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原文传递一种环式桥梁桩基冲刷监测系统及其监测方法

专利名称：	一种环式桥梁桩基冲刷监测系统及其监测方法
摘要：	本发明公开了一种环式桥梁桩基冲刷监测系统及其检测方法包括桥梁桩基、搭载装置、传感器及数据处理系统，所述桥梁桩基的外壁表面沿周向设置一组直线轨道，所述搭载装置与直线轨道滑动配合，所述搭载装置包括搭载圆环及设置在搭载圆环上的一组脚轮，所述传感器设置在搭载圆环表面及桥梁桩基上，所述数据处理系统固定于桥梁桩基的顶部，并通过导线与传感器相连接，从而接收传感器中的数据。本发明的有益效果是：本环式桥梁桩基冲刷监测系统及其监测方法适用于施工中的桥梁桩基冲刷监测系统的安装和桩基冲刷实时监测。
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;吴继熠;蒋兵
专利状态：	有效
申请日期：	2018-12-15T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-28T00:00:00+0800
申请号：	CN201811537650.4
公开号：	CN109811805A
代理机构：	杭州浙科专利事务所(普通合伙)
代理人：	吴秉中
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朝晖六区
主权项：	1.一种环式桥梁桩基冲刷监测系统，其特征在于，包括桥梁桩基(1)、搭载装置(8)、传感器(7)及数据处理系统；所述搭载装置(2)包括搭载圆环(3)及沿搭载圆环(3)周向设置的一组脚轮(6)，所述搭载装置(2)通过脚轮(6)与桥梁桩基(1)的外表面滚动配合；所述传感器(7)设置在搭载圆环表面(3)及桥梁桩基(1)上；所述数据处理系统固定于桥梁桩基(1)上桥墩的顶部位置，并通过导线(5)与传感器(7)分别相连，从而对传感器(7)的数据进行处理。 2.根据权利要求1所述的一种环式桥梁桩基冲刷监测系统，其特征在于，所述桥梁桩基(1)的外表面设有两个钢槽(2)，所述钢槽(2)采用C型钢槽，并对称焊接于桥梁桩基(1)的外表面，且钢槽(2)表面涂设有防水涂料；所述搭载圆环(3)上固定设置连接杆(9)，所述连接杆(9)端部设有滑块(10)，所述滑块(10)与钢槽(2)滑动配合设置，所述导线(5)合股之后与滑块(10)相对固定。 3.根据权利要求1所述的一种环式桥梁桩基冲刷监测系统，其特征在于，所述传感器(7)包括光纤光栅温度传感器、光纤光栅压力传感器、光纤光栅渗压传感器、流速传感器及光纤光栅加速度传感器；所述光纤光栅渗压传感器，安装于搭载装置(8)表面和桥梁桩基(1)顶部，实时监测水位涨落引起的水压力变化；所述光纤光栅压力传感器，安装于搭载装置(8)表面，负责实时监测外界水压力和土压力的变化；所述光纤光栅温度传感器，安装于搭载装置(8)表面和桥梁桩基(1)顶部，用于对光纤光栅传感器做出温度补偿；所述流速传感器，安装于桥梁桩基(1)顶部，用于监测监测点流速变化；所述光纤光栅加速度传感器，安装于桥梁桩基(1)顶部，用于监测桩的振动响应。 4.根据权利要求2所述的一种环式桥梁桩基冲刷监测系统，其特征在于，所述钢槽(2)的开口处沿其轴向设置一组耐腐蚀橡胶条(4)，且耐腐蚀橡胶条(4)的一端与钢槽(2)内壁固定。 5.根据权利要求1所述的一种环式桥梁桩基冲刷监测系统，其特征在于，所述搭载装置(8)上间距50～60cm布置一个传感器(7)，所述搭载圆环(3)截面C型结构，截面壁厚1.5～3cm，且传感器(7)设置在C型结构的内壁上，脚轮(6)设置在开口位置的上下两端，所述搭载装置(8)表面涂抹防水涂料层。 6.根据权利要求2所述的一种环式桥梁桩基冲刷监测系统，其特征在于，所述搭载装置(8)底部设有减震垫，所述滑块(10)上还设有高分子绳(11)，所述高分子绳(11)与滑块(10)固定连接，并通过高分子绳(11)牵引以控制搭载装置(8)降落的速度。 7.根据权利要求1-6任一所述的一种环式桥梁桩基冲刷监测系统的监测方法，其特征在于，包括如下步骤： 1)将搭载装置和导线分别沿着桥梁桩基和钢槽一起下降至海床持力层上； 2)通过搭载装置表面和桥梁桩基顶部上的光纤光栅渗压传感器分别监测水面渗压和水底渗压，实时监测水位涨落引起的水压力变化，并将数据以波长的形式传至数据处理系统； 3)搭载装置表面的光纤光栅压力传感器，实时监测外界土压力与水压力的变化的总压力，并将数据以波长的形式传至数据处理系统。 4)搭载装置表面和桥梁桩基顶部的光纤光栅温度传感器，实时监测外界温度变化，并将数据以波长的形式传至数据处理系统，用于对光纤光栅传感器做出温度补偿； 5)桥梁桩基顶部的光纤光栅加速度传感器，用于监测桩的振动响应，并将数据以波长的形式传至数据处理系统； 6)桥梁桩基顶部的流速传感器，实时监测监测点上流速的变化，并将数据以波长的形式传至数据处理系统； 7)数据处理系统，将传感器的数据通过无线传输传至云端数据库。 8.根据权利要求1所述的一种环式桥梁桩基冲刷监测系统及其监测方法，其特征在于：所述步骤1)中考虑到水下受力的复杂性，为了保证搭载装置能够顺利穿过淤泥层到达持力层表面，根据淤泥层土质情况和工程的需要额外添加砝码进行配重；所述砝码的重量计算公式如下： F浮＝ρgv fa＝Mbγb+Mdγmd+Mcck F浮+fa·S＜G1+G2 式中，G1：搭载装置自重(N)； G2：砝码自重(N)； ρ：海水密度(kg/m3)； v：搭载装置和走线装置的体积(m3)； s：搭载装置底面积(m2)； fa：由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值(Pa)； Mb，Md，Mc：承载力系数，与土的内摩擦角标准值有关； γ：搭载装置底面以下土的重度，因为监测环境在水中故取浮重度(N/m3)； γm：搭载装置底面以上土的加权平均重度，因为监测环境在水中故取浮重度(N/m3)； ck：搭载装置下一倍短边宽的深度内土的粘聚力标准值(Pa)； b：搭载装置底面宽度； d：搭载装置埋深； g：重力加速度(10m/s)；通过以上公式计算出所需砝码的重量，保证搭载装置顺利到达海床持力层表面。 9.根据权利要求7所述的一种环式桥梁桩基冲刷监测系统及其监测方法，其特征在于：所述步骤3)光纤光栅压力传感器波长转化为压强公式为： p＝αp[(λ-λ0)-αt(T-T0)] 式中，αp:传感器压力/波长的比值(Pa/nm)； αt:波长偏移值/温度的比值(nm/℃)； λ:压力测量时的波长(nm)； λ0:测量时的压力光纤光栅初始波长(nm)； T0:测量时的外置温度光纤光栅初始波长(nm)； T:测量过程中的外置温度光纤光栅波长(nm)；所述步骤1)光纤光栅渗压传感器的波长转化为压强公式为： p＝αp1Δλ2+αp2Δλ Δλ＝(λ-λ0)-αt(T-T0) 式中：αp1与αp2均为常数(MPa/nm)； αt：波长偏移值/温度的比值(nm/℃)。 λ：光纤光栅渗压传感器测量时的波长读数(nm)； λ0：测量前的压力光纤光栅初始波长(nm)； T0：测量时的初始环境温度(℃)； T：测量时的环境温度(℃)。 10.根据权利要求9所述的一种环式桥梁桩基冲刷监测系统及其监测方法，其特征在于：所述步骤2)中根据搭载装置表面和桥梁桩基顶部上的光纤光栅渗压传感器实时监测水位涨落引起的水压力变化数据能够计算出水深h，所述水深h的计算方法如下：当搭载装置上无回淤土时：取搭载装置形心处和桥梁桩基顶部的渗压传感器的波长转化为压强，可得到下式： p渗-Δps＝γwhw Δh1＝dsinθ/2 h＝hw+Δh1 式中，p渗：搭载装置上光纤光栅渗压传感器的压强读数(Pa)； Δps：水位涨落引起的水压变化值(Pa)； γw：水的有效重度(N/m3)； d：搭载装置的直径(m)； θ：桥梁桩基与竖直平面之间倾斜角度； Δh1：是渗压传感器到压力传感器的垂直高度(m)； hw：剔除水位涨落，水面到渗压传感器的距离当搭载装置上有回淤土时： p渗-Δps＝γwhw Δh1＝dsinθ/2 hw1＝hw+Δh1 通过上式可以推出淤泥土的厚度：水深计算为：h＝hw1-z 式中，p1：回淤土层以下的光纤光栅压力传感器的压强读数最大值(Pa)； Δps：水位涨落引起的水压变化值(pa)； c：监测点持力层土壤的粘聚力，非粘性土c＝0； Kp：库伦被动土压力系数， z：淤泥厚度(m)； θ：桥梁桩基与竖直平面之间倾斜角度； hw1：水面到持力层的距离； r′：河床持力层土的有效重度； Δh1：是渗压传感器到压力传感器的垂直高度(m)；计算出监测系统初始深度h0，将之后计算出的水深记为h，h与h0均已剔除水位涨落的影响，则监测系统实时监测的冲刷坑深度变化值为：Δh＝h-h0。
所属类别：	发明专利