振弦式传感器在倒装式柔性基层路面监测中的应用.pdf

第41卷第8 期2023年8 月文章编号：10 0 9-7 7 6 7（2 0 2 3)0 8-0 30 4-0 5Vol.41,No.8Journal of Municipal TechnologyAug.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.08.304振弦式传感器在倒装式柔性基层路面监测中的应用孙健,陈姗*,孔维臻（广东华美加工程顾问有限公司，广东广州510 0 0 0)摘要：为探究倒装式柔性基层路面病害形成机理，以广河高速惠州段为研究对象，首次引入了带数据存储功能的振弦式传感器，并进行了长达5个月的连续监测，与同一时期落锤式弯沉仪所测弯沉值进行对比分析，找到了振弦式传感器所测应变值与弯沉值之间的联系。研究结果表明：所测应变值与弯沉值存在正相关关系，但在部分特定条件下振弦式传感器适用性不足；综合分析结果显示，路面结构层处于稳定状态。振弦式传感器的使用可为后续路面养护策略的制定提供参考。关键词：倒装结构；柔性基层；振弦式传感器；弯沉；应变中图分类号：U416.221文献标志码：BApplication of Vibrating Wire Sensor in Monitoring Inverted FlexibleBasePavementSun Jian,Chen Shan*,Kong Weizhen(Guangdong CAC Engineering Consultants Co.,Ltd.,Guangzhou 510000,China)Abstract:In order to explore the disease mechanism of inverted flexible base pavement,the vibrating wire sensorwith data storage function was introduced for the first time in Huizhou section of Guangzhou-Heyuan Expressway.The continuous monitoring has been carried out for up to five months.The deflection value was compared with theone by the falling weight deflectometer in the same period to find the relationship between the strain value measuredby the vibrating wire sensor and the deflection value.The results show that there is a positive correlation between themeasured strain and deflection.But,the applicability of vibrating wire sensor is insufficient under some specificconditions;The comprehensive analysis results show that the pavement structure layer is in a stable state.The vi-brating wire sensor provides a reference for the subsequent pavement maintenance strategy.Key words:the inverted structure;flexible base;vibrating wire sensor;deflection;strain倒装式柔性基层路面结构具有较强的柔韧性和扩散荷载的作用，同时可起到防止和延缓下承层开裂后进一步扩展至面层的作用，有效遏制面层裂缝的产生,从而提高路面耐久性能。倒装式柔性基层路面相较于半刚性基层路面能够更好地控制反射裂缝的产生，但倒装式柔性基层路面也更易产生车收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 0作者简介：孙健，男，工程师，硕士，主要从事路面结构与材料研究工作。通讯作者：陈娜姗，女，工程师，硕士，主要从事路面结构与材料研究工作。引文格式：孙健，陈姗，孔维臻.振弦式传感器在倒装式柔性基层路面监测中的应用.市政技术，2 0 2 3，41（8）：30 4-30 8.（SUNJ,CHENS，KONG W Z.Application of vibrating wire sensor in monitoring inverted flexible base pavement JJ.Journal of municipal technology,2023,41(8):304-308.)辙和Top-Down裂缝。究其原因为：倒装式柔性基层路面的级配碎石层对超限的剪应力更加敏感，病害产生的机理与一般半刚性基层路面有着本质的区别。鉴于此,笔者以广河高速惠州段为例,重点对倒装式柔性基层路面的级配碎石层进行研究，将每组振弦式传感器布设在级配碎石层的顶面和底面，以第8 期研究交通荷载作用下级配碎石层的应力变化，从而为路面整体性能判断提供参考。目前，振弦式传感器多用于桥梁等构造物的监测，但由于数据无法存储，只能人工进行实时记录。笔者对振弦式传感器现有的读数器进行改进，并且联合使用位移计和应变计，对道路基层、路面各层的受力状态、温度等相关参数进行在线监测，记录其在行车状态下的变化。通过布设在倒装式柔性基层路面中的振弦式传感器，对不同路面荷载及气候条件下的数据进行连续采集，验证设备的可靠性。结合自然环境因素及路面行驶车辆、车重情况，对路面结构参数的变化进行定量评价，建立振弦式传感器所测数据与弯沉值之间的联系，从而为路面结构服役期间性能的监测与研究提供参考。1工程概况广河高速惠州段作为广东首条采用倒装式柔性基层路面结构的高速公路，经过多次路面大修养护及多年运营，已积累了大量的监控检测资料，具有较高的研究价值1。广河高速惠州段起点桩号为K71+497,终点桩号为K146+338，路线全长7 4.8 41km，通车至今已有11年,其路面结构具有一定抵抗反射裂缝的能力。倒装式柔性基层路面结构在国内运用较少,由于近年来交通量不断增加，导致其性能衰退，为了快速研判路面使用状态，对部分路段进行振弦式传感器布设，并结合落锤式弯沉仪所测弯沉值对路面结振弦式传感器该研究使用的振弦式传感器是在原有振弦式传感器的基础上，在单片机与显示器之间增加连续存储式存储器。振弦式传感器本体为振弦式弹性梁结构，适用于各种结构件，如钢管、坑道的支撑、桩和桥梁等；也可用螺丝将其安装固定在各种结构的表面，长期监测结构表面的应力与应变，并可加装温度传感器，同步测量埋设点的温度。该振弦式传感孙健等：振弦式传感器在倒装式柔性基层路面监测中的应用激振电路信号调理电路温度补偿电路图1振弦式传感器工作原理图6 Fig.1 The operating principle diagram of vibrating wire sensor器可根据访问者的实际需求增加身份识别功能，便于断线查找原仪器编码，同时具备连续采集功能。为了适应振弦式传感器输出信号小、持续时间短的特点，笔者选用微控制器MSP430F449对振弦式传感器的频率信号和温度信号进行实时检测，并加入了连续存储式存储器对采集的数据进行自动存储7-1。振弦式传感器主要技术参数见表2。305构服役期间的性能进行评价。广河高速惠州段路面结构层见表1。表1广河高速惠州段路面结构层Tab.1 Pavement structure layers of Huizhou section ofGuangzhou-Heyuan Expressway结构层上面层中面层下面层上基层下基层底基层路基2扶振弦式传感器工作原理及布设方案2.1扶振弦式传感器工作原理振弦式传感器主要由刚体、压力传感器、振弦、拾振器、显示器组成。当被测物体发生振动时，钢弦两端承受压力导致振弦发生振动。由于钢弦所承受压力的不同，振弦的振动频率也会随之发生变化。振弦振动后所产生的电磁脉冲被拾振器所捕获，拾振器对所捕获的电磁脉冲进行放大，最终呈现在显示器上。随着新材料、新工艺的发展，目前的振弦式传感器已具备抗电磁干扰、耐腐蚀、耐久性强等特点2-5。此外,还由此衍生出位移计、荷载传感器、应力应变计、连续存储式存储器。振弦式传感器工作原理见图1。单片机连续存储式MSP430F449存储器材料SBS改性沥青混合料Sup-12.5SBS改性沥青混合料Sup-19SBS改性沥青混合料Sup-25粗粒式沥青碎石ATB-25级配碎石水泥稳定碎石路基土LCD显示器RS-232模式厚度/cm4789321575306规格/cm10/15/25注：F.S全称为FullScale，表示满量程。2.2振弦式传感器构成及布设信息该研究使用的仪器有振弦埋入式位移计和振弦式混凝土应变计（设备型号YTYBJ50B，规格50mm）,振弦式传感器系统主要由埋人式传感器、数据传输线以及LCD数据采集器3部分组成，见图2。a)埋人式传感器图2 振弦式传感器系统组成部件Fig.2 Composition diagram of the vibrating wire sensor system该研究基于广河高速惠州段进行试验，结合试验路段方案布设状况，每个月进行1次检测，持续5个月时间。每个方案布设2 组振弦式传感器元件，分别埋置在级配碎石层的顶面和底面（见图3）,以便对不同深度级配碎石下基层的变形程度进行监测。振弦式传感器布设情况见表3。4cmSBS改性沥青混凝土上面层7cmSBS改性沥青混凝土中面层8cmSBS改性沥青混凝土下面层9cmATB粗粒式沥青碎石上基层振弦埋人式位移计32cm级配碎石下基层15cm水泥稳定碎石底基层路基图3振弦式传感器布设位置示意图Fig.3 Layout of the vibrating wire sensorsJournal of Municipal Technology表2 振弦式传感器主要技术参数Tab.2 Main technical parameters of vibrating wire sensor测量范围/x10-6分辨力拉:10 0 0;压：150 00.015%F.Sb)LCD数据采集器第41卷综合误差工作温度/1.5%F.S-2560表3振弦式传感器布设情况汇总表Tab.3 Summary table of vibrating wire sensors layout序号仪器编号1ZK108+9802ZK108+9803ZK107+0204ZK107+0205ZK86+0806ZK86+0807YK128+0008YK128+0002.3振弦式传感器各参数间的关系振弦式应变计通过测量固定在端块或被测元件之间的钢弦的频率变化来测量钢弦的张力/应变等物理量。钢弦的自振频率与应变之间的关系为：T=Kf。式中：T为钢弦的应变,10 ;f为钢弦的自振频率，Hz;K为标定系数12-15,与钢弦的长度、质量有关,单位为 mm/Hz或10-/Hz。T=T-T o=K(f-f2)。振弦式应变计的应变筒与钢弦变形协调，应变增量相同,设应变筒的应变增量为8 h，钢弦的应变增量为8 g,则有8 h=8g=T/EA）,其中EA为钢弦的轴向刚度。因此,8 h=K(f-f2)/(EA)=Kh(f-f2)。振弦埋人式位移计工作原理为:P=K(f?-f),其中P的单位为mm；振弦式混凝土应变计工作原理为:P=K(f?-f),其中P的单位10 。频率可通过读数仪测得，并记录对应的温度。3监测结果分析基于振弦式传感器的布设方案，对4段不同的试验路段进行了为期5个月的监测，现场检测见图4，对监测数据进行可视化处理见图5。由图5可知：1)应变计实测数值变化情况基本符合路面模量衰减规律16。实测最不利值大多小于计算最不利值，说明除个别路段外，其他经过路面处治的路段模量虽然在衰减，但结构整体仍处于安全状态。测温精度/0.5桩号埋深/cm2860286028602860测温分辨率/0.062.51003610037100472100473100565100566100477100478第8 期a)振弦式传感器埋设现场图4现场检测图Fig.4 Investigating on site33028 cm应变计-6 0 cm应变计310(9-01)/平回2902702502302101902022年3月2 0 2 2 年4月2 0 2 2 年5月2 0 2 2 年6 月2 0 2 2 年7 月a)ZK108+98028028cm应变计-6 0 cm应变计260(-01）/平回2402202001802022年3月2 0 2 2 年4月2 0 2 2 年5月2 0 2 2 年6 月2 0 2 2 年7 月b)ZK107+020300厂280(901）/回2602402202001802022年3月2 0 2 2 年4月2 0 2 2 年5月2 0 2 2 年6 月2 0 2 2 年7 月孙健等：振弦式传感器在倒装式柔性基层路面监测中的应用b）振弦式传感器数据采集现场时间时间28cm应变计-6 0 cm应变计时间c)ZK86+08030731028 cm应变计-6 0 cm应变计290(9-01)/牵回2702502302101902022年3月2 0 2 2 年4月2 0 2 2 年5月2 0 2 2 年6 月2 0 2 2 年7 月d)YK128+000图5下基层顶面与底面应变变化图Fig.5 Strain variation diagram at the top and bottom surface oflowerbase2)对于不同桩号的路段，不同深度处应变计所测数据各不相同，但是下基层底面应变始终小于其顶面应变，且随时间的变化衰减规律大致相似。3)下基层顶面应变在前期检测中增幅较大，后期增幅逐渐减小，而下基层底面应变变化较为均匀。下基层顶面应变变化幅度较大说明应变计所测值与路面荷载传递规律基本一致。剔除各个点位连续5个月所采集数据中的特异值,并对其他数据进行加权平均后，与同一时期落锤式弯沉仪所测各点位的弯沉值进行对比,结果见图6。32028cm应变计6 0 cm应变计弯沉300(9-01)/不回到280260240220200180ZK107+20图6 应变值与弯沉值对比Fig.6 Comparison of the strain value and deflection value由图6 可知：1)对于同一位置,弯沉值与应变值具有一定的正相关性。由于ZK108+980处存在路面脱空，因此弯沉值及应变值在此处均偏大，说明振弦式传感器对路面脱空的监测效果良好。2)总体而言，弯沉值与应变值大致呈线性关系，但在ZK86+080处出现了负相关。经现场核查，发现时间YK128+000ZK86+080桩号4540wu100/泉3530252015ZK108+980市放技术308Journal of Municipal Technology该位置唧泥、脱空情况较严重，说明振弦式传感器的适用条件依然有局限性，对于路面病害较严重位置尚存在不确定性。4结论通过对广河高速惠州段倒装式柔性基层路面级配碎石层顶面和底面应变监测结果进行分析得出以下结论：1)经过5个月的连续监测，所埋设的振弦式传感器完好率达10 0%,所布设的振弦式传感器在路面荷载作用下表现出了良好的力学响应特征。2)振弦式传感器所测应变值与落锤式弯沉仪所测弯沉值存在一定的正相关性，说明振弦式传感器的温度适应能力较强，但在病害严重的路段依然存在不稳定性，有待于进一步研究。3)在实际路面性能监控过程中，可利用振弦式传感器快速识别路面竖向应变变化情况，从而对路面服役期间的性能作出初步判断，为后续路面的维修养护提供支撑。MET参考文献【1李宁.广河高速公路倒装式柔性基层沥青路面结构分析与性能评价D.重庆：重庆交通大学,2 0 2 2.（LIN.Structural anal-ysis and performance 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