全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)-動態(tài)后處理技術在強夯夯沉量監(jiān)測中的應用

朱耀杰, 張曉明, 耿煜琛

(中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室, 太原 030051)

強夯法是20世紀60年代末出現(xiàn)的一種地基加固方法,由法國工程師梅那(Menard)首創(chuàng),是目前最常見的地基加固方法[1]。依照強夯地基處理技術規(guī)程，地基夯實度是強夯地基處理質(zhì)量檢測和驗收的重要技術指標，決定著整個工程的質(zhì)量，因此對夯沉量的精確測量顯得尤為重要。

目前，強夯地基處理過程中普遍依靠監(jiān)理和施工人員使用人工水準儀進行夯沉量測量，測量設備信息化程度低，不具備實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)回傳功能，效率低精度差；測量時需要多人配合且存在較大的安全隱患，施工參數(shù)受人為因素干擾大，結果復現(xiàn)性差，且不可追根溯源，不便于強夯施工遠程電子化管理與監(jiān)管。采用超聲波或激光測距等非接觸方式進行測量，受惡劣的施工環(huán)境以及強振動、高溫、大霧、多塵等因素影響，無法長時間進行高精度測量[2-3]。

近年來，中外學者借助傳感器技術、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)技術、通信技術、云計算等新興技術對夯沉量的測量進行了深入研究。這些研究有力地推動了強夯施工信息化技術的快速發(fā)展。國外出現(xiàn)了應用于快速夯擊過程中的可自動記錄貫入深度、夯擊次數(shù)等參數(shù)的車載夯擊監(jiān)控系統(tǒng)。張青蘭[4]利用壓力傳感器、接近傳感器與光電編碼器等實現(xiàn)了夯擊深度的自動檢測。詹金林[5]提出了基于全球定位系統(tǒng)(global positionmg system,GPS)的強夯施工信息管理系統(tǒng)的設想，但未見該系統(tǒng)的工程應用。

隨著中國基礎工程設施建設的持續(xù)增加,強夯法必將在地基處理中得到更加廣泛的應用，為改變現(xiàn)有測量方式的痛點，亟需出現(xiàn)低成本、低功耗、小體積、高精度的夯沉量信息化監(jiān)測設備，完成強夯施工高過載環(huán)境下對夯沉量長時間高精度以及高信息化程度的直接測量。鑒于此，現(xiàn)提出利用載波相位差分技術測量夯錘夯擊前后相對地面的位移量(即夯沉量)的技術設想。開展基于動態(tài)后處理 (post processed kinematic，PPK)技術和遠程無線電(long range radio，LoRa)技術的強夯夯沉量監(jiān)測方法的研究，并從系統(tǒng)構建和實驗兩方面進行說明驗證。

1 PPK技術監(jiān)測夯沉量的原理

1.1 PPK測量基本原理

PPK技術是基于載波相位差分進行事后差分的GNSS應用技術，其是在載波實時差分定位(real-time kinematic，RTK)技術的基礎上衍生出的。與RTK測量技術不同的是，由于是進行事后處理，PPK測量時基準站無需建立實時通信鏈路給移動站傳輸差分信號，該優(yōu)點使得PPK測量技術更適用于低功耗、小體積的應用場景。PPK測量技術是在一定范圍內(nèi)布設基準站GNSS接收機和移動站接收機，同步對GNSS衛(wèi)星進行觀測，事后通過計算機數(shù)據(jù)處理軟件將基準站與移動站數(shù)據(jù)進行線性組合，利用虛擬載波相位觀測值求出基準站與移動站之間各個時刻的基線，引入基準站的已知坐標，實現(xiàn)對移動站三維坐標的高精度定位[6-7]。

通過快速動態(tài)逼近法求解整周模糊度實現(xiàn)對移動站的高精度定位。載波相位測量的位置方程[8]表示為

(1)

圖1 PPK監(jiān)測工作原理

1.2 夯沉量監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理

強夯施工時夯錘從靜止提升到下落看作一次完整的夯擊動作，夯擊前后夯錘的高度位置變化量即為夯錘的單擊沉降量。因此，可忽略夯錘提升與下落過程中的高度，重點對夯擊前后靜止狀態(tài)下的夯錘高度進行精確測量。RTK測量技術在基準站與移動站之間通過大功率電臺進行差分數(shù)據(jù)傳輸[9-10]，考慮到夯沉量監(jiān)測對系統(tǒng)實時性要求不高以及低功耗設計的要求，選用PPK測量技術實現(xiàn)該方案。圖1為PPK監(jiān)測工作原理。

基于PPK技術的強夯夯沉量監(jiān)測系統(tǒng)，固聯(lián)于強夯機夯錘上表面的測點終端對導航衛(wèi)星持續(xù)觀測，并通過LoRa無線通信[11]方式實現(xiàn)2～3 km內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸，將測點終端觀測數(shù)據(jù)回傳給數(shù)據(jù)處理中心，為了提高工作效率，測點終端僅輸出原始觀測數(shù)據(jù)；同時基準站串口傳輸其原始觀測值與星歷文件給數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心將測點終端與基準站的觀測信息進行差分組合運算，通過引入基準站的已知坐標進行絕對定位，得到夯錘的高精度測量值。事后PPK的解算方案可滿足一個基站對多個測點終端。為了實現(xiàn)低功耗的設計，在選用低功耗的硬件設備的同時，根據(jù)強夯施工獨有的特點，創(chuàng)造性地利用加速度傳感器來判斷夯錘的狀態(tài)，通過閾值的設置實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的休眠與采集傳輸模式切換。夯沉量監(jiān)測系統(tǒng)簡要技術路線如圖2所示。

圖2 夯沉量監(jiān)測系統(tǒng)簡要技術路線

2 夯沉量實時監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 硬件設計

強夯監(jiān)測系統(tǒng)采用u-blox公司的消費級NEO-M8T多模GNSS模塊來實現(xiàn)PPK算法，其具有高可靠性、高精確度及低功耗的特點。采樣頻率范圍為1～10 Hz，考慮到數(shù)據(jù)可存儲性以及后期處理的便捷，將模塊輸出數(shù)據(jù)(觀測數(shù)據(jù)和星歷文件)格式配置為十六進制的UBX文件，原始觀測數(shù)據(jù)輸出UBX-RXM-RAWX[12]。通過LoRa協(xié)議的無線網(wǎng)絡實現(xiàn)廣域環(huán)境下低功耗遠距離的數(shù)據(jù)傳輸，將測點終端原始觀測數(shù)據(jù)單向傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。其傳輸距離可以達到3 km，最高通信速率為1 042 bps。主控制器選擇超低功耗的STM32L431單片機，它專為低功耗的應用場景打造。為保證系統(tǒng)的長期運行，在測點終端中集成加速度傳感器，通過實時采集加速度信息，程序設計控制進入休眠模式以降低功耗?；鶞收就ㄟ^串口將觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。監(jiān)測系統(tǒng)結構如圖3(a)、圖3(b)所示。

強夯的高動態(tài)環(huán)境決定了測點終端必須具備抗高過載能力，必須通過多重防護技術來提高其在惡劣環(huán)境下的生存能力。選用硬鋁制作測點終端系統(tǒng)結構，同時采用聚氨酯和環(huán)氧樹脂對殼體內(nèi)部空間進行填充，極大地提高系統(tǒng)的抗振動沖擊性能。

2.2 低功耗方案設計

為降低系統(tǒng)整體功耗，利用測點終端內(nèi)的加速度傳感器實時采集當前加速度值，通過采集加速度值并設置閾值來控制系統(tǒng)不同工作模式的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)上電后，初始化配置完成，采集當前夯錘位置信息，通過LoRa模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)傳輸完成后系統(tǒng)進入休眠模式。根據(jù)強夯施工特點可知夯錘從高處下落夯擊瞬間會產(chǎn)生較大的加速度，即此時夯錘已經(jīng)完成一次夯擊，若當前加速度值高于設定的閾值則監(jiān)測系統(tǒng)自動喚醒，開始采集當前夯錘位置信息，并進行數(shù)據(jù)傳輸。低功耗設計方案流程如圖4所示。

UART為通用異步收發(fā)傳輸器；LPUART為低功耗通用異步收發(fā)傳輸器；SPI為串行外設接口

圖4 低功耗設計方案流程

3 系統(tǒng)性能測試

3.1 測量精度測試

測量精度是監(jiān)測系統(tǒng)的重點關注指標，其決定了能否在強夯施工中使用。選擇在開闊無大型建筑物遮擋區(qū)域進行測試，布設基站與測點終端，基線長度196.5 m，監(jiān)測系統(tǒng)設置進行GPS/BDS(BDS為北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng))組合定位，采樣率為1 Hz，天線為高精度GNSS測量天線，在GPS/BDS組合定位中，18 s左右即可實現(xiàn)模糊度固定，測試時間350 s。實驗表明在短基線條件下系統(tǒng)精度達到毫米級，ENU(東-北-天)方向上的精度分別為3.8、4.6、8.8 mm，圖5給出了ENU方向上的定位誤差曲線。

圖5 ENU方向定位誤差曲線

為更客觀地反映監(jiān)測系統(tǒng)在強夯施工環(huán)境下的監(jiān)測精度，利用上述部署的測點終端與基準站進行觀測，模擬強夯施工夯沉量的變化。基準站狀態(tài)保持不變，測點終端模擬夯沉變化情況，將其在高程方向逐次下降不同的高度；在測點終端進行監(jiān)測的同時，對模擬下降的高度進行精確測量，通過人工測量數(shù)據(jù)來表征強夯監(jiān)測系統(tǒng)的外符合精度。圖6給出了測點終端高程方向位移曲線(高度為測點終端的經(jīng)緯高度)。表1統(tǒng)計了測點終端測量與人工測量高程方向的位移變化。

3.2 功耗測試

低功耗的方案是監(jiān)測系統(tǒng)長期運行的保障。

圖6 測點終端高程方向位移曲線

表1 兩種手段高程方向位移統(tǒng)計結果

對采集傳輸以及休眠模式下的功耗進行測試。節(jié)點可充電鋰電池額定工作電壓為7.4 V，容量3 000 mA·h。對不同模式下的節(jié)點電流測量，多次測量取平均值。休眠模式下電流為0.13 mA，采集傳輸模式下電流為32.6 mA。按強夯施工每天10 h的工作時間來算，監(jiān)測系統(tǒng)一天的電量消耗為327.82 mA·h，工作的總時長為3 000÷327.82=9.15 d。

3.3 強夯現(xiàn)場實驗

為了分析強夯監(jiān)測系統(tǒng)在實際強夯施工中的精度與可靠性，在山西省太原市某項目部進行了強夯實測實驗，實驗強夯機夯擊能量為6 000 kN·m，錘高2.05 m，夯錘落距9 m。在強夯監(jiān)測系統(tǒng)工作的同時，監(jiān)理人員采用水準儀測量每一次夯擊的夯沉量。

強夯施工現(xiàn)場如圖7所示，圖8為夯沉量監(jiān)測終端。

圖7 強夯施工現(xiàn)場

表2 監(jiān)測系統(tǒng)和水準儀監(jiān)測結果對比

圖8 夯沉量監(jiān)測終端

選取強夯實驗的一處夯點結果進行對比分析。由表2監(jiān)測系統(tǒng)和水準儀監(jiān)測結果對比數(shù)據(jù)可知相對誤差小于10%，且二者測量結果偏差較小，依照強夯地基項目的檢查驗收標準，監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足強夯夯沉量的監(jiān)測需求。

4 結論

針對強夯施工夯沉量測量存在的監(jiān)測精度低、信息化程度低等痛點問題，提出將PPK技術和無線遠距離傳輸技術相結合，實現(xiàn)了對夯沉量的高精度廣域GNSS實時監(jiān)測。與常規(guī)夯沉量測量方法相比，提高了施工效率，實現(xiàn)了對強夯施工信息的實時、自動、高精度采集。所設計的監(jiān)測系統(tǒng)可在惡劣環(huán)境下長期可靠運行，具有低成本、小體積、高可靠性等優(yōu)點?？蔀橄乱徊酱蠓秶者m性GNSS夯沉量監(jiān)測技術推廣提供支撐。