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】
[0001] 本发明涉及寒区粧基稳定性监测领域，具体的说是一种远程实时在线监测和评估 冻融环境下粧基稳定性的装置及方法。
【背景技术】
[0002] 冻结过程中，土体内部温度场不均匀，冻结的发展不均匀，使冻胀力沿粧身长度分 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，因此寒区粧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，当粧周土体冻胀力发展到一定程度， 粧体将被整体拔起而失去稳定性；当粧身上部某个截面的冻胀力较大，粧身甚至可能在该 界面处发生拉断破坏。
[0003] 目前，针对寒区粧基稳定加固的措施主要是通过设计特殊的粧体截面形状和大小 来改变粧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 粧基发生冻拔破坏。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。
[0004] 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，则可判断粧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。
[0005] 由于气候变化的不可预测性，目前工程技术上对寒区粧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，对粧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。由于寒区粧基础对气候变化敏感，对粧基稳定性 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】
[0006] 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：
[0007] 一种远程实时在线监测和评估冻融环境下粧基稳定性的装置，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粧；所述钢筋混凝土粧内均 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粧上；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。
[0008] 一种远程实时在线监测和评估冻融环境下粧基稳定性的方法，其特征在于，基于 以下定义：为了保证上部建筑物的稳定，粧基础应同时满足以下两个抗冻拔稳定条件：
[0009]
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[0011] 式中：Fk为作用在粧顶上的竖向结构自重（kN) ;Gk为粧身自重（kN)，对于水位以 下且粧底为透水土时取浮重度；Qfk为粧在冻结线以下各土层的摩阻力标准值之和；Qpk为粧 基础周边与多年冻土层的冻结力标准值（kN) ;〇为粧基础验算截面的应力；k为冻胀力修 正系数；Tk为粧的切向冻胀力标准值（kN) ;Gi为验算截面以上粧自重；Qfl为验算截面至冻 结线之间粧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；[fy]为验算截面粧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：
[0012] 计算一，季节冻结深度和多年冻土厚度的计算：
[0013] 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I的计算公式如下：
[0014]
[0015] 式中：I为季节冻结深度，即季节冻土层厚度；A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 ;
[0016] 多年冻土层厚度G的计算公式为：
[0017]
[0018] 式中：T为土层的温度值；X为冻土的导热系数；qg为多年冻土区域的热流值，按 照规范JGJ118-2011取值；
[0019] 计算二，切向冻胀力的计算：
[0020] 在多年冻土区，为了保证粧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；季节冻融层中的粧周土在冻结过程中，会在粧体表面产生切向冻胀力；切向 冻胀力的计算公式为：
[0021] Tk=zdtsku式五
[0022] 式中：zd为设计冻深（m)，当基础埋置深度h小于zd时，zd采用h;t^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粧的类型查规范JTGD63-2007表 L. 0. 1，得到季节性冻土切向冻胀力标准值；u为粧身周长；
[0023] 计算三，粧侧摩阻力的计算：
[0024] 当切向冻胀力大于恒载和粧自重之和时，未冻土层的粧与粧周土之间的摩阻力起 到抗拔作用；其大小与土的类别，粧的材质和粧表面的粗糙度有关；未冻土层粧侧抗拔摩 阻力的计算公式为：
[0025]Qfk=0?4uEqikli式六
[0026]式中：u为粧身周长；qik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；
[0027] 计算四，冻结力的计算：
[0028] 多年冻土与粧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；当粧周的切向冻胀力较大时，位于多年冻土中 的粧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：
[0029]Qpk=0?4uEqipl'i式七
[0030]式中：qip为多年冻土层中各层土与粧基础侧面的冻结力标准值（kPa)，与土的类 另IJ、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JTGD63-2007表L.O. 2,得到多年冻土层中 各层土与粧基础侧面的冻结力标准值；u为粧身周长；1'i为多年冻土层中各层土的厚度；
[0031] 5.粧基稳定性的实时监测与评估
[0032] 在计算完切向冻胀力、粧侧摩阻力和冻结力之后，令
[0033] f, =Fi.+Gi.+0ii.+0"i._kTi. 式八
[0034]
[0035] 在粧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:^和f2的关系，分别绘制出A与f: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4和〖2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，就可以对粧基的稳定性进行评估；绘制出信号幅值的年度变化图，并 对后续年份粧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粧上，并且信号 采集仪上的数据可以实时传给监测中心，故可以对粧基的稳定性进行远程实时监测。
[0036] 因此，本发明具有如下优点：1.该监测方法简单易行，可以对粧基的稳定性进行 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粧 体内，此后不再需要现场测试，省时省力，可以实现对粧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