步骤二、埋置过程：

②钻孔结束后，在孔内放置PVC水管，防止钻孔塌陷；

3.一种权利要求1所述路基动态回弹模量传感器进行路基动态回弹模量测试的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、土样制备：

步骤二、传感器装配：

步骤三、埋置传感器：

②钻孔结束后，在孔内放置PVC水管，防止钻孔塌陷；

步骤四、测试系统连接：

步骤五、试件测试：

步骤六、数据处理：