CN104895125B - 远程实时在线监测和评估冻融环境下桩基稳定性的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种远程实时在线监测和评估冻融环境下桩基稳定性的装置及方法，包括信号接收器、信号线、钢筋混凝土桩、智能骨料、温度传感器、激振器、地下信号线、PZT压电陶瓷片、数据传输单元（DTU）、GPRS网络、服务器和用户终端。其优点在于：实现寒区季节性土体冻胀发展的远程实时在线监测与评估；监测方法简单易行；实现针对土体冻胀发展过程中桩基稳定性演变进行定量的评估；测量结果准确可靠，通过分析已经测得的数据，对桩基的稳定性进行实时评估和预警，从而在桩基发生失稳以前，采取及时的补救措施。

Description

远程实时在线监测和评估冻融环境下桩基稳定性的装置及 方法

技术领域

本发明涉及寒区桩基稳定性监测领域，具体的说是一种远程实时在线监测和评估冻融环境下桩基稳定性的装置及方法。

背景技术

冻结过程中，土体内部温度场不均匀，冻结的发展不均匀，使冻胀力沿桩身长度分布不均匀，往往表现为上表层土体先冻结并具有较大的冻胀力，下层土体冻胀力较小甚至因为土体处于未冻结状态不存在冻胀力，因此寒区桩基础病害主要表现为两种形式：冻结过程中，随冻结深度的发展，土体的冻胀力逐步发展，当桩周土体冻胀力发展到一定程度，桩体将被整体拔起而失去稳定性；当桩身上部某个截面的冻胀力较大，桩身甚至可能在该界面处发生拉断破坏。

目前，针对寒区桩基稳定加固的措施主要是通过设计特殊的桩体截面形状和大小来改变桩侧所受到的切向冻胀力或设置加热棒保持土体温度减轻土体冻结程度，进而避免桩基发生冻拔破坏。但是，不规则的截面将会给施工和配筋带来麻烦，同时，过大的截面将造成材料的浪费，过小的截面将导致承载力不足，更根本的是这样的设计和加固方法目前并没有规范作为依据。

另一种做法是通过测量季节土体冻结深度，将其与设计冻结深度比较。若季节冻结深度大于设计冻结深度，则可判断桩基将会发生冻拔破坏。但是这种方法工作量大，耗时耗力，且测量结果误差较大。

由于气候变化的不可预测性，目前工程技术上对寒区桩基的稳定性不能进行主动的控制，更不具备监测和评估功能，在长期运营过程中，对桩基稳定性能缺乏足够的定量测量和评估手段进行有针对性的加固指导。由于寒区桩基础对气候变化敏感，对桩基稳定性的评估需要建立在实时监测基础上，并进行数据分析，对稳定性能发展进行评估和失稳预警。

发明内容

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种远程实时在线监测和评估冻融环境下桩基稳定性的装置，其特征在于，包括依次穿过未冻土层、多年冻土层以及水泥防护层的钢筋混凝土桩；所述钢筋混凝土桩内均匀设有若干智能骨料；未冻土层、多年冻土层以及水泥防护层均设有温度传感器；智能骨料通过信号线与信号接收器连接；激振器输出端设置在钢筋混凝土桩上；信号接收器通过数据传输单元经GPRS网络14传输至服务器，服务器最终将数据传输给用户终端；所述智能骨料包括水泥防护层组成的智能盒，PZT压电陶瓷片设置在智能盒内，PZT压电陶瓷片通过地下信号线与信号接收器连接。

一种远程实时在线监测和评估冻融环境下桩基稳定性的方法，其特征在于，基于以下定义：为了保证上部建筑物的稳定，桩基础应同时满足以下两个抗冻拔稳定条件：

F_k+G_k+Q_fk+Q_pk≥kT_k 式一

$\mathrm{\σ}=\frac{k{T}_k-F_k-G_1-Q_{f1}}{A}\≤\left[f_y\right]$ 式二

式中：F_k为作用在桩顶上的竖向结构自重(kN)；G_k为桩身自重(kN)，对于水位以下且桩底为透水土时取浮重度；Q_fk为桩在冻结线以下各土层的摩阻力标准值之和；Q_pk为桩基础周边与多年冻土层的冻结力标准值(kN)；σ为桩基础验算截面的应力；k为冻胀力修正系数；T_k为桩的切向冻胀力标准值(kN)；G₁为验算截面以上桩自重；Q_f1为验算截面至冻结线之间桩与未冻土层的摩阻力；A为验算截面的面积，对于钢筋混凝土结构，为纵向受力钢筋截面积之和；[f_y]为验算截面桩体材料的设计抗拉强度，对于钢筋混凝土结构，则为受力钢筋的设计抗拉强度；则计算方法如下：

计算一，季节冻结深度和多年冻土厚度的计算：

首先判断土的类别，然后测定土的冻前天然含水率和干密度，最后根据测定值得到冻土的导热系数和相变潜热值；求出一年内日平均气温为负值度数的逐日累计值，得到冻结指数；季节冻结深度ξ的计算公式如下：

$\mathrm{\ξ}=\sqrt{\frac{\mathrm{\λE}}{Q}}$ 式三

式中：ξ为季节冻结深度，即季节冻土层厚度；λ为冻土的导热系数；Q为冻土的相变潜热；E为冻结指数乘以24；

多年冻土层厚度ζ的计算公式为：

$\mathrm{\ζ}=-\frac{T{\mathrm{\λ}}^{-1}}{q_g}$ 式四

式中：T为土层的温度值；λ为冻土的导热系数；q_g为多年冻土区域的热流值，按照规范JGJ118-2011取值；

计算二，切向冻胀力的计算：

在多年冻土区，为了保证桩基础具有足够的抗冻拔力，一般必须穿过一定厚度的多年冻土层；季节冻融层中的桩周土在冻结过程中，会在桩体表面产生切向冻胀力；切向冻胀力的计算公式为：

T_k＝z_dτ_sku 式五

式中:z_d为设计冻深(m)，当基础埋置深度h小于z_d时，z_d采用h；τ_sk为季节性冻土切向冻胀力标准值(kPa)，与土的类别、冻前天然含水率及冻前地下水位至地表距离有关；首先判断土的类型，然后测定冻前天然含水率和冻前地下水位至地表距离，根据测定的值对土的冻胀类别进行分类；最后根据土的冻胀类别和桩的类型查规范JTG D63-2007表L.0.1,得到季节性冻土切向冻胀力标准值；u为桩身周长；

计算三，桩侧摩阻力的计算：

当切向冻胀力大于恒载和桩自重之和时，未冻土层的桩与桩周土之间的摩阻力起到抗拔作用；其大小与土的类别，桩的材质和桩表面的粗糙度有关；未冻土层桩侧抗拔摩阻力的计算公式为：

Q_fk＝0.4u∑q_ikl_i 式六

式中:u为桩身周长；q_ik为冻结线以下各层土的摩阻力标准值(kPa)，无实测资料时，对黏性土可采用20-30kPa，对砂土及碎石土可采用30-40kPa；l_i为冻结线以下各层土的厚度；

计算四，冻结力的计算：

多年冻土与桩基础表面通过冰晶胶结在一起，这种胶结力称为冻结力；冻结力的作用方向总是与外荷载的总作用方向相反；当桩周的切向冻胀力较大时，位于多年冻土中的桩侧面的冻结力起抗冻胀的锚固作用；当冻胀力较小时，冻结力起抗下沉的承载作用；冻结力的计算公式为：

Q_pk＝0.4u∑q_ipl′_i 式七

式中:q_ip为多年冻土层中各层土与桩基础侧面的冻结力标准值(kPa)，与土的类别、土的温度、冻前天然含水率及冻前地下水位至地表距离有关；首先判断土的类型，然后测定冻前天然含水率和冻前地下水位至地表距离，根据测定的值对土的融沉等级进行分类；最后根据土的类别、融沉等级和温度查规范JTG D63-2007表L.0.2,得到多年冻土层中各层土与桩基础侧面的冻结力标准值；u为桩身周长；l′_i为多年冻土层中各层土的厚度；

5.桩基稳定性的实时监测与评估

在计算完切向冻胀力、桩侧摩阻力和冻结力之后，令

f₁＝F_k+G_k+Q_fk+Q_pk-kT_k 式八

$f_2=\frac{k{T}_k-F_k-G_1-Q_{f1}}{A\left[f_y\right]}$ 式九

在桩的上端施加水平激励荷载后，记录信号接收器接收到的信号；连续记录几个冻融循环后，分析信号幅值A与f₁和f₂的关系，分别绘制出A与f₁和A与f₂的变化关系图，然后选择适合的函数去分别拟合A与f₁和f₂的关系；最后，将后来测得的信号幅值代入已经得到的函数关系，就可以对桩基的稳定性进行评估；绘制出信号幅值的年度变化图，并对后续年份桩基的稳定性做出预测；由于水平激励荷载可以不断的施加在桩上，并且信号采集仪上的数据可以实时传给监测中心，故可以对桩基的稳定性进行远程实时监测。

因此，本发明具有如下优点：1.该监测方法简单易行，可以对桩基的稳定性进行长期实时在线监测，并对其稳定性进行定量的评估；2.传感器在撞击建设施工时预埋在桩体内，此后不再需要现场测试，省时省力，可以实现对桩基稳定性的长期实时监测；信号接收/发射端采用无线装置时，可以实现远程实时在线监测。；3.测量结果准确可靠，可以分析已经测得的数据，对未来桩基的稳定性进行预测，从而在桩基发生失稳以前，采取及时的补救措施。

附图说明

图1为本发明的剖视图。

图2为智能骨料的结构图。

图3为远程监测系统的拓扑结构图。

图4为信号幅值的年度变化图。

图5为桩基冻胀破坏的形式示意图(整体冻拔)。

图6为桩基冻胀破坏的形式示意图(局部拔断)。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。图中，信号接收器1、导线2、钢筋混凝土桩3、智能骨料4、温度传感器5、激振器6、季节冻融层7、未冻土层8、多年冻土层9、为混凝土块10、地下信号线11、PZT压电陶瓷片12、数据传输单元13、GPRS网络14、服务器15、用户终端16。

实施例：

下面结合附图，对本发明进行进一步说明。如图1所示，一种可以实时监测桩基稳定性的装置，包括信号接收器1、信号线2、钢筋混凝土桩3、智能骨料4、温度传感器5、激振器6、季节冻融层7、未冻土层8、多年冻土层9、水泥防护层10，地下信号线11，PZT压电陶瓷片12，数据传输单元(DTU)13、GPRS网络14、服务器15和用户终端16。

本发明是这样实现的：

1.智能骨料的制作

本发明选用由锆钛酸铅(PZT)制作而成的压电片作为传感器，将两根导线分别焊接在PZT压电片的正负极上，两根导线的另一端焊接在BNC接头上。然后用模具制作两个中间带凹槽的混凝土块，将两个混凝土块用AB胶粘在一起；粘结牢固后，将PZT压电片放入两个混凝土块的凹槽之中；最后向凹槽之中灌入环氧树脂，待环氧树脂凝固后，智能骨料就做成了。

2.带传感器桩的制作

在桩施工制作的过程中，浇筑混凝土之前，沿着桩体长度方向每隔一段距离在钢筋笼上绑扎固定一个智能骨料，与智能骨料相连的导线的长度应视需要而定。智能骨料固定完毕之后，浇筑混凝土。

3.激振器和温度计的安装

待桩制作完成，并且打入土体之中后，在桩的端部安装激振器，用来施加水平激励荷载；同时在桩基附近与智能骨料等高的地方埋设温度传感器。

4.信号的采集

在激振器施加水平激励荷载的同时，用信号接收器记录信号的变化，并且记录温度传感器上面的温度。分析冻融循环过程中信号幅值与温度的关系，建立信号幅值与温度的定量关系式。

5.针对信号进行的计算

寒区的桩基础冻拔破坏有两种形式：整体上拔和局部拔断。

通过对多年冻土区桩基础冻拔破坏及其受力情况的分析，为了保证上部建筑物的稳定，桩基础应同时满足以下两个抗冻拔稳定条件：

F_k+G_k+Q_fk+Q_pk≥kT_k (1)

$\mathrm{\σ}=\frac{k{T}_k-F_k-G_1-Q_{f1}}{A}\≤\left[f_y\right]$ (2)

式中：F_k为作用在桩顶上的竖向结构自重(kN)；G_k为桩身自重(kN)，对于水位以下且桩底为透水土时取浮重度；Q_fk为桩在冻结线以下各土层的摩阻力标准值之和；Q_pk为桩基础周边与多年冻土层的冻结力标准值(kN)；σ为桩基础验算截面的应力；k为冻胀力修正系数(砌筑或架设上部结构之前，k取1.1，砌筑或架设上部结构之后，对外静定结构，k取1.2，对外超静定结构，k取1.3)；T_k为桩的切向冻胀力标准值(kN)；G₁为验算截面以上桩自重；Q_f1为验算截面至冻结线之间桩与未冻土层的摩阻力(当验算截面位于季节冻融层时，取0)；A为验算截面的面积，对于钢筋混凝土结构，为纵向受力钢筋截面积之和；[f_y]为验算截面桩体材料的设计抗拉强度，对于钢筋混凝土结构，则为受力钢筋的设计抗拉强度。

(1).季节冻结深度和多年冻土厚度的计算

首先判断土的类别，然后测定土的冻前天然含水率和干密度，最后根据测定值查规范JGJ118-2011的附录K下的表，即可得到冻土的导热系数和相变潜热值；求出一年内日平均气温为负值度数的逐日累计值，得到冻结指数。季节冻结深度ξ的计算公式如下：

$\mathrm{\ξ}=\sqrt{\frac{\mathrm{\λE}}{Q}}$ (3)

式中：ξ为季节冻结深度，即季节冻土层厚度；λ为冻土的导热系数；Q为冻土的相变潜热；E为冻结指数乘以24。

多年冻土层厚度ζ的计算公式为：

$\mathrm{\ζ}=-\frac{T{\mathrm{\λ}}^{-1}}{q_g}$ (4)

式中：T为土层的温度值；λ为冻土的导热系数；q_g为多年冻土区域的热流值，按照规范JGJ118-2011取值。

(2).切向冻胀力的计算

在多年冻土区，为了保证桩基础具有足够的抗冻拔力，一般必须穿过一定厚度的多年冻土层。季节冻融层中的桩周土在冻结过程中，会在桩体表面产生切向冻胀力。切向冻胀力的计算公式为：

T_k＝z_dτ_sku (5)

式中:z_d为设计冻深(m)，当基础埋置深度h小于z_d时，z_d采用h；τ_sk为季节性冻土切向冻胀力标准值(kPa)，与土的类别、冻前天然含水率及冻前地下水位至地表距离有关；首先判断土的类型，然后测定冻前天然含水率和冻前地下水位至地表距离，根据测定的值对土的冻胀类别进行分类；最后根据土的冻胀类别和桩的类型查规范JTG D63-2007表L.0.1,得到季节性冻土切向冻胀力标准值；u为桩身周长。

(3).桩侧摩阻力的计算

当切向冻胀力大于恒载和桩自重之和时，未冻土层的桩与桩周土之间的摩阻力起到抗拔作用。其大小与土的类别，桩的材质和桩表面的粗糙度有关。未冻土层桩侧抗拔摩阻力的计算公式为：

Q_fk＝0.4u∑q_ikl_i (6)

式中:u为桩身周长；q_ik为冻结线以下各层土的摩阻力标准值(kPa)，无实测资料时，对黏性土可采用20-30kPa，对砂土及碎石土可采用30-40kPa；l_i为冻结线以下各层土的厚度。

(4).冻结力的计算

多年冻土与桩基础表面通过冰晶胶结在一起，这种胶结力称为冻结力。冻结力的作用方向总是与外荷载的总作用方向相反。当桩周的切向冻胀力较大时，位于多年冻土中的桩侧面的冻结力起抗冻胀的锚固作用；当冻胀力较小时，冻结力起抗下沉的承载作用。冻结力的计算公式为：

Q_pk＝0.4u∑q_ipl′_i (7)

式中:q_ip为多年冻土层中各层土与桩基础侧面的冻结力标准值(kPa)，与土的类别、土的温度、冻前天然含水率及冻前地下水位至地表距离有关；首先判断土的类型，然后测定冻前天然含水率和冻前地下水位至地表距离，根据测定的值对土的融沉等级进行分类；最后根据土的类别、融沉等级和温度查规范JTG D63-2007表L.0.2,得到多年冻土层中各层土与桩基础侧面的冻结力标准值；u为桩身周长；l′_i为多年冻土层中各层土的厚度。

(5).桩基稳定性的实时监测与评估

在计算完切向冻胀力、桩侧摩阻力和冻结力之后，令

f₁＝F_k+G_k+Q_fk+Q_pk-kT_k (8)

$f_2=\frac{k{T}_k-F_k-G_1-Q_{f1}}{A\left[f_y\right]}$ (9)

在桩的上端施加水平激励荷载后，记录信号接收器接收到的信号。连续记录几个冻融循环后，分析信号幅值A与f₁和f₂的关系，分别绘制出A与f₁和A与f₂的变化关系图，然后选择适合的函数去分别拟合A与f₁和f₂的关系。最后，将后来测得的信号幅值代入已经得到的函数关系，就可以对桩基的稳定性进行评估。绘制出信号幅值的年度变化图(例如图4)，并对后续年份桩基的稳定性做出预测。由于水平激励荷载可以不断的施加在桩上，并且信号采集仪上的数据可以实时传给监测中心，故可以对桩基的稳定性进行远程实时监测。

6.信号的远程传输

在数据传输单元(DTU)中放入一张开通GPRS功能的SIM卡，DTU上电后先注册到GPRS网络，然后通过GPRS网络和服务器建立连接。数据传输单元(DTU)通过串行接口与信号接收器相连，将串口数据转换为IP数据，然后通过GPRS网络进行无线电传输。信号接收器上采集到的数据通过数据传输单元(DTU)和GPRS网络传到服务器上，用户终端通过Lan/Internet访问服务器，从而实现信号的远程传输，对桩的稳定性进行远程监测。如果测试现场没有放置信号接收器和DTU的地方，可以做一个固定在结构上的箱子，然后将信号接收器和DTU等仪器放在里面。

7.桩基稳定性的评估

根据当地土的冻胀性质，推导出桩基在季节冻融层所受到的冻胀力与土温度的关系。由前面得到的信号幅值与温度的关系，可以建立信号幅值与桩基受到的冻胀力的定量关系，进而对桩基的稳定性进行监测。同时绘制出信号幅值的年度变化图，实现对桩基的稳定性的定量评估，并为后续年份桩基稳定性做出预测。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了信号接收器1、导线2、钢筋混凝土桩3、智能骨料4、温度传感器5、激振器6、季节冻融层7、未冻土层8、多年冻土层9、为混凝土块10、地下信号线11、PZT压电陶瓷片12、数据传输单元13、GPRS网络14、服务器15、用户终端16等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (1)

1.一种远程实时在线监测和评估冻融环境下桩基稳定性的方法，基于远程实时在线监测和评估冻融环境下桩基稳定性的装置，其特征在于，基于以下定义：为了保证上部建筑物的稳定，桩基础应同时满足以下两个抗冻拔稳定条件：

F_k+G_k+Q_fk+Q_pk≥kT_k 式一

式中：F_k为作用在桩顶上的竖向结构自重(kN)；G_k为桩身自重(kN)，对于水位以下且桩底为透水土时取浮重度；Q_fk为桩在冻结线以下各土层的摩阻力标准值之和；Q_pk为桩基础周边与多年冻土层的冻结力标准值(kN)；σ为桩基础验算截面的应力；k为冻胀力修正系数；T_k为桩的切向冻胀力标准值(kN)；G₁为验算截面以上桩自重；Q_f1为验算截面至冻结线之间桩与未冻土层的摩阻力；A为验算截面的面积，对于钢筋混凝土结构，为纵向受力钢筋截面积之和；[f_y]为验算截面桩体材料的设计抗拉强度，对于钢筋混凝土结构，则为受力钢筋的设计抗拉强度；则计算方法如下：

计算一，季节冻结深度和多年冻土厚度的计算：

首先判断土的类别，然后测定土的冻前天然含水率和干密度，最后根据测定值得到冻土的导热系数和相变潜热值；求出一年内日平均气温为负值度数的逐日累计值，得到冻结指数；季节冻结深度ξ的计算公式如下：

式中：ξ为季节冻结深度，即季节冻土层厚度；λ为冻土的导热系数；Q为冻土的相变潜热；E为冻结指数乘以24；

多年冻土层厚度ζ的计算公式为：

式中：T为土层的温度值；λ为冻土的导热系数；q_g为多年冻土区域的热流值，按照规范JGJ118-2011取值；

计算二，切向冻胀力的计算：

在多年冻土区，为了保证桩基础具有足够的抗冻拔力，一般必须穿过一定厚度的多年冻土层；季节冻融层中的桩周土在冻结过程中，会在桩体表面产生切向冻胀力；切向冻胀力的计算公式为：

T_k＝z_dτ_sku 式五

式中:z_d为设计冻深(m)，当基础埋置深度h小于z_d时，z_d采用h；τ_sk为季节性冻土切向冻胀力标准值(kPa)，与土的类别、冻前天然含水率及冻前地下水位至地表距离有关；首先判断土的类型，然后测定冻前天然含水率和冻前地下水位至地表距离，根据测定的值对土的冻胀类别进行分类；最后根据土的冻胀类别和桩的类型查规范JTG D63-2007表L.0.1,得到季节性冻土切向冻胀力标准值；u为桩身周长；

计算三，桩侧摩阻力的计算：

当切向冻胀力大于恒载和桩自重之和时，未冻土层的桩与桩周土之间的摩阻力起到抗拔作用；其大小与土的类别，桩的材质和桩表面的粗糙度有关；未冻土层桩侧抗拔摩阻力的计算公式为：

Q_fk＝0.4uΣq_ikl_i 式六

式中:u为桩身周长；q_ik为冻结线以下各层土的摩阻力标准值(kPa)，无实测资料时，对黏性土可采用20-30kPa，对砂土及碎石土可采用30-40kPa；li为冻结线以下各层土的厚度；

计算四，冻结力的计算：

多年冻土与桩基础表面通过冰晶胶结在一起，这种胶结力称为冻结力；冻结力的作用方向总是与外荷载的总作用方向相反；当桩周的切向冻胀力较大时，位于多年冻土中的桩侧面的冻结力起抗冻胀的锚固作用；当冻胀力较小时，冻结力起抗下沉的承载作用；冻结力的计算公式为：

Q_pk＝0.4u∑q_ipl′_i 式七

式中:q_ip为多年冻土层中各层土与桩基础侧面的冻结力标准值(kPa)，与土的类别、土的温度、冻前天然含水率及冻前地下水位至地表距离有关；首先判断土的类型，然后测定冻前天然含水率和冻前地下水位至地表距离，根据测定的值对土的融沉等级进行分类；最后根据土的类别、融沉等级和温度查规范JTG D63-2007表L.0.2,得到多年冻土层中各层土与桩基础侧面的冻结力标准值；u为桩身周长；l′_i为多年冻土层中各层土的厚度；

计算五，桩基稳定性的实时监测与评估

在计算完切向冻胀力、桩侧摩阻力和冻结力之后，令

f₁＝F_k+G_k+Q_fk+Q_pk-k_Tk 式八

在桩的上端施加水平激励荷载后，记录信号接收器接收到的信号；连续记录几个冻融循环后，分析信号幅值A与f₁和f₂的关系，分别绘制出A与f₁和A与f₂的变化关系图，然后选择适合的函数去分别拟合A与f₁和f₂的关系；最后，将后来测得的信号幅值代入已经得到的函数关系，就可以对桩基的稳定性进行评估；绘制出信号幅值的年度变化图，并对后续年份桩基的稳定性做出预测；由于水平激励荷载可以不断的施加在桩上，并且信号采集仪上的数据可以实时传给监测中心，故可以对桩基的稳定性进行远程实时监测。