一种现场测试路基动力响应的试验方法及系统

摘要

本发明公开了一种现场测试路基动力响应的试验方法及系统，步骤：a、选择地势平坦、路线平直的公路结构作为试验路；b、在试验路段中心横断面按Γ型布置分层埋设传感器，将传感器连接对应的传输缆线水平引出；c、路床施工完成后，选择在路床顶面、基层顶面、面层顶面中的一阶段；d、将传输缆线接口连接到动静态应变采集分析系统上，接通笔记本电脑和数据采集处理软件；e、以不同运行状态行驶压路机或重型卡车，采集不同公路施工、运营期的路基动力响应及环境变化数据。该系统它由公路结构、交通动荷载系统、信息传感系统、数据采集系统构成。系统简单、实施方便、方法高效，广泛适用于公路施工和运营期中的一阶段的路基动力响应测试研究。

说明书

技术领域

本发明属于公路路基试验技术领域，具体涉及一种现场测试公路施工和运营期路基动力响应的方法，同时还涉及一种现场测试公路施工和运营期路基动力响应的试验系统，适用于一般公路路基，尤其是特殊填料路基的施工工艺、设计指标和长期性能的测试和科学研究。

背景技术

路基是公路结构的重要组成，承受着道路施工和运营期交通动力荷载作用，动荷载长期作用致使公路路基路面结构性能不断衰减以至变形破坏，因此路基动力特性研究尤为重要，相比室内试验、模型模拟、理论计算，现场动力响应测试是研究路基动力性能最为直接且有效的手段。

目前，铁路工程中现场动力测试技术较为成熟，但公路工程与铁路工程的路基结构形式，交通荷载作用特点及设计方法指标不同，因此公路路基动力测试系统及方法不能完全照搬铁路工程。公路工程中，国内零星开展了少许路基动力响应现场测试实践，但现有的测试系统和方法不完善。一方面路基埋设的传感器主要为动态土压力盒，传感器类型单一，实践表明，路基动土压力尤其当埋深到达一定深度时受系统振动影响大，在路床以下范围内基本难以获取数据，需要其他传感器配合校准，同时路基动力响应受内部温湿度环境影响大，有必要同时观测环境信息。另一方面，现有路基动力测试结构及方法系统性不够，基本上只涉及到公路建成时行车荷载作用下路基动力响应信息，而路基结构性能不断衰变，科学研究中需要在公路运营期不同时段多次利用传感器测试路基动应力信息，此外，公路路基填筑，尤其是特殊填料路基施工技术参数优化时，也需要利用传感器监测压实设备作用路基动力特征，而现有的测试系统和方法没有将公路施工期和运营期路基动力试验结合起来，因而对传感器的利用率较低，测试的路基动力响应信息不够系统和全面。

发明内容

本发明旨在克服现有公路路基动力响应现场试验的不足，目的是在于提供了一种现场测试公路施工和运营期路基动力响应的试验方法，该方法将不同动荷载类型、不同荷载作用层位条件下的动力测试联合试验，兼顾路基施工、路面施工、道路运营多阶段路基动力响应测试，适用范围广、测试效率高、技术系统性强。

本发明的另一个目的是在于提供了一种现场测试公路施工和运营期路基动力响应的试验系统，该系统优化布置了多样化的传感元件、可监控路基动力响应及环境演变信息，配备了良好的数据采集终端，操作便捷、测试精度高、数据可靠。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：

一种现场测试路基动力响应的试验方法，其步骤是：

a、  选择地势平坦、路线平直的公路结构作为试验路，自下而上水平分层填筑路堤、路床和路面结构；

b、 在试验路段中心横断面按‘Γ’型布置分层埋设第一压力传感器、第二加速度传感器、第三温湿度传感器，将第一动压力传感器、第二加速度传感器、第三温湿度传感器连接对应的传输缆线的一端接口，传输缆线水平引出路基范围之外，在路床边坡上设立观测保护室存放传输缆线接口；

c、 路床施工完成后，选择在路床顶面、基层顶面、面层顶面中的一阶段或二至三个阶段，以不同运行状态行驶压路机和重型卡车；

d、 将传输缆线的另一端接口连接到动静态应变采集分析系统上，并接通笔记本电脑和数据采集处理软件，实时采集公路施工期路基动力响应及环境变化数据；

e、 公路通车运营后，选择在一年、两年、五年、十年、二十年中的一时期或二至五个时期，按上述方法，采集公路不同运营期重型卡车作用下路基动力响应及环境变化数据。

一种现场测试公路施工和运营期路基动力响应的试验系统，它由公路结构、交通动荷载系统、信息传感系统、数据采集系统构成。其特征在于：信息传感系统中的第一压力传感器、第二加速度传感器、第三温湿度传感器逐层埋设于公路结构中的路堤、路床中，将第一压力传感器、第二加速度传感器、第三温湿度传感器分别连接到相应的传输缆线中的一端接口，传输缆线中的另一端接口连接到位于公路结构外部的数据采集系统中的动静态应变采集分析系统的信号接口，再用数据线将动静态应变采集分析系统连接到笔记本电脑，在笔记本电脑内部安装数据采集处理软件。交通动荷载系统中的压路机、或重型卡车在公路结构顶部以一定的运行状态行驶，释放动力冲激信号，信息传感系统与数据采集系统识别、采集、并处理路基动力响应及环境变化数据信息。

所述的公路结构，自下而上包括路堤、路床、路面，由路基填料和路面材料逐层填筑而成，所述的公路结构应位于地势平坦、视野开阔、纵向上为平直的直线路段，段落长度不宜小于800m，横向上为整体式路基结构，行车道数量不小2个。

所述的交通动荷载系统由压路机、重型卡车等不同类型交通荷载中的一种或二至五种组成，在公路施工和运营期不同阶段，交通动荷载系统在公路结构顶部以一定的运行状态行驶，释放动力冲激信号。

所述的信息传感系统由第一压力传感器、第二加速度传感器、第三温湿度传感器组成，传感器按竖直方向和水平方向呈‘Γ’型布置于路堤、路床内部，通过各自独立的传输缆线连接到路基之外的数据采集系统，第一压力传感器、第二加速度传感器、第三温湿度传感器之间互不相连。竖直方向布设的动压力传感器与加速度传感器分别位于两侧轮迹正下方，温湿度传感器置于轮迹中轴线正下方，自路床顶往下分5～8层等间距分布，层间距40～60cm；沿着最上层布设的第一压力传感器、第二加速度传感器、第三温湿度传感器，在水平方向上等间距布置2～4列压力传感器和加速度传感器，列间距80～120cm。

所述的数据采集系统包含笔记本电脑、数据采集处理软件、动静态应变采集分析系统、信号传输缆线、穿线管、观测保护室，将信号传输缆线中的土压力传感器信号线、加速度传感器信号线、温湿度传感器信号线的一端接口分别连接到相应的第一压力传感器、第二加速度传感器、第三温湿度传感器，加速度传感器信号线、土压力传感器信号线、温湿度传感器信号线分别套过穿线管和套管，引出路基范围之外，待测试试验开始，再将加速度传感器信号线、土压力传感器信号线、温湿度传感器信号线的另一端接口连接于动静态应变采集分析系统，再连接到笔记本电脑，通过数据采集处理软件控制数据采集、存储、显示、处理等功能。每阶段测试试验结束后，将所有缆线接口与动静态应变采集分析系统分离，存放于观测保护室内。

所述的第一压力传感器，其最大量程0.5～1Mpa，测量误差小于0.5kpa，最高频率不小于100Hz，共10～15个，第一压力传感器、第二加速度传感器、第三温湿度传感器之间互不相连，通过各自独立的传输缆线连接到路基之外的数据采集系统。

所述的第二加速度传感器，其测量范围不小于100m/s²，精度高于0.05m/s²，最高频率不小于1KHz，共10～15个，第一压力传感器、第二加速度传感器、第三温湿度传感器之间互不相连，通过各自独立的传输缆线连接到路基之外的数据采集系统。

所述的第三温湿度传感器，温度范围为-40～80℃，湿度量程为0～100% m³/m³，精度优于±2%，响应时间小于1s，共5～8个，第一压力传感器、第二加速度传感器、第三温湿度传感器之间互不相连，通过各自独立的传输缆线连接到路基之外的数据采集系统。

所述的压路机，为振动式、静压式、轮胎式、羊足式压路机等其中的一种或二至四种，自重为15～30t，车速为2～4 km/h。

所述的重型卡车，为单后轴式、双后轴式、多后轴式重型卡车其中的一种或二至三种，单轴轴载为10～30t，最大车速为60～100 km/h。

所述的信号传输缆线，包括加速度传感器信号线10～15段每段20～30m，土压力传感器信号线10～15段每段20～30m，温湿度传感器信号线5～8段每段10～20m，不同信号线与相应传感器相连，第一压力传感器、第二加速度传感器、第三温湿度传感器之间互不相连，通过各自独立的传输缆线连接到路基之外的数据采集系统。

所述的穿线管，套在信号传输缆线外面，保护传输缆线避免损坏，穿线管与穿线管之间由套管连接，与传输缆线同时引出路基范围之外，为PVC胶管、不锈钢管、碳钢管其中的一种或二至三种，孔径为30～100mm，共50～80段，总长200～400m，在管段之间安装套管，将相邻穿线管连为一体。

所述的观测保护室，为钢质或混凝土质预制箱体，长宽高最小尺寸为60cm×40cm×80cm，保护室内部自下而上设置5～8层用于放置传感器缆线的钢丝网隔层或铁杆，保护室正面设置旋转式铁门。

所述的动静态应变采集分析系统，其中的连接信号接口连接传输缆线中端口，数据接口连接到安装有数据采集处理软件的笔记本电脑，所述的动静态应变采集分析系统可同时动压力、加速度、温湿度传感器的数据，通道数为 16～32通道，全部通道采样频率为1～5120kHz，测量分辨率高于 0.1με。

所述的数据采集处理软件，为动静态应变采集分析系统配套的应用程序，兼容于常见的电脑操作系统，能实时采集数据、显示曲线、及时域频域分析处理等。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

本发明在公路路基动力响应及长期性能研究方面提供了一种新的技术手段，提出了一种现场测试公路施工和运营期路基动力响应的试验系统及方法，该系统包含动土压力、加速度、温湿度等传感器，可监控路基动力响应及环境演变信息，有利于实验数据的校正和路基性能的全面分析。该方法可用于路基路面施工期碾压设备作用下路基动力测试，利于精确掌控路基压实效果及碾压动力传递规律，为路基路面施工工艺优化提供技术参数；同时该方法还适用于公路建成时及运营期车辆荷载作用下路基动力响应现场试验，直接获取不同车载类型及不同时期下公路路基动力空间分布及影响深度特征。此外，该试验系统及方法客服了现有方法传感器单一、利用率低，系统性及兼容性差等不足，将不同动荷载类型、不同荷载作用层位条件下的动力测试联合试验，兼顾路基施工、路面施工、道路运营多阶段路基动力响应测试，可全面掌握公路施工和运营期路基动力特征，为路基结构设计和施工工艺优化提供技术参数。

综上所述，本发明能够进行公路施工期及运营期中的一阶段或多阶段联合的路基动力响应测试试验研究，同时具有系统简单、结构可靠、实施方便、研究效率高、适用性广等优点。

有关试验数据请见：图5a、图5b、图5c、图5d、图5e、图5f、图5g、图5h；图6a、图6b、图6c、图6d、图6e、图6f、图6g、图6h等）。

附图说明

图1为一种现场测试公路施工和运营期路基动力响应的试验系统结构示意图。

图2为图1中的穿线管及传输缆线安装示意图。

图3为图1中的观测保护室示意图。

图4为一种现场测试公路施工和运营期路基动力响应的试验方法的流程图。

其中有，公路结构1、交通动荷载系统2（双后轴八轮式福田重型卡车、单后轴四轮式东风重型卡车、徐工XD系列双钢轮振动压路机）、信息传感系统3（CA-YD-188型加速度传感器、BWX118-2型土压力盒、TDR-5WS型温湿度传感器）、数据采集系统4（uT4916型动静态应变采集分析系统），路堤5、路床6、路面7，交通荷载8（双后轴八轮式福田重型卡车、单后轴四轮式东风重型卡车、徐工XD系列双钢轮振动压路机），第一土动压力传感器9（BWX118-2型）、第二加速度传感器10（CA-YD-188型）、第三温湿度传感器11（TDR-5WS型）组成，笔记本电脑12、数据采集处理软件13（uTekSs数据采集分析和系统软件）、动静态应变采集分析系统14（uT4916型动静态应变采集分析系统）、信号传输缆线15、穿线管16、观测保护室17，套管18，预制箱体19，钢丝网隔层或铁杆20，旋转式铁门21，压路机22（双后轴八轮式福田重型卡车、单后轴四轮式东风重型卡车）、重型卡车23（徐工XD系列双钢轮振动压路机）。

图5 为一种压路机在典型工作状态下路基动力响应时程曲线示意图

其中有，压路机作用下路床顶面以下50cm处动应力响应时程曲线5a、压路机作用下路床顶面以下50cm处加速度响应时程曲线5b、压路机作用下路床顶面以下100cm处动应力响应时程曲线5c、压路机作用下路床顶面以下100cm处加速度响应时程曲线5d、压路机作用下路床顶面以下220cm处动应力响应时程曲线5e、压路机作用下路床顶面以下220cm处加速度响应时程曲线5f、压路机作用下路床顶面以下350cm处动应力响应时程曲线5g、压路机作用下路床顶面以下350cm处加速度响应时程曲线5h。

图6为一种重型卡车在典型车速下路基动力响应时程曲线示意图

其中有，重型卡车作用下路床顶面以下50cm处动应力响应时程曲线6a、重型卡车作用下路床顶面以下50cm处加速度响应时程曲线6b、重型卡车作用下路床顶面以下100cm处动应力响应时程曲线6c、重型卡车作用下路床顶面以下100cm处加速度响应时程曲线6d、重型卡车作用下路床顶面以下220cm处动应力响应时程曲线6e、重型卡车作用下路床顶面以下220cm处加速度响应时程曲线6f、重型卡车作用下路床顶面以下350cm处动应力响应时程曲线6g、重型卡车作用下路床顶面以下350cm处加速度响应时程曲线6h。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：

根据图4所示，一种现场测试公路施工和运营期路基动力响应的试验方法，其步骤是：

① 选择地势平坦、路线平直的公路结构1作为试验路；

② 自下而上水平分层填筑路堤5、路床6和路面7结构；

③ 在试验路段中心横断面按‘Γ’型布置第一动压力传感器9、第二加速度传感器10、第三温湿度传感器11，如果路基施工已经超过第一动压力传感器9、第二加速度传感器10、第三温湿度传感器11预埋高程，采用钻孔开槽分层埋设方法安装第一动压力传感器9、第二加速度传感器10、第三温湿度传感器11，否则采用路基分层压实分层埋设方法安装第一动压力传感器9、第二加速度传感器10、第三温湿度传感器11；

④ 将第一动压力传感器9、第二加速度传感器10、第三温湿度传感器11连接传输缆线15，缆线安装穿线管16，引出路基范围之外，在路床边坡上设立观测保护室17，将缆线接口存放观测保护室中；

⑤ 将第一动压力传感器9、第二加速度传感器10、第三温湿度传感器11缆线接口连接到动静态应变采集分析系统14上；

⑥ 动静态应变采集分析系统14接通到笔记本电脑12；

⑦ 打开笔记本电脑12，安装数据采集处理软件13，调试系统后等待测试；

⑧ 路床施工完成后，选择在路床顶面、基层顶面、面层顶面中的一阶段或二至三个阶段，以不同运行状态行驶压路机、重型卡车等交通荷载8，重复过程⑤～⑦，实时采集公路施工期路基动力响应及环境变化数据；

⑨ 待公路通车运营后，选择在一年、两年、五年、十年、二十年中的一时期或二至五个时期，在路面上以不同运行状态行驶重型卡车等交通荷载8，重复过程⑤～⑦，采集公路不同运营期重型卡车作用下路基动力响应及环境变化数据。

实施例2：

如图1～图3所示。一种现场测试公路施工和运营期路基动力响应的试验系统，由公路结构1、交通动荷载系统2、信息传感系统3、数据采集系统4构成。其特征在于：信息传感系统3中的第一动压力传感器9、第二加速度传感器10、第三温湿度传感器11逐层埋设于公路结构1中的路堤5、路床6中，将第一动压力传感器9、第二加速度传感器10、第三温湿度传感器11分别连接到相应的传输缆线15中的一端接口，传输缆线15中的另一端接口连接到位于公路结构外部的数据采集系统4中的动静态应变采集分析系统14的信号接口，用数据线将动静态应变采集分析系统14连接到笔记本电脑12，在笔记本电脑12内部安装数据采集处理软件13。交通动荷载系统2中的压路机22、或重型卡车23在公路结构1顶部以一定的运行状态行驶，释放动力冲激信号，信息传感系统3与数据采集系统4识别、采集、并处理路基动力响应及环境变化数据信息。

所述的公路结构1包括路堤、路床、路面，由路基填料和路面材料自下而上逐层填筑而成，应位于地势平坦、视野开阔、纵向上为平直的直线路段，段落长度不宜小于800m，横向上为整体式路基结构，行车道数量不小2个。

所述的交通动荷载系统2由压路机22、重型卡车23等不同类型交通荷载8中的一种或二种至五种组成，在公路施工和运营期不同阶段，交通动荷载系统2在公路结构1顶部以一定的运行状态行驶，释放动力冲激信号。

所述的信息传感系统3由第一压力传感器9、第二加速度传感器10、第三温湿度传感器11组成，第一压力传感器9与第二加速度传感器10分别位于两侧轮迹正下方，第三温湿度传感器11按竖直方向和水平方向呈‘Γ’型布置于路堤、路床内部，第一压力传感器9、第二加速度传感器10、第三温湿度传感器11之间互不相连，通过各自独立的传输缆线连接到路基之外的数据采集系统4。按竖直方向和水平方向呈‘Γ’型布置于路基内部，竖直方向布设的第一压力传感器9与第二加速度传感器10分别位于两侧轮迹正下方，第三温湿度传感器11置于轮迹中轴线正下方，自路床顶往下分5～8层等间距分布，层间距40～60cm；沿着最上层布设的第一压力传感器9、第二加速度传感器10、第三温湿度传感器11，在水平方向上等间距布置2～4列第一压力传感器和第二加速度传感器，列间距80～120cm。所述的信息传感系统具体包括10～15个第一压力传感器9、10～15个第二加速度传感器10、5～8个第三温湿度传感器11。

所述的数据采集系统4包含笔记本电脑12、数据采集处理软件13、动静态应变采集分析系统14、信号传输缆线15、穿线管16、观测保护室17，将信号传输缆线15中的土压力传感器信号线、加速度传感器信号线、温湿度传感器信号线的一端接口分别连接到相应的第一压力传感器9、第二加速度传感器10、第三温湿度传感器11，加速度传感器信号线、土压力传感器信号线、温湿度传感器信号线分别套过穿线管（16）和套管（18），引出路基范围之外，待测试试验开始，再将加速度传感器信号线、土压力传感器信号线、温湿度传感器信号线的另一端接口连接于动静态应变采集分析系统14，再连接到笔记本电脑12，通过数据采集处理软件13控制数据采集、存储、显示、处理等功能。每阶段测试试验结束后，将所有缆线接口与动静态应变采集分析系统14分离，存放于观测保护室17内。

所述的第一压力传感器9，其最大量程0.5～1Mpa，测量误差小于0.5kpa，最高频率不小于100Hz，共10～15个，传感器之间互不相连，通过各自独立的传输缆线连接到路基之外的数据采集系统。

所述的第二加速度传感器10，其测量范围不小于100m/s²，精度高于0.05m/s²，最高频率不小于1KHz，共10～15个，传感器之间互不相连，通过各自独立的传输缆线连接到路基之外的数据采集系统。

所述的第三温湿度传感器11，温度范围为-40～80℃，湿度量程为0～100% m³/m³，精度优于±2%，响应时间小于1s。共5～8个，传感器之间互不相连，通过各自独立的传输缆线连接到路基之外的数据采集系统。

所述的压路机22，为振动式、静压式、轮胎式、羊足式压路机等中的一种或多种，自重为15～30t，车速为2～4 km/h。

所述的重型卡车23，为单后轴式、双后轴式、多后轴式重型卡车中的一种或多种，单轴轴载为10～30t，最大车速为60～100 km/h。

所述的信号传输缆线15，包括加速度传感器信号线10～15段每段20～30m，土压力传感器信号线10～15段每段20～30m，温湿度传感器信号线5～8段每段10～20m，不同信号线与相应传感器相连，传感器之间互不相连，通过各自独立的传输缆线连接到路基之外的数据采集系统。

所述的穿线管16，套在信号传输缆线15外面，保护传输缆线避免损坏，穿线管与穿线管之间通过套管18连接，与传输缆线同时引出路基范围之外，所述的穿线管16为PVC胶管、不锈钢管、碳钢管中的一种或多种，孔径为30～100mm，共50～100段，总长200～400m，在管段之间安装套管，将相邻穿线管连为一体。

所述的观测保护室17，为钢质或混凝土质预制箱体19，长宽高最小尺寸为60cm×40cm×80cm，观测保护室17内部自下而上设置5～8层用于放置传感器缆线的钢丝网隔层或铁杆20，保护室正面设置旋转式铁门21。所述的观测保护室17为钢质或混凝土质预制箱体，层用于放置传感器缆线的钢丝网隔层或铁杆，观测保护室正面设置旋转式铁门。

所述的动静态应变采集分析系统14，其中的连接信号接口连接传输缆线15中端口，数据接口连接到安装有数据采集处理软件13的笔记本电脑12。所述的动静态应变采集分析系统14可同时动压力、加速度、温湿度传感器的数据，通道数为 16～32通道，全部通道采样频率为1～5120kHz，测量分辨率高于 0.1με。

所述的数据采集处理软件13，为动静态应变采集分析系统配套的应用程序，兼容于常见的电脑操作系统，能实时采集数据、显示曲线、及时域频域分析处理。

试验数据：

以某公路结构为试验路段，采用本发明的试验方法和系统开展路基动力响应测试试验，在路床顶之下50cm、100cm、220cm、350cm四个层位埋设动土压力盒、加速度传感器、温湿度传感器，路基施工完成后，分别开展压路机冲击荷载作用下、重型卡车冲击荷载作用下路基动力响应测试试验。

（1）压路机荷载作用下路基动力响应测试结果

采用20t徐工双轮双振压路机，以典型工作状态（高速大振）在路基结构上部行驶，由数据采集系统采集下部各层传感器中的动力响应数据，试验结果如图图5a、图5b、图5c、图5d、图5e、图5f、图5g、图5h。

测试结果显示，压路机作用下路基动应力、加速度响应时程曲线呈现单峰、双峰等脉冲状分布特征，且随着深度变大路基动力响应特征越来越弱，这与压路机的振动作用、双轮效益及作用范围相吻合，同时本测试结果与理论计算结果基本一致。表明本发明的试验方法和系统对压路机作用下的路基动力响应测试试验可行、可靠且方便。

（2）重型卡车冲击荷载作用下路基动力响应测试结果

采用后轴重19t双后轴八轮福田重型卡车，以典型速度（60km/h）在路基结构上部行驶，由数据采集系统采集下部各层传感器中的动力响应数据，测试结果如图6a、图6b、图6c、图6d、图6e、图6f、图6g、图6h。

测试结果显示，重型卡车作用下路基动应力、加速度响应时程曲线呈现三峰、多峰等脉冲状分布特征，且随着深度变大路基动力响应特征越来越弱，与重型卡车的多轴效益及作用范围相吻合，同时本测试结果与理论计算结果基本一致。表明本发明的试验方法和系统对重型卡车作用下的路基动力响应测试试验可靠、方便且高效。