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原文传递桥梁桩基冲刷监测方法及其系统

专利名称：	桥梁桩基冲刷监测方法及其系统
摘要：	桥梁桩基冲刷监测方法，包括如下步骤：1)将水下爬壁机器人沿着桥墩表面安全下放；2)水下爬壁机器人通过传感器及超声波探头采集信号，使水下爬壁机器人到达水沙交界面上30cm位置处；3)接收超声波发射器的信号，在第二CPU中进行预处理，将信号存储在第二存储模块，确定水下爬壁机器人在海下距离桥墩单元的绝对深度；4)当距离水沙交界面30cm时，下放带有传感器的伸缩触探杆，当伸缩触探杆能够到达海床持力层时，计算出土层厚度，当伸缩触探杆不能达到海床持力层时，监测出冲刷界面冲刷情况；5)监测完成后，回收水下爬壁机器人，在海上调查船数据处理系统中读取第一存储模块中的传感器数据。本发明还包括实施桥梁桩基冲刷监测方法的系统。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	浙江;33
申请人：	浙江工业大学
发明人：	郭健;蒋兵;吴继熠
专利状态：	有效
申请日期：	2019-08-21T00:00:00+0800
发布日期：	2019-12-31T00:00:00+0800
申请号：	CN201910773246.5
公开号：	CN110629806A
代理机构：	杭州天正专利事务所有限公司
代理人：	王兵;黄美娟
分类号：	E02D33/00(2006.01);E;E02;E02D;E02D33
申请人地址：	310014 浙江省杭州市下城区潮王路18号
主权项：	1.桥梁桩基冲刷监测方法，包括如下步骤： 1)海上调查船携带水下爬壁机器人到达目标桥墩海域附近，将水下爬壁机器人沿着桥墩表面安全下放； 2)水下爬壁机器人通过传感器及超声波探头采集信号，超声波探头采集信号通过第一CPU进行处理，控制水下爬壁机器人行进指令，使水下爬壁机器人到达水沙交界面上30cm位置处。传感器采集的数据信号通过第一CPU存储在第一存储模块中； 3)桥墩单元中的超声波应答器与水下爬壁机器人上的超声波发射器配合使用，接收超声波发射器的信号，在第二CPU中进行预处理，将信号存储在第二存储模块，通过无线传输模块将超声波数据传输到数据处理系统中，用来确定水下爬壁机器人在海下距离桥墩单元的绝对深度。 4)当超声波监测到距离水沙交界面30cm时，水下爬壁机器人停止下潜，得出水下爬壁机器人距离桥墩单元的绝对深度，下放带有传感器的伸缩触探杆，当伸缩触探杆能够到达海床持力层时，根据传感器的读数可以计算出土层厚度，当伸缩触探杆不能达到海床持力层时，根据水下爬壁机器人第二次下潜距离桥墩表面超声波应答器绝对深度的变化监测出冲刷界面变化来反映冲刷情况；伸缩触探杆能够到达海床持力层时，由于海床持力层以上土层往往不是由单一土层组成，各土层的压缩性能不一样，底板在伸缩触探杆推力的作用下，根据压缩土层产生的附加应力分布沿深度方向变化进行各土层的厚度计算。假设海床持力层以上有两层土层，水下爬壁机器人爬行到距离第一层土层上的30cm高度，顶端带有压力及渗压传感器的伸缩触探杆进入第一层土层时，压力传感器和渗压传感器的压力差斜率小，当顶端带有压力及渗压传感器的伸缩触探杆即将进入第二层土层时，压力差斜率会突然变大，通过单向压缩分层总和法得出计算深度之和求解第一层土的厚度范围。同理可以求解出第二层土的厚度范围。当压力传感器和渗压传感器的压力差增大一段时间后保持为常数，且一分钟内基本保持不变化，此时认为伸缩触探杆的底部已经到达海床持力层上。取伸缩触探杆即将进入第二层土层时的点，即传感器压力差斜率发生明显变化处，计算第一层土层的厚度范围。此时通过此点的压力差和第一层土的有效重度即可求得h1，通过单向压缩分层总和法确定压缩土层的计算深度zn，即可以求出第一层土层的厚度h2范围。按应力比法确定计算深度，因为土层为高压缩性土，计算σz＝0.1σc深度处。计算深度zn按下式得出：计算分层厚度，从底板开始hi≤0.4a，即按照0.4a来分层。假设计算深度全为第一层土层，土层的自重应力 z0＝0,σc0＝h1γ1′ zi＝zi-1+0.4a,σci＝σc(i-1)+0.4aγ1′ 假设计算深度全为第二层土层，土层的自重应力中将γ1′换为γ2′ 计算底板底部附加应力：计算底板中点附加应力，利用角点法计算，过基底中点将荷载面4等分，计算边长0.5a×0.5a， σz＝4αap0 z0＝0， αai根据mi查表可知，即可以求出对应的σzi 根据σz＝0.1σc原则，当时，即可以求出两种假设最终计算深度zn1和zn2 第一层土层的厚度范围为 h1+zn1＜h2＜h1+zn2 取平均值同理可以得出第二层土层的厚度h3范围。式中，a(m)：正方形底板的边长； F(KN)：伸缩触探杆推力； zi(m)：分层厚度的累加值； p0(Pa)：底板的附加应力； σc(Pa)：土的自重应力； σz(Pa)：底板中点的附加应力； αai：均布的矩形荷载角点下的平均竖向附加应力系数； γ1′(N/m3)：第一层土层有效重度，取γ1′＝βγ1-γw。 γ2′(N/m3)：第二层土层有效重度，取γ2′＝βγ2-γw。 5)监测完成后，回收水下爬壁机器人，在海上调查船数据处理系统中读取第一存储模块中的传感器数据。 2.实施权利要求1所述的桥梁桩基冲刷监测方法的系统，其特征在于：包括水下爬壁机器人单元、桥墩单元及设置在海上调查船上的数据处理系统；水下爬壁机器人单元包括水下爬壁机器人(2)，水下爬壁机器人(2)装有履带(10)和密封舱(8)，履带(10)上装有永磁体(11)，密封舱(8)内装有伸缩触探杆(4)及其操控装置(12)、电池组(9)、第一电源管理模块、第一CPU、超声波发射器(7)，以密封舱(8)面向水沙交界面一侧为前，密封舱(8)前端装有超声波探头(3)，伸缩触探杆(4)伸出密封舱(8)前端，伸缩触探杆(4)前端安装不锈钢底板(5)，不锈钢底板(5)上安装传感器组件(6)；传感器组件(6)、超声波探头(3)、超声波发射器(7)、操控装置(12)、水下爬壁机器人(2)的运动控制系统均连接第一CPU，第一CPU连接第一存储模块；桥墩单元安装于桥墩水面以下部位，包括防水密封舱，超声波应答器、第二存储模块、无线传输模块、第二电源管理模块均连接第二CPU，超声波应答器与水下爬壁机器人(2)上的超声波发射器(7)配合，超声波应答器接收超声波发射器(7)的信号，在第二CPU中进行预处理，并将信号存储在第二存储模块，再通过无线传输模块将超声波数据传输到数据处理系统中，确定水下爬壁机器人(2)在海下距离桥墩超声波应答器的绝对深度；数据处理系统安装在海上调查船上，读取完成任务后返回的水下爬壁机器人第一存储模块中的传感器模块的数据，并通过无线传输模块接收桥墩单元预处理的超声波应答器中的数据。 3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：传感器组件(6)包括压力传感器和渗压传感器。 4.如权利要求2所述的系统，其特征在于：水下爬壁机器人(2)的运动控制系统是一个电动汽车控制系统，包括驱动履带(10)的伺服电机、转向控制装置。 5.如权利要求2所述的系统，其特征在于：伸缩触探杆(4)的操控装置(12)包括一个伺服电机，伺服电机连接螺母和螺杆运动副，伺服电机驱动螺母旋转，螺杆连接伸缩触探杆(4)。
所属类别：	发明专利