文摘
实时监控民用基础设施提供了有价值的信息来评估健康和相关系统的条件。介绍了最近开发的形状加速度数组(SAA)和本地系统识别(SI)技术,构成一个重大一步长期有效的土壤和土壤结构健康监测和分析系统。SAA是基于三轴微机电系统(MEMS)传感器测量原位变形(角相对于重力)和动态加速度的深度一百米。本文提供了一个评估这个数组的岩土测量应用程序的性能检查记录的字段数据从桥梁堤坝替换站点和全面测试设施。如果技术利用了大量的SAA的静态和动态测量。土的岩土性质和本构响应中包含本地检测区进行了分析和确定独立于相邻土层。
1。介绍
健康和衰老和负担过重的民用基础设施在美国已经被重新审查在过去的几年里。美国土木工程师协会报道说,这种状态威胁经济和生活质量在每个州,城市和小镇。作为一个例子,美国陆军工兵部队在2007年初指出,近150名美国堤坝构成不可接受的风险失败的大洪水期间(1]。
此外,损失与故障相关的土壤系统继续增长在美国和其他地方的发展增加灾害频发地区。的控制和缓解这些失败的影响需要更好地了解该领域的土壤系统的响应。为了克服这些问题,这些系统需要可靠的性能预测,这种预测可以用来改进设计和开发有效的补救措施。使用先进的原位土壤系统的监控设备,如形状加速度数组(SAA)本文所描述的系统,和开发有效的系统识别和模型校准是实现这些目标的关键。
土壤和土壤结构系统是巨大的半无限空间不同的参数和状态变量的系统。这些系统具有广泛的复杂响应模式当受到极端加载条件(2- - - - - -4]。准确预测网站响应是必要的风险分析、健康监测、民用基础设施系统的设计。这些预测需要校准和验证计算模型的可用性5]。土样实验(例如,三轴测试)已广泛用于评估岩土的力学性能和调整本构关系系统。然而,由于繁殖的局限性地应力和孔隙流体条件,达成的共识是,这些实验可能不能完全反映现实。因此,根本差异仍然独立的岩土工程科学和实践(6]。派克(7)指出,这些差异源于这样一个事实,科学依赖于实验室土壤样本测试,而实践是植根于性能数据和相关的实证研究。因此,一些从业者仍然怀疑模型开发的岩土工程科学家,因为显而易见的原因,很少有模型已正确校准领域的性能。
这个挑战的答案部分驻留在工具的开发现有民用基础设施的短期和长期健康监测数据还原的工具系统识别和逆问题。监测和分析而获得的知识会帮助计划维护和恢复这些基础设施系统和将提高设计、施工、操作,和长寿。民用基础设施的关键土壤结构元素是重要的监测包括桥梁基础,基牙,和支持系统,保留,加固,或稳定的岩石和泥土堤坝,堤坝,山坡和机械稳定地球(MSE)的墙壁,和隧道,隧道衬里。摘要提出了一种新开发的传感器阵列和本地系统识别技术。数组能够测量原位变形和加速度的深度一百米,本质上是一个就地倾斜仪加上加速计。可用的数据的频率和空间丰富这个新传感器阵列使工具连续健康监测工作的关键基础设施在范围广泛的静态和动态加载条件下。
MEMS-based提出的概念、就地inclinometer-accelerometer仪表系统是集中在相对于重力的角度测量,三维MEMS(微机电系统)加速度计使用,然后用来评估倾向(即。、变形)。也同样的MEMS加速度计提供地震或建筑活动期间振动信号成正比。三个加速度计是包含在每30厘米长(1英尺)为测量刚性段x,y,z组件的倾斜和震动。刚性段以复合关节相连,是为了防止扭转但允许两个自由度的灵活性。这些刚性段和灵活的关节传感器阵列。这个系统,称为形状加速度数组(SAA),能够测量三维(3 d)地面变形每隔30厘米(1英尺)和3 d加速每隔2.4米(8英尺)的深度100米(330英尺)。SAA的系统精度±1.5毫米/ 30米,一个经验规范是从大量的数据集。更详细的信息在设计(SAA是可用的8,9]。
以下部分介绍(1)简要描述SAA的技术,(2)一个案例的历史SAA的应用系统,垂直和水平,在纽约的一座桥更换网站,(3)一个案例的应用历史堤坝SAA系统全面测试设备在荷兰,和(4)新开发的本地系统识别(SI)技术分析的反应活性土壤系统使用SAAs的密集网络提供的测量。发达SAA和地方SI技术构成的方向迈出的重要一步建立长期监测和分析工具能够提供一个现实的照片大变形响应和等待土壤和土壤结构系统的失败。
2。传感器的描述
SAA系统使用temperature-calibrated MEMS加速度计在30厘米(1英尺)长刚性段复合关节,防止扭转但允许连接的两个自由度的灵活性。SAAs factory-calibrated,完全密封,不需要现场组装或校准。因为SAA的每一部分包含三个正交的传感器阵列可以垂直或水平安装如下所示在纽约州交通部(NYSDOT)桥替代病历。目标数组取向不需要指定在安装之前。可以在软件中选择方向。每个传感器都有一个输出的正弦倾斜的角度在360度的范围。传感器阵列被运送到了工作地点在一个86厘米直径卷筒(34),见图1可以降低成垂直,或被迫水平,25毫米(1)套管。初始安装的形状,或安装在一个虚拟的绝对偏差垂直或水平,可以立即在电脑上观看。SAA是建模为一个虚拟软件中的多节的行,x,y,z代表这种多线的顶点数据。在近乎垂直的情况下安装,顶点对应3 d数组的联合中心。身体滑向接近水平的安装后,顶点只显示垂直变形和水平位置(8,9]。
无线数据传输SAA是由现场数据采集系统的使用,称为无线地球站。类似传统的探针和就地倾斜,SAA代表数据偏离一个起始条件或初始阅读。这些数据无线发送,移动电话网络,一个自动化服务器,通过专有的数据提供给用户查看软件和互联网连接。长期系统自动监控使用SAAs通常收集数据一天一次或几次,但这收集频率可由用户和远程respecified随时改变,通过相同的无线接口用于接收数据。SAA系统能够收集数据的采样频率128赫兹,这使得它适用于动态和地震测量。每个数组配备触发传感器,自动开关SAA由低到高采样率的一个地震事件。限制使用快速采样率的具体动态事件显著减少能源消耗以及数据存储和传输的要求。
以下部分介绍数据收集在一个全面的横向扩散实验在布法罗大学的层流容器。层状容器长5米(16.4英尺),宽2.75米(9.0英尺),和6米(19.7英尺)高,能够持有150吨沙子;参见图2(10]。安装在这个实验结果从两个SAAs提供的一个例子的范围和类型可以通过这个系统收集的数据。
(一)
(b)
这层状容器被检测后,满是松散的沙子和水,两个100吨液压致动器是用来产生预定的运动与2赫兹频率的基础。合成土壤液化和横向传播监控使用加速度计在戒指上的土壤沉积和层压制品,电位计(位移传感器)复合材料,孔隙压力传感器和两个SAAs在土壤存款。每个SAAs是7米(23.0英尺)长,包含24三维传感元素。SAA的加速度和横向位移数据相比,环加速度计和电位计数据,分别提出了在图3。这些数据收集在一个倾斜的地面测试,在盒子的底部倾斜2°。
最后输入抖动的事件,几乎整个土壤存款液化,和地表位移层流容器的顶部已经达到32厘米,见图3。SAA数据之间的一些差异观察6 s和环加速度计数据后,当土壤存款开始液化。随着土壤液化的上部SAA移动下坡的对数组的底部,因此加速度计倾斜对他们的初始条件。这导致了一个轻微的直流分量偏差SAA加速度数据。通过过滤这种低频分量,加速度数据从两种类型的仪器将匹配更加密切。因为这是一个动态测试中,位移的动态组件是被过滤获得的结果呈现在图3。这个全面的横向扩散实验提供了一个独特的例子,同时加速和永久的侧向位移,SAA所捕获的数据系统。在这个全面的实验的更多信息,见(11]。
3所示。南非航空公司现场安装在NYSDOT桥更换网站
SAA系统安装在一个NYSDOT桥更换网站在尚普兰运河在纽约州北部;参见图4。简要网站历史和描述的安装过程NYSDOT以下网站之间的垂直和水平之间的对比SAA系统和传统的仪器,包括一个斜率测斜仪和结算盘子。如图4SP是解决盘子,SAAH水平SAA, SAAV垂直SAA, pvd预制垂直排水管。
这个网站包括仪器计划使用两个32米(104英尺)长SAAs。面向一个SAA是水平和其他垂直监控沉降和侧向位移,一百三十六米深软粘土矿床的分别。基于土壤强度和整合测试进行原状无聊的样本,它是决定采用预制垂直排水管(pvd)和附加费填满加快整合和力量获得驾驶桩前粘土层的桥。
垂直SAA安装在这个网站是32米(104英尺)长,为了延长下面很软粉质粘土层。SAA是安装在一个垂直钻孔位于大约3米(9.8英尺)的尚普兰运河和大约2.5米(8.2英尺)从一个传统的测斜仪套管,在该地区之间的附加费填和运河;参见图5。一个直径50毫米(2.0英寸)聚氯乙烯(PVC)套管,使用相同的弱混合浆液灌浆到位用于测斜仪套管,垂直SAA。使未来SAA的检索,硅砂被用来填补之间的环空25.4毫米(1.0英寸)近似直径传感器阵列和套管的内壁。沙后来免费仪器与水喷了出来。放置了细沙回填从套管的顶部。SAA现在推荐的安装方法包括直接插入25毫米(1)套管内径,灌浆前到位的阵列安装(12]。这个建议的方法还没有被开发出来的时候这个安装。间接效应是一种由贪婪导致的虚假的位移运动的砂回填粘土矿床的而不是实际的横向运动。
2007年4月开始,4.5米(14.8英尺)高,了合成地球墙建在尚普兰运河东岸的模拟提出了桥台的负载,在一个额外的1.5米(4.9英尺)的填满。附加费的地方,地面位移开始积累和地基土的侧向位移可以分辨。横向挤压的区域可以看到在图6与位移接近20毫米(0.79英寸),3到5米(9.8到16.4英尺)深度后,2007年4月。图6位移测量数据显示了一个比较传统的测斜仪和三个月内的垂直SAA系统监测附加费填满后放置;2007年5月,作为零读数。这两种方法的趋势仪表是相似的。图的右侧6显示了连续位移概要文件SAA系统软件的附加费填放置后四个月的监测期。总位移测量系统都不到18毫米(0.71英寸),但总体趋势是明显的。
(一)
(b)
水平SAA pvd后已经安装了驱动,只是附加费路堤的施工之前,大约5米(17.5英尺)东west-most程度上的路堤和大约0.3米(1英尺)以西一行周围性血管疾病。25.4毫米的数组被分成十个部分(1)PVC管道直径,用PVC水泥粘在一起的前数组插入。Cable-pulling润滑剂被用来协助数组插入。然而,32米(104英尺)长插入PVC管道的全部长度相对轻松地甚至尽管在安装阵列对略微向上的年级。array-conduit大会将被放置在一个小沟,约0.3米(1英尺)深,之前在碎石排水层。流离失所的排水管道材料回填。水平SAA的初始位置得到的笔记本电脑连接在几分钟内安装。无线数据采集的地球站安装了几天后,恰逢路堤施工的开始。水平每四小时SAA无线数据传输,数据收集后最初的评估阶段,每一个小时。
图7显示了水平SAA的结算资料和一排结算板块(SP1、SP2和SP3)。这个数字包括水平SAA结算数据显示为等高线图在2008年2月,在这段时间里,该数组提取前桩安装现场。沉降板配置文件只提供2007年8月在图7尽管可以看出,两种方法的概要文件的形状和价值的仪器非常相似。它可以看到从位移图的历史情节8沉降板(SP1、SP2和SP3)经历了更大的总沉降,大约280毫米(11.0英寸)和225毫米(8.9英寸)最大观察SAA结算。这种差异是归因于这样一个事实,解决板位于东部大约4米(13.1英尺)的水平SAA,轴承的位置更多的附加费负荷。SAA和SPs显示的值对应于图上的位置测量7,测量电缆SAA结束。
虽然传统的现场仪表是不理想情况下位于垂直和水平直接与SAA阅读,这个项目展示了SAAs施工监测的有效性。这两个SAA系统提供的信息帮助NYSDOT工程师评估岩土治疗使用的有效性在这个网站,也就是说,附加费加载和周围性血管疾病。特别是信息从水平安装,帮助工程师决定附加费等待期期间施工。具体来说,配置文件下的沉降和路堤侧向挤压潜在的软粘土层实时可用。它是必要的,在这个网站可能是加速施工进度解释的基础上实时结算和结算水平SAA所提供的信息。监测结束时,SAAs都成功地检索重用在其他项目。同样的方法应用于这个网站可以用于土壤永久结构的长期监测的基础。
4所示。在IJkdijk SAA现场安装
IJkdijk(荷兰“校准堤”)是一个测试网站在荷兰为堤坝检测和监测技术。这个网站的目标是双重的:首先开发和验证新的传感器技术,其次对堤坝进行全面失败的实验来了解他们的基本行为。这应该提高质量堤坝的检验过程和堤坝的安全评估。最终的目标是开发工具来应对洪水威胁及时以适当的措施。
这个项目的第一个任务是一个全面整合测试仪器的堤坝。不确定性的大部分属性泥炭层在地下,完全基于实验室测试,需要现场试验确定渗透率和原位强度参数。在这个全面的测试,一个垂直SAA和一个水平SAA被用作实验仪器。这个测试的细节给出了(13]。针对精确测量从SAAs在这固结试验,获得SAA成为评价的参考系统的其他变形测量系统在后续的测试中。以下介绍了设计和执行的第一个大型堤坝稳定性试验。
第一次生产稳定性测试的堤坝IJkdijk是以高度6米(19.7英尺),长度为100米(328.1英尺),底宽27米(88.6英尺),和一个波峰的宽度3米(9.8英尺)和边坡1:1.5 (V: H)干燥,1:2.5在潮湿的一面。堤坝建成平行于当地运河堤坝和在1.3到3米(4.3到9.8英尺)的粘土和泥炭。堤坝的核心是沙子,一本厚厚的粘土覆盖。这是通常的配置新的堤坝在荷兰。全面的测试,使用沙子里面是一个优势,因为堤坝可以装满水,从而降低强度和增加的负载底土。堤坝的鸟瞰图第二天测试如图9。
使校准的新技术和评估测试,参考安装监控系统包括三个垂直SAAs稳定性试验。基于成功的早期的实地测试,SAA系统被认为是合适的参考堤坝变形监测系统。堤坝的横截面显示所有已安装的系统如图10。有些系统安装沿着堤坝的,但大多数都集中在三个截面,一个在中间和两个35米(114.8英尺)从中间。为了避免损害从postconstruction安装,所有管和埋电缆安装之前和期间的建设堤坝。
加载序列将堤坝失败是显示在图11,包括六个阶段。首先,浴缸里湿了,紧随其后的是1米(3.3英尺)的开挖在另一边。第二,扩大到砂基础开挖。在图9刚开始,这个阶段。第三,砂芯的2/3高度装满了水。第四步是排水沟开挖。第五步,嵴上的容器装满水,最后,第六步,砂芯填充完全,从而完成这一系列内部和外部的加载。
全面的稳定性试验开始于2008年9月25日。按计划,测试开始填充的浴缸,紧随其后的是肤浅的挖掘。测试的第二阶段,即开挖(图的深化和扩大9)完成第二天的测试。第三天的测试中,该灌装的堤坝的砂芯,通过内置的渗透管,开始。由于表观渗透率的变化,砂芯的孔隙压力增加,而不规则。经过近四个小时,一段大约30米(98.4英尺)长约40秒内失败。插装的截面之一是在堤坝的一部分,失败了。图12显示测量从一个垂直的SAAs,测量每隔0.305米(1英尺)与深度。
SAA是远低于滑移面安装。可以看出,堤坝还是移动,因为整合结果建设的泥炭层开挖时。这增加变形引起,减慢在测试的第一个晚上。增大引起的开挖变形的大量增加,夜里减慢了。在充填砂芯的变形强烈增加直到清晰可见故障发生,也就是说,9月27日16:04数据线路图12。失败造成如此大的动作,超过3米(9.8英尺),SAA是画的锚,导致失败的底土似乎发生在深度5.25米(17.2英尺)(图12)不兼容其他的发现显示故障发生在深度3.5米(11.5英尺)。然而,南非航空公司继续提供数据检索通过大变形,用于下一个测试。图13提出了一种失败后立即堤坝的照片。SAA测量变形经试验后测量测量。
额外的开挖中间检测截面旁边,几天后失败。这表明,大裂缝出现在泥炭,从最初的表面是由粘土层。启用这些裂缝渗透水的运输到一层薄薄的5到15厘米(2.0 - 5.9)之间的砂泥炭层和薄,不透水层基础上沙子,这似乎是目前只有在堤坝的一部分,包括失败的一部分。明显下滑的迹象,这或多或少的卧式砂层被发现到法医开挖是可能的。
虽然比较情节没有SAA和传统之间的位移监测系统由于困难与传统的系统,这个项目展示了有用的SAA堤坝的实时监控系统。IJkdijk项目已经确定实时水系统的状态信息和堤坝大型水管理系统作为一个重要的先决条件。
5。本地系统识别分析
5.1。现场仪表的策略
鉴定和校准的土壤模型只使用记录表面运动甚至一个垂直阵列提供的运动(即。,(15)是一个具有挑战性的任务。尤其如此,如果系统响应本质上是多维的发展与结构元素大局部变形或交互。因此,识别和使用领域数据模型校准活动保持相对稀缺的历史缺乏适当的数据。数量有限的传感器通常用来监测领域网站经常导致的不确定的校准和识别问题。这些问题需要先进的三维仪器配置,随着数据还原技术,超越平常和简单的方法。然而,这样的工具是有限的,由于高昂的成本。南非航空公司的低成本系统提供了一个独特的机会来监视使用三维复杂土壤和土壤结构的响应系统配置。
事实上,SAA启用一个新的策略来监测土壤和土壤结构的静态和动态响应系统。这个数组允许简单的新的和现有的三维仪器岩土系统密集的加速度计和变形传感器网络。针对他们的体积小,这些传感器可以安装在任何位置在一个系统,在其边界不影响系统的结构完整性。图14给出了用草图呈现这一愿景的SAAs安装监控平地,斜率和soil-pile交互在桥台地方土壤幻灯片和变形由于极端荷载(交通荷载、地震、降雨等)。这种综合密度仪器使当地一个新的和更有效的识别方法,如下所述。
5.2。本地系统识别(SI)算法
当地的识别技术利用了密度测量由南非航空公司提供。这个算法(图15)包括以下步骤:(1)评价应变张量的时间使用静态和动态运动历史记录的一群密集传感器,(2)估计相应的应力张量利用预选类土壤本构模型的反应,(3)计算的变形或加速度估计应力张量使用平衡方程,和(4)校准和评价土壤最优模型的响应。这种方法侧重于当地土壤动态特性的分析和属性没有干扰边界条件或相邻的响应机制15,16]。
6。使用二维(2 d)土壤系统概念
SI算法评估使用的功能的计算机模拟和分析离心机测试数据的小型土壤系统与传感器配置,模仿那些SAA启用。执行模拟解决复杂的识别反应土壤系统的挡土墙后面,如图16。这些模拟显示,当地的SI技术提供了一种有效的手段来分析复杂的本构行为,大规模的土壤和土壤结构系统在特定位置独立于相邻的响应机制或材料属性。二维图的问题16,运动记录集群(或更大)的加速计和倾斜可用于识别低和大应变动态属性的土壤组成的独立检测区域内相邻(即使对于一个复杂的多层次的网站)。例如,的一个子集土壤系统的加速度计如图16被有效地用于识别低应变剪切模量,这个系统的,错综复杂的区域(17]。
离心机测试进行50克重力场下的粘质土支护结构体系如图17(16]。一维横向震动是沿着模型的基础。的2 d响应粘土土壤监测15岁围护结构使用后面的位置一系列传统的加速度计。本地记录的加速度提供充足的实验数据来评估本构应力-应变关系的粘土层使用SI算法。一种多面塑性技术被用来理想化的非线性和路径依赖粘性土的应力-应变行为。确定加速度的位置如图(4 - 2)18,以及相应的剪切模量与应变振幅变化。良好之间的协议得到计算和记录加速度和其他地方。修改后的一维应力-应变分析考虑侧正常压力的影响而不是只使用一个剪切梁理想化(14,16]。
(一)
(b)
6.1。三维网站描述
新开发的南非航空公司和本地识别方法目前被用来为网站描述开发一种有效的新方法。一个SAAs的网络已经安装(2009年春季)野生动物保护区自由场站点在加州。这个网络有一个三维配置。这样的配置将使开发改善的工具:(1)描述的3 d反应领域网站和其他岩土系统,(2)准确评估原位微小应变和这些系统的非线性力学特性,和(3)土壤校准模型。更具体地说,安装数组的集合将被用于完全描述和识别传感器内的土体组成。SAAs提供的数据和相关数据简化工具将产生更多和更好的信息比目前土样实验,与此信息的好处是原位条件和连续覆盖土层从地面到100米(328英尺)深,土样扰动和大小问题的规避。
7所示。结论
本文提出了两个成功的领域应用的形状加速度数组(SAA)系统,在一个活跃的桥调整网站30米存款的软粘土堤坝和全面的测试设备在荷兰,展示了这个系统可以用于实时健康监测民用基础设施。一个新的本地识别技术来描述响应和评估土壤和土壤结构系统的属性。本地发达识别技术提供了一种有效的工具来分析和评估土壤和土壤结构的静态和动态响应系统使用加速度和形变测量由南非航空公司提供。这种技术不需要边界条件的可用性测量,或解决方案的边值问题与一个观测系统。研究计划利用SAA的功能和识别技术来分析大变形的机制和横向传播的土壤和土壤结构系统。
确认
数组开发部分由国家科学基金会(NSF)资助的传感器项目(批准号cms - 0330043),是由被测变量,这一问题Inc . NSF的支持是感激地感激。作者要感谢李Danisch和特里被测变量的帕特森,公司对这些项目的贡献,包括他们的努力对所有现场安装。作者还想表达他们的感谢工程师,钻孔机,和维护员工参与这些领域的安装,没有他们这项研究是不可能的。作者要感谢的贡献c . Oskay博士和a . Elmekati本地系统识别技术的发展。