[发明专利]实时监测桩基冲刷深度的装置及其监测方法

权利要求书

1.一种利用海上风电场桩基冲刷深度的实时监测装置的实时监测方法，实时监测装备，包括传感器组、数据采集仪、数据处理设备、激振设备和供电设备，所述激振设备固定在被测桩基上、用于对桩基施加激振，传感器组固定在桩基的侧壁上、用于感应激振设备对桩基施加激振后产生的振动响应，数据采集仪与传感器组连接、用于采集和初步处理传感器组得到的信号，数据处理设备与数据采集仪连接、用于对数据采集仪采集和处理的信号进一步处理最终得到桩基的模态，供电设备与传感器组连接、为传感器组提供电力；

所述激振设备为激振器系统或船拉式激振设备，激振器系统由信号发生器、功率放大器和激振器组成，且激振器系统固定刚接与桩基内壁上且位于水面以上；船拉式激振设备通过拖拉方式对桩基加载以获得桩基的振动响应；

其特征是，所述实时监测方法包括如下步骤：

S1.安装准备过程，首先安装监测工作所需的辅助安全设施，然后进行传感器组的安装、仪器设备的安装调试；

参照模态分析研究相关资料的布设标准，将传感器组和供电设备，刚性地固定在远离水面以上的桩基侧壁测点处；完成数据采集仪与传感器组的配对和调试工作，保证两者之间信号畅通；调试太阳能板及蓄电池，并控制蓄电池与传感器组连接；

激振方式为激振器系统激振时，将激振器系统刚性完全固定于桩基的内壁上且位于水面以上；激振方式为船拉式激振时，利用船舶上的锚机收紧锚链，直至达到限力器预设载荷后分离；

S2.激振过程，根据实际条件选择激振方式对桩基进行激振，激振的加载方向为水平方向；

S3.数据采集过程，数据采集过程与激振过程同步进行，采样频率为200Hz，通过数据采集仪显示的振动响应信号，进行全过程的数据采集；每一次对桩基施加激振后，传感器组将感应到的桩基响应转换为加速度信号；数据采集仪通过无线信号配对与传感器组连接，接收和初步处理加速度信号，并传递至数据处理设备；

S4.数据处理过程，

基于数据处理设备及便携式计算机内安装的Matlab软件，运用快速傅里叶变换算法程序、特征系统实现算法程序和Guyan缩阶程序，将数据采集仪传递来的加速度信号转化得到工程现场桩基的频率和振型，即实测模态；

利用ABAQUS数值模拟软件构建桩基-土体耦合有限元数值模型，有限元数值模型中土体、桩基的各项物理参数属性均与工程现场检测数据保持一致，桩基-土体的互相作用、土体模型边界条件均满足有限元模型构建要求，根据构建完成的桩基-土体耦合有限元数值模型，运用ABAQUS软件内置的频率求解器，得到桩基-土体系统的各阶频率和桩基的低阶模态振型即有限元模态；

S5.深度监测过程，将步骤S4中得到的有限元模态和实测模态代入交叉模型交叉模态方程Matlab程序后即求得刚度修正系数α_n，通过刚度修正系数α_n确定冲刷导致的刚度突变单元数目，刚度突变单元数目乘每个桩基单元的长度即为冲刷坑深度；

S6.实时监测过程，重复上述步骤S2-S5过程，提供适当的激振即得该状态下的桩基周围实时冲刷深度。

2.如权利要求1所述的实时监测方法，其特征是，所述步骤S2中，

当激振方法为激振器系统激振时，远程遥控开启激振器系统，由信号发生器产生指定带宽、频率和能量的白噪声，信号发生器连接功率放大器并由功率放大器将信号放大，放大后的白噪声信号输入激振器后由激振器对桩基进行激振；

当激振方法为船拉式激振时，现场振动测试采用船舶拖拉方式进行加载，并采用限力器进行分级加载，根据限力器销子的个数，设置成不同的承载能力，如2T、4T或5T，对桩基进行多次加载激振，激振的力度、次数和间隔时间应以能准确获得桩基的低阶模态相应为原则。

3.如权利要求1所述的实时监测方法，其特征是，所述传感器组包括至少三个无线加速度信号传感器，无线加速度信号传感器在桩基侧壁沿竖直方向均匀分布、且均固定在水面以上。

4.如权利要求1所述的实时监测方法，其特征是，所述数据采集仪内固定有无线模块，无线模块为5G模块、蓝牙模块或WI-FI模块。

5.如权利要求1所述的实时监测方法，其特征是，所述数据处理设备为便携式电脑，其安装有用于处理数据的Matlab软件和ABAQUS数值模拟软件。