基于压电陶瓷响应波的混凝土桩长期监测技术研究

Concrete piles are widely used in the construction of civil infrastructures and it is important to perform the health monitoring of concrete piles for the safety purpose. In this paper, a piezoceramic-based innovative approach is proposed for the damage detection and health monitoring of concrete piles. A multi-functional piezoceramic-based transducer device, smart aggregate, is developed for the health monitoring purpose. An active-sensing network is formed by embedding the proposed smart aggregates at the pre-determined locations in the concrete piles before casting. In the proposed approach, one smart aggregate distributed group are used as an actuator to excite the desired waves running across the soil body and in the pile as well and the other distributed group of smart aggregates are used as sensors to detect the wave responses. An energy distribution vector is formed based on the wavelet-packet analysis results of sensor signals. A damage index is formed by comparing the difference between the energy distribution vectors of the health concrete pile and the damaged concrete pile. Via comparingthe change of the wave on the transmission way inside of the soil body as well as on the cross section between the soil and the pile,the character change of the soil and the soil-pile coupling theory could be obtained and thus the load capacity and safty of the concrete pile can be examined. The proposed method has the potential to be applied to perform automated integrity inspection for new piles and long-term health monitoring for piles in services.

混凝土桩广泛的运用于土木工程基础结构中，为了安全目的进行混凝土桩的健康监测是很重要的，也即进行桩身完整性和桩承载力评估。在本研究中，提出了一种基于压电陶瓷的创新方法来进行混凝土桩的损伤检测与健康监测。开发出一种基于压电陶瓷的多功能传感器进行健康监测。浇筑前在混凝土桩中预先确定的位置埋入上述智能骨料以组成一个主动检测网络。在提出的方法中，按照设计埋入的压电陶瓷片（智能骨料）作为执行器发射列阵在桩体和土体内传递的波，其它压电陶瓷片列阵作为传感器检测发射波的响应。提出了基于小波包分析的能量向量，并通过对比能量分布向量在健康和损伤混凝土桩中的不同来得到损伤指标，以及波在土体内部以及土桩界面上的变化，从而判断土的特性变化以及土-桩耦合机理，判断混凝土桩的承载能力和安全性能。该技术可用来进行新建混凝土桩基的完整性检测以及混凝土桩的长期监测。

项目按计划完成。建立了基于压电响应列阵和波动分析的混凝土桩基承载性能评估的长期监测系统。利用压电响应波，从波速和频散的角度研究了混凝土损伤和水分侵入的识别,从而实现桩基完整性的评估。研究了在不同密度、含水率、粒径级配的土体内，压缩波和剪切波波速的不同变化规律; 根据测试数据构建了在密度、含水率、含砂率单一物理参数变化下的波动方程;研究了在土体密度和含水率双变量的情况下剪切波波速的传播规律，指出土体微观结构的变化改变了土体的宏观物理性能,使压电响应波的波速产生相应变化;根据大量测试数据建立了土体剪切波波速与干密度和含水率的拟合关系模型，并通过实验验证了该方程的准确性，实现了不同含水率和干密度下土样的剪切波速的准确计算。研究了常温地区土体和混凝土温度对压电响应波频散效应的影响。研究了土体冻融循环压电响应波的变化规律，建立了描述冻融循环对土体影响程度的数学模型，为判定冻融循环对土体的影响提供了定量依据。基于压电智能骨料作为传感器的混凝土桩长期监测系统，采用波动信号幅值和能量指数，通过研究土体密度变化、分层和桩土耦合失效三种工况以及不同含水量土体冻融循环，对瞬态水平激励作用下桩基波动响应试验研究,得到不同的桩土耦合状态下其压电响应波的不同特征，建立桩基承载性能的波动评估手段。试验结果验证了土体约束作用对桩基内部预埋压电响应波信号有明显影响,尤其桩土界面耦合失效时信号响应突变显著。利用有限元分析水平瞬态激励作用下土体物理性质对桩土接触应力分布的影响。有限元模拟结果与压电响应波试验数据吻合良好，进一步证明了试验的可靠性。在桩土界面耦合，特别是冻胀力的测试中，PZT表现出其方便，敏感的特性。研究得到的土体演变物理性能的波动响应公式为测量土体性能提供了一种新思路和进一步研究的试验理论基础。研究明确展现出PZT在混凝土桩基监测中的应用前景。