軟土地基公路橋梁施工基坑支護(hù)沉降監(jiān)測研究

吳厚琪

(貴州建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,貴州 貴陽 550000)

0 引言

在軟土地基上進(jìn)行公路橋梁施工時,由于填土、開挖和基坑支護(hù)等操作往往會引起較大的地表沉降。軟土地基的特點是黏性大、可壓縮性強(qiáng),其自重應(yīng)力和附加水平分布的荷載都會導(dǎo)致地面沉降,可能會影響道路交通的通暢性,給行車帶來風(fēng)險和困擾[1-2]。未加以控制的基坑沉降可能會導(dǎo)致鄰近建筑物或橋梁結(jié)構(gòu)的沉降或傾斜,甚至引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞,給施工區(qū)域及周邊環(huán)境帶來嚴(yán)重的危險[3]。為了確保軟土地基下公路橋梁施工的順利進(jìn)行和結(jié)構(gòu)的可靠性,及時發(fā)現(xiàn)并采取措施應(yīng)對潛在的安全問題,以避免事故和損失的發(fā)生,需要對基坑支護(hù)沉降進(jìn)行監(jiān)測。目前的監(jiān)測方法通常使用電子水準(zhǔn)儀和印度鋼制驅(qū)動器的組合,然而,在具有各種支撐結(jié)構(gòu)的復(fù)雜板中,例如土釘墻和周圍石板、高板和低板的支撐類型,以及周圍石板和支撐類型,傳統(tǒng)的方法限制了鋼水準(zhǔn)儀的長度,無法對其實行自動監(jiān)測且監(jiān)測間隔時間也過長等。為此,提出軟土地基公路橋梁施工基坑支護(hù)沉降監(jiān)測方法,采用不同相位技術(shù)的基坑支護(hù)變形監(jiān)測系統(tǒng),對一些極端地表等變形監(jiān)測項目進(jìn)行變形監(jiān)測,采用小波表示方法對初始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,相關(guān)結(jié)果可為公路橋梁基坑支護(hù)沉降變形控制的工程應(yīng)用提供參考。

1 公路橋梁施工基坑支護(hù)沉降監(jiān)測方法設(shè)計

1.1 基準(zhǔn)點和監(jiān)測點布設(shè)

在對基準(zhǔn)點和監(jiān)測點布設(shè)之前,應(yīng)首先調(diào)查試驗地石頭和土壤的結(jié)構(gòu)以及基礎(chǔ)圍護(hù)墻所處環(huán)境的性質(zhì),以確保對相關(guān)影響因素的強(qiáng)度進(jìn)行更全面、合理的分析[4]。將公路橋梁工程施工結(jié)構(gòu)所在的環(huán)境劃分為7個深部區(qū)域,并對每個部分的主要土層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。基坑圍護(hù)墻所處環(huán)境地層構(gòu)成具體結(jié)果如表1所示。

表1 基坑圍護(hù)墻所處環(huán)境地層構(gòu)成

根據(jù)表1可以得知,基坑圍護(hù)墻所處環(huán)境的地質(zhì)構(gòu)成是復(fù)雜的。在此基礎(chǔ)上,分析了巖體的特征,并對基準(zhǔn)點和監(jiān)測點進(jìn)行布設(shè)。首先,在基板的上平面上建立變形監(jiān)測點,以實現(xiàn)全面監(jiān)測,突出重點,對稱管理監(jiān)測點的位置。在此基礎(chǔ)上,共建立了4個監(jiān)測參考點(編號JZ001,JZ002,JZ003,JZ004),每個監(jiān)測點之間的距離為20.0 m,距離基底墻上邊緣20.0 cm。建立了10個水平運(yùn)動監(jiān)測點(JC001,JC002,…,JC010),具體位置配置如圖1所示。

如圖1所示,最大監(jiān)測點配置用于基坑支護(hù)閉合壁。其中,監(jiān)測點的值應(yīng)在監(jiān)測的第一天用作初始數(shù)據(jù)。每個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)應(yīng)與頻率同時計算[5]。監(jiān)測結(jié)果之間的差異在5天2次1.0 cm之間。從第6天起,監(jiān)測頻率設(shè)置為2次/d。本文中使用的計算監(jiān)控工具應(yīng)為LeicadNA03的數(shù)字水準(zhǔn)儀,隨附的Leica代碼管理器應(yīng)用作水準(zhǔn)儀。在具體的觀測過程中,距離主體墻頂部200.0 m的三個基坑支護(hù)圍欄被用作控制點。

1.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)降噪處理

在實際的監(jiān)測數(shù)據(jù)中,可能受到各種噪聲源的影響,如儀器噪聲、環(huán)境干擾和信號傳輸過程中引入的干擾等。這些噪聲會對真實的沉降變形信號造成干擾,影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。小波降噪法具有同時保留信號主要特征和降低噪聲干擾的能力。相比于傳統(tǒng)的均值濾波或中值濾波等方法,小波降噪法能夠更精確地捕捉信號的時域和頻域特征,避免信號平滑過度或丟失細(xì)節(jié)。因此,采用小波降噪法可以有效地去除這些噪聲,提取出真實變形信號。首先,選擇波基函數(shù)對信號進(jìn)行N層劃分。然后選擇每個層的閾值,并且將詳細(xì)系數(shù)應(yīng)用于軟閾值的處理。最后,應(yīng)使用波浪重新構(gòu)建命名系數(shù),以獲得命名監(jiān)測信號。當(dāng)對小波進(jìn)行命名時,假設(shè)含噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)模型為(如式(1)所示)：

(1)

在沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析中,波長是指變化周期的長度。通過將原始監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻域,可以得到不同頻率成分的振幅和相位信息。頻譜分析可以幫助了解數(shù)據(jù)中的周期性和波動性,獲取所指示的波長相對于原始數(shù)據(jù)的平均二次誤差(RMSE)示于等式(2)中：

(2)

其中,n為監(jiān)測周期,h;Si為初始監(jiān)測數(shù)據(jù),并且表示跟隨波面額的監(jiān)測數(shù)據(jù),mm。RMSE值越低,去噪效果越好[6]。信噪比(SNR)適用于信號值與噪聲值的比值,如果比值率越高,則噪聲去除效果越好,如等式(3)所示。

(3)

(4)

(5)

式(4)和式(5)中,Ps和Pn分別包括信號值和噪聲值的有效容量。

1.3 全站儀三角高程監(jiān)測基坑支護(hù)沉降

全站儀三角高程測量計算的總體控制應(yīng)通過管柱高程的測量方法和監(jiān)測計算的特點來確定。如圖2所示,全站儀應(yīng)安裝在基準(zhǔn)點和測量點之間,基準(zhǔn)點應(yīng)確定在監(jiān)測影響區(qū)外的穩(wěn)定位置。所有站點采用的儀器高度、采用的目標(biāo)高度、測量的垂直角和測量點采用的參考點,可以通過計算參考點t到測量點的高度差來計算。

hAB=hb-ha

(6)

hB=PsSb×sinβ×vB+c(Sbcosβ)2

(7)

hA=Sa×sinα×vA+c(Sacosβ)2

(8)

其中,c為球面空氣差的一個因子;hb為全站儀對于監(jiān)測影響區(qū)外的基準(zhǔn)點與反射片之間的距離,m;ha為反射點與全站儀基準(zhǔn)的距離,m;Sa,Sb分別為全站儀與反射片之間的直線距離,m;α,β分別為反射線針對于水平位置的傾斜角度,(°);vA,vB分別為反射兩點所受到的大氣折射速率。如果從測量點到參考點的距離大約等于從測量點的距離,球線和大氣折射的影響可能會減少或消除[7]。因此,從測量裝置到參考點的距離大約等于從測量點的距離,見式(9)：

(9)

本次與前次的變化量根據(jù)沉降監(jiān)測的特點為(如式(10)所示)：

(10)

其中,hx為沉降變化量。

監(jiān)測站的總?cè)歉叱虦y量不需要使用測量站的絕對高程,同時也不需要測量儀器的高度和高程,它的測量原理是增加全站儀的總?cè)呛瘮?shù),便于測量儀器的變化,從而有效避免了測量儀器高度和目標(biāo)高度的影響,提高了監(jiān)測精度。

2 實驗論證

為了驗證本文設(shè)計方法是否具有較好的效果,以某地工程為例,分別使用三種監(jiān)測基坑支護(hù)沉降的方法,在上述基礎(chǔ)上對文章提出方法的監(jiān)測結(jié)果與傳統(tǒng)方法1和傳統(tǒng)方法2監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行沉降數(shù)據(jù)擬合分析對比實驗。

2.1 實驗準(zhǔn)備

在實驗中選取某地軌道交通十四號線二期工程馬務(wù)站基坑,具體位置位于機(jī)場路和黃石市中東南廣場,具體施工現(xiàn)場如圖3所示。

基坑采用開放式天花板法建造,全長140.6 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬度22.9 m,底板深度約為27.55 m。底板內(nèi)層從上到下主要填充土壤、熱量、完全還原的氨酰酶熱色調(diào)、高度還原的氨酰基酶熱色調(diào)和中等的氨?；笩嵘{(diào)?；|(zhì)主要存在于高度弱化的精氨酸酶熱色調(diào)和平均弱化的精氨基酸酶熱基調(diào)中。地下水位被限制在1.20 m～4.00 m的穩(wěn)定水位,含水層富水性弱。機(jī)場高速橋高26.5 m,橋面高21.2 m～22.3 m,橋?qū)?5 m～25 m。上部結(jié)構(gòu)由混凝土、簡單支護(hù)構(gòu)造,橋梁下部結(jié)構(gòu)由混凝土荷載車輛規(guī)定。該板應(yīng)為直徑為1.5 m～2.5 m的石板,板的長度應(yīng)為21.5 m～38.4 m。板的下板應(yīng)進(jìn)入4 m以上的降低平均層。包含7塊靠近基板的橋板(凈距離為2.2 m～5 m),其中Pjera 58基板的深度小于基板的底部,原始石材表面更低。為了確保分析結(jié)果的可靠性,利用函數(shù)對進(jìn)行監(jiān)測的7個點數(shù)據(jù)信息進(jìn)行擬合計算,使用的函數(shù)為多項式函數(shù)。具體結(jié)果如表2所示。

表2 監(jiān)測結(jié)果與實際沉降數(shù)據(jù)擬合分析

2.2 實驗對比分析

從表2中可以看出,本文中提出的軟土地基公路橋梁施工基坑支護(hù)沉降監(jiān)測方法與實際結(jié)果之間具有較高的擬合度。在利用函數(shù)擬合結(jié)果進(jìn)行分析中,本文方法最大擬合和最小擬合值均在0.942 m以上,高于傳統(tǒng)方法1和傳統(tǒng)方法2。實驗結(jié)果表明,本文方法監(jiān)測的基坑支護(hù)沉降數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)非常相關(guān),監(jiān)測效果更好,結(jié)果可靠。

3 結(jié)語

經(jīng)過理論計算和工程實例驗證,采用本文軟土地基公路橋梁施工基坑支護(hù)沉降監(jiān)測研究方法,降低了測量過程的誤差。在比較和分析三種監(jiān)測方法的監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合結(jié)果后得知,本文方法監(jiān)測的基坑支護(hù)沉降數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)非常相關(guān),結(jié)果可靠,并為公路橋梁施工項目可以更好地進(jìn)行軟土地基基坑支護(hù)沉降監(jiān)測工作提供保障,有效應(yīng)對了潛在的風(fēng)險和問題,及時采取必要的措施保證了施工的安全,也確保了施工的安全性和效率。