基于物聯網的公路路面路基沉降變形監測方法

摘 要：常規的公路路面路基沉降變形監測方法主要使用Burgers高度擬合修正模型獲取土體靜動力荷載，易受非線性沉降變化作用影響，導致監測值與實際沉降值偏差過高，因此需要基于物聯網設計一種全新的公路路面路基沉降變形監測方法。首先利用物聯網技術采集處理公路路面路基沉降變形數據，然后進行公路路基沉降變形監測數值模擬分析，實現了路面路基沉降變形監測。監測分析結果表明，該方法監測的既有線沉降、新建線沉降、附加沉降均與實際沉降擬合，證明設計方法的監測效果較好，具有可靠性，可為降低公路路面行車風險作出一定貢獻。

關鍵詞：物聯網；公路路面路基；沉降；變形監測；有限元分析；小波神經網絡

中圖分類號：TP39；U416.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-00-03

0 引 言

所謂公路路面路基沉降變形監測就是通過監測儀器和設備定期或連續地評估公路路面的沉降量和變形量，以判斷其運行狀態，對其的監測對于維護公路的穩定運行非常關鍵[1-2]。

此過程涵蓋建立監測站、安裝傳感器、處理數據、進行預警和定期檢查維護等重要步驟[3-4]。相關研究人員針對路面路基沉降變形監測特點設計了幾種常規的路面路基沉降變形監測方法，包括基于光纖傳感技術的公路路面沉降變形監測方法[5]，以及考慮土體應力形變關系的公路路面沉降變形監測方法[6-9]，但上述方法的沉降變形監測效果較差，不符合目前的監測要求。因此，本文基于物聯網技術設計了一種公路路面路基沉降變形監測方法。

1 基于物聯網的路面路基沉降變形監測方法設計

1.1 公路路面路基沉降變形數據采集及預處理

本文采用的沉降變形采集設備屬于圖像式采集設備[10]，即通過工業相機與數字信號處理中心完成并行采集，其結構如圖1所示。

由圖1可知，上述沉降變形數據采集設備主要包括采集終端、監控中心，輔助設備主要包括電源、應力傳感器、信號處理器等。在路基沉降變形監測過程中，需要進行光斑實時定位，并利用GPRS進行通信，將采集到的數據傳輸至監測中心。受采集環境等因素影響，其采集到的數據容易存在噪聲，影響監控效果。因此，本文先利用小波神經網絡模型對噪聲數據進行處理，即設置一個有效的閾值門限，判斷低于該閾值的數據為噪聲，并將其剔除，以此來完成數據去噪處理。此時，生成的沉降監測數據樣本D如式（1）所示：

（1）

式中：x（i）代表處理前的原始數據樣本；n代表數據處理項數。此時根據樣本與監測數據之間的非線性映射關系得到監測數據處理目標函數如式（2）所示：

（2）

式中：x代表樣本線性處理參數；k代表自然數；f代表樣本與預測值間的映射參量。通過式（2）進行處理后可以剔除無效數據，有效獲取監測數據的輸出梯度，保證數據質量，為后續監測打下堅實的數據基礎。

1.2 公路路基沉降變形監測數值模擬分析

在完成數據采集及預處理后，對公路路基沉降變形監測進行模擬分析。本文使用ANSYS/PLAXIS有限元分析軟件作為多維有限元計算程序，確定沉降變形監測關系。公路路基發生沉降變形時，土體狀態發生一定改變，因此，先選取監測邊界條件σ，如式（3）所示：

（3）

式中：D代表土體形變彈性模量；ε代表線性變化參數。在監測過程中，通過泊松比、內聚力、摩擦角等參數的變化判斷公路路基的沉降變形狀態，此時得到的監測屈服函數fa如式（4）所示：

（4）

式中：σ2、σ3分別代表不同的有效應力；φ代表內摩擦角；c代表黏聚力。此時的監測偏差度P如式（5）所示：

（5）

式中：SY代表監測預測沉降值；SS代表實測沉降值。根據式（5）可以確定路基監測數據的有限元關系，若監測結果低于標準監測偏差，證明此時的監測數據有效，反之需進行歸一化處理，重新進行沉降變形監測。根據上述參數可以生成Van-Genuchten數值模擬分析函數f（α），如式（6）

所示：

（6）

式中：Ψ代表標準化監測系數；α代表監測曲線擬合參數。利用式（6）可以有效確定沉降變形監測假設條件，最大程度提升沉降變形監測的準確性。

2 監測分析實驗

為驗證設計方法的監測效果，選取研究區域進行公路路基路面的監測分析。將本文方法與文獻[5]、文獻[6]兩種公路路面路基沉降變形監測方法進行對比。

2.1 分析概況及準備

根據公路路面路基沉降變形監測分析要求，本文選取某公路工程作為研究對象，其全長125.95 m，路基寬度為

26 m，兩側存在路緣帶、行車道，拱橫坡、土路肩橫坡分別為2%、4%。在監測分析過程中依據實際工程情況布設沉降監測點，規劃沉降監測斷面。待沉降監測點布設完畢后，埋設500 mm×500 mm×10 mm的鋼板并進行回填處理，設置有效的監測高程。本次使用計算機模擬分析法分析既有線沉降、新建線沉降、附加沉降值，使用MIDAS/GTS作為有限元分析軟件，對原本的路面路基結構進行離散化處理，調整監測分析約束條件，降低分析難度。此時的監測有限元分析流程如圖2所示。由圖2可知，在有限元分析過程中，需要預先附加初始應力，使路基處于自重平衡狀態；再使用MIDAS/GTS軟件將初始位移清零，以此來作為初始模擬值，確定不同階段的沉降變形監測結果。

待上述步驟完畢后，進行數值仿真計算。考慮路基的實際受力關系進行模型簡化，此時調整仿真模型不同方向的位移約束，但需要保證幾何模型的自由度始終不發生改變。此時有限元模型的填筑土彈性模量為6 000，泊松比為0.35，容重為19.8。根據獲取的路基沉降模型實驗路面參數繪制仿真實驗模型，如圖3所示。

根據上述仿真實驗模型進行地應力平衡處理，施加自重應力，使荷載分布均勻，此時可進行監測分析，輸出準確的模擬監測結果。

2.2 監測結果與討論

根據上述分析進行公路路面路基的沉降變形監測。先預設不同的監測點，各個監測點與幫寬側路肩的距離不同；再對新建地基進行逐層填筑；然后使用GNSS路面路基沉降檢測儀檢測不同監測點的實際沉降值（既有線沉降、新建線沉降、附加沉降）。分別使用3種方法進行沉降變形監測，得到監測沉降值與實際沉降值的對比結果見表1。

由表1可知，本文設計的方法在不同的幫寬側路肩距離下監測的既有線沉降、新建線沉降、附加沉降均與實際沉降值較擬合；而對比方法在不同的幫寬側路肩距離下監測的既有線沉降、新建線沉降、附加沉降均與實際沉降值相差較大。上述變形監測分析結果證明：本文設計的公路路面路基沉降變形監測方法的監測效果較好，具有可靠性，有一定的應用價值。

3 結 語

隨著經濟的發展，我國的公路工程分布越來越廣泛。很多公路路面工程所處的地形復雜，容易受地下水位的改變、降雨量的大小和頻率、氣溫的變化等因素影響，造成公路路面路基沉降。因此，需要及時進行路面路基沉降監測，并采取適當措施對公路進行及時維護，如加強路基壓實、控制填土含水量、加強地質勘察和環境保護等。常規的公路路面路基沉降變形監測方法易受非線性沉降變化影響，導致監測值與實際沉降值偏差過大。為了解決上述問題，本文基于物聯網設計了一種有效的公路路基沉降變形監測方法。結果表明，設計的沉降變形監測方法的監測效果較好，具有可靠性，有一定的應用價值。

參考文獻

[1]丁建文，魏霞，高鵬舉，等.基于GA-BP神經網絡的軟土路基運營期沉降預測[J].東南大學學報（自然科學版），2023，53（4）：585-591.

[2]張偉.黃土地區高速公路路基沉陷問題及施工治理技術分析—以陜北地區某高速公路ZK18+647～ZK18+683段為例[J].四川建材，2023，49（6）：178-180.

[3]顏建偉，熊明，譚鑫.基于Winkler地基疊合梁的不均勻沉降作用下的無砟軌道變形研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2023，42（5）：70-77.

[4]林森，楊釗，戴曉威.多雨山區高速公路路基沉降病害處置及無損檢測方法研究[J].甘肅水利水電技術，2023，59（4）：11-16.

[5]夏中杰.基于光纖傳感技術的高速公路路基沉降變形監測方法研究[J].交通世界，2023（12）：44-46.

[6]張永.基于土體應力-變形建模分析的公路路基沉降監測技術[J].交通世界，2022（35）：88-90.

[7]鐘珺.基于數值模擬的高速公路路基差異性沉降控制方法研究[J].交通世界，2023（15）：76-80.

[8]李耀東.公路路基加寬施工措施淺析[J].科技創新與應用，2012（9）：151.

[9]孫瑞，彭偉.公路路基沉降計算及不均勻沉降對路面結構的影響[J].工程技術研究，2021，6（12）：23-24.

[10]馮玉林，侯宇，何彬彬，等.余弦型路基沉降對縱連板式無砟軌道變形與層間接觸性狀的影響[J].華東交通大學學報，2023，40（2）：9-15.

作者簡介：吳 昊（1989—），男，江蘇淮安人，工程師，研究方向為公路工程。