基坑支撐內(nèi)力與深層水平位移監(jiān)測自動化研究

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)測自動化研究

董振

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西太原030001)

摘要:結(jié)合工程實例，利用YW300Z多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對支撐內(nèi)力與土體深層水平位移的自動化監(jiān)測進行了研究，并闡述了數(shù)據(jù)的整理計算方法，解決了傳統(tǒng)人工監(jiān)測因不具備條件而無法進行作業(yè)的問題。

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

隨著我國城市建設(shè)的發(fā)展，現(xiàn)代技術(shù)的提升以及土地資源的緊缺，建筑物的高度越來越高，相應(yīng)的基坑的開挖深度也越來越深，基坑的支護形式也更加復(fù)雜，對周圍環(huán)境的影響也更加明顯，如何及時的對基坑的支護體系進行監(jiān)測就顯得越發(fā)重要。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測，要達到高頻率的監(jiān)測是不現(xiàn)實的;監(jiān)測人員素質(zhì)良莠不齊也會導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確;而且在惡劣天氣最需要及時監(jiān)測時，人工監(jiān)測往往不具備條件。而基坑監(jiān)測自動化技術(shù)就可以避免上述問題，確保基坑工程的安全。本文以工程實例介紹了YW300Z多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在實際工作中的應(yīng)用。

1　項目概況

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，開挖范圍東西長100 m，南北寬50 m，開挖深度約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，工程四個角部采用鋼筋混凝土灌注樁加四道鋼管角支撐支護;中間角撐撐不到的部位，采用鋼筋混凝土灌注樁加四道對撐支護，考慮到運土的方便，第一道對撐采用鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，第二、三、四道對撐采用單管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行，故對該基坑進行監(jiān)測，監(jiān)測內(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)測技術(shù)規(guī)范第5．2．4條的規(guī)定，“支撐內(nèi)力監(jiān)測點的布置應(yīng)符合下列要求:監(jiān)測點設(shè)置在支撐內(nèi)力較大或在整個支撐系統(tǒng)中起控制作用的桿件上;每層支撐的內(nèi)力監(jiān)測點不少于3個，各層支撐的監(jiān)測點位置在豎向上保持一致”，第5．2．2條規(guī)定，“圍護墻或土體深層水平位移監(jiān)測點宜布置在基坑周邊的中部、陽角處及有代表性的部位;監(jiān)測點水平間距宜為20 m～50 m，每邊監(jiān)測點數(shù)目不應(yīng)少于1個;當(dāng)測斜管埋設(shè)在土體中，測斜管長度不宜小于基坑開挖深度的1．5倍，并應(yīng)大于圍護墻的深度”。

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

土體深層水平位移監(jiān)測點的布置采用鉆機打孔，再將測斜管放入孔內(nèi)，最后將鉆孔與測斜管之間的孔隙填充密實。本項目共布置8個土體深層水平位移監(jiān)測點，每個監(jiān)測點的測斜管深度均為30 m，按照每2 m進行一次數(shù)據(jù)正反采集，則進行一次監(jiān)測就要采集240個數(shù)據(jù)。采用自動監(jiān)測系統(tǒng)對土體深層水平位移監(jiān)測時，選用的傳感器為YWCX-320型固定測斜儀，用連接桿相連。

內(nèi)力監(jiān)測傳感器安裝剖面圖如圖1所示。

圖1　內(nèi)力監(jiān)測傳感器安裝剖面圖

固定測斜儀安裝示意圖如圖2所示。

圖2　固定式測斜儀安裝示意圖

2　自動化數(shù)據(jù)采集

對于支撐內(nèi)力，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測在每次監(jiān)測過程中都要用頻率讀數(shù)儀對每個傳感器依次進行數(shù)據(jù)采集;同樣的，土體深層水平位移也要用測斜儀對每個測點進行數(shù)據(jù)采集，耗時較長，且遇到惡劣天氣時，不具備作業(yè)條件，往往錯過數(shù)據(jù)變化的轉(zhuǎn)折點。為了解決上述問題，采用YW300Z多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對該基坑的支撐內(nèi)力和土體深層水平位移進行監(jiān)測。該系統(tǒng)是針對野外惡劣地質(zhì)狀況監(jiān)測而開發(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，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無線組網(wǎng)技術(shù)，傳輸方式方便有效，通用性和擴展性較強，可靠性好。該系統(tǒng)測點數(shù)量多，自動化程度高，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，可測電阻信號、鋼弦信號、電壓和電流信號，通過配套軟件調(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傳感器。系統(tǒng)采用專業(yè)的信號處理和傳輸模塊，通過GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)用戶與采集儀之間的相互通訊，使用戶不用親臨現(xiàn)場就可隨時隨地掌握各監(jiān)測點信息，方便快捷，省時省力。

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

YW300Z多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)置可分為四個步驟:第一步，將多功能數(shù)據(jù)采集器通過專用數(shù)據(jù)線與電腦連接，打開配套軟件對其進行設(shè)置;第二步，設(shè)置數(shù)據(jù)采集的類型，即信號的類型，“1”代表鋼弦信號，“2”代表電壓信號;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，將工程信息和每個傳感器的標(biāo)定系數(shù)、編號等輸入到采集器的配置表中;第四步，通過配套軟件設(shè)置數(shù)據(jù)接收時的固定IP地址和通道端口。此時，便完成了對該系統(tǒng)的設(shè)置。最后將數(shù)據(jù)采集器放置在現(xiàn)場適當(dāng)?shù)奈恢茫⒚總€傳感器通過數(shù)據(jù)電纜線與其連接。至此，整個自動監(jiān)測系統(tǒng)便可在設(shè)定的時間點對所有的支撐內(nèi)力和土體深層水平位移監(jiān)測點進行數(shù)據(jù)采集，在采集完成后實時發(fā)送至電腦。

YW300Z多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會自動將采集的數(shù)據(jù)保存到文件qsy．mdb中，該文件可用Excel或者Access軟件打開，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YW300Z多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的鋼弦信號為頻率值，采集到的電壓信號為角度值，需要通過計算才能得到支撐的內(nèi)力值以及土體深層水平位移量。

通過表面應(yīng)變計計算鋼管支撐內(nèi)力的計算公式如下:

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。

通過鋼筋計計算混凝土支撐的內(nèi)力計算公式如下:

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。

通過固定測斜儀計算每個測點的水平偏差值的計算公式如下:

其中，L為水平偏差值;α為所測的角度值;PI為圓周率。

土體深層水平位移量需從孔底測點的水平偏差量，自下而上依次累計，即上下相鄰兩個測點，上面測點的位移量為本測點的水平偏差值加下面測點的位移量。

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

4　結(jié)語

基坑支護的水平和豎向位移監(jiān)測，觀測方法較為靈活，受施工干擾較小;相對而言支撐內(nèi)力監(jiān)測與土體深層水平位移監(jiān)測，監(jiān)測方法與位置相對固定，當(dāng)施工現(xiàn)場有干擾時，則無法進行監(jiān)測，而采用自動監(jiān)測系統(tǒng)則可以避免上述問題，確保數(shù)據(jù)不漏測。同時自動化監(jiān)測不僅節(jié)省人力，提高工作效率，而且進行全天候監(jiān)測，避免了因天氣的影響而人工無法進行數(shù)據(jù)采集的問題，確保基坑工程的安全，對于實現(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)用是勢在必行的。但是，自動化監(jiān)測相對傳統(tǒng)的人工監(jiān)測，設(shè)備投資較大，成本較高，導(dǎo)致自動化監(jiān)測無法快速發(fā)展。

參考文獻:

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［2］ 陳偉．分析自動化監(jiān)測系統(tǒng)于基坑監(jiān)測中的運用以及特點［J］．山東青年，2015(4):119-121．

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

中圖分類號:TU463

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1009-6825(2016)17-0064-02

收稿日期:2016-04-10

作者簡介: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