CN113833035B - 跨海大桥既有桩基监测预警系统及评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了跨海大桥既有桩基监测预警系统及评估方法，属于监测技术领域。跨海大桥既有桩基监测预警的评估方法，包括获取既有桩参数；在桩顶处施加低应变竖向激励，利用沿桩身分布式布置的若干应变计获取桩身各处速度信号或力信号；经过信号处理得到速度或力的时域、频域响应图像，最后结合图像判断桩身完整性状况；根据桩身完整性状况，在不满足情况下进行预警处理。本发明具有准确监测桩基健康程度的优点。
Description
技术领域
本发明属于监测技术领域，特别是跨海大桥既有桩基监测预警系统及评估方法。
背景技术
桩基础具有承载能力好、稳定性佳、沉降均匀、抗震性能好、适应性强等优点，尤其是与沉井和沉箱基础相比，其施工更方便，造价更低廉，且具有更好的抗震性能，因而被广泛应用于桥梁和风电结构中。桩基础作为水上建筑物的根基，承受着整个结构的重量，对于结构安全有着至关重要的作用。但是，不同于陆地上的桩基础，水上桩基础长期埋置在饱和地基和水中，其工作环境更加恶劣，人为事故、自然灾害和化学物质侵蚀等如施工缺陷或是受到潮汐、泥石流、地震、漂流物撞击等都会给桩基的结构安全带来巨大风险，且水上基础容易受到含盐海水的侵蚀，其受灾风险会随着服役年限的增加而显著提高。
根据不同类型的灾害，水上桩基础的灾害形式主要包括：1施工质量缺陷，如混凝土强度不足、桩身缩颈、混凝土保护层较薄等；2因混凝土保护层剥落，钢筋裸露，发生电化学反应，产生的锈蚀破坏；3海床冲刷，一些急剧的海水运移和海底泥流等情况，使海床表面岩土体在短时间内急剧流失，从而在桩基础周围形成冲刷坑；4地震作用，如土体液化会引起桩基下沉从而导致上部结构的破坏；桩身未明显移动，但桩周地基因液化而丧失有效应力，使得桩基丧失部分承载力；桩体下沉或发生侧向弯曲变形导致上部结构失稳等；5被水中漂流物含船只碰撞，混凝土保护层的脱落，使内部钢筋不断被侵蚀，撞击严重时可能会使桩身倾斜而使上部结构失稳。
桩基础因其病害隐蔽性强，不易被发现，同时对于桩基维护后期开挖检测资料少，对其了解只能从上部结构状态进行间接地反映与推测，这给水上结构物的安全运营带来重大隐患，导致一系列的事故发生。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了跨海大桥既有桩基监测预警系统，具有准确监测桩基健康程度的特点。
本发明的另一目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了跨海大桥既有桩基监测预警的评估方法。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
跨海大桥既有桩基监测预警的评估方法，其特征在于，包括
获取既有桩参数；
在桩顶处施加低应变竖向激励，利用沿桩身分布式布置的若干应变计获取桩身各处速度信号或力信号；
经过信号处理得到速度或力的时域、频域响应图像，最后结合图像判断桩身完整性状况；
根据桩身完整性状况，在不满足情况下进行预警处理。
在上述跨海大桥既有桩基监测预警的评估方法中，沿桩身的轴向固定加速度传感器、应变计和力传感器。
在上述跨海大桥既有桩基监测预警的评估方法中，加速度传感器、应变计和力传感器安装在同时直线上且与既有桩的中轴线相平行。
在上述跨海大桥既有桩基监测预警的评估方法中，当既有桩为实心桩时，传感器安装点与桩中心的距离宜为桩半径的2/3。
在上述跨海大桥既有桩基监测预警的评估方法中，当既有桩为空心管桩时，传感器安装位置与激振点宜在同一水平面上，且与桩中心连线形成的夹角宜为90°，传感器安装位置宜为桩壁厚的1/2处。
在上述跨海大桥既有桩基监测预警的评估方法中，加速度传感器、力传感器必须与桩顶面保持垂直，且紧贴桩顶表面，在信号采集过程中不得产生滑移或松动。
在上述跨海大桥既有桩基监测预警的评估方法中，应变计、传感器在同一均质土层内进行等间距布置安装。
在上述跨海大桥既有桩基监测预警的评估方法中，相邻动态应变计之间的间隔为1-2m。
在上述跨海大桥既有桩基监测预警的评估方法中，利用桩顶加速度响应和各个不同深度处的桩身应变波响应，分析桩身各处阻抗沿深度的变化情况。
在上述跨海大桥既有桩基监测预警的评估方法中，至少应在桩身混凝土达到设计强度值后25-30天时间后才能开展测试工作。
在上述跨海大桥既有桩基监测预警的评估方法中，在测试前，应该先充分了解桩的施工质量，先观察、敲击桩头，检查桩头是否干燥、紧固、含有泥浆等。确定桩头达到理想高度后，将其清理干净，确保桩头平整无破顺；若桩头受损，可进行切割处理，将受损段切割掉，但要保证切割面水平平整。
跨海大桥既有桩基监测预警系统，其特征在于，包括
获取模块，用于获取既有桩参数；
激励模块，在桩顶处施加低应变竖向激励，利用沿桩身布置的若干应变计获取桩身各处速度信号或力信号；
诊断模块，经过信号处理得到速度或力的时域、频域响应图像，最后结合图像判断桩身完整性状况；
预警模块，根据桩身完整性状况，在不满足情况下进行预警处理。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本项目开发的基于分布式理念的桩基动态测试技术，其不仅仅采集动荷载作用下的桩顶信号，而且通过预埋于桩身的分布式传感器捕捉桩身多点的动态响应信号，可很大程度上解决传统动态测试方法的局限性，具有表现为：1有效地缩短了信号波的传播路径，可快速捕捉到桩身缺陷和桩底处的特征反射波，从而更有利于水上长桩、超长桩的成桩质量测试；2通过分布式传感器所测多点信号的交叉对比，应力波波形特征沿桩身的变化可以得到更直观的展示，使得桩身微小缺陷、渐变缺陷和裂缝等传统方法难以检测的缺陷识别成为可能；3在高应变测试条件下，沿桩身布置的分布式传感器可采集到多点的实测信号，为后期理论参数的拟合提供更多更丰富的参考标准，从而有利于参数的唯一确定，提高桩基承载力的预测准确度；4预先埋置的桩身分布式传感器可在施工完成后继续用于桩身各位置处应力和变形监测，承担桩基运营阶段的健康检测功能，进一步地通过软硬件设施协同配合，实现水上建筑物桩基础的极限承载力状态预警和灾后受损情况诊断与评估。
附图说明
图1是本发明的激振装置的示意图。
图2是本发明的激振装置的侧视图示意图。
图3是本发明中导向滑槽处的剖视图。
图中，1、激振锤；2、固定架；21、导向滑槽；211、出口；3、定位组件；31、第一夹板；32、第二夹板；33、第一滑块；34、第二滑块；4、导向组件；41、第三滑块；42、直筒；5、第一固定螺钉；6、第二固定螺钉；7、刻度；8、第三固定螺钉。
实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
跨海大桥既有桩基监测预警的评估方法，包括
获取既有桩参数；在桩基施工前首先进行资料收集及现场勘查，明确拟建建筑物的等级、拟建场地周围环境恶劣与否、桩基设计参数、桩基施工工艺等，探明拟建设场地的工程地质、水文地质条件等。主要为桩基设计参数、桩基施工工艺情况。
在桩顶处施加低应变竖向激励，利用沿桩身分布式布置的若干应变计获取桩身各处速度信号或力信号；根据土层条件，在桩身内沿着桩身钢筋笼的某根主筋方向上进行分布式高灵敏度动态应变计的安装，同一均质土层内进行等间距布置安装，如1-2米间隔，对长桩和深厚土层可适当增加到3米，不同土层分界面分别布置安装，通过导线连接到桩顶上方，其连接导线沿桩身主钢筋接到桩顶上方并妥善保护。成桩后不能急于测试桩基质量，应在桩身混凝土达到设计强度值后约25-30天时间后才能开展分布式应变波法测试工作。在测试前，应该先充分了解桩的施工质量，先观察、敲击桩头，检查桩头是否干燥、紧固、含有泥浆等。确定桩头达到理想高度后，将其清理干净，确保桩头平整无破顺；若桩头受损，可进行切割处理，将受损段切割掉，但要保证切割面水平平整。此外，为方便传感器的安装，需要用砂轮打磨出3～4个直径8～10cm的光面。
于桩顶处施加高应变竖向激励，利用沿桩身布置得到若干应变计获取桩身各处速度值，将测得的桩身各处速度值与理论桩身对应位置速度进行对比；在进行高应变桩基承载力测试时，通过激振模块在桩顶激振的方式，激振模块中的重锤应材质均匀，形状对称，锤底平整，高径比不得小于1.0，并采用铸钢或铸铁制作。当采用自由落锤安装加速度传感器的方式实测力时，重锤应整体铸造，且高径比应在1.0~1.5范围内。锤的重量应大于预估的单极限承载力的1.0%~1.5%，混凝土桩的桩径大于600mm或桩长大于30m时取高值，锤击设备宜具有稳固的导向装置。
于指定位置施加扭转荷载，利用事先预埋在桩内部的若干应变计获取桩身各处扭转信号；激振时，通过快速转动外环箍翼板使外环箍转动并通过外环箍上的传力杆位置孔撞击传力杆，进而对内环箍施加扭矩并传递至桩身。采用该装置进行扭转激振能够减弱或消除单向强水流、波浪、潮汐等附加动力荷载引起的附加振动对测试结果的影响，准确地测量出装置上所加荷载和消除附加动力荷载影响后激振过程中的桩身扭转切向线速度，使得出的数据更加精准。采用专利号CN201620674965.3一种环箍式扭转激振装置进行激振。
对于本发明提出的分布式布置的若干应变计，在进行低应变桩基完整性测试时，通过激振模块在桩顶激振的方式，激振模块中设置小钢锤、小铁锤、尼龙锤中的任意一种，对于钻孔灌注混凝土实心桩可以采用小钢锤或小铁锤敲击，对于预制混凝土管桩可以采用尼龙锤敲击，锤击点与测量传感器安装点应避开钢筋笼的纵筋影响，激振应通过现场敲击试验，选择合适重量的激振力锤和软硬适宜的锤垫，且锤击方向应沿桩轴线方向，激振点平整，激振干脆，形成单扰动。另外应根据桩身长度、缺陷所在位置的深浅，调整锤击脉冲宽度，当检测长桩的桩底反射信息或深部缺陷时，冲击入射波脉冲应较宽；当检测短桩、桩的浅部缺陷以及预制桩的浅部水平裂缝时，冲击入射波脉冲应较窄。
经过信号处理得到速度或力的时域、频域响应图像，最后结合图像判断桩身完整性状况；测试前合理设置采样时间间隔、采样点数、增益、模拟滤波、触发方式等参数，其中增益应结合激振方式通过现场对比试验确定。时域信号分析的时间段长度应在时刻后延续不少于5ms；频域信号分析的频率范围上限不应小于2000Hz；采样时间间隔或采样频率应根据桩长、桩身波速和频率分辨率合理选择；传感器的灵敏度系数应按计量检定校准结果设定。
测得的桩身各处速度值与理论桩身对应位置速度进行对比，根据并综合评判其承载力是否达标；
信号处理得到桩身各处扭矩在时域和频域内的响应，最后结合图像判断既有桩基健康状况。
根据桩身完整性状况，在不满足情况下进行预警处理。在判断出判断桩身不完整时，即作出预警处理。
根据桩承载力的达标情况、桩基健康状况，在任一项不满足情况下进行预警处理。
本发明，相较于传统的低应变测试，利用沿桩身分布式布置的若干应变计获取桩身各处速度信号或力信号，大大提升可测试桩长；攻克桩身小微、渐变缺陷的识别难题；
在此基础上，提出基于分布式测试理念的水上建筑物桩基础诊断与评估技术，从而形成完整的覆盖水上建筑物桩基础从施工质量检测，到复杂工作条件下运营状态监测，再到灾后健康诊断与评估的全过程动态实时测试技术，以期为全国的水上桩基础监测提供重要理论和技术支撑，避免或减少水上桩基破坏导致的严重社会经济损失和人员伤亡。
具体地，沿桩身的轴向固定加速度传感器、应变计和力传感器。
具体地，加速度传感器、应变计和力传感器安装在同时直线上且与既有桩的中轴线相平行。传感器安装过程中应监测传感器初始值，传感器初始变形值不应超过规定值。在连续测试过程中，如从测试波形中发现传感器松动，如信号曲线中出现振荡信号或力程曲线不归零，应及时拧紧，如发现传感器损坏，应及时更换。
进一步的，在距离桩顶约1.5~2倍桩径的侧壁处对侧安装加速度传感器和力传感器各一对，采用打桩分析仪，对桩身完整性和单桩极限承载力进行评价。
具体地，当既有桩为实心桩时，传感器安装点与桩中心的距离宜为桩半径的2/3。当既有桩为空心管桩时，传感器安装位置与激振点宜在同一水平面上，且与桩中心连线形成的夹角宜为90°，传感器安装位置宜为桩壁厚的1/2处。
具体地，加速度传感器、力传感器必须与桩顶面保持垂直，且紧贴桩顶表面，在信号采集过程中不得产生滑移或松动。
具体地，利用桩顶加速度响应和各个不同深度处的桩身应变波响应，分析桩身各处阻抗沿深度的变化情况。
跨海大桥既有桩基监测预警系统，其特征在于，包括
获取模块，用于获取既有桩参数；
激振模块，在桩顶处施加低应变竖向激励，利用沿桩身布置的若干应变计获取桩身各处速度信号或力信号；
于桩顶处施加高应变竖向激励，利用沿桩身布置得到若干应变计获取桩身各处速度值，将测得的桩身各处速度值与理论桩身对应位置速度进行对比；
于指定位置施加扭转荷载，利用事先预埋在桩内部的若干应变计获取桩身各处扭转信号；
诊断模块，经过信号处理得到速度或力的时域、频域响应图像，最后结合图像判断桩身完整性状况；
测得的桩身各处速度值与理论桩身对应位置速度进行对比，根据并综合评判其承载力是否达标；
信号处理得到桩身各处扭矩在时域和频域内的响应，最后结合图像判断既有桩基健康状况。
预警模块，根据桩身完整性状况，在不满足情况下进行预警处理。
如图1至图3所示，
激振模块包括用于对桩顶敲击位置精准敲击、且每次敲击力度相同的激励装置，激励装置包括激振锤1、固定架2，固定架2上开设有十字状的导向滑槽21，导向滑槽21的底部开设有沿导向滑槽21底部开设的出口211，固定架2上滑动设置有四组定位组件3、一个导向组件4和若干不同型号的激振锤1，四组定位组件3分别设置在导向滑槽21的四个路径上，定位组件3包括第一夹板31、第二夹板32、第一滑块33、第二滑块34，第一滑块33、第二滑块34滑动连接在导向滑槽21内，第一夹板31固定在第一滑块33下端并穿过出口211，第二夹板32固定在第二滑块34下端并穿过出口211，第二夹板32位于靠近固定架2中心位置一侧，第二夹板32的长度为第一夹板31长度的二分之一，第一滑块33上螺纹连接有第一固定螺钉5，第二滑块34上螺纹连接有第二固定螺钉6，通过第一固定螺钉5、第二固定螺钉6能够将第一滑块33、第二滑块34锁紧在固定架2上，沿导向滑槽21边缘设有刻度7，导向组件4包括第三滑块41和直筒42，第三滑块41滑动设置在导向滑槽21内，第三滑块41上设置有第三固定螺钉8，直筒42固定在第三滑块41上，第三滑块41上开设有通孔，通孔与直筒42相连通，将激振锤1从直筒42的上端靠重力作用进行下落与桩顶撞击，实现锤激振。
当安装在实心桩上时，通过多个定位组件3上的第一夹板31进行定位，然后通过采用第二夹板32支撑在实心桩的顶端，通过刻度7调节导向组件4的位置，使导向组件4能够移动至实心桩顶端的中心位置，通过导向组件4的直筒42，能顾使激振锤1每次下落能够对准一个位置，使每次检测都能够准确，同时通过直筒42，能够确保每次激振锤1下落的高度都相同，能够提高检测的准确率。
当安装在空心桩上时，通过多个定位组件3上的第一夹板31和第二夹板32将空心桩加紧，其中两个对称的定位组件3对准传感器，然后将导向组件4移动至另外两个对称的定位组件3上，根据刻度7调整导向组件4的位置，使激振锤1每次下落能够对准一个位置，使每次检测都能够准确，数据更叫准确。
表1 桩身完整性类别判定表
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。同时，全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
以上部件均为通用标准件或本技术领域人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。
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。
Claims (1)
1.跨海大桥既有桩基监测预警系统，其特征在于，包括
获取模块，用于获取既有桩参数；
激振模块，在桩顶处施加低应变竖向激励，利用沿桩身布置的若干应变计获取桩身各处速度信号或力信号；
诊断模块，经过信号处理得到速度或力的时域、频域响应图像，最后结合图像判断桩身完整性状况；
预警模块，根据桩身完整性状况，在不满足情况下进行预警处理；
所述激振模块包括用于对桩顶敲击位置精准敲击、且每次敲击力度相同的激励装置，所述激励装置包括若干不同型号的激振锤、固定架，固定架上开设有十字状的导向滑槽，所述导向滑槽的底部开设有沿所述导向滑槽底部开设的出口，所述固定架上滑动设置有四组定位组件、一个导向组件，四组所述定位组件分别设置在所述导向滑槽的四个路径上，所述定位组件包括第一夹板、第二夹板、第一滑块、第二滑块，所述第一滑块、所述第二滑块滑动连接在所述导向滑槽内，所述第一夹板固定在所述第一滑块下端并穿过所述出口，所述第二夹板固定在所述第二滑块下端并穿过所述出口，所述第二夹板位于靠近所述固定架中心位置一侧，所述第二夹板的长度为所述第一夹板长度的二分之一，所述第一滑块上螺纹连接有第一固定螺钉，第二滑块上螺纹连接有第二固定螺钉，通过所述第一固定螺钉、所述第二固定螺钉能够将所述第一滑块、所述第二滑块锁紧在所述固定架上，沿所述导向滑槽边缘设有刻度，所述导向组件包括第三滑块和直筒，所述第三滑块滑动设置在所述导向滑槽内，所述直筒固定在所述第三滑块上，所述第三滑块上设置有第三固定螺钉，所述第三滑块上开设有通孔，所述通孔与所述直筒相连通，将所述激振锤从所述直筒的上端靠重力作用进行下落与桩顶撞击，实现锤激振。
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