CN107460898B - 一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统及其监测方法，桥墩顶部设有数据处理系统，所述桥墩在位于水面以下位置的外壁表面上设置一个光纤光栅微型渗压传感器，所述桩基底部的河床上在靠近桩基位置处设有沉块，所述沉块上固定设置监测导梁，所述桥墩中间位置处设有用于防止监测导梁径向运动的限位装置，所述监测导梁下端位置设有一个光纤光栅微型渗压传感器及一组光纤光栅压力传感器；本发明的有益效果是，适用于实时监测水下桩基附近由于冲刷引起的桩侧土压力变化以及水位涨落造成的水压变化，从而分析得到桩侧水流冲刷与水位高低对桩基安全的影响，具有高耐久性、高精度、结构简单、实时监控和易于工程布设。

Description

一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统及其监测方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统及其监测方法。

背景技术

桥梁是公路铁路交通的重要组成部分，它的养护状况的好坏直接影响道路的畅通和行车安全，我国是桥梁大国，许多桥梁位于江河湖海之上，桥梁的桩基不可避免的收到水流的持续冲刷，水流的冲刷引起桥梁墩台失稳的主要因素。

跨海越江桥梁的水下桩基会受水流冲刷影响，发生桩侧土冲淤变化，从而影响桩侧的土压力及桩基安全。因此近年来，桥梁工程中如何对桩基附近的水下地基土层进行观测已经成为工程界十分关心的问题。

受水流冲刷作用下引起的桥梁损伤破坏是桥梁结构健康监测需要重点关注的问题，对保证跨海越江桥梁的长期安全运行具有重要意义。如果能实时掌握桥梁桩基侧的土层受水流冲刷变化的信息，即可在桥梁运营过程中及时采用适当工程加固的方法有效降低事故发生的几率，延长结构的使用年限。

对桥梁桩基附近水下土层冲刷的监测，目前现有的方法式是通过固定仪器监测和便携式仪器监测，采用的原理有声纳技术和多波束的方法，主要都是测量水面到泥沙层介质间的深度变化。但是，这些方法监测精度不同、适用条件各异：第一，这些方法一般无法实时连续测试，需要定期出船进行观测，且不能剔除冲淤层的复杂往复变化所带来的影响，其测试得到的仅是水与泥沙界面的深度变化，无法考虑界面下层泥沙土层的密度变化，因此无法准确得到桩基侧土压力是否发生了变化。它的测量的精度也十分容易受到波浪等外界环境的干扰，需要不断地进行校正来适应不同水域的环境变化，操作复杂。第二，这种方法不能监测到桥梁桩基近侧冲刷引起的土压力变化，得到的是水下大尺度的地形冲刷演化，桩侧反而是测试盲点。

发明内容

针对现有的技术的不足，本发明提供了准确可靠的一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统及其监测方法。

本发明的技术方案如下：

一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统，包括桩基及设置在桩基上的桥墩，其特征在于，所述桥墩顶部设有数据处理系统，所述桥墩位于水面以下位置处的外壁表面上设置一个光纤光栅微型渗压传感器，所述桥墩侧面设有监测装置，所述监测装置包括设置在靠近桩基位置河床上的沉块及固定设置在沉块上的监测导梁，所述桥墩上设有用于防止监测装置径向运动的限位装置，所述监测导梁下端位置设有一个光纤光栅微型渗压传感器及一组光纤光栅压力传感器；所述光纤光栅微型渗压传感器及光纤光栅压力传感器分别通过数据线与数据处理系统电路连接。

所述的一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统，其特征在于，包括监测导梁包括上端槽钢及与上端槽钢拼接的下端槽钢，所述上端槽钢与下端槽钢采用双盖板螺栓固定连接，所述下端槽钢内浇筑有混凝土，监测导梁下端位置的光纤光栅微型渗压传感器及光纤光栅压力传感器镶嵌在下端槽钢的混凝土上，且所有传感器之间等间距设置；所述监测导梁长度能根据设计要求进行相应调整。

所述的一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统，其特征在于，所述沉块采用直角三棱柱形的混凝土块，且插入河床一端的棱角处磨设成平面结构。

所述的一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统，其特征在于，所述沉块上表面始终与河床表面齐平。

所述的一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统，其特征在于，所述限位装置包括钢绞线与矩形套筒，所述钢绞线带有环氧树脂的涂层，并围绕桩基一周，固定于矩形套筒上，所述矩形套筒从上而下套于监测导梁上，矩形套筒的结构尺寸与监测导梁的尺寸相匹配。

所述的一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统，其特征在于，所述数据处理系统采用无线光纤光栅解调仪，能够将光纤数据线传递过来的传感器的波长数据通过无线传输至云端数据库储存。

所述的一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统，其特征在于，所述光纤光栅微型渗压传感器及光纤光栅压力传感器分别与数据处理系统通过光纤数据线连接，且光纤数据线外设置用于防水的软套管。

所述的一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)通过光纤光栅微型渗压传感器实时监测桥墩及导梁水位涨落引起的水压变化，并将数据以波长的形式传至数据处理系统；

2)通过光纤光栅压力传感器实时监测外界水以及回淤土造成的压力变化，并将数据以波长的形式传至数据处理系统；

3)将光纤光栅微型渗压传感器及光纤光栅压力传感器传递来的数据通过无线传输传至云端数据库储存，并进行综合的数据分析和力学解析求得冲刷的实时状况。

所述的一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统的监测方法，其特征在于，所述光纤光栅微型渗压传感器与光纤光栅压力传感器的数据进行对比分析，能够剔除潮涨潮落造成的水位变化对压力传感器的影响。

所述的一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统的监测方法，其特征在于，所述光纤光栅压力传感器还能够用于测量监测装置上的覆土情况。

本发明的有益效果是，该系统主要针对桥梁桥墩所处环境特点及现阶段对桥梁基础冲刷不能连续监测和在水流湍急的河流不适用的现状，适用于实时监测水下桩基附近由于冲刷引起的桩侧土压力变化以及水位涨落造成的水压变化，从而分析得到桩侧水流冲刷与水位高低对桩基安全的影响，可广泛应用于新建或已经建成的桥梁工程安全监测环境中，具有高耐久性、高度、结构简单、实时监控和易于工程布设等优点。

附图说明

图1是本明的侧面结构示意图；

图2是本明的正面结构示意图；

图3是本明的沉块结构示意图；

图4是本明的限位装置结构示意图；

图5是本发明监测流程图；

图6是本发明的沉块尺寸计算的力学分析图；

图7是本发明监测装置上的覆土情况i示意图；

图8是本发明监测装置上的覆土情况ii示意图；

图中：1-数据处理系统，2-光纤光栅微型渗压传感器，3-光纤光栅压力传感器，4-监测导梁，5-沉块，6-限位装置。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本发明作进一步描述。

如图1-8所示，一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统及其监测方法，包括数据处理系统1、光纤光栅微型渗压传感器2，光纤光栅压力传感器3、监测导梁4、沉块5及限位装置6。

数据处理系统1设置在监测点桥墩顶面，数据处理系统1为无线传输光纤光栅解调仪，通过光纤数据线与传感器连接，将传感器传来的数据通过无线传输传至云端数据库，对比传感器的数据，通过计算机进行数据对比与分析得出桥墩冲刷的实时状况。

光纤光栅微型渗压传感器2设有两个，一个设置在桥墩水面以下的位置的外壁上，距离水面有一定的深度，可以实时监测水位涨落引起的水压变化，另一个设置在监测导梁4上，负责监测监测导梁4附近的水压变化；并将水压变化的数据以波长的形式传至数据处理系统1。波长可以通过如下公式转化为压强：

P_r＝K_p1ΔP²+K_p2ΔP；

ΔP＝(P-P₀)-K_t(T-T₀)；

K_p1(M_pa/nm):常数；

K_p2(M_pa/nm):常数；

P₀(nm):测量时的压力光纤光栅初始波长；

P(nm):压力测量时的波长；

T(℃):T是P值测量时的环境温度；

T₀(℃):P₀值测量时的环境温度；

K_t(nm/C°):常数，为波长偏移值/温度的比值。

将正常水位时，桥墩上光纤光栅微型渗压传感器2的检测读数记为p_r0，将因为潮起潮落光纤光栅微型渗压传感器2的监测读数记为p_r；则有：

Δp＝p_r-p_r0；

上式中,Δp为水位涨落引起的水压变化值，以正常水位的水压为基准。光纤光栅微型渗压传感器2所得水位涨落的数据可用于水位变化对桥梁桩基安全稳定性影响的分析，通过与光纤光栅压力传感器3压力传感器数据的对比分析，可剔除潮涨潮落造成的水位变化对压力传感器的影响。

沉块5贯入河床中，顶面与河床基本齐平，沉块5为直角三棱柱形混凝土块，且入土棱角处有一定磨平宽度，既保证了沉块能顺利贯入河床中，同时提供了足够的阻力防止沉块5贯入过深，根据测量地点土质情况所设计得沉块5尺寸，在河流冲刷带走河床表面砂石的同时，确保了沉块5顶面始终与河床表面保持基本齐平，减少了河流冲刷对监测数据的影响，以保证光纤光栅压力传感器3的读数尽量与实际情况符合。

本发明的设计重点是监测装置可随冲刷深度增加而稳定下沉，并通过光纤光栅压力传感器3实时动态监测桩基冲刷和回淤变化；综合考虑监测现场的河床土质情况，获取土层的容重γ，无侧限抗压强度q_u，内摩擦角

等数据，并考虑水流冲刷对持力层表面一定深度土壤密实度的影响，对γ取折减系数μ(0＜μ≤1)，将μγ作为持力层表层土壤的比重，μ的具体数值根据监测现场的土质确定。进行下端重物的尺寸设计，根据工程需要和施工难易拟定下端重物的高h，宽b和入土棱角磨平宽度c，并假设下端重物长x。

上部结构重：G₁；

下部结构重：

侧面土压力的垂直分力：

桩侧土压力的水平分力与桩基给予的反作用力：

FC_水平＝F_桩基；

端阻力：F_d＝q_u·c·x；

水浮力：F_f＝ρ_wgV_排；

上式中，γ₀为混凝土的容重，一般取γ₀＝2400kg/m³,γ′为河床持力层土的有效重度，γ′＝μγ-γ_w，γ_w为水的重度，K_p为被动土压力系数，

综上由力学平衡可得：

G₁+G₂＝F_C+F_d+F_f；

可推得x。

上述设计，综合了监测点河床持力层土质情况，保证了在冲刷深度增加的情况下，沉块5顶面能始终能与持力层表面保持基本齐平，剔除了回淤土对冲刷监测的影响；使本装置在水下能够自适应跟踪冲刷持力层，对水下冲刷动态演变进行实时的精准的监测分析。

监测导梁4固定设置在沉块5上，监测导梁4为两根槽钢拼接而成，下部槽钢中浇筑混凝土，并在其中固定光纤光栅微型渗压传感器2及光纤光栅压力传感器3，同时确保光纤光栅压力传感器3与水及回填淤泥的直接接触；光纤光栅压力传感器3以一定间距布置且相互之间并联连接，并将各自测得数据经光纤数据线实时传至数据处理系统1。光纤光栅压力传感器3在水中的波长读数可通过公式：

P_r＝K_p[(P-P₀)-K_t(T-T₀)]；

K_p(M_pa/nm):常数，为传感器压力/波长的比值；

K_t(nm/C°):常数，为波长偏移值/温度的比值；

P₀(nm):测量时的压力光纤光栅初始波长；

T₀(nm):P₀在测量时的外置温度光纤光栅初始波长；

T(nm):T是P在测量时的外置温度光纤光栅波长；

P(nm):压力测量时的波长；

转化为压强，且成线性关系；通过与光纤光栅微型渗压传感器2数据进行综合的数据分析和力学解析可求得冲刷的实时状况。

限位装置6设置在靠近桩基中间位置的外壁上，限位装置6包括钢绞线与矩形套筒，钢绞线外层涂有环氧树脂，围绕桩基一周固定于矩形套筒两端，矩形套筒自上而下套于监测导梁4之上，从而确保该监测装置只能发生竖直方向的位移；矩形套筒的结构尺寸视监测导梁的尺寸而定，监测导梁4越长，矩形套筒的高度越高。

本发明监测的具体方法可根据监测装置上的覆土情况大致分为下述两类：

i：监测装置上无回淤土层；

本监测装置自适应跟踪持力层，故根据设计，入土深度即为下端沉块的高度；

取最下端的光纤光栅压力传感器读数结合以下公式：

p-Δp＝γ_wh_w；

h＝d+h_w；

上式：p(Pa)：光纤光栅压力传感器的实测外界压强；

γ_w(N/cm³)：水的重度；

h_w(cm)：传感器所处位置的水深；

h(cm)：持力层表面至水面的距离；

d(m)：光纤光栅传感器的半径。

Δp(pa)：水位涨落引起的水压变化。

ii：监测装置上有回淤土层；

取渗压传感器与最下端光纤光栅压力传感器的读数并结合以下公式：

p₁-Δp＝γ′zK_p+2c√K_p+γ_whw₁………①

p₂-Δp＝γ_wh_w2………②

h_w1＝h_w2+b………③

b＝(n-1)a………④

综合①②③④即可推出最下端传感器埋深：

上式：p₁(Pa)：光纤光栅压力传感器的实测外界压强；

p₂(Pa)：光纤光栅渗压传感器的实测外界压强；

h_w1(cm)：光纤光栅压力传感器所处位置的水深；

h_w2(cm)：光纤光栅渗压传感器所处位置的水深；

K_p：被动土压力系数，

Δp(pa)：水位涨落引起的水压变化；

b为渗压传感器与最下端光纤光栅压力传感器的间距；

a为相邻传感器的间距；

n为监测导梁4上传感器的个数；

综上通过一下公式即可求出回淤土层表面至水面的距离h：

h＝h_w1-z；

回淤土层的厚度t：

t＝z+d。

本发明的工作原理如下：

数据处理系统1固定于测点桥墩的顶面，与光纤光栅渗压传感器2及光纤光栅压力传感器3之间通过光纤数据线连接；光纤光栅渗压传感器2及光纤光栅压力传感器3实时监测水位的变化，并将数据传至数据处理系统1。

监测方法步骤如下：

1)通过光纤光栅微型渗压传感器2实时监测桥墩及导梁水位涨落引起的水压变化，并将数据以波长的形式传至数据处理系统1；

2)通过光纤光栅压力传感器3实时监测外界水以及回淤土造成的压力变化，并将数据以波长的形式传至数据处理系统1；

3)将光纤光栅微型渗压传感器2及光纤光栅压力传感器3传递来的数据通过无线传输传至云端数据库储存，并进行综合的数据分析和力学解析求得冲刷的实时状况。

本发明监测装置依附桩基垂直下放并贯入河床持力层，并在监测导梁上安装限位装置，防止检测装置发生背离桩基的倾覆现象。随着冲刷坑的深度增加，监测装置同时逐渐向下做垂直位移，此时监测导管上的压力传感器会实时将压力变化所得的波长数据传至光纤光栅解调仪中。无线传输光纤光栅解调仪将从传感器所得的数据通过无线传输传至云端数据库，进行数据和图像的对比分析，经过必要的计算机计算可以还原出桩基冲刷的实时状况。通过本监测装置可实现：实时进行桩基近侧不同深度及冲刷全过程的桩侧土压力变化监测，解决了复杂水环境下桩基冲刷与水位涨落的监测和预警问题，可在桥梁正常运营的情况下进行桩基冲刷的动态监测，不影响交通，并具有操作简单、性能稳定、监测数据精准等优点。

本监测系统采用光纤光栅传感器。光纤光栅是目前在智能材料系统研究中应用最为广泛的敏感元件之一，其工作原理是外界物理量的变化引起光纤中心波长的变化，由光纤布拉格中心波长的变化获得被测量的值。这种测量方法思路清晰，操作便捷，很容易为广大工程技术员接受。光纤传感元件的优点主要表现为抗电磁干扰；耐腐蚀；准分布式测量、绝对测量、信号衰减小；灵敏度高，精度高等优点。此外，近年来结构的实时安全监测已成为国内外研究的热点之一，作为结构健康监测重要手段的光纤技术也得到了极大的发展。因此本装置结合光纤光栅进行感知和传输的优点，针对性地研发了适合水下桥梁桩基监测的运用光纤光栅技术的实时监测装置，充分发挥了光纤光栅监测精度高、耐久性好的特点，克服了传统测试方法的缺点，非常适合新建和既有水下桥梁桩基的冲刷监测，具有独特的优势。

采用了光纤光栅传感器，其具有以下优点：第一，其适应性，抗腐蚀性强，可以在复杂的工作环境下进行长期的工作。第二：因为光栅的长度小，只有毫米级，测量值空间分辨率高，即光纤光栅传感器具有较高的精度。第三：光纤光栅传感器抗电磁干扰与外界环境的干扰性强。

Claims (8)

1.一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统，包括桩基及设置在桩基上的桥墩，其特征在于，所述桥墩顶部设有数据处理系统（1），所述桥墩位于水面以下位置处的外壁表面上设置一个光纤光栅微型渗压传感器（2），所述桥墩侧面设有监测装置，所述监测装置包括设置在靠近桩基位置河床上的沉块（5）及固定设置在沉块（5）上的监测导梁（4），所述桥墩上设有用于防止监测装置径向运动的限位装置（6），所述监测导梁（4）下端位置设有一个光纤光栅微型渗压传感器（2）及一组光纤光栅压力传感器（3）；所述光纤光栅微型渗压传感器（2）及光纤光栅压力传感器（3）分别通过数据线与数据处理系统(1)电路连接；监测导梁（4）包括上端槽钢及与上端槽钢拼接的下端槽钢，所述上端槽钢与下端槽钢采用双盖板螺栓固定连接，所述下端槽钢内浇筑有混凝土，监测导梁（4）下端位置的光纤光栅微型渗压传感器（2）及光纤光栅压力传感器（3）镶嵌在下端槽钢的混凝土上，且所有传感器之间等间距设置；所述监测导梁(4)长度能根据设计要求进行相应调整；所述限位装置(6)包括钢绞线与矩形套筒，所述钢绞线带有环氧树脂的涂层，并围绕桩基一周，固定于矩形套筒上，所述矩形套筒从上而下套于监测导梁(4)上，矩形套筒的结构尺寸与监测导梁（4）的尺寸相匹配。

2.根据权利要求1所述的一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统，其特征在于，所述沉块(5)采用直角三棱柱形的混凝土块，且插入河床一端的棱角处磨设成平面结构。

3.根据权利要求1所述的一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统，其特征在于，所述沉块(5)上表面始终与河床表面齐平。

4.根据权利要求1所述的一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统，其特征在于，所述数据处理系统(1)采用无线光纤光栅解调仪，能够将光纤数据线传递过来的传感器的波长数据通过无线传输至云端数据库储存。

5.根据权利要求1所述的一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统，其特征在于，所述光纤光栅微型渗压传感器(2)及光纤光栅压力传感器（3）分别与数据处理系统(1)通过光纤数据线连接，且光纤数据线外设置用于防水的软套管。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）通过光纤光栅微型渗压传感器(2)实时监测桥墩及导梁水位涨落引起的水压变化，并将数据以波长的形式传至数据处理系统(1)；

2）通过光纤光栅压力传感器（3）实时监测外界水以及回淤土造成的压力变化，并将数据以波长的形式传至数据处理系统(1)；

3）将光纤光栅微型渗压传感器(2)及光纤光栅压力传感器（3）传递来的数据通过无线传输传至云端数据库储存，并进行综合的数据分析和力学解析求得冲刷的实时状况。

7.根据权利要求6所述的一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统的监测方法，其特征在于，所述光纤光栅微型渗压传感器(2)与光纤光栅压力传感器（3）的数据进行对比分析，能够剔除潮涨潮落造成的水位变化对压力传感器的影响。

8.根据权利要求6所述的一种沉入式桥梁桩基冲刷实时监测系统的监测方法，其特征在于，所述光纤光栅压力传感器（3）还能够用于测量监测装置上的覆土情况。

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