高速公路路基沉降的自動觀測系統設計

樊振，賈皓東，田更林，周烽

高速公路路基沉降的自動觀測系統設計

樊振，賈皓東，田更林，周烽

（長安大學，陜西長安710064）

為了測量高速公路路基的沉降，設計了一套自動觀測系統，通過此系統可以得出高速公路基是否發生沉降，根據沉降可以預防高速公路的病害，為行車安全提供保障，同時，也為高速公路的病害防治提供依據。

路基沉降；自動觀測；公路病害

十三五規劃以來，中國的高速公路發展迅速，然而高速公路的病害問題卻日益凸顯，路基沉降是引起高速公路斷層，塌陷的主要原因之一，有效的觀測手段能預防公路病害，增加高速公路的使用年限[2]。圖1為路基沉降造成的路請路面的斷層及塌陷。

圖1 路基沉降引起的路面塌陷

1 自動監測目的及意義

路基沉降自動觀測的目的主要有：

（1）路基沉降監測系統可以通過實時的沉降監測及時的掌握監測路段的路基沉降狀況，對沉降嚴重的路基能夠及時發現，在工程施工過程中進行及早處理，控制填土速度等，以防留下隱患，避免路基出現嚴重沉降，路面結構破壞等后期質量問題。

（2）在工程完工投入使用以后，路基沉降監測可持續監測沉降狀況，監測高速公路內部狀況，可以及早發現問題，做出預警，在路面結構還未發生變化之前將隱患處理解決。

（3）沉降監測系統通過對高速公路從施工到投入使用整個過程的沉降監測，可以得到路基在此過程中的詳細沉降變化過程，以此為基礎可以總結出沉降規律，為以后的路基施工提供理論依據。

由此可見，路基的沉降的自動觀測，對于延長路面使用壽命，確保行車安全以及路基沉降規律的研究具有很大的意義。

2 自動觀測系統

系統監測原理：假設路基壓實以后處于穩定結構，路基沉降都伴隨著土壤內部應力的改變，如果能夠監測土壤內部應力的改變，壓力應變片發生形變，輸出電壓信號，經數據采集單元，無線傳輸單元發送至數據處理單元。數據處理分析得出得出路基是否發生沉降，如圖2所示。

圖2 路基沉降自動監測系統

監測系統的主要模塊有：沉降監測單元、數據采集單元、GPRS數據傳輸單元以及數據處理單元[2]。

（1）沉降監測單元：長時間監測路基內部是否發生沉降，安裝于支架上的硅壓式壓力應變片監測路基內部應力。支架及應變片安裝位置如圖3所示。

圖3 沉降監測單元簡圖

工作裝置長時間埋在地下，需要克服地下工作的惡劣的工作環境，比如：濕度大，長時間受力，以及土壤對材料的腐蝕。另外還應該考慮材料的應力應變特性，材料的應力應變應有一定的穩定性，才能保證測量數據的可靠性，綜合考慮選用45#鋼作為支架的制作材料，并在外表面涂上防護漆。

定位板深埋在路基下方，傳感器3可以測量土壤的固結沉降，傳感器2可以測量高填方路基的邊坡滑移沉降。傳感器1可以測量高填方路基的表面沉降。

傳感器工作原理：傳感器選擇硅壓式電阻應變片傳感器，型號為BF350-3AA.為了提高靈敏度，采用半橋接法，接法如圖4所示。

圖4 電阻應變片接法示意圖

電橋相鄰兩橋臂電阻同向變化，所產生的輸出電壓將相互抵消，反向變化產生的電壓相互迭加。這里應變片電阻反向變化，所以對輸出電壓有放大作用。

當R1=R2=R3=R4=R0時，△R1=△R2 =△R電橋輸出為：

式中：ΔR為電阻式應變片阻值的變化量；Ko為電阻式應變片所用金屬材料的靈敏度系數，由試驗方法確定，為常數值；ε為電阻式應變片所用金屬材料的軸向應變值，即ε=ΔL/L，因此又稱ε為長度應變值。

根據：

σ＝Eε

其中E為45#鋼的彈性模量[1]。

通過以上分析可以得出支架受的應力，通過與土壤壓實以后能夠承受的最大應力相比較，能夠得出路基是否發生沉降。

（2）數據采集單元：系統數據采集單元CPU采用MSP430系列微處理器。這一系列的微型處理器具有自動采集數據的功能，能夠滿足一般數據采集器的功能需求，而且該處理器耗電量少，在使用蓄電池功能的條件下，工作時間長[3]。

（3）GPRS數據傳輸單元：系統采用現有的GPRS模塊進行遠程數據傳輸。GPRS模塊具有連接費用低、傳輸速率高、接入時間短等優點。

（4）數據處理單元：接受數據并處理數據，將數據進行量化，并根據數據生成沉降曲線圖。數據處理單元對接受到的數據進行標定，整理比較，如果某值顯著增大或者減小，證明路基內部應力發生突變，路基發生沉降。

三天采集一次數據，一月采集十次，所得的路基內部壓力曲線圖，如圖5所示。

圖5 監測點內部壓力曲線圖

從圖5可以看出，在三月份的一次測量中，監測點的內部應力顯著增大，路基發生沉降。

3 結論

隨著互聯網、信息化、自動化的發展，更多的技術越來越成熟。監測技術也朝著自動化方向發展并取得了一定的成果。路基沉降的自動觀測在這個背景下應運而生。這個技術對預防高速公路路面病害有著十分重大的意義。

本文設計的裝置利用應力應變原理，將硅壓式電阻應變片安裝在支架的相應位置用于監測土壤內部受力情況，數據采集單元采集數據后，通過GPRS傳輸單元將數據發送至數據處理單元，分析數據之后得出路基是否發生沉降，但是檢測精度并不是很高，可以用在需要進行沉降觀測，但是并不需要得出具體沉降值的高速公路。另外本裝置結構原理簡單，成本低，有一定的經濟效益。

[1]熊詩波，黃長藝.機械工程測試技術基礎[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]張堯.高速公路路基沉降遠程監測系統設計[D].西安：長安大學，2015.

[3]丁禮磊.路基沉降無線監測系統關鍵技術研究[D].西安：長安大學，2009.

[4]何清風.基于GPRS的遠程配變監測系統設計[D].西安：西安理工大學.

[5]金生吉，余天慶，熊健民.路基沉降規律實驗研究[J].筑路機械與施工機械化，2008，25（12）：39-40.

Automatic Observation of Expressway Subgrade Settlement

FAN Zen，JIA Hao-dong，TIAN Geng-lin，ZHOU Feng
（Changan University，Chang’an Shaanxi 710064，China）

In order to measure the settlement of highway roadbed，design a set of automatic observation system，this system can judge whether highway base settlement happened or not，according to the settlement can prevent the highway diseases，to provide protection for traffic safety at the same time，also provide basis for the prevention and treatment of diseases of the highway.

subgrade settlement；automatic observation；highway disease

U416.1

A

1672-545X（2017）07-0119-02

2017-04-12

樊振（1991－），男，河南滎陽人，在讀研究生，研究方向：機械設計及其自動化。