路基沉降自动化监测技术及沉降监测系统的应用研究

陆强

摘要：软基处理是公路工程建设的重要环节，为了把控路基填筑进度、保障路基处理质量、精准预测工后沉降，实现安全运营，软基的沉降监测必不可少，几何水准测量、光纤光栅传感监测和静力水准测量等均为目前较为常见的监测方法。光纤光栅传感监测在与土体的协调变形及安装等方面尚未形成高效、高精度的解决方案。对系统监测数据与现场施工数据进行对比分析，确定沉降监测系统监测结果与实际相符，监测成果可行、实时、准确。

关键词：路基沉降智能监测系统；传感器；模块；液位差；沉降量

引言

近十几年来，在公路建设中，各地相继开展了规模较大的沉降观测工作，积累了大量的现场实测数据资料。这些宝贵的现场资料是实际沉降发展过程的直接反映，通过对现场实测数据资料的整理和分析可及时修改、调整施工方案，保证路堤填筑施工中的安全及施工速率和施工质量。但目前的研究方法以传统的人工采集整理分析为主，工作量大，工作效率低，特别是遇到大量数据信息的时候，处理十分困难，不利于数据的管理和查询以及反映路基的整体变形及沉降随时间和空间的发展状况。

1路基沉降控制要求

路基沉降是高速公路路基施工中的常见问题，如果路基沉降超标，将给之后的路面施工带来很大的影响，如果沉降在路面施工完成或开始通车后大量产生，还会造成路面破坏，严重威胁行车安全。因此，必须在施工中对沉降控制足够重视。导致路基沉降的原因有很多，除外界因素外，施工也是沉降控制的关键环节，所以施工中应明确路基沉降控制要求，将路基沉降控制在最小程度。该段路基施工沉降控制要求如下。（1）为最大程度减小沉降，路基填筑时需对基底分布的覆盖层予以全面换填处理，同时加强观测和施工控制。在填筑完成的路基达到稳定状态以后再继续铺筑。另外，在路基碾压时宜采用强夯法及冲击碾压法。（2）路基施工中应严格按照现行规范提出的各项要求对路基施工与运营时产生的变形进行观测，通过施工过程动态观测，及时发现并解决可能导致路基沉降的因素，进而排除所有路基沉降隐患，使工后路基始终保持稳定。

2路基沉降智能监测系统测量原理

基准传感器位于液体的某处深度，液体的压强致使传感器产生输出电压值，该电压值反映了传感器所受到的压强，也反映了传感器所在位置的液体深度。当某个待测传感器在连通的液体另一处深度时，同理，它的电压值也反映了它所在处所受到的液体压强和它所在处的液体深度。待测传感器所在处的液体深度和基准传感器液体深度比较后，便可以得到待测传感器相对于基准传感器的沉降量。路基沉降测量流程为：路基发生沉降引起传感器位置变化、液位变化、压差变化，然后传感器感知，进行数据采集分析，得到沉降量，最后将数据存储并发送至沉降系统平台。

3路基沉降自动化监测系统

3.1传感器子系统

在路基沉降自动化监测系统中采用电容式压力变送器，其可通过电路检测电容的变化，并进行线性处理和温度自动补偿，将液位高度转化为相应的电压量。

3.2数据采集子系统

数据采集子系统需接收液位传感器输出的模拟电压信号，鉴于其在户外使用的特殊性，选用低功耗方面性能卓越，且内嵌了Sigma-DeltaA/D转换模块的MSP430F2013单片机将其转化为数字信号，由CPU读取后完成数据采集流程，并存储于单片机便于数据的发送及处理分析。

3.3数据传输子系统

为保障传输过程中短信息服务功能的顺畅使用，数据传输子系统选择西门子MC35，该设备低功耗，且支持数据、语音、短消息和传真功能。通过创建各传感器的读写指令，获取数据寄存器地址和数据类型等信息，即可完成数据传输子系统设备信息配置，供数据分析与展示子系统应用。

3.4数据分析与展示子系统

在沉降量基础数据收集的基础上，开发项目信息、曲线图表分析、历史数据查看、报警处理、采集管理、设备状态查看等功能模块。各模块的开发应用不仅实现了沉降量数据的自动采集管理，也完善了数据变化趋势分析及报警通知功能，对指导现场施工、保障运营期安全意义重大。

4路基沉降自动监测系统应用

4.1现场试验段安装

根据项目现场地质条件、施工工艺以及课题目的，在依托工程K9＋500段设置试验段，在路基处理完成后于垫层顶面安装路基沉降智能监测系统。根据现场情况选取一个具有代表性的断面进行沉降监测，共布置２个监测点，分别布置于左侧路肩和路基中央；在路基之外稳定的地点布置一个基准点和采集箱。对试验段K9＋500的监测数据进行统计分析，通过实际监测设备安装与平台上获取的统计数据与现场施工进展的对比分析，对研发的路基沉降智能监测系统进行评价。路基沉降监测系统安装完成后，在路基填筑施工过程以及道路施工完成后的运营期间，通过静力水准仪记录各监测点之间液体压力差引起的压力值变化，记录路基整个施工、运营过程中的沉降变形、时间、温度等参数，并传输至监测系统，业主单位、监理单位、施工单位可通过ＰＣ端远程多人实时对施工质量、进展、沉降控制进行监督。

4.2现场试验段系统数据监测

部分监测数据,从：2020年22月至2021年1月中旬，沉降基本稳定，剔除设备埋设时发生的变形，路中线点最大沉降量为5.25mm，路肩点最大沉降量为4.65mm；2021年1月中下旬路基发生集中性沉降，最大沉降值路中线点达到65.42ｍｍ，路肩点达到68.02mmｍｍ；2021年1月下旬至今，沉降呈曲线缓慢增加，基本稳定，路中线点沉降值由65.42mm增大至73.35mm，沉降量增加7.93mm，路肩点沉降值由68.02mm增大至83.00mm，沉降量增加14.98mm。结合现场施工对沉降监测数据分析如下：试验段于11月份完成路基填筑，11月至第2年1月中旬基本为路基填料引起的稳定沉降，与沉降监测数据吻合；１月中下旬进行集中式预压堆载，导致路基下土中附加应力陡增引起路基沉降集中性增大，与监测数据沉降量陡增60mm吻合；１月下旬至今，完成堆载后，沉降呈稳定缓慢增长，与沉降监测数据吻合。通过监测数据与现场施工数据的对比分析，确定沉降监测系统监测结果与实际分析结果相符，利用该监测系统在云平台上进行路基沉降监测具有可行性、实时性、准确性、便捷性等。

结束语

鉴于软土路基沉降成为影响公路质量的关键问题，目前仍然困扰着行业发展。虽展开大规模沉降监测工作，但监测数据资料获取仍以传统人工测量为主，存在不及时、不全面、精度不够、数据无法管理使用等弊端。为实现软基沉降数据监测、管理、查询及沉降过程演示的信息化、系统化、一体化，通过对路基沉降智能监测系统上试验段监测剖面不同时间段的沉降与实际施工进展对比分析，确定沉降监测系统监测结果与实际相符，利用该监测系统在云平台上进行路基沉降监测具有可行性、实时性、准确性、便捷性等。

参考文献

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