本發(fā)明涉及跨海越江橋梁工程下部結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測，具體涉及一種水中橋梁樁基礎的定量實時沖刷監(jiān)測裝置。

背景技術(shù)：

橋梁下部結(jié)構(gòu)通過水下樁基支撐整個上部結(jié)構(gòu)和車輛荷載，水下樁基承受著所有橋梁結(jié)構(gòu)的豎向荷載，樁側(cè)土壓力的變化直接決定了樁基承載力的大小。而跨海越江橋梁的水下樁基受水流沖刷影響，會發(fā)生樁側(cè)土沖淤變化，這對橋梁樁基的安全性有很大影響，甚至造成橋梁垮塌破壞，近年國內(nèi)外此類事故都時有發(fā)生。因此，橋梁工程中對樁基附近的水下地基土層進行觀測成為近年來工程界十分關(guān)系的問題。受水流沖刷作用下引起的橋梁損傷破壞也是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測需要重點關(guān)注的問題，對保證跨海越江橋梁的長期安全運行具有重要意義。如果能實時掌握橋梁樁基側(cè)的土層受水流沖刷變化的信息，即可再橋梁運營過程中及時采用適當工程加固方法有效降低事故發(fā)生的幾率，延長結(jié)構(gòu)的使用年限。

對橋梁樁基附近水下土層沖刷的監(jiān)測，目前現(xiàn)有的方法式是通過固定儀器監(jiān)測和便攜式儀器監(jiān)測，采用的原理有聲納技術(shù)和多波束的方法?，F(xiàn)有的樁基沖刷測試方法的基本原理主要是測量水面到泥沙層介質(zhì)間的深度變化?？偟膩砜?，這些方法還有不足之處：第一，這些方法一般無法實時連續(xù)測試，一般是定期出船進行觀測。且不能真正考慮沖淤層的復雜往復變化所帶來的對樁側(cè)土壓力真實變化，其測試得到的僅是水與泥沙界面的深度變化，無法考慮界面下層泥沙土層的密度變化，因此無法準確得到樁基側(cè)土壓力是否發(fā)生了變化。一般測量的精度也十分容易受到波浪等外界環(huán)境的干擾，需要不斷地進行校正來適應不同水域的環(huán)境變化。第二，這種方法不能監(jiān)測到橋梁樁基近側(cè)沖刷引起的土壓力變化，得到的是水下大尺度的地形沖刷演化，樁側(cè)反而是測試盲點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服已有樁基附近水下土層沖刷的監(jiān)測的操作復雜、精度較低、實時性較差、無法實現(xiàn)遠程監(jiān)測的不足，本發(fā)明提供一種操作簡便、精度較高、實時性良好、有效實現(xiàn)遠程監(jiān)測的新型橋梁樁基礎水下受沖刷監(jiān)測裝置。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種新型橋梁樁基礎水下受沖刷監(jiān)測裝置，包括水下測管、測量組件和數(shù)據(jù)采集儀，所述水下測管位于待監(jiān)測樁基側(cè)邊，所述測量組件位于所述水下測管的迎水面?zhèn)龋鰷y量組件包括測力柱和土壓力測力傳感器，所述土壓力測力傳感器位于所述測力柱內(nèi)，所述測力柱從上到下等間隔布置在所述水下測管上，所述土壓力測力傳感器的信號輸出端均與所述數(shù)據(jù)采集儀連接。

進一步，所述土壓力測力傳感器包括用以感應土壓力的傳力桿和用于感知傳力桿傳導的土壓力的光纖光柵傳感器，所述傳力桿與所述光纖光柵傳感器配合。

再進一步，所述測力柱呈徑向布置，所述傳力桿位于所述測力柱的內(nèi)腔，所述光纖光柵傳感器位于所述測力柱的底部。

所述監(jiān)測裝置還包括數(shù)據(jù)發(fā)射裝置，所述數(shù)據(jù)采集儀與所述數(shù)據(jù)發(fā)射裝置連接。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：光纖是目前在智能材料系統(tǒng)研究中應用最為廣泛的敏感元件之一，其工作原理是外界物理量的變化引起光纖中心波長的變化，由光纖布拉格中心波長的變化獲得被測量的值。這種測量方法思路清晰，操作便捷，很容易為廣大工程技術(shù)人員接受。光纖傳感元件的優(yōu)點主要表現(xiàn)為抗電磁干擾；耐腐蝕；準分布式測量、絕對測量、信號衰減??；靈敏度高，精度高等優(yōu)點。此外，近年來結(jié)構(gòu)的實時安全監(jiān)測已成為國內(nèi)外研究的熱點之一，作為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測重要手段的光纖技術(shù)也得到了極大的發(fā)展。因此本裝置結(jié)合光纖光柵進行感知和傳輸?shù)膬?yōu)點，針對性地研發(fā)了適合水下橋梁樁基監(jiān)測的光纖光柵傳感器和數(shù)據(jù)傳輸及解析的系統(tǒng)化實時監(jiān)測裝置，充分發(fā)揮了光纖光柵監(jiān)測具有的精度高、耐久性好的特點，克服了傳統(tǒng)測試方法的缺點，非常適合新建和既有水下橋梁樁基的沖刷監(jiān)測，具有獨特的優(yōu)勢。

本方案實時進行樁基近側(cè)不同深度及沖刷全過程的實時樁側(cè)土壓力變化監(jiān)測，從而獲得沖刷深度對樁基受力的影響，可分析樁側(cè)土壓力在波流沖刷下的非周期性變化，實時得出樁-土間的受力狀態(tài)及沖刷的安全余度。這樣不僅可以消除水下淤泥層往復變化對判斷樁基沖刷安全的影響，也更加的精確、簡便，一次性安裝該監(jiān)測裝置，即可實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：操作簡便、精度較高、實時性良好、有效實現(xiàn)遠程監(jiān)測。

附圖說明

圖1是水下測管的剖面圖。

圖2是水下測管的俯視圖。

圖3是水下測管的工作原理示意圖。

圖4是水下測管的傳力桿受力示意圖。

圖5是壓力變化曲線圖。

圖6是檢測裝置的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

參照圖1～圖6，一種新型橋梁樁基礎水下受沖刷監(jiān)測裝置，所述監(jiān)測裝置包括水下測管2、測量組件和數(shù)據(jù)采集儀1，所述水下測管2位于待監(jiān)測樁基側(cè)邊，所述測量組件位于所述水下測管的迎水面?zhèn)?，所述測量組件包括測力柱3和土壓力測力傳感器4，所述土壓力測力傳感器4位于所述測力柱3內(nèi)，所述測力柱3從上到下等間隔布置在所述水下測管2上，所述土壓力測力傳感器4的信號輸出端均與所述數(shù)據(jù)采集儀1連接。

進一步，所述土壓力測力傳感器4包括用以感應土壓力的傳力桿41和用于感知傳力桿41傳導的土壓力的光纖光柵傳感器42，所述傳力桿41與所述光纖光柵傳感器42配合。

再進一步，所述測力柱3呈徑向布置，所述傳力桿41位于所述測力柱3的內(nèi)腔，所述光纖光柵傳感器42位于所述測力柱3的底部。

所述監(jiān)測裝置還包括數(shù)據(jù)發(fā)射裝置5，所述數(shù)據(jù)采集儀1與所述數(shù)據(jù)發(fā)射裝置5連接。

根據(jù)圖4所示，將水下測管打入土層中，使外界土壓力的變化可以傳遞至測力柱3的位置，根據(jù)測力柱上光纖測出每個傳力桿位置處的土壓力值，外界波流沖刷會使土壓力測力傳感器上的土壓力發(fā)生改變，光纖光柵感知應變的不同，由此應變值的大小就可得知沖刷的程度，通過數(shù)據(jù)發(fā)射裝置將測得的數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)诫娔X進行分析。

按設計要求將傳感器布置到跨海越江大橋的樁基附近的土層中，使得土壓力測力傳感器與土體接觸。當樁側(cè)土被水流沖刷時，土壓力測力傳感器內(nèi)的彈性結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，導致嵌入在彈性結(jié)構(gòu)中的光纖光柵波長發(fā)生變化，通過并聯(lián)光纖組成的數(shù)據(jù)傳輸線把測力傳感器測得的信號傳輸?shù)桨惭b在水下測管頂部的數(shù)據(jù)采集儀中，再通過信號解析和力學分析即可獲得實時的水下沖刷深度變化和樁基側(cè)土壓力的變化。

測量元件是由光纖、彈性材料與土壓力測力傳感器組成，土壓力測力傳感器的間距可根據(jù)實際需求精度情況決定；光纖光柵的引出線可以通過開孔套軟管將數(shù)據(jù)線引出。

光纖光柵傳感器的技術(shù)原理及理論依據(jù)：

λ_B＝2nΛ

式中，n為芯模有效折射率，Λ為光光柵周期。當光線光柵所處的溫度、應力、應變或其他物理量發(fā)生變化時，光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，從而使反射光的波長發(fā)生變化，通過測量物理量變化前后反射波長的變化，就可以獲得待測物理量的變化情況。溫度、應力和應變的變化引起的漂移可表示為：

式中，ε為外加應變，v為泊松比，P_ij為光彈性張量的普克爾電壓系數(shù)，α為光纖材料的熱膨脹系數(shù)，ΔT為溫度變化量。

根據(jù)材料力學的公式，得

F＝σ·A

式中，σ為土壓力，A為土壓力傳感器的表面積。

如圖5所示，通過水下測管測得n個土壓力測力傳感器，測得n個不同點的壓力值繪制出如下圖的壓力變化曲線，壓力變化曲線發(fā)生突變位置Pi前半段為水壓力值曲線，突變后為土壓力的壓力值曲線，由此可知水深和沖刷深度。

α結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測成為世界研究的熱點問題之一，而作為其最有前途敏感原件之一的光纖也得到巨大的發(fā)展，目前，光纖傳感器已經(jīng)廣泛用于土木工程、航空航天、石油化工、醫(yī)學、環(huán)境工程等領(lǐng)域,構(gòu)建全光纖的健康監(jiān)測系統(tǒng)也成為今后結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的發(fā)展目標之一。基于光纖的傳感器是光纖監(jiān)測系統(tǒng)傳感探頭的一種，它是以光纖作為敏感元件的功能性傳感器，具有其他類型光纖傳感器無可比擬的優(yōu)點，主要有耐久性好，可適用于環(huán)境惡劣的土木水利等結(jié)構(gòu)中通過改變傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸、封裝形式等，可以方便地改變量程或精度可靠性好,抗電磁干擾能力強,而且易構(gòu)成傳感網(wǎng)絡和易于安裝布設等。數(shù)據(jù)的收集和存儲可以基于阿里云的平臺，容納海量數(shù)據(jù)，服務器數(shù)量可以彈性擴張。

本實施例將光纖光柵嵌入在彈性結(jié)構(gòu)中，再將彈性結(jié)構(gòu)和光纖光柵整個放入土壓力測力傳感器中，從而形成一個可以監(jiān)測外界土層厚度變化的基于光纖光柵的沖刷傳感器。將光纖與彈性結(jié)構(gòu)復合并放入土壓力測力傳感器中，由于土壓力測力傳感器具有密封性并且采用具有較高耐腐蝕性的材料，使得測量部分有很高的耐久性，從而本專利的沖刷傳感器在潮濕環(huán)境下有較高耐久性。本傳感器優(yōu)點在于耐腐蝕、傳感精度高、抗電磁干擾、準分布式監(jiān)測、物理量的絕對測量等。最后,這種光纖沖刷傳感器適于長期監(jiān)測的實際工程需要，并且可以根據(jù)工程需要設計出不同精度、不同量程的傳感器。本光纖光柵沖刷傳感器可以有效地監(jiān)測跨海越江橋梁樁側(cè)土的沖刷程度,并可起到在洪水沖刷作用下樁側(cè)土過量流失時的預警作用。該裝置敏感元件光纖光柵，傳力機構(gòu)采用傳力桿和內(nèi)部的彈性材料，設計巧妙、構(gòu)造簡單，解決了大型土木水利結(jié)構(gòu)地基土沖刷的問題，具有重大的實際應用意義。