路基动态回弹模量传感器及其埋设与测试方法技术

本发明专利技术公开了一种路基动态回弹模量传感器及其埋设与测试方法，所述传感器包括垫片、基座、底板和连接屏蔽线的压电陶瓷片，其中：所述基座为圆柱体，包括外环和内环；所述外环的上表面每120°开一个外环圆孔；所述内环的上表面向下凹陷形成内环凹槽，内环的中部开内圆孔；所述外环和内环的下表面正对某一外环圆孔向上凹陷形成底部凹槽；所述内环凹槽内放置两片垫片，两片垫片间的空隙正对底部凹槽，压电陶瓷片插在两片垫片间的空隙中；所述底板为对应基座外环圆孔开孔的带底板圆孔的薄带孔圆柱体；所述外环圆孔和底板圆孔供螺纹杆穿入，将底板贴合基座。相较于现有的路基回弹模量测试系统，具有以下四个优点：(1)快速获取路基动态回弹模量；(2)无损测量；(3)经济简单；(4)易于携带。

【技术实现步骤摘要】
路基动态回弹模量传感器及其埋设与测试方法
本专利技术属于土木工程
，涉及一种用于路基动态回弹模量监测的传感器及其埋设与测试方法。
技术介绍
路基是道路的基础，回弹模量是公路路基设计、施工和养护的重要参数。回弹模量是描述路基土与粒料力学特性的主要参数之一，过去40多年，国外许多道路研究机构和科研人员曾致力于路基土与粒料回弹响应的研究，发现影响路基回弹模量的因素包括：土的种类与颗粒性质、湿度、密度、应力水平、应力历史等，并基于此建立一些预估模型，为路基设计带来一定便利。目前测定路基回弹模量的方法主要有现场承载板法、贝克曼梁弯沉法。现场承载板法先通过千斤顶加载预压，然后进行逐级加载卸载，记录每次加载和卸载时两台路面弯沉仪上百分表的数值，随后通过压力-变形曲线，测定出每级荷载相应的回弹变形值，计算得到路基的静态回弹模量值。贝克曼梁法通过测试标准车后轴双轮轮隙中心处的回弹弯沉值，并考虑温度修正、路面弯沉仪支点的变形修正因素，计算得到路基的代表弯沉值，并结合路基材料的泊松比和路基的代表弯沉值，计算结构层的静态回弹模量值。综上可知，现有方法多为静态。随着新版《公路沥青路面设计规范(JTGD50-2017)》和《公路路基设计规范(JTGD30-2015)》的相继颁布实施，路基动态回弹模量已经代替原有的静态回弹模量指标。限于测试过程的技术复杂性和试验设备的昂贵性，我国路基动态回弹模量指标距离工程应用还存在一定距离。为推进新版沥青路面、路基规范的顺利运行，减少路基动态回弹模量测试工作，设计专利技术一种操作简单、价格便宜、计算简便且精度高的测量路基动态回弹模量的仪器成为了亟待解决的问题。广泛应用于土体小应变剪切模量获取的弯曲元剪切波速测试为解决这个问题提供了灵感。弯曲元是一种可实现机械能和电能相互转化的机电元件，分为发射元和接收元两部分。发射元在输入的激振信号下发生机械振动，所产生的剪切波经过土样后传播至接收元，使之发生振动而产生电信号。激振信号和接收信号通过示波器显示并记录，通过比对激振信号和接收信号可得到剪切波的传播时间，在传播距离已知的前提下通过计算得到剪切波速。继而通过剪切波速和小应变剪切模量之间的转换公式得到土体的小应变剪切模量。而若能建立剪切波速和动态回弹模量之间的转换公式，则可通过弯曲元测得的波速转换得到土体的动态回弹模量。当前，弯曲元剪切波速测试方法的研究已较为成熟。其中压电陶瓷弯曲元波速测试技术由于原理简明、操作便捷及无损检测等特点，被广泛应用在各种土工仪器中进行土样小应变剪切波速的测量研究。例如浙江大学在2002年开发了在三轴室内安装压电陶瓷弯曲元的土样波速测试装置(专利号：02261611.X)，随后又开发了在固结仪上安装压电陶瓷元的土样波速测试装置(专利号：200520013094.2)，2008年浙江大学周燕国等人开发了直接利用压电陶瓷弯曲元在现场进行土体波速测试的测试方法和相应装置(专利号：200820086397.0)，避免取样扰动对波速测试结果的影响。综上，当前的路基回弹模量测量技术存在以下不足：(1)大部分测量结果为静态回弹模量，难以满足规范需求；(2)土体波速测试技术已经相当成熟，波速与小应变剪切模量的转换关系也已建立，建立波速与动态回弹模量之间的转换关系也是可能的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种操作简便、数据易处理，易于携带且经济性高的路基动态回弹模量传感器及其埋设与测试方法，旨在利用弯曲元技术对土体剪切波速进行测量，通过建立的剪切波速和路基动态回弹模量之间的关系，将传感器直接测得的波速数据转换为路基动态回弹模量值，实现路基动态回弹模量的快速、准确、无损获取。本专利技术突破了现有剪切波速测试技术仅应用于小应变剪切模量获取的局限，利用传感器测量路基的剪切波速，建立剪切波速与路基动态回弹模量之间的关系，通过易测的剪切波速更快更便捷地获得路基动态回弹模量。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种路基动态回弹模量传感器，包括垫片a、基座b、底板c和连接屏蔽线的压电陶瓷片d，其中：所述基座b为圆柱体，包括外环和内环；所述外环的上表面每120°开一个外环圆孔；所述内环的上表面向下凹陷形成内环凹槽，内环的中部开内圆孔；所述外环和内环的下表面正对某一外环圆孔向上凹陷形成底部凹槽；所述内环凹槽内放置两片垫片a，两片垫片a间的空隙正对底部凹槽，压电陶瓷片d插在两片垫片a间的空隙中；所述底板c为对应基座外环圆孔开孔的带底板圆孔的薄带孔圆柱体；所述外环圆孔和底板圆孔供螺纹杆穿入，将底板c贴合基座b。一种路基动态回弹模量传感器的埋设方法，包括如下步骤：步骤一、前期准备：①根据钻孔数量购买匹配钻孔孔径、满足钻孔深度的PVC水管，防止钻孔结束路基塌陷；②制作路基动态回弹模量传感器；③利用环刀法测量土体密度，酒精燃烧法测量土体干密度，按指定含水率制备土样；④在土样两端安装作为发射元的路基动态回弹模量传感器和接收元的路基动态回弹模量传感器，确保发射元和接收元的激振片方向一致；⑤规划信号传输路径并开挖信号传输线槽；⑥确定采集箱安装位置，进行安装；步骤二、埋置过程：①根据钻孔规划确定使用的钻孔钻头，确定位置并进行钻孔；②钻孔结束后，在孔内放置PVC水管，防止钻孔塌陷；③取出护壁后，将安装好的带有土样的路基动态回弹模量传感器垂直缓缓放入钻孔内，分层回填细土并夯实；④将导线沿导线槽埋设，屏蔽线与导线的BNC接头连接，将导线的BNC接入信号采集箱。一种利用上述传感器进行路基动态回弹模量测试的方法，包括如下步骤：步骤一、土样制备：利用环刀法测量土体密度，酒精燃烧法测量土体干密度，按指定含水率制备土样；步骤二、传感器装配：在土样两端安装作为发射元的路基动态回弹模量传感器和接收元的路基动态回弹模量传感器，确保发射元和接收元的激振片方向一致；步骤三、埋置传感器：①根据钻孔规划确定使用的钻孔钻头，确定位置并进行钻孔；②钻孔结束后，在孔内放置PVC水管，防止钻孔塌陷；③取出护壁后，将安装好的带有土样的路基动态回弹模量传感器垂直缓缓放入钻孔内，分层回填细土并夯实；④将导线沿导线槽埋设，屏蔽线与导线的BNC接头连接，将导线的BNC接头接入信号采集箱；步骤四、测试系统连接：取一根导线一端接入信号发生器通道一，另一端接入BNC三通头，将发射元中的屏蔽线接入三通头，用另一导线连接BNC三通头另一端接口与示波器通道一；将接收元接入放大滤波器输入端的通道一，从放大滤波器输出端的通道一再接入输入端的通道二，从输出端的通道二接入示波器通道二，最后将示波器USB接口接入电脑采集测试信息；步骤五、试件测试：信号发生器制造电信号传递到土样中的发射元上，发射元上的压电陶瓷片接受电信号震动产生剪切波，通过土体到达接收元上并转化为电信号，放大滤波器过滤其余扰乱信号，将需要的电信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种路基动态回弹模量传感器，其特征在于所述传感器包括垫片、基座、底板和连接屏蔽线的压电陶瓷片，其中：/n所述基座为圆柱体，包括外环和内环；/n所述外环的上表面每120°开一个外环圆孔；/n所述内环的上表面向下凹陷形成内环凹槽，内环的中部开内圆孔；/n所述外环和内环的下表面正对某一外环圆孔向上凹陷形成底部凹槽；/n所述内环凹槽内放置两片垫片，两片垫片间的空隙正对底部凹槽，压电陶瓷片插在两片垫片间的空隙中；/n所述底板为对应基座外环圆孔开孔的带底板圆孔的薄带孔圆柱体；/n所述外环圆孔和底板圆孔供螺纹杆穿入，将底板贴合基座。/n

【技术特征摘要】
1.一种路基动态回弹模量传感器，其特征在于所述传感器包括垫片、基座、底板和连接屏蔽线的压电陶瓷片，其中：
所述基座为圆柱体，包括外环和内环；
所述外环的上表面每120°开一个外环圆孔；
所述内环的上表面向下凹陷形成内环凹槽，内环的中部开内圆孔；
所述外环和内环的下表面正对某一外环圆孔向上凹陷形成底部凹槽；
所述内环凹槽内放置两片垫片，两片垫片间的空隙正对底部凹槽，压电陶瓷片插在两片垫片间的空隙中；
所述底板为对应基座外环圆孔开孔的带底板圆孔的薄带孔圆柱体；
所述外环圆孔和底板圆孔供螺纹杆穿入，将底板贴合基座。


2.一种权利要求1所述路基动态回弹模量传感器的埋设方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、前期准备：
①根据钻孔数量购买匹配钻孔孔径、满足钻孔深度的PVC水管，防止钻孔结束路基塌陷；
②制作路基动态回弹模量传感器；
③利用环刀法测量土体密度，酒精燃烧法测量土体干密度，按指定含水率制备土样；
④在土样两端安装作为发射元的路基动态回弹模量传感器和接收元的路基动态回弹模量传感器；
⑤规划信号传输路径并开挖信号传输线槽；
⑥确定采集箱安装位置，进行安装；
步骤二、埋置过程：
①根据钻孔规划确定使用的钻孔钻头，确定位置并进行钻孔；
②钻孔结束后，在孔内放置PVC水管，防止钻孔塌陷；
③取出护壁后，将安装好的带有土样的路基动态回弹模量传感器垂直缓缓放入钻孔内，分层回填细土并夯实；
④将导线沿导线槽埋设，屏蔽线与导线的BNC接头连接，将导线的BNC接入信号采集箱。


3.一种权利要求1所述路基动态回弹模量传感器进行路基动态回弹模量测试的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：张锋，尹思琪，朱龙，刘天赐，唐康为，陆许锋，王东升，冯德成，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23