軟土地基公路橋梁施工基坑支護沉降監測研究

吳厚琪

(貴州建設職業技術學院,貴州 貴陽 550000)

0 引言

在軟土地基上進行公路橋梁施工時,由于填土、開挖和基坑支護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,其自重應力和附加水平分布的荷載都會導致地面沉降,可能會影響道路交通的通暢性,給行車帶來風險和困擾[1-2]。未加以控制的基坑沉降可能會導致鄰近建筑物或橋梁結構的沉降或傾斜,甚至引發結構破壞,給施工區域及周邊環境帶來嚴重的危險[3]。為了確保軟土地基下公路橋梁施工的順利進行和結構的可靠性,及時發現并采取措施應對潛在的安全問題,以避免事故和損失的發生,需要對基坑支護沉降進行監測。目前的監測方法通常使用電子水準儀和印度鋼制驅動器的組合,然而,在具有各種支撐結構的復雜板中,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,傳統的方法限制了鋼水準儀的長度,無法對其實行自動監測且監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沉降監測方法,采用不同相位技術的基坑支護變形監測系統,對一些極端地表等變形監測項目進行變形監測,采用小波表示方法對初始數據進行處理,相關結果可為公路橋梁基坑支護沉降變形控制的工程應用提供參考。

1 公路橋梁施工基坑支護沉降監測方法設計

1.1 基準點和監測點布設

在對基準點和監測點布設之前,應首先調查試驗地石頭和土壤的結構以及基礎圍護墻所處環境的性質,以確保對相關影響因素的強度進行更全面、合理的分析[4]。將公路橋梁工程施工結構所在的環境劃分為7個深部區域,并對每個部分的主要土層結構進行了研究。基坑圍護墻所處環境地層構成具體結果如表1所示。

表1 基坑圍護墻所處環境地層構成

根據表1可以得知,基坑圍護墻所處環境的地質構成是復雜的。在此基礎上,分析了巖體的特征,并對基準點和監測點進行布設。首先,在基板的上平面上建立變形監測點,以實現全面監測,突出重點,對稱管理監測點的位置。在此基礎上,共建立了4個監測參考點(編號JZ001,JZ002,JZ003,JZ004),每個監測點之間的距離為20.0 m,距離基底墻上邊緣20.0 cm。建立了10個水平運動監測點(JC001,JC002,…,JC010),具體位置配置如圖1所示。

如圖1所示,最大監測點配置用于基坑支護閉合壁。其中,監測點的值應在監測的第一天用作初始數據。每個監測點的數據應與頻率同時計算[5]。監測結果之間的差異在5天2次1.0 cm之間。從第6天起,監測頻率設置為2次/d。本文中使用的計算監控工具應為LeicadNA03的數字水準儀,隨附的Leica代碼管理器應用作水準儀。在具體的觀測過程中,距離主體墻頂部200.0 m的三個基坑支護圍欄被用作控制點。

1.2 監測數據降噪處理

在實際的監測數據中,可能受到各種噪聲源的影響,如儀器噪聲、環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,影響數據的準確性和可靠性。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節。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,選擇波基函數對信號進行N層劃分。然后選擇每個層的閾值,并且將詳細系數應用于軟閾值的處理。最后,應使用波浪重新構建命名系數,以獲得命名監測信號。當對小波進行命名時,假設含噪聲監測數據數學模型為(如式(1)所示)：

(1)

在沉降監測數據分析中,波長是指變化周期的長度。通過將原始監測數據轉換為頻域,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據中的周期性和波動性,獲取所指示的波長相對于原始數據的平均二次誤差(RMSE)示于等式(2)中：

(2)

其中,n為監測周期,h;Si為初始監測數據,并且表示跟隨波面額的監測數據,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 全站儀三角高程監測基坑支護沉降

全站儀三角高程測量計算的總體控制應通過管柱高程的測量方法和監測計算的特點來確定。如圖2所示,全站儀應安裝在基準點和測量點之間,基準點應確定在監測影響區外的穩定位置。所有站點采用的儀器高度、采用的目標高度、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為全站儀對于監測影響區外的基準點與反射片之間的距離,m;ha為反射點與全站儀基準的距離,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沉降監測的特點為(如式(10)所示)：

(10)

其中,hx為沉降變化量。

監測站的總三角高程測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三角函數,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高度的影響,提高了監測精度。

2 實驗論證

為了驗證本文設計方法是否具有較好的效果,以某地工程為例,分別使用三種監測基坑支護沉降的方法,在上述基礎上對文章提出方法的監測結果與傳統方法1和傳統方法2監測結果進行沉降數據擬合分析對比實驗。

2.1 實驗準備

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

基坑采用開放式天花板法建造,全長140.6 m,標準段寬度22.9 m,底板深度約為27.55 m。底板內層從上到下主要填充土壤、熱量、完全還原的氨酰酶熱色調、高度還原的氨酰基酶熱色調和中等的氨酰化酶熱色調。基質主要存在于高度弱化的精氨酸酶熱色調和平均弱化的精氨基酸酶熱基調中。地下水位被限制在1.20 m～4.00 m的穩定水位,含水層富水性弱。機場高速橋高26.5 m,橋面高21.2 m～22.3 m,橋寬15 m～25 m。上部結構由混凝土、簡單支護構造,橋梁下部結構由混凝土荷載車輛規定。該板應為直徑為1.5 m～2.5 m的石板,板的長度應為21.5 m～38.4 m。板的下板應進入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。為了確保分析結果的可靠性,利用函數對進行監測的7個點數據信息進行擬合計算,使用的函數為多項式函數。具體結果如表2所示。

表2 監測結果與實際沉降數據擬合分析

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沉降監測方法與實際結果之間具有較高的擬合度。在利用函數擬合結果進行分析中,本文方法最大擬合和最小擬合值均在0.942 m以上,高于傳統方法1和傳統方法2。實驗結果表明,本文方法監測的基坑支護沉降數據與實際數據非常相關,監測效果更好,結果可靠。

3 結語

經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沉降監測研究方法,降低了測量過程的誤差。在比較和分析三種監測方法的監測數據擬合結果后得知,本文方法監測的基坑支護沉降數據與實際數據非常相關,結果可靠,并為公路橋梁施工項目可以更好地進行軟土地基基坑支護沉降監測工作提供保障,有效應對了潛在的風險和問題,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。