基坑支撐內力與深層水平位移監(jiān)測自動化研究

董振

(山西省建筑科學研究院，山西太原　030001)

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基坑支撐內力與深層水平位移監(jiān)測自動化研究

董振

(山西省建筑科學研究院，山西太原030001)

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

關鍵詞:基坑，支撐內力，水平位移，數據采集系統，自動化監(jiān)測

隨著我國城市建設的發(fā)展，現代技術的提升以及土地資源的緊缺，建筑物的高度越來越高，相應的基坑的開挖深度也越來越深，基坑的支護形式也更加復雜，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。傳統的人工監(jiān)測，要達到高頻率的監(jiān)測是不現實的;監(jiān)測人員素質良莠不齊也會導致監(jiān)測數據的不準確;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多功能數據采集系統在實際工作中的應用。

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構，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)測內容包括支撐內力和土體深層水平位移。根據GB 50497—2009建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范第5．2．4條的規(guī)定，“支撐內力監(jiān)測點的布置應符合下列要求:監(jiān)測點設置在支撐內力較大或在整個支撐系統中起控制作用的桿件上;每層支撐的內力監(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)測點數目不應少于1個;當測斜管埋設在土體中，測斜管長度不宜小于基坑開挖深度的1．5倍，并應大于圍護墻的深度”。

根據設計圖紙以及現場的實際情況，在每層角部鋼管角支撐和對撐上各布設一個內力監(jiān)測點。鋼管支撐內力監(jiān)測采用的傳感器是FY-EJ66型振弦式表面應變計，鋼筋混凝土對撐的內力監(jiān)測采用的傳感器是FY-GJ16型振弦式鋼筋測力計。表面應變計在安裝時，先將夾具直接焊接在鋼管的表面，再裝入應變計。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)測數據能夠真實的反映支撐的內力變化，最大限度的消除誤差，提高數據的精度，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，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進行一次數據正反采集，則進行一次監(jiān)測就要采集240個數據。采用自動監(jiān)測系統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。

內力監(jiān)測傳感器安裝剖面圖如圖1所示。

圖1　內力監(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　自動化數據采集

對于支撐內力，傳統的人工監(jiān)測在每次監(jiān)測過程中都要用頻率讀數儀對每個傳感器依次進行數據采集;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據采集，耗時較長，且遇到惡劣天氣時，不具備作業(yè)條件，往往錯過數據變化的轉折點。為了解決上述問題，采用YW300Z多功能數據采集系統對該基坑的支撐內力和土體深層水平位移進行監(jiān)測。該系統是針對野外惡劣地質狀況監(jiān)測而開發(fā)的智能型多功能數據采集系統，采用模塊化設計，充分利用現代微電子技術將各功能模塊高度集中，并采用ZigBee無線組網技術，傳輸方式方便有效，通用性和擴展性較強，可靠性好。該系統測點數量多，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，通過配套軟件調節(jié)通道屬性，且采集器內自帶溫濕度及電池電量檢測傳感器。系統采用專業(yè)的信號處理和傳輸模塊，通過GPRS/CDMA網絡實現用戶與采集儀之間的相互通訊，使用戶不用親臨現場就可隨時隨地掌握各監(jiān)測點信息，方便快捷，省時省力。

支撐內力監(jiān)測采用的振弦式表面應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多功能數據采集系統的設置可分為四個步驟:第一步，將多功能數據采集器通過專用數據線與電腦連接，打開配套軟件對其進行設置;第二步，設置數據采集的類型，即信號的類型，“1”代表鋼弦信號，“2”代表電壓信號;再設置采集數據的頻率，假設為每天采集一次;第三步，將工程信息和每個傳感器的標定系數、編號等輸入到采集器的配置表中;第四步，通過配套軟件設置數據接收時的固定IP地址和通道端口。此時，便完成了對該系統的設置。最后將數據采集器放置在現場適當的位置，并將每個傳感器通過數據電纜線與其連接。至此，整個自動監(jiān)測系統便可在設定的時間點對所有的支撐內力和土體深層水平位移監(jiān)測點進行數據采集，在采集完成后實時發(fā)送至電腦。

YW300Z多功能數據采集系統會自動將采集的數據保存到文件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多功能采集數據

3　數據整理

通過YW300Z多功能數據采集系統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力值以及土體深層水平位移量。

通過表面應變計計算鋼管支撐內力的計算公式如下:

P=(S鋼管的外徑－S鋼管的內徑)×K×ΔF×鋼管的彈性模量。

其中，P為鋼管支撐內力;S為鋼管截面面積;K為表面應變計的標定系數;ΔF為頻率模數的差值，頻率模數的數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力計算公式如下:

其中，N為鋼筋混凝土支撐的內力;K為鋼筋計的標定系數; ΔF為頻率模數的差值，頻率模數的數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據復制到Excel中即可。

4　結語

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，當施工現場有干擾時，則無法進行監(jiān)測，而采用自動監(jiān)測系統則可以避免上述問題，確保數據不漏測。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據采集的問題，確保基坑工程的安全，對于實現信息化施工具有重要的意義，所以其以后的發(fā)展和應用是勢在必行的。但是，自動化監(jiān)測相對傳統的人工監(jiān)測，設備投資較大，成本較高，導致自動化監(jiān)測無法快速發(fā)展。

參考文獻:

［1］GB 50497—2009，建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范［S］．

［2］ 陳偉．分析自動化監(jiān)測系統于基坑監(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［J］．測繪技術裝備，2015，17(3):55-57．

中圖分類號:TU463

文獻標識碼: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