基坑支撐內(nèi)力與深層水平位移監(jiān)測(cè)自動(dòng)化研究

董振

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西太原　030001)

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基坑支撐內(nèi)力與深層水平位移監(jiān)測(cè)自動(dòng)化研究

董振

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西太原030001)

摘要:結(jié)合工程實(shí)例，利用YW300Z多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)支撐內(nèi)力與土體深層水平位移的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)進(jìn)行了研究，并闡述了數(shù)據(jù)的整理計(jì)算方法，解決了傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)因不具備條件而無(wú)法進(jìn)行作業(yè)的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞:基坑，支撐內(nèi)力，水平位移，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

隨著我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展，現(xiàn)代技術(shù)的提升以及土地資源的緊缺，建筑物的高度越來(lái)越高，相應(yīng)的基坑的開(kāi)挖深度也越來(lái)越深，基坑的支護(hù)形式也更加復(fù)雜，對(duì)周圍環(huán)境的影響也更加明顯，如何及時(shí)的對(duì)基坑的支護(hù)體系進(jìn)行監(jiān)測(cè)就顯得越發(fā)重要。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)，要達(dá)到高頻率的監(jiān)測(cè)是不現(xiàn)實(shí)的;監(jiān)測(cè)人員素質(zhì)良莠不齊也會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確;而且在惡劣天氣最需要及時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)，人工監(jiān)測(cè)往往不具備條件。而基坑監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)就可以避免上述問(wèn)題，確?；庸こ痰陌踩?。本文以工程實(shí)例介紹了YW300Z多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在實(shí)際工作中的應(yīng)用。

1　項(xiàng)目概況

擬建工程位于兩條交通主干道的交叉口，基坑平面類似于矩形，開(kāi)挖范圍東西長(zhǎng)100 m，南北寬50 m，開(kāi)挖深度約20 m，且緊鄰基坑有一高層建筑物，周邊環(huán)境較為復(fù)雜。為了保證基坑工程和周邊建筑與道路的安全，工程四個(gè)角部采用鋼筋混凝土灌注樁加四道鋼管角支撐支護(hù);中間角撐撐不到的部位，采用鋼筋混凝土灌注樁加四道對(duì)撐支護(hù)，考慮到運(yùn)土的方便，第一道對(duì)撐采用鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，第二、三、四道對(duì)撐采用單管630×14鋼管。

為了確保基坑周邊環(huán)境的安全以及基坑工程的順利進(jìn)行，故對(duì)該基坑進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括支撐內(nèi)力和土體深層水平位移。根據(jù)GB 50497—2009建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范第5．2．4條的規(guī)定，“支撐內(nèi)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)符合下列要求:監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在支撐內(nèi)力較大或在整個(gè)支撐系統(tǒng)中起控制作用的桿件上;每層支撐的內(nèi)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)不少于3個(gè)，各層支撐的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置在豎向上保持一致”，第5．2．2條規(guī)定，“圍護(hù)墻或土體深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)宜布置在基坑周邊的中部、陽(yáng)角處及有代表性的部位;監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平間距宜為20 m～50 m，每邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)目不應(yīng)少于1個(gè);當(dāng)測(cè)斜管埋設(shè)在土體中，測(cè)斜管長(zhǎng)度不宜小于基坑開(kāi)挖深度的1．5倍，并應(yīng)大于圍護(hù)墻的深度”。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙以及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，在每層角部鋼管角支撐和對(duì)撐上各布設(shè)一個(gè)內(nèi)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。鋼管支撐內(nèi)力監(jiān)測(cè)采用的傳感器是FY-EJ66型振弦式表面應(yīng)變計(jì)，鋼筋混凝土對(duì)撐的內(nèi)力監(jiān)測(cè)采用的傳感器是FY-GJ16型振弦式鋼筋測(cè)力計(jì)。表面應(yīng)變計(jì)在安裝時(shí)，先將夾具直接焊接在鋼管的表面，再裝入應(yīng)變計(jì)。鋼筋測(cè)力計(jì)在混凝土對(duì)撐制作時(shí)焊接在鋼筋籠的主筋上。為了確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠真實(shí)的反映支撐的內(nèi)力變化，最大限度的消除誤差，提高數(shù)據(jù)的精度，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均由4個(gè)傳感器組成，均勻的分布在支撐上，總計(jì)有80個(gè)傳感器。

土體深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置采用鉆機(jī)打孔，再將測(cè)斜管放入孔內(nèi)，最后將鉆孔與測(cè)斜管之間的孔隙填充密實(shí)。本項(xiàng)目共布置8個(gè)土體深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)斜管深度均為30 m，按照每2 m進(jìn)行一次數(shù)據(jù)正反采集，則進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)就要采集240個(gè)數(shù)據(jù)。采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)土體深層水平位移監(jiān)測(cè)時(shí)，選用的傳感器為YWCX-320型固定測(cè)斜儀，用連接桿相連。

內(nèi)力監(jiān)測(cè)傳感器安裝剖面圖如圖1所示。

圖1　內(nèi)力監(jiān)測(cè)傳感器安裝剖面圖

固定測(cè)斜儀安裝示意圖如圖2所示。

圖2　固定式測(cè)斜儀安裝示意圖

2　自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集

對(duì)于支撐內(nèi)力，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)在每次監(jiān)測(cè)過(guò)程中都要用頻率讀數(shù)儀對(duì)每個(gè)傳感器依次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;同樣的，土體深層水平位移也要用測(cè)斜儀對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，耗時(shí)較長(zhǎng)，且遇到惡劣天氣時(shí)，不具備作業(yè)條件，往往錯(cuò)過(guò)數(shù)據(jù)變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。為了解決上述問(wèn)題，采用YW300Z多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)該基坑的支撐內(nèi)力和土體深層水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)是針對(duì)野外惡劣地質(zhì)狀況監(jiān)測(cè)而開(kāi)發(fā)的智能型多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)，充分利用現(xiàn)代微電子技術(shù)將各功能模塊高度集中，并采用ZigBee無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，傳輸方式方便有效，通用性和擴(kuò)展性較強(qiáng)，可靠性好。該系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)數(shù)量多，自動(dòng)化程度高，配置方式靈活，可配接熱敏電阻傳感器、鋼弦傳感器、頻率輸出傳感器、電壓輸出傳感器、電流輸出傳感器，可測(cè)電阻信號(hào)、鋼弦信號(hào)、電壓和電流信號(hào)，通過(guò)配套軟件調(diào)節(jié)通道屬性，且采集器內(nèi)自帶溫濕度及電池電量檢測(cè)傳感器。系統(tǒng)采用專業(yè)的信號(hào)處理和傳輸模塊，通過(guò)GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)用戶與采集儀之間的相互通訊，使用戶不用親臨現(xiàn)場(chǎng)就可隨時(shí)隨地掌握各監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息，方便快捷，省時(shí)省力。

支撐內(nèi)力監(jiān)測(cè)采用的振弦式表面應(yīng)變計(jì)和振弦式鋼筋測(cè)力計(jì)輸出的均為鋼弦信號(hào)，土體深層水平位移監(jiān)測(cè)采用的固定測(cè)斜儀輸出的為電壓信號(hào)。

YW300Z多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)置可分為四個(gè)步驟:第一步，將多功能數(shù)據(jù)采集器通過(guò)專用數(shù)據(jù)線與電腦連接，打開(kāi)配套軟件對(duì)其進(jìn)行設(shè)置;第二步，設(shè)置數(shù)據(jù)采集的類型，即信號(hào)的類型，“1”代表鋼弦信號(hào)，“2”代表電壓信號(hào);再設(shè)置采集數(shù)據(jù)的頻率，假設(shè)為每天采集一次;第三步，將工程信息和每個(gè)傳感器的標(biāo)定系數(shù)、編號(hào)等輸入到采集器的配置表中;第四步，通過(guò)配套軟件設(shè)置數(shù)據(jù)接收時(shí)的固定IP地址和通道端口。此時(shí)，便完成了對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)置。最后將數(shù)據(jù)采集器放置在現(xiàn)場(chǎng)適當(dāng)?shù)奈恢茫⒚總€(gè)傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)電纜線與其連接。至此，整個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)便可在設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)對(duì)所有的支撐內(nèi)力和土體深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在采集完成后實(shí)時(shí)發(fā)送至電腦。

YW300Z多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將采集的數(shù)據(jù)保存到文件qsy．mdb中，該文件可用Excel或者Access軟件打開(kāi)，樣式如圖3所示。

圖3　YW300Z多功能采集數(shù)據(jù)

3　數(shù)據(jù)整理

通過(guò)YW300Z多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的鋼弦信號(hào)為頻率值，采集到的電壓信號(hào)為角度值，需要通過(guò)計(jì)算才能得到支撐的內(nèi)力值以及土體深層水平位移量。

通過(guò)表面應(yīng)變計(jì)計(jì)算鋼管支撐內(nèi)力的計(jì)算公式如下:

P=(S鋼管的外徑－S鋼管的內(nèi)徑)×K×ΔF×鋼管的彈性模量。

其中，P為鋼管支撐內(nèi)力;S為鋼管截面面積;K為表面應(yīng)變計(jì)的標(biāo)定系數(shù);ΔF為頻率模數(shù)的差值，頻率模數(shù)的數(shù)值為頻率的平方值除以1 000。

通過(guò)鋼筋計(jì)計(jì)算混凝土支撐的內(nèi)力計(jì)算公式如下:

其中，N為鋼筋混凝土支撐的內(nèi)力;K為鋼筋計(jì)的標(biāo)定系數(shù); ΔF為頻率模數(shù)的差值，頻率模數(shù)的數(shù)值為頻率的平方值除以1 000;Eh為混凝土的彈性模量;Eg為鋼筋的彈性模量;A0為支撐梁的截面面積;As為縱向主筋的截面面積;Ag為鋼筋的截面面積。

通過(guò)固定測(cè)斜儀計(jì)算每個(gè)測(cè)點(diǎn)的水平偏差值的計(jì)算公式如下:

其中，L為水平偏差值;α為所測(cè)的角度值;PI為圓周率。

土體深層水平位移量需從孔底測(cè)點(diǎn)的水平偏差量，自下而上依次累計(jì)，即上下相鄰兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，上面測(cè)點(diǎn)的位移量為本測(cè)點(diǎn)的水平偏差值加下面測(cè)點(diǎn)的位移量。

上述計(jì)算均可通過(guò)Excel軟件進(jìn)行公式編輯與計(jì)算，方便快捷，只需將自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)復(fù)制到Excel中即可。

4　結(jié)語(yǔ)

基坑支護(hù)的水平和豎向位移監(jiān)測(cè)，觀測(cè)方法較為靈活，受施工干擾較小;相對(duì)而言支撐內(nèi)力監(jiān)測(cè)與土體深層水平位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)方法與位置相對(duì)固定，當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)有干擾時(shí)，則無(wú)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則可以避免上述問(wèn)題，確保數(shù)據(jù)不漏測(cè)。同時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)不僅節(jié)省人力，提高工作效率，而且進(jìn)行全天候監(jiān)測(cè)，避免了因天氣的影響而人工無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的問(wèn)題，確保基坑工程的安全，對(duì)于實(shí)現(xiàn)信息化施工具有重要的意義，所以其以后的發(fā)展和應(yīng)用是勢(shì)在必行的。但是，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)相對(duì)傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)，設(shè)備投資較大，成本較高，導(dǎo)致自動(dòng)化監(jiān)測(cè)無(wú)法快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn):

［1］GB 50497—2009，建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］．

［2］ 陳偉．分析自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于基坑監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用以及特點(diǎn)［J］．山東青年，2015(4):119-121．

［3］ 張鳴宇，王紹君．基坑變形監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化建設(shè)［J］．測(cè)繪技術(shù)裝備，2015，17(3):55-57．

中圖分類號(hào):TU463

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1009-6825(2016)17-0064-02

收稿日期:2016-04-10

作者簡(jiǎn)介:董振(1988-)，男，助理工程師

On supervision automation of internal force of foundation pit support and deep-level horizontal displacement

Dong Zhen
(Shanxi Academy of Architecture，Taiyuan 030001，China)

Abstract:Combining with the engineering examples，the paper adopts YW300Z multi-functional data collection system，researches the automation supervision of the support internal force and earth deep-level horizontal displacement，illustrates the compilation calculation methods of the data，and solve some problems in the malfunctions caused by the insufficient manual supervision．

Key words:foundation pit，support internal force，horizontal displacement，data collection system，automatic supervision