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

摘要

本发明涉及一种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，包括信号接收器、信号线、钢筋混凝土桩、智能骨料、温度传感器、激振器、地下信号线、PZT压电陶瓷片、数据传输单元（DTU）、GPRS网络、服务器和用户终端。其优点在于：实现寒区季节性土体冻胀发展的远程实时在线监测与评估；监测方法简单易行；实现针对土体冻胀发展过程中桩基稳定性演变进行定量的评估；测量结果准确可靠，通过分析已经测得的数据，对桩基的稳定性进行实时评估和预警，从而在桩基发生失稳以前，采取及时的补救措施。

主权项

一种远程实时在线监测和评估冻融环境下桩基稳定性的方法，基于远程实时在线监测和评估冻融环境下桩基稳定性的装置，其特征在于，基于以下定义：为了保证上部建筑物的稳定，桩基础应同时满足以下两个抗冻拔稳定条件：F_k+G_k+Q_fk+Q_pk≥kT_k   式一式中：F_k为作用在桩顶上的竖向结构自重(kN)；G_k为桩身自重(kN)，对于水位以下且桩底为透水土时取浮重度；Q_fk为桩在冻结线以下各土层的摩阻力标准值之和；Q_pk为桩基础周边与多年冻土层的冻结力标准值(kN)；σ为桩基础验算截面的应力；k为冻胀力修正系数；T_k为桩的切向冻胀力标准值(kN)；G₁为验算截面以上桩自重；Q_f1为验算截面至冻结线之间桩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；[f_y]为验算截面桩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：计算一，季节冻结深度和多年冻土厚度的计算：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ξ的计算公式如下：式中：ξ为季节冻结深度，即季节冻土层厚度；λ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；多年冻土层厚度ζ的计算公式为：式中：T为土层的温度值；λ为冻土的导热系数；q_g为多年冻土区域的热流值，按照规范JGJ118‑2011取值；计算二，切向冻胀力的计算：在多年冻土区，为了保证桩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；季节冻融层中的桩周土在冻结过程中，会在桩体表面产生切向冻胀力；切向冻胀力的计算公式为：T_k＝z_dτ_sku   式五式中:z_d为设计冻深(m)，当基础埋置深度h小于z_d时，z_d采用h；τ_sk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桩的类型查规范JTG D63‑2007表L.0.1,得到季节性冻土切向冻胀力标准值；u为桩身周长；计算三，桩侧摩阻力的计算：当切向冻胀力大于恒载和桩自重之和时，未冻土层的桩与桩周土之间的摩阻力起到抗拔作用；其大小与土的类别，桩的材质和桩表面的粗糙度有关；未冻土层桩侧抗拔摩阻力的计算公式为：Q_fk＝0.4uΣq_ikl_i   式六式中:u为桩身周长；q_ik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；计算四，冻结力的计算：多年冻土与桩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；当桩周的切向冻胀力较大时，位于多年冻土中的桩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：Q_pk＝0.4u∑q_ipl′_i   式七式中:q_ip为多年冻土层中各层土与桩基础侧面的冻结力标准值(kPa)，与土的类别、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JTG D63‑2007表L.0.2,得到多年冻土层中各层土与桩基础侧面的冻结力标准值；u为桩身周长；l′_i为多年冻土层中各层土的厚度；计算五，桩基稳定性的实时监测与评估在计算完切向冻胀力、桩侧摩阻力和冻结力之后，令f₁＝F_k+G_k+Q_fk+Q_pk‑k_Tk   式八在桩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f₁和f₂的关系，分别绘制出A与f₁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f₁和f₂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，就可以对桩基的稳定性进行评估；绘制出信号幅值的年度变化图，并对后续年份桩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桩上，并且信号采集仪上的数据可以实时传给监测中心，故可以对桩基的稳定性进行远程实时监测。