一种桩周土体刚度原位监测方法及测试系统、测试设备

本发明涉及一种桩周土体刚度原位监测方法及测试系统、测试设备，测试设备为原状土剪切波速测试设备，监测方法及测试系统用于风机桩周现场土体刚度的测试。

背景技术：

我国沿海地区广泛分布着深厚的第四纪泻湖相、滨海相等海相沉积软土层，主要为淤泥质黏土和淤泥质粉土(粉砂)夹层。由于地理位置与地质成因的不同，不同地区软土的微观结构和结构性存在差异，但都具有含水率高、孔隙比大、强度低、压缩系数和灵敏度高等特点。

通常为了简化计算，在分析桩-土相互作用时常把桩周土体简化成为均质介质，但是由于剪切模量及阻尼系数的非线性变化，土体特性在水平及竖直方向上并非均质，需要考虑桩基础惯性力引起的桩周影响区刚度计算模型。

早期学者将惯性影响区及影响弱化区进行分区，通过内外圆模型区分桩周土体的刚度衰减。然而，这些扰动区模型是基于轴对称平面应变假设及均质介质假设提出的，无法模拟短直桩的相互作用，而且这些模型并未充分考虑土体在竖向范围内的刚度变化。海上风机承受着台风、巨浪等荷载，这些荷载再通过桩基础传递给海床土体。风机桩周土体特性在外载作用下将发生明显变化，作为风机基础的主要承载体，桩周土体刚度的变化会直接影响风机的响应稳定性。基于此，本发明提出一种用于桩周现场原位测试的桩周土体刚度原位监测方法及测试系统、测试设备。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的不足，本发明拟解决的技术问题是：一种桩周土体刚度原位监测方法及测试系统、测试设备。该监测方法首次实现了对风机桩周土体刚度的三维时空监测，获得风机桩周影响范围内土体在三维空间内的结构性和动力学特性变化。该测试设备能够实现原位测试，同时测量不同土层的剪切波速，充分考虑土体在竖向范围内的刚度变化，避免了测量范围限制而带来的误差。该系统基于物联网通讯架构，以pc端和移动端(移动辅助设备)作为监控设备，通过5g技术实现监测数据的实时接收，可以远程在线获知桩周土体的剪切波速及其刚度的变化趋势，及时了解风机桩周影响范围内土体在水平及竖直方向的结构性和动力学特性。

本发明解决所述技术问题的技术方案为：

第一方面，本发明提供一种桩周土体刚度原位监测方法，该监测方法包括以下步骤：

步骤1：安装调试设备，

对原状土剪切波速测试设备进行组装、调试，确定激发信号、频率和传播距离，并测试原状土剪切波速测试设备、5g信号传输是否能正常工作；

步骤2：确定测点位置，

对风机桩周土体进行测试，在水平方向着重考虑4倍桩径范围内的土体刚度变化，以桩径d为间距布置测点，同时在自由场布设1个测点作为对照；每个测点沿桩埋深方向，根据初始测量地基土体特性布置竖向测点，每层土体至少布置2个竖向测点；

步骤3：现场原位测试，

通过原状土剪切波速测试设备一周一次对风机桩周土体刚度进行原位测试，如遇到偶然灾害时，提高对灾后桩周土体测试频率，每次测试时记录采集日期；

步骤4：归纳建模，

所述原状土剪切波速测试设备在工作时产生相关的数据，通过5g基站将数据传至远程数据接收站，所述数据接收站再将剪切波速和测点位置信息传输到数据处理pc，所述数据处理pc对桩周测点的现场数据进行初步分析，并传输至管理终端；管理终端处理、显示与存储桩周土体刚度的三维时空模型，并通过云服务器存储数据。

所述原状土剪切波速测试设备沿竖向等间距布置多组弯曲元传感器，能原位测试竖向不同深度的剪切波速信息，同时能获得不同竖向测点的深度位置信息和水平信息；

数据处理pc结合gps高程信息和gps至每组弯曲元传感器的距离，计算得到每组弯曲元传感器的深度位置信息；根据前期的安装调试确定同组弯曲元传感器3的发射端与接收端之间的距离l(t)，然后根据计算剪切波速v(t)，获得每组弯曲元传感器的剪切波速；再通过对4倍桩径(4d)范围内的多个测点重复测试，获得所有测点内的每组弯曲元传感器的剪切波速；

进而归纳存储数据为每个桩号对应的采集日期测得的不同水平和竖向测点位置采集的各测点的剪切波速数据，包括的关键信息为桩号、采集日期、测点水平位置、竖向测点位置、各测点的剪切波速，并按照上述的关键信息进行存储，数据处理pc与远程管理终端通信；

所述管理终端获得数据处理pc归纳存储桩号的相关数据后，再结合土样密度ρ，按照g(t)＝ρ·v²(t)计算出不同测点位置各组弯曲元传感器的剪切模量，不同土层的土样密度不同，由前期实验确定；以剪切模量、测点水平位置、竖向测点位置、采集日期、桩号这些数据信息建立土体刚度的三维时空模型，实现数据可视化。

第二方面，本发明提供一种原状土剪切波速测试设备，包括信号发生器、示波器、数据采集器和探杆；其特征在于，所述探杆包括横向固定杆和竖向固定杆，横向固定杆用于调节两侧竖向固定杆的间距并保证竖向固定杆在同一平面内；所述横向固定杆中间固定设置有gps定位模块，gps定位模块用于确定现场测点的位置信息；所述gps定位模块集成有微功率无线通信功能，能将位置信息实时传输至数据采集器；

所述竖向固定杆2包括两个对半，两个对半上端与横向固定杆1连接成一个整体，两个对半安装在横向固定杆上后，横向固定杆保持水平，且两个对半高度相等；

每个对半沿高度方向上等间距设置有多个螺丝孔，螺丝孔用于安装弯曲元传感器3，在每个对半的轴线上开设有电缆线槽6，在对半的外表面沿高度方向设置有刻度尺，通过刻度尺能够直接读取不同组弯曲元传感器之间的竖直距离；

两个对半上的同高度的两个弯曲元传感器为一组，一组弯曲元传感器中一个为接收弯曲元传感器，一个为发射弯曲元传感器；每组弯曲元传感器的发射弯曲元传感器通过布置在电缆槽6内部的相应电缆7与信号发生器连接，信号发生器再与示波器连接，该组的接收弯曲元传感器通过布置在电缆槽6内部的电缆7直接与示波器12连接；

示波器12连接数据采集器17，数据采集器再通过无线模块将采集的相关信息向外传输；

竖向固定杆2底部装配有锥入锤8，锥入锤8和竖向固定杆2通过螺丝连接。

第三方面，本发明提供一种桩周土体刚度原位测试系统，该测试系统包括原状土剪切波速测试设备、5g基站、数据接收站、数据处理pc以及管理终端。

所述原状土剪切波速测试设备包括信号发生器、示波器、数据采集器和探杆；所述探杆包括横向固定杆和竖向固定杆，横向固定杆用于调节两侧竖向固定杆的间距并保证竖向固定杆在同一平面内；所述横向固定杆中间固定设置有gps定位模块，gps定位模块用于确定现场测点的位置信息；所述gps定位模块集成有微功率无线通信功能，可将位置信息实时传输至数据采集器；所述竖向固定杆分为两个对半，两个对半的上部由平头螺丝与横向固定杆连接成一个整体，竖向固定杆包括弯曲元传感器、传感器保护器、电缆槽和刻度尺，竖向固定杆底部装配有锥入锤，锥入锤和竖向固定杆通过平头螺丝连接；在竖向固定杆沿高度方向上设置多组平头螺丝孔，多组平头螺丝孔用于通过平头螺丝安装弯曲元传感器；所述弯曲元传感器既可以作为发射端也可以作为接收端，都通过布置在电缆槽内部的电缆分别连接至信号发生器和示波器；所述传感器保护器固定设置在弯曲元传感器的两侧，在探杆锥入土体的过程中保护弯曲元传感器不受损坏；所述刻度尺设置在竖向固定杆的外侧，方便观测上下相邻两对弯曲元传感器的间距，并计算测试剪切波速土体的深度；所述锥入锤加快竖向固定杆在土体中的锥入过程，并有效降低锥入过程中对周边土体的扰动；

所述数据采集器还包括壳体，信号发生器、示波器、蓄电池均固定在壳体内；所述壳体顶部固定设置有太阳能电池、5g天线；所述太阳能电池可以对蓄电池进行充电，太阳能电池和蓄电池共同为整个原状土剪切波速测试设备供电。数据采集器及其附属设备均可与风机安装在一起，需要进行监测时，再将其相应部件与探杆的相应元件连接，在采样周期内，将探杆安装至不同测点即可完成对不同测点的采样。本申请也可设置为实时监测方式，在桩周固定测点位置分别安装探杆，探杆再与数据采集器的相应部件连接，实现实时的数据采集监测。

所述信号发生器生成波形信号，通过弯曲元传感器发射端激发，弯曲元传感器接收端接收土体传来的剪切波，并将其转化为电信号，波形信号和电信号传递到示波器上进行显示和存储；所述示波器连接至数据采集器，数据采集器再通过5g天线将测点的位置信息和测试数据实时传输至数据接收站；所述5g基站安装在风机上，接收风机周边各个测点的数据；所述数据接收站接收5g基站现场的数据后再传输至数据处理pc，数据处理pc对现场数据进行整理归纳处理后送至远程管理终端，实现远程现场监测和进度跟踪。

所述数据处理pc，用于接收远程无线信号并处理和归纳剪切波速数据和测点位置信息。进行原位测试时，拟考虑水平位置、竖向深度、时间的影响，对风机桩周土体进行测试，在水平方向着重考虑4倍桩径(4d)范围内的土体刚度变化，以d为间距布置测点，同时在自由场布设1个测点作为对照；沿桩周方向以45°夹角布设测点，同一半径上的相邻测点间距为d；对于每个测点沿桩埋深方向，根据初始测量地基土体特性布置竖向测点，每层土体至少布置2个竖向测点。

数据处理pc对接收到的数据进行处理与归纳后再传输至管理终端，所述管理终端，用于处理、显示与存储桩周土体刚度的三维时空模型。管理终端可将模型数据上传至云服务器，通过云服务器将各个测点的信息和数据进行存储，建立数据库。管理终端配备有其他移动辅助设备，包括手机、平板电脑等，并通过云服务器共享数据模型信息，移动辅助通信设备可通过云服务器对管理终端同步的模型数据基础操作和分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明公开了一种原状土剪切波速测试设备，该设备的探杆部分具有灵活的可调性。竖向固定杆上装配多组弯曲元传感器，可一次性对同一位置不同深度的土体进行剪切波速测试，避免了以往发明测量不同深度土层时需要多次锥入土体从而造成的误差，真实有效地实现原位测试，不会对土体造成扰动。同时，通过横向固定杆可实现对竖向固定杆的间距进行调节，弥补了以往整体固定式设备只能测量固定土层厚度的不足，本发明可对不同厚度土体同时进行剪切波速测试，尤其适用于复杂土层的情况。

2)本发明中的原状土剪切波速测试设备配备有gps定位模块，可实时获取测点的位置信息，并传至数据采集器，同步位置信息和测试数据，每组弯曲元传感器的空间位置信息是独一无二的，类似的，在水平面上(x、y坐标)我们选取一个点，该位置点不同深度(z坐标)我们又布置了多组弯曲元传感器。水平方向上的位置信息可以直接由gps定位模块直接获得，深度方向上每组弯曲元传感器的高程信息可以由gps定位模块和每组弯曲元传感器到gps定位模块的距离两者计算得到。

3)本发明测试系统集成现有的5g技术、物联网传感器技术和移动终端技术，实现对不同测点数据的采集、接收、传输，传递给数据处理pc和远程管理终端，实现两地信息共享；借助5g技术实现大数据量的无线传输，不需布置大量的数据线，解决了不能实时、快速、连续地传输数据的问题；可以实现数据的实时传输，完成全过程监控，并可实现可视化；布设简单，可以将基站灵活布置于风机上，测试结束后可拆卸重复使用。传输的数据主要为每组弯曲元传感器所在位置和在该位置所测得的剪切波速，最终通过5g信号传输到数据处理pc，同步位置信息和测试数据，有效建立土体刚度的三维时空模型。

4)本发明测试系统中的管理终端具有云服务器存储功能，通过云服务器建立数据库，方便查看调用。管理终端配备有其他辅助移动设备，包括手机、平板电脑等，通过无线通信技术随时同步查看分析结果。

5)本发明中的原状土剪切波速测试设备配备有太阳能电池和蓄电池，可长效、持久地给整个测试系统供电。

6)本发明监测方法能够实现对风机桩周土体的有效监测，实现三维时空桩周土体的监测，精度高、效率好，及时了解风机桩周影响范围内土体在水平及竖直方向的结构性和动力学特性。

附图说明

图1为本发明测试系统中测点位置的分布示意图；

图2为测点位置相对风机基础分布的水平截面图；

图3为本发明的原状土剪切波速测试设备的安装结构示意图；

图4为本发明中探杆的剖视结构示意图；

图5为本发明中探杆的正视结构示意图；

图6为本发明监测方法的流程示意图。

其中：1、横向固定杆，2、竖向固定杆，3、弯曲元传感器，4、传感器保护器，5、平头螺丝孔，6、电缆槽，7、电缆，8、锥入锤，9、刻度尺，10、平头螺丝，11、gps定位模块；12、示波器，13、信号发生器，14、蓄电池，15、5g天线，16、太阳能电池，17、数据采集器，18、测点，19风机基础。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请的保护范围。

实施例一

本实施例公开了一种桩周土体刚度原位测试系统，包括原状土剪切波速测试设备、5g基站、数据接收站、数据处理pc以及管理终端。如图2和3所示，其中原状土剪切波速测试设备包括示波器12、信号发生器13、蓄电池14、5g天线15、数据采集器17、太阳能电池16和探杆；所述探杆包括横向固定杆1和竖向固定杆2，横向固定杆1用于调节两侧竖向固定杆2的间距并保证竖向固定杆2在同一平面内，横向固定杆1中间固定设置有gps定位模块11，gps定位模块11用于确定现场测点的位置信息，且集成有微功率无线通信功能，可将位置信息实时传输至数据采集器17；

所述竖向固定杆2包括两个对半，两个对半上端由平头螺丝10与横向固定杆1连接成一个整体，两个对半安装在横向固定杆上后，横向固定杆保持水平，且两个对半高度相等；

每个对半沿高度方向上等间距设置有多个平头螺丝孔5，平头螺丝孔用于安装弯曲元传感器3，在每个对半的轴线上开设有电缆线槽6，在对半的外表面沿高度方向设置有刻度尺，通过刻度尺能够直接读取不同组弯曲元传感器之间的竖直距离；

两个对半上的同高度的两个弯曲元传感器为一组，一组弯曲元传感器中一个为接收弯曲元传感器，一个为发射弯曲元传感器；每组弯曲元传感器的发射弯曲元传感器通过布置在电缆槽6内部的相应电缆7与信号发生器连接，信号发生器再与示波器连接，该组的接收弯曲元传感器通过布置在电缆槽6内部的电缆7直接与示波器12连接；示波器12连接数据采集器17，数据采集器再通过5g天线将测点的位置信息、测试时间和同组弯曲元传感器间的剪切波的传播时间实时传输至数据接收站。所述太阳能电池16可给蓄电池14进行充电，太阳能电池16和蓄电池14给整个原状土剪切波速测试设备提供电量，保证该系统长久、持续运行。

竖向固定杆2底部装配有锥入锤8，锥入锤8和竖向固定杆2通过平头螺丝10连接，锥入锤8加快探杆在土体中的锥入过程，并有效降低探杆锥入过程中对周边土体的扰动；平头螺丝孔5用于安装平头螺丝10，刻度尺9设置在竖向固定杆2的外侧；

在每个弯曲元传感器3的上下位置均装配有传感器保护器4，在探杆锥入土体的过程中保护弯曲元传感器不受损坏；

所述横向固定杆1、竖向固定杆2、传感器保护器4、锥入锤8和平头螺丝10均采用优质不锈钢材料，防潮防湿，轻质高强。

所述弯曲元传感器3为压电陶瓷材料，使用前进行防水处理。

所述电缆7采用优质铜线，与弯曲元传感器3连接部分均进行防水处理。

信号发生器13生成波形信号，通过发射弯曲元传感器3激发，接收弯曲元传感器3接收土样传来的剪切波，并将其转化为电信号，信号发生器和示波器连接，将同组弯曲元传感器的波形信号和电信号一同传递到示波器12，示波器12通过两个信号对比得到对应同组弯曲元传感器的剪切波的传播时间δt，在示波器上显示并存储传播时间。示波器12和gps定位模块均与数据采集器17连接，数据采集器17再通过5g天线将测点的位置信息和传播时间δt实时传输至数据接收站，其中测点的位置信息包括弯曲元传感器安装的水平位置信息和竖直方向上各组弯曲元传感器的深度位置信息，深度位置信息由gps定位模块的高程数据和调试安装时所确认的相邻高度的弯曲元传感器之间的竖直距离确定。

所述数据接收站接收5g基站现场的数据(测点的位置信息和传播时间δt)后传输至数据处理pc，数据处理pc对现场数据进行处理与归纳，结合gps高程信息和gps至每组弯曲元传感器的距离，计算得到每组弯曲元传感器的深度位置信息；根据前期的安装调试确定同组弯曲元传感器3的发射端与接收端之间的距离l(t)，然后根据计算剪切波速v(t)，获得每组弯曲元传感器的剪切波速；再通过对4倍桩径(4d)范围内的多个测点重复测试，获得所有测点内的每组弯曲元传感器的剪切波速；

进而归纳存储数据为每个桩号对应的采集日期测得的不同水平和竖向测点位置采集的各测点的剪切波速数据，包括的关键信息为桩号、采集日期、测点水平位置、竖向测点位置、各测点的剪切波速，并按照上述的关键信息进行存储，数据处理pc与远程管理终端通信，实现远程现场监测和进度跟踪。

所述数据处理pc，用于接收远程无线信号，获得测点位置信息和传播时间，再经计算后获得剪切波速数据。进行原位测试时，拟考虑水平位置、竖向深度、采集日期的影响，如图1所示，对风机桩周土体进行测试，记录风机桩号，在水平方向着重考虑4倍桩径(4d)范围内的土体刚度变化，以d为间距向远离桩轴心的方向等间距布置多个测点，同时在自由场布设1个测点作为对照，自由场处的土认为是不受桩基扰动的，土体刚度基本不受影响，设置对照测点可用于评价桩周土体刚度受扰动程度，所有测点均沿桩周方向均匀分布，测点可以呈圆周辐射状分布，同一半径上的多个测点为一组，相邻组测点之间的夹角为45°；每个测点沿桩埋深方向，根据初始测量地基土体特性布置竖向测点，按照地基土体特性，土体在埋深方向上能分成若干层，每层土体内至少布置2组弯曲元传感器，在一个土层内形成至少两个竖向测点。

所述管理终端，用于处理、显示与存储桩周土体刚度的三维时空模型，通过数据处理pc归纳存储桩号的相关数据，结合土样密度ρ，按照g(t)＝ρ·v²(t)计算出不同测点位置各组弯曲元传感器的剪切模量，不同土层的土样密度不同，由前期实验确定；以剪切模量、测点水平位置、竖向测点位置、采集日期、桩号这些数据信息建立土体刚度的三维时空模型，土体刚度的三维时空模型包括初始安装时获得待检测桩的桩号位置、利用gps定位模块获得的不同组弯曲元传感器的高程差及设备安装时确定的相邻组弯曲元传感器的竖向距离确定的各竖向测点的位置信息、利用gps定位模块获得的测点在待检测桩周的水平位置、采集日期信息，实现数据可视化。

管理终端与云服务器通信，将土体刚度的三维时空模型数据上传至云服务器，通过云服务器将当前桩在测点上的所有信息和数据进行存储，建立数据库。移动辅助设备同时与云服务器进行通信，移动辅助设备包括手机、平板电脑等，移动设备能够通过云服务器获得土体刚度的三维时空模型，实现模型数据信息的共享，方便监测者可随时查看模型信息。移动辅助设备可通过云服务器对管理终端同步的模型数据基础操作和分析，基础操作可以包括对不同海上风电场的选择、每一海上风电上不同风机桩号的选择、每一桩号不同测点位置信息、时间信息和土体刚度的选择与查看。分析可以是通过比较自由场处土体刚度与桩周影响范围内土体刚度来简单评价影响范围内土体的受扰动程度。

实施例二

本发明另外公开了一种桩周土体刚度的监测方法，利用上述桩周原状土剪切波速测试设备进行监测，包括以下步骤：

步骤1：安装调试设备，

对原状土剪切波速测试设备进行组装、调试，确定激发信号、频率和传播距离，并测试原状土剪切波速测试设备、5g信号传输是否能正常工作；

步骤2：确定测点位置，

对风机桩周土体进行测试，在水平方向着重考虑4倍桩径范围内的土体刚度变化，以桩径d为间距布置测点，同时在自由场布设1个测点作为对照；每个测点沿桩埋深方向，根据初始测量地基土体特性布置竖向测点，每层土体至少布置2个竖向测点；

步骤3：现场原位测试，

通过原状土剪切波速测试设备一周一次对风机桩周土体刚度进行原位测试，如遇到偶然灾害时，提高对灾后桩周土体测试频率，每次测试时记录采集日期；

步骤4：归纳存储数据，

原状土剪切波速测试设备在工作时产生相关的数据，通过5g基站将数据传至远程数据接收站，所述数据接收站再将剪切波速和测点位置信息传输到数据处理pc，所述数据处理pc对桩周测点的剪切波速和位置信息等数据进行初步分析，并传输至管理终端。

步骤5：建立三维模型，

管理终端处理处理、显示与存储桩周土体刚度的三维时空模型，同时通过云服务器存储数据。然后，通过管理终端的其他移动辅助设备同步查看分析结果。

具体的，管理终端和/或云服务器存储有风机全生命周期桩周土体刚度的信息，其中包括有风机正常运行期间和自然灾害经过后土体刚度的数据信息，进一步的，通过三维时空模型可直观分析桩周土体刚度的变化，从而指导风机的稳定性分析。分析可以是通过比较自由场处土体刚度与桩周影响范围内土体刚度来简单评价影响范围内土体的受扰动程度。

本发明的工作原理是：

剪切模量可由室内和现场试验测得的剪切波速换算得到，且土的剪切模量只与土骨架剪切刚度相关，不受流体体积模量的影响，并与复杂因素影响下的土体结构性具有良好相关性。因此本发明通过测得土体的剪切波速，从而计算得到土体的剪切模量，用剪切模量来表征土体刚度。

弯曲元传感器3通常由两片可纵向伸缩的压电陶瓷晶体片组成，压电陶瓷弯曲元原件安装时，一端固定，另一端自由，自由的一端插入土样中作为发射端或接收端传感器。利用压电材料通过压电效应和逆压电效应实现机械能与电能之间的转换，通过信号发生器13对插入土样一端的弯曲元发射端上施加一适当频率的激发信号电压脉冲，发射端传感器产生横向振动，并迫使周边土体振动，对应的接收端传感器接收到土样传来的剪切波，并将其转变为电信号，与发射信号共同显示和存储到示波器12上。通过信号对比得到剪切波的传播时间δt，由土样长度l(t)即可计算得到剪切波速v(t)和相应剪切模量g(t)。

δt＝t2-t1

g(t)＝ρ·v²(t)

其中：t1为发射波选取的波峰对应的时间，t2为接收波中与发射波选取的波峰对应波峰所对应的时间，l(t)为弯曲元传感器3发射端与接收端之间的距离，v(t)为剪切波速，ρ为土样的密度，g(t)为剪切模量。

通过gps定位模块实时接收测点的位置信息，通过5g技术将海量剪切波速原位测试数据和位置信息无线传输至远程数据处理pc和远程管理终端，实现两地信息实时共享；数据处理pc将测点位置信息和剪切波速数据进行分类处理；管理类终端通过剪切模量计算公式，计算得测点剪切模量即土体刚度。考虑桩周水平位置、竖向深度、时间等因素，建立土体刚度的三维时空模型。管理终端可显示土体刚度的三维时空模型并对数据进行存储，通过管理终端的其他移动辅助设备可同步查看数据模型结果。

本发明未述及之处适用于现有技术。