一种混凝土桩基与土体耦合性能的监测与评估装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种混凝土桩基与土体耦合性能的监测与评估装置及方法，包括压电陶瓷智能骨料、压电陶瓷智能骨料阵列、数据采集系统、垂直载荷系统和水平振动载荷系统；方法包括步骤1:在桩基浇筑前预先在桩基的灌注桩钢筋笼上特定位置处埋置若干个压电陶瓷智能骨料、并通过导线与数据采集系统连接，形成压电陶瓷智能骨料阵列；步骤2：用混凝土浇筑灌注桩钢筋笼，形成混凝土桩基；步骤3:通过数据采集系统采集观察混凝土凝结过程中信号的变化，通过分析信号特性来判断桩基的实时健康状态，以及是否出现断桩；步骤4:对桩基进行长期实时监测，判定混凝土桩基与土体耦合状态。本发明实现了混凝土桩的安全评估和长期实时监测。
【专利说明】一种混凝土粧基与土体耦合性能的监测与评估装置及方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明属于土建监测与评估【技术领域】，涉及一种针对混凝土桩的完整性和承载能力评估的实时安全监测装置及方法，尤其涉及一种混凝土桩基与土体耦合性能的长期实时监测与评估装置及方法。
[0003]【背景技术】
[0004]目前，利用压电陶瓷制作智能骨料用于混凝土桩的检测已经有一些基本研究和文献描述。
[0005]针对桩基完整性的检测，利用压电陶瓷列阵形成的波动效应，观察波在桩体中的运行状态来判断桩长范围内混凝土的均匀性改变状态。现有的【背景技术】是在混凝土桩体内或表面布置压电陶瓷智能骨料阵列，向做执行器的智能骨料输入特定的激励信号，信号经过桩体的传输后由做传感器的智能骨料接收，通过对比和分析信号的性质和变化来判断桩基损伤状态。目前的技术只有在特定的条件下特定的环境内对混凝土桩基损伤进行模糊判断，局限性很大且不能准确判定损伤位置及损伤程度，另外水分侵入对信号的影响在现有文献中也并不多见描述。
[0006]针对桩的承载能力评估，桩的承载能力很大程度取决于混凝土桩基与土体耦合性能。基于智能骨料对混凝土桩基与土体耦合性能的研究在相关领域的研究还不多见。
[0007]
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种基于智能骨料对混凝土桩基与土体耦合性能的监测与评估装置及方法，通过智能骨料形成压电列阵观察波在桩以及混凝土桩基与土体之间的行为模式来检测桩基的损伤状态以及混凝土桩基与土体的耦合性能，对桩基损伤位置及损伤程度进行定义，对混凝土桩基与土体耦合状态进行定义，从而确定其承载力，判断其安全性倉泛。
[0009]本发明的装置所采用的技术方案是:一种混凝土桩基与土体耦合性能的监测与评估装置，包括压电陶瓷智能骨料、由若干个压电陶瓷智能骨料组成的压电陶瓷智能骨料阵列，其特征在于:还包括数据采集系统、垂直载荷系统和水平振动载荷系统；所述的压电陶瓷智能骨料定位在灌注桩基钢筋笼上，用于在灌注混凝土时埋入桩基内作为探伤监测的信号发射源或接收器；所述的若干个压电陶瓷智能骨料分别埋设在桩基中特定位置处、并通过导线与所述的数据采集系统连接，用于实现信号的实时采集和传递；所述的垂直载荷系统和水平振动载荷系统分别加载在所述的桩基上，用于向所述的桩基加载垂直和水平载荷。[0010]作为优选，所述的压电陶瓷智能骨料由防水处理过的压电片、混凝土圆柱体和导线组成，所述的压电片设置在所述的混凝土圆柱体中，所述的压电片通过所述的导线与所述的数据采集系统连接。
[0011]作为优选，所述的水平振动载荷系统由PC控制系统来控制和测定。
[0012]本发明的方法所采用的技术方案是:一种混凝土桩基与土体耦合性能的监测与评估的方法，其特征在于，包括以下步骤:
步骤1:在桩基浇筑前预先在所述的桩基的灌注桩钢筋笼上特定位置处埋置若干个压电陶瓷智能骨料、并通过导线与所述的数据采集系统连接，形成压电陶瓷智能骨料阵列；步骤2:用混凝土浇筑所述的灌注桩钢筋笼，形成混凝土桩基；
步骤3:通过所述的数据采集系统采集观察混凝土凝结过程中信号的变化，通过分析信号特性来判断所述的桩基的实时健康状态，以及是否出现断桩；
步骤4:对所述的桩基进行长期实时监测，将一个压电陶瓷智能骨料作为信号发射源发射应力波在所述的桩基内传递，其它压电陶瓷智能骨料作为信号接收器检测应力波在不同地方的响应，测量波形变化，判断所述的桩基的长期健康状态以及混凝土桩基与土体耦合状态，尤其关注气候变化时数据的变化。
[0013]本发明相对于现有技术，具有以下有益效果:
1.桩长范围内，在混凝土浇灌-振捣-冷凝-固结过程中，波信号在传播路径的变化，确定损伤位置的判定以及损伤程度的定义，建立桩基完整性的判断标准，评估水分侵入对波信号的影响；
2.波在混凝土桩基内部的运行特点以及在大气环境变化时，在土体内以及桩-土界面上的运行变化特点，以说明大气环境下混凝土桩基与土体耦合机理，以及随着土体发育过程土体中多重耦合关系的定义和耦合特性的变化；
3.通过耦合特性变化，实现土体抗剪能力的判定和混凝土桩承载能力的判定，从而实现混凝土桩的安全评估技术；
4.实现混凝土桩基的长期实时监测。
[0014]【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1:本发明实施例的装置结构图。
[0016]图2:本发明实施例的压电陶瓷智能骨料结构图。
[0017]图3:本发明实施例的探伤方式原理图。
[0018]【具体实施方式】
[0019]为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0020]请见图1、图2，本发明的装置所采用的技术方案是:一种混凝土桩基与土体耦合性能的监测与评估装置，包括压电陶瓷智能骨料1、由若干个压电陶瓷智能骨料I组成的压电陶瓷智能骨料阵列2，其特征在于:还包括数据采集系统3、垂直载荷系统4和水平振动载荷系统5 ;压电陶瓷智能骨料I由防水处理过的压电片101、混凝土圆柱体102和导线103组成，压电片101设置在混凝土圆柱体102中，压电片101通过导线103与数据采集系统3连接；水平振动载荷系统5由PC控制系统501来控制和测定；压电陶瓷智能骨料I定位在灌注桩基钢筋笼上，用于在灌注混凝土时埋入桩基6内作为探伤监测的信号发射源或接收器；若干个压电陶瓷智能骨料I分别埋设在桩基6中特定位置处、并通过导线与数据采集系统3连接，用于实现信号的实时采集和传递；垂直载荷系统4和水平振动载荷系统5分别加载在桩基6上,用于向桩基6加载垂直和水平载荷。
[0021]土体是一个变化中的非弹性体。所以，在研究中边界难以界定。但一个基本假定是成立，即可以认为桩基的边界相对稳定，是可以确定的:由此建立一个耦合状态的判定边界，进行耦合状态的定义:即定义接触-挤压-分离的波信号定义。土体的发育以及混凝土桩基与土体耦合是一个高度的非线性问题:边界非线性，材料非线性，外力也是随机变量。这样耦合状态的定义和判断非常困难，特别是土体自身处于一个发育变化过程，这样只有具有足够强度和稳定性的耦合状态是桩基具有足够承载力的基本判定原则。在这一前提下，在土体变化过程中，需要关注波在土体中直到桩身内部的传播路径上的一切突变。土体在大气中是一个高度的多重耦合体系:孔隙-土体-水-温度-化学-力，波在这个体系中传播路径高度变化，而只有进行实时监测才能对相对稳定的混凝土桩基与土体耦合进行评定，从而确定其承载能力，判断其安全性能。
[0022]测量波形变化是唯一用来评定土体以及混凝土桩基与土体耦合状态的手段。由于瑞利波的频散、低频特性，对高度非线性的多重耦合土体发育过程是理想的测量波。土体强度可以通过观察波在土体中的路径规律来判断其稳定性，从而由波在孔隙-水-土的耦合相对稳定波形关系中反映土体固结程度，以此判定土体的剪切特性。在这里，可以预知的是，波形的变化反映了土体中孔隙-水-土的耦合情形。研究频散在这一耦合关系中的变化规律。频散突然增大，则孔隙增大，混凝土桩基与土体耦合提高，土体抗剪性能下降，混凝土桩基与土体的耦合是下降趋势。这时，观察混凝土桩基与土体接触面的变化，当频散增大到一定程度，即混凝土桩基与土体耦合下降趋势到一定程度时，从理论上，土体中孔隙增大，混凝土桩基与土体界面处于分离状态，桩基周土抗剪性能下降增大，甚至趋于0，从而混凝土桩基与土体耦合机能趋于0，这时认为桩基丧失承载能力。所以，理论上，关键是探究波在传播路径上的变化规律。
[0023]本发明的方法所采用的技术方案是:一种混凝土桩基与土体耦合性能的监测与评估的方法，其特征在于，包括以下步骤:
步骤1:在桩基6浇筑前预先在桩基6的灌注桩钢筋笼上特定位置处埋置若干个压电陶瓷智能骨料1、并通过导线与数据采集系统3连接，形成压电陶瓷智能骨料阵列2 ；
步骤2:用混凝土浇筑灌注桩钢筋笼，形成混凝土桩基6 ；
步骤3:通过数据采集系统3采集观察混凝土凝结过程中信号的变化，通过分析信号特性来判断桩基6的实时健康状态，以及是否出现断桩；
步骤4:对桩基6进行长期实时监测，将一个压电陶瓷智能骨料I作为信号发射源发射应力波在桩基6内传递，其它压电陶瓷智能骨料I作为信号接收器检测应力波在不同地方的响应，测量波形变化，判断桩基6的长期健康状态以及混凝土桩基与土体耦合状态，尤其关注气候变化时数据的变化。
[0024]请见图3，本实施例的桩基探伤监测采用主动传感探伤方式:既一个压电陶瓷智能骨料I作为信号发射源发射应力波在桩体内传递，其它压电陶瓷智能骨料I作为信号接收器检测应力波在不同地方的响应。桩基内不同程度的损伤会相应地影响应力波的传递能量。应力波传送能量的衰减与损伤程度成对应关系。在本发明中，在混凝土桩基内，不同的压电陶瓷智能骨料I将被选为信号发射源-信号接收器对来对桩基不同的区域进行监测。在数据拓扑网络中，一个桩基的健康状况数据存储于一个节点处理器内并由此节点数据处理单元上传至上一级数据处理单元，一个节点数据单元包含数据存储和无线发射电路，上一级数据单元将不同桩体的健康状况上传至中央处理器，无线通讯协议将被应用于通讯服务，数据处理单元之间可进行通讯。
[0025]尽管本说明书较多地使用了压电陶瓷智能骨料1、压电陶瓷智能骨料阵列2、数据采集系统3、垂直载荷系统4、水平振动载荷系统5、压电片101、混凝土圆柱体102、导线103和PC控制系统501等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，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。
[0026]应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
[0027]应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
【权利要求】
1.一种混凝土桩基与土体耦合性能的监测与评估装置，包括压电陶瓷智能骨料(I)、由若干个压电陶瓷智能骨料(I)组成的压电陶瓷智能骨料阵列(2)，其特征在于:还包括数据采集系统(3)、垂直载荷系统(4)和水平振动载荷系统(5);所述的压电陶瓷智能骨料(I)定位在灌注桩基钢筋笼上，用于在灌注混凝土时埋入桩基(6)内作为探伤监测的信号发射源或接收器；所述的若干个压电陶瓷智能骨料(I)分别埋设在桩基(6)中特定位置处、并通过导线与所述的数据采集系统(3)连接，用于实现信号的实时采集和传递；所述的垂直载荷系统(4)和水平振动载荷系统(5)分别加载在所述的桩基(6)上，用于向所述的桩基(6)加载垂直和水平载荷。
2.根据权利要求1所述的混凝土桩基与土体耦合性能的监测与评估装置，其特征在于:所述的压电陶瓷智能骨料(I)由防水处理过的压电片(101)、混凝土圆柱体(102)和导线(103)组成，所述的压电片(101)设置在所述的混凝土圆柱体(102)中，所述的压电片(101)通过所述的导线(103)与所述的数据采集系统(3)连接。
3.根据权利要求1所述的混凝土桩基与土体耦合性能的监测与评估装置，其特征在于:所述的水平振动载荷系统(5)由PC控制系统(501)来控制和测定。
4.一种利用权利要求1所述的混凝土桩基与土体耦合性能的监测与评估装置进行混凝土桩基与土体耦合性能的监测与评估的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:在桩基(6)浇筑前预先在所述的桩基(6)的灌注桩钢筋笼上特定位置处埋置若干个压电陶瓷智能骨料(I)、并通过导线与所述的数据采集系统(3)连接，形成压电陶瓷智能骨料阵列(2); 步骤2:用混凝土浇筑所述的灌注桩钢筋笼，形成混凝土桩基(6)； 步骤3:通过所述的数据采集系统(3)采集观察混凝土凝结过程中信号的变化，通过分析信号特性来判断所述的桩基(6)的实时健康状态，以及是否出现断桩； 步骤4:对所述的桩基(6)进行长期实时监测，将一个压电陶瓷智能骨料(I)作为信号发射源发射应力波在所述的桩基(6)内传递，其它压电陶瓷智能骨料(I)作为信号接收器检测应力波在不同地方的响应，测量波形变化，判断所述的桩基(6)的长期健康状态以及混凝土桩基与土体耦合状态，尤其关注气候变化时数据的变化。
【文档编号】E02D1/00GK103981908SQ201410239401
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年6月3日 优先权日:2014年6月3日
【发明者】王若林, 尹振楠 申请人:武汉大学