一种新型桥梁桩基础水下受冲刷监测装置的制作方法

本发明涉及跨海越江桥梁工程下部结构的安全监测，具体涉及一种水中桥梁桩基础的定量实时冲刷监测装置。

背景技术：

桥梁下部结构通过水下桩基支撑整个上部结构和车辆荷载，水下桩基承受着所有桥梁结构的竖向荷载，桩侧土压力的变化直接决定了桩基承载力的大小。而跨海越江桥梁的水下桩基受水流冲刷影响，会发生桩侧土冲淤变化，这对桥梁桩基的安全性有很大影响，甚至造成桥梁垮塌破坏，近年国内外此类事故都时有发生。因此，桥梁工程中对桩基附近的水下地基土层进行观测成为近年来工程界十分关系的问题。受水流冲刷作用下引起的桥梁损伤破坏也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，即可再桥梁运营过程中及时采用适当工程加固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。现有的桩基冲刷测试方法的基本原理主要是测量水面到泥沙层介质间的深度变化。总的来看，这些方法还有不足之处：第一，这些方法一般无法实时连续测试，一般是定期出船进行观测。且不能真正考虑冲淤层的复杂往复变化所带来的对桩侧土压力真实变化，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。一般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。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。

技术实现要素：

为了克服已有桩基附近水下土层冲刷的监测的操作复杂、精度较低、实时性较差、无法实现远程监测的不足，本发明提供一种操作简便、精度较高、实时性良好、有效实现远程监测的新型桥梁桩基础水下受冲刷监测装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种新型桥梁桩基础水下受冲刷监测装置，包括水下测管、测量组件和数据采集仪，所述水下测管位于待监测桩基侧边，所述测量组件位于所述水下测管的迎水面侧，所述测量组件包括测力柱和土压力测力传感器，所述土压力测力传感器位于所述测力柱内，所述测力柱从上到下等间隔布置在所述水下测管上，所述土压力测力传感器的信号输出端均与所述数据采集仪连接。

进一步，所述土压力测力传感器包括用以感应土压力的传力杆和用于感知传力杆传导的土压力的光纤光栅传感器，所述传力杆与所述光纤光栅传感器配合。

再进一步，所述测力柱呈径向布置，所述传力杆位于所述测力柱的内腔，所述光纤光栅传感器位于所述测力柱的底部。

所述监测装置还包括数据发射装置，所述数据采集仪与所述数据发射装置连接。

本发明的技术构思为：光纤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人员接受。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光纤光栅传感器和数据传输及解析的系统化实时监测装置，充分发挥了光纤光栅监测具有的精度高、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。

本方案实时进行桩基近侧不同深度及冲刷全过程的实时桩侧土压力变化监测，从而获得冲刷深度对桩基受力的影响，可分析桩侧土压力在波流冲刷下的非周期性变化，实时得出桩-土间的受力状态及冲刷的安全余度。这样不仅可以消除水下淤泥层往复变化对判断桩基冲刷安全的影响，也更加的精确、简便，一次性安装该监测装置，即可实现远程实时监测。

本发明的有益效果主要表现在：操作简便、精度较高、实时性良好、有效实现远程监测。

附图说明

图1是水下测管的剖面图。

图2是水下测管的俯视图。

图3是水下测管的工作原理示意图。

图4是水下测管的传力杆受力示意图。

图5是压力变化曲线图。

图6是检测装置的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图6，一种新型桥梁桩基础水下受冲刷监测装置，所述监测装置包括水下测管2、测量组件和数据采集仪1，所述水下测管2位于待监测桩基侧边，所述测量组件位于所述水下测管的迎水面侧，所述测量组件包括测力柱3和土压力测力传感器4，所述土压力测力传感器4位于所述测力柱3内，所述测力柱3从上到下等间隔布置在所述水下测管2上，所述土压力测力传感器4的信号输出端均与所述数据采集仪1连接。

进一步，所述土压力测力传感器4包括用以感应土压力的传力杆41和用于感知传力杆41传导的土压力的光纤光栅传感器42，所述传力杆41与所述光纤光栅传感器42配合。

再进一步，所述测力柱3呈径向布置，所述传力杆41位于所述测力柱3的内腔，所述光纤光栅传感器42位于所述测力柱3的底部。

所述监测装置还包括数据发射装置5，所述数据采集仪1与所述数据发射装置5连接。

根据图4所示，将水下测管打入土层中，使外界土压力的变化可以传递至测力柱3的位置，根据测力柱上光纤测出每个传力杆位置处的土压力值，外界波流冲刷会使土压力测力传感器上的土压力发生改变，光纤光栅感知应变的不同，由此应变值的大小就可得知冲刷的程度，通过数据发射装置将测得的数据远程传输到电脑进行分析。

按设计要求将传感器布置到跨海越江大桥的桩基附近的土层中，使得土压力测力传感器与土体接触。当桩侧土被水流冲刷时，土压力测力传感器内的弹性结构发生变形，导致嵌入在弹性结构中的光纤光栅波长发生变化，通过并联光纤组成的数据传输线把测力传感器测得的信号传输到安装在水下测管顶部的数据采集仪中，再通过信号解析和力学分析即可获得实时的水下冲刷深度变化和桩基侧土压力的变化。

测量元件是由光纤、弹性材料与土压力测力传感器组成，土压力测力传感器的间距可根据实际需求精度情况决定；光纤光栅的引出线可以通过开孔套软管将数据线引出。

光纤光栅传感器的技术原理及理论依据：

λ_B＝2nΛ

式中，n为芯模有效折射率，Λ为光光栅周期。当光线光栅所处的温度、应力、应变或其他物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。温度、应力和应变的变化引起的漂移可表示为：

式中，ε为外加应变，v为泊松比，P_ij为光弹性张量的普克尔电压系数，α为光纤材料的热膨胀系数，ΔT为温度变化量。

根据材料力学的公式，得

F＝σ·A

式中，σ为土压力，A为土压力传感器的表面积。

如图5所示，通过水下测管测得n个土压力测力传感器，测得n个不同点的压力值绘制出如下图的压力变化曲线，压力变化曲线发生突变位置Pi前半段为水压力值曲线，突变后为土压力的压力值曲线，由此可知水深和冲刷深度。

α结构健康监测成为世界研究的热点问题之一，而作为其最有前途敏感原件之一的光纤也得到巨大的发展，目前，光纤传感器已经广泛用于土木工程、航空航天、石油化工、医学、环境工程等领域,构建全光纤的健康监测系统也成为今后结构健康监测的发展目标之一。基于光纤的传感器是光纤监测系统传感探头的一种，它是以光纤作为敏感元件的功能性传感器，具有其他类型光纤传感器无可比拟的优点，主要有耐久性好，可适用于环境恶劣的土木水利等结构中通过改变传感器的结构尺寸、封装形式等，可以方便地改变量程或精度可靠性好,抗电磁干扰能力强,而且易构成传感网络和易于安装布设等。数据的收集和存储可以基于阿里云的平台，容纳海量数据，服务器数量可以弹性扩张。

本实施例将光纤光栅嵌入在弹性结构中，再将弹性结构和光纤光栅整个放入土压力测力传感器中，从而形成一个可以监测外界土层厚度变化的基于光纤光栅的冲刷传感器。将光纤与弹性结构复合并放入土压力测力传感器中，由于土压力测力传感器具有密封性并且采用具有较高耐腐蚀性的材料，使得测量部分有很高的耐久性，从而本专利的冲刷传感器在潮湿环境下有较高耐久性。本传感器优点在于耐腐蚀、传感精度高、抗电磁干扰、准分布式监测、物理量的绝对测量等。最后,这种光纤冲刷传感器适于长期监测的实际工程需要，并且可以根据工程需要设计出不同精度、不同量程的传感器。本光纤光栅冲刷传感器可以有效地监测跨海越江桥梁桩侧土的冲刷程度,并可起到在洪水冲刷作用下桩侧土过量流失时的预警作用。该装置敏感元件光纤光栅，传力机构采用传力杆和内部的弹性材料，设计巧妙、构造简单，解决了大型土木水利结构地基土冲刷的问题，具有重大的实际应用意义。