[发明专利]实时监测桩基冲刷深度的装置及其监测方法

说明书

本发明公开了一种实时监测桩基冲刷深度的设备及其监测方法，监测设备包括传感器组、数据采集仪、数据处理设备、太阳能板及蓄电池、激振设备。具体实施时：激振设备对桩基施加激振，通过感应、采集和数据处理设备获取桩基实测模态后，结合相应的有限元数值模型模态，构建交叉模型交叉模态方程；通过方程的单元刚度修正系数α_n辨识土体单元损伤数量，进一步得到桩基周围冲刷深度。本发明可实现水上监测桩基冲刷深度的目的，同时可实时监测桩基投产后全寿命期内的冲刷深度变化情况，解决了传统人工潜水监测冲刷深度的困难，规避了由于桩基冲刷深度不确定带来的潜在风险，还具有可操作性好、节省劳动力、适应性强等优点。

技术领域

本发明涉及桩基稳定性分析及防灾减灾技术领域，具体涉及一种实时监测桩基冲刷深度的装置及其监测方法。

背景技术

21 世纪是海洋的世纪，海上风电场的建设是海洋资源利用开发的重要组成部分，大直径管桩单桩因施工流程简单、造价低，是近海风机基础的主要形式。面对严苛的海洋环境和复杂的海底土性，单桩基础在服役期间不可避免地会受到浪流对桩基周围土体的冲刷，形成冲刷坑。桩基周围的土体对单桩约束作用减小，影响基础的承载稳定性，桩基模态发生改变，产生基础倾覆的风险。冲刷坑深度是桩基冲刷现象的重要因素，冲刷坑深度的实时监测是有效规避风险的重要举措。

桩基冲刷深度的检测费用昂贵，直接潜水测量冲刷坑深度难度巨大且十分危险。国内外学者为桩基冲刷深度的研究提供了大量的理论技术支持和宝贵的实践经验，当前对于冲刷深度的研究主要通过理论计算、模型试验及数值模拟等方法提出冲刷深度预测经验公式。现有研究方法和检测手段不具有实时监测效果、水下作业困难且危险、无成套监测系统设备、结果存在较大误差。

为解决上述问题，已有相关专利被公开，如中国专利公开CN 106052604 A、CN109239700 A、CN 109610528 A、CN 110398210 A、CN 110470447 A、CN 111561974 A、CN112082527 A等，均为冲刷深度的研究提供了方向及思路，同时，何少阳，基于时变模态参数的桥墩冲刷深度辨识方法研究[D]，哈尔滨工业大学，2016也公开了针对冲刷深度的研究，但上述技术仍存在许多不足，如整体结构复杂不便于实施、不具有实时监测效果、无成套监测系统设备等缺陷。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种实时监测桩基冲刷深度的装置及其监测方法，装置成套使用，且能实时监测冲刷产生、治理前后冲刷深度的变化。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

实时监测桩基冲刷深度的装置，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于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。

激振器系统的加载方向为水平方向。信号发生器用于提供激振器所需要的激励信号源，一般采用随机信号，可提供随机（白噪音）、宽带随机或窄带随机信号等多种类型的信号，由于信号发生器提供的激励信号一般能量很小，无法直接推动激振器，所以必须经过功率放大器进行功率放大后转换为具有足够能量的电信号，才能驱动激振器工作；激振器优选使用接触式电动力式激振器。