高速公路路基沉降的自动观测系统设计

樊振，贾皓东，田更林，周烽

高速公路路基沉降的自动观测系统设计

樊振，贾皓东，田更林，周烽

（长安大学，陕西长安710064）

为了测量高速公路路基的沉降，设计了一套自动观测系统，通过此系统可以得出高速公路基是否发生沉降，根据沉降可以预防高速公路的病害，为行车安全提供保障，同时，也为高速公路的病害防治提供依据。

路基沉降；自动观测；公路病害

十三五规划以来，中国的高速公路发展迅速，然而高速公路的病害问题却日益凸显，路基沉降是引起高速公路断层，塌陷的主要原因之一，有效的观测手段能预防公路病害，增加高速公路的使用年限[2]。图1为路基沉降造成的路请路面的断层及塌陷。

图1 路基沉降引起的路面塌陷

1 自动监测目的及意义

路基沉降自动观测的目的主要有：

（1）路基沉降监测系统可以通过实时的沉降监测及时的掌握监测路段的路基沉降状况，对沉降严重的路基能够及时发现，在工程施工过程中进行及早处理，控制填土速度等，以防留下隐患，避免路基出现严重沉降，路面结构破坏等后期质量问题。

（2）在工程完工投入使用以后，路基沉降监测可持续监测沉降状况，监测高速公路内部状况，可以及早发现问题，做出预警，在路面结构还未发生变化之前将隐患处理解决。

（3）沉降监测系统通过对高速公路从施工到投入使用整个过程的沉降监测，可以得到路基在此过程中的详细沉降变化过程，以此为基础可以总结出沉降规律，为以后的路基施工提供理论依据。

由此可见，路基的沉降的自动观测，对于延长路面使用寿命，确保行车安全以及路基沉降规律的研究具有很大的意义。

2 自动观测系统

系统监测原理：假设路基压实以后处于稳定结构，路基沉降都伴随着土壤内部应力的改变，如果能够监测土壤内部应力的改变，压力应变片发生形变，输出电压信号，经数据采集单元，无线传输单元发送至数据处理单元。数据处理分析得出得出路基是否发生沉降，如图2所示。

图2 路基沉降自动监测系统

监测系统的主要模块有：沉降监测单元、数据采集单元、GPRS数据传输单元以及数据处理单元[2]。

（1）沉降监测单元：长时间监测路基内部是否发生沉降，安装于支架上的硅压式压力应变片监测路基内部应力。支架及应变片安装位置如图3所示。

图3 沉降监测单元简图

工作装置长时间埋在地下，需要克服地下工作的恶劣的工作环境，比如：湿度大，长时间受力，以及土壤对材料的腐蚀。另外还应该考虑材料的应力应变特性，材料的应力应变应有一定的稳定性，才能保证测量数据的可靠性，综合考虑选用45#钢作为支架的制作材料，并在外表面涂上防护漆。

定位板深埋在路基下方，传感器3可以测量土壤的固结沉降，传感器2可以测量高填方路基的边坡滑移沉降。传感器1可以测量高填方路基的表面沉降。

传感器工作原理：传感器选择硅压式电阻应变片传感器，型号为BF350-3AA.为了提高灵敏度，采用半桥接法，接法如图4所示。

图4 电阻应变片接法示意图

电桥相邻两桥臂电阻同向变化，所产生的输出电压将相互抵消，反向变化产生的电压相互迭加。这里应变片电阻反向变化，所以对输出电压有放大作用。

当R1=R2=R3=R4=R0时，△R1=△R2 =△R电桥输出为：

式中：ΔR为电阻式应变片阻值的变化量；Ko为电阻式应变片所用金属材料的灵敏度系数，由试验方法确定，为常数值；ε为电阻式应变片所用金属材料的轴向应变值，即ε=ΔL/L，因此又称ε为长度应变值。

根据：

σ＝Eε

其中E为45#钢的弹性模量[1]。

通过以上分析可以得出支架受的应力，通过与土壤压实以后能够承受的最大应力相比较，能够得出路基是否发生沉降。

（2）数据采集单元：系统数据采集单元CPU采用MSP430系列微处理器。这一系列的微型处理器具有自动采集数据的功能，能够满足一般数据采集器的功能需求，而且该处理器耗电量少，在使用蓄电池功能的条件下，工作时间长[3]。

（3）GPRS数据传输单元：系统采用现有的GPRS模块进行远程数据传输。GPRS模块具有连接费用低、传输速率高、接入时间短等优点。

（4）数据处理单元：接受数据并处理数据，将数据进行量化，并根据数据生成沉降曲线图。数据处理单元对接受到的数据进行标定，整理比较，如果某值显著增大或者减小，证明路基内部应力发生突变，路基发生沉降。

三天采集一次数据，一月采集十次，所得的路基内部压力曲线图，如图5所示。

图5 监测点内部压力曲线图

从图5可以看出，在三月份的一次测量中，监测点的内部应力显著增大，路基发生沉降。

3 结论

随着互联网、信息化、自动化的发展，更多的技术越来越成熟。监测技术也朝着自动化方向发展并取得了一定的成果。路基沉降的自动观测在这个背景下应运而生。这个技术对预防高速公路路面病害有着十分重大的意义。

本文设计的装置利用应力应变原理，将硅压式电阻应变片安装在支架的相应位置用于监测土壤内部受力情况，数据采集单元采集数据后，通过GPRS传输单元将数据发送至数据处理单元，分析数据之后得出路基是否发生沉降，但是检测精度并不是很高，可以用在需要进行沉降观测，但是并不需要得出具体沉降值的高速公路。另外本装置结构原理简单，成本低，有一定的经济效益。

[1]熊诗波，黄长艺.机械工程测试技术基础[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]张尧.高速公路路基沉降远程监测系统设计[D].西安：长安大学，2015.

[3]丁礼磊.路基沉降无线监测系统关键技术研究[D].西安：长安大学，2009.

[4]何清风.基于GPRS的远程配变监测系统设计[D].西安：西安理工大学.

[5]金生吉，余天庆，熊健民.路基沉降规律实验研究[J].筑路机械与施工机械化，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，河南荥阳人，在读研究生，研究方向：机械设计及其自动化。