基坑支撑内力与深层水平位移监测自动化研究

董振

(山西省建筑科学研究院，山西太原　030001)



基坑支撑内力与深层水平位移监测自动化研究

董振

(山西省建筑科学研究院，山西太原030001)

摘要:结合工程实例，利用YW300Z多功能数据采集系统，对支撑内力与土体深层水平位移的自动化监测进行了研究，并阐述了数据的整理计算方法，解决了传统人工监测因不具备条件而无法进行作业的问题。

关键词:基坑，支撑内力，水平位移，数据采集系统，自动化监测

随着我国城市建设的发展，现代技术的提升以及土地资源的紧缺，建筑物的高度越来越高，相应的基坑的开挖深度也越来越深，基坑的支护形式也更加复杂，对周围环境的影响也更加明显，如何及时的对基坑的支护体系进行监测就显得越发重要。传统的人工监测，要达到高频率的监测是不现实的;监测人员素质良莠不齐也会导致监测数据的不准确;而且在恶劣天气最需要及时监测时，人工监测往往不具备条件。而基坑监测自动化技术就可以避免上述问题，确保基坑工程的安全。本文以工程实例介绍了YW300Z多功能数据采集系统在实际工作中的应用。

1　项目概况

拟建工程位于两条交通主干道的交叉口，基坑平面类似于矩形，开挖范围东西长100 m，南北宽50 m，开挖深度约20 m，且紧邻基坑有一高层建筑物，周边环境较为复杂。为了保证基坑工程和周边建筑与道路的安全，工程四个角部采用钢筋混凝土灌注桩加四道钢管角支撑支护;中间角撑撑不到的部位，采用钢筋混凝土灌注桩加四道对撑支护，考虑到运土的方便，第一道对撑采用钢筋混凝土梁板结构，第二、三、四道对撑采用单管630×14钢管。

为了确保基坑周边环境的安全以及基坑工程的顺利进行，故对该基坑进行监测，监测内容包括支撑内力和土体深层水平位移。根据GB 50497—2009建筑基坑工程监测技术规范第5．2．4条的规定，“支撑内力监测点的布置应符合下列要求:监测点设置在支撑内力较大或在整个支撑系统中起控制作用的杆件上;每层支撑的内力监测点不少于3个，各层支撑的监测点位置在竖向上保持一致”，第5．2．2条规定，“围护墙或土体深层水平位移监测点宜布置在基坑周边的中部、阳角处及有代表性的部位;监测点水平间距宜为20 m～50 m，每边监测点数目不应少于1个;当测斜管埋设在土体中，测斜管长度不宜小于基坑开挖深度的1．5倍，并应大于围护墙的深度”。

根据设计图纸以及现场的实际情况，在每层角部钢管角支撑和对撑上各布设一个内力监测点。钢管支撑内力监测采用的传感器是FY-EJ66型振弦式表面应变计，钢筋混凝土对撑的内力监测采用的传感器是FY-GJ16型振弦式钢筋测力计。表面应变计在安装时，先将夹具直接焊接在钢管的表面，再装入应变计。钢筋测力计在混凝土对撑制作时焊接在钢筋笼的主筋上。为了确保监测数据能够真实的反映支撑的内力变化，最大限度的消除误差，提高数据的精度，每个监测点均由4个传感器组成，均匀的分布在支撑上，总计有80个传感器。

土体深层水平位移监测点的布置采用钻机打孔，再将测斜管放入孔内，最后将钻孔与测斜管之间的孔隙填充密实。本项目共布置8个土体深层水平位移监测点，每个监测点的测斜管深度均为30 m，按照每2 m进行一次数据正反采集，则进行一次监测就要采集240个数据。采用自动监测系统对土体深层水平位移监测时，选用的传感器为YWCX-320型固定测斜仪，用连接杆相连。

内力监测传感器安装剖面图如图1所示。

图1　内力监测传感器安装剖面图

固定测斜仪安装示意图如图2所示。

图2　固定式测斜仪安装示意图

2　自动化数据采集

对于支撑内力，传统的人工监测在每次监测过程中都要用频率读数仪对每个传感器依次进行数据采集;同样的，土体深层水平位移也要用测斜仪对每个测点进行数据采集，耗时较长，且遇到恶劣天气时，不具备作业条件，往往错过数据变化的转折点。为了解决上述问题，采用YW300Z多功能数据采集系统对该基坑的支撑内力和土体深层水平位移进行监测。该系统是针对野外恶劣地质状况监测而开发的智能型多功能数据采集系统，采用模块化设计，充分利用现代微电子技术将各功能模块高度集中，并采用ZigBee无线组网技术，传输方式方便有效，通用性和扩展性较强，可靠性好。该系统测点数量多，自动化程度高，配置方式灵活，可配接热敏电阻传感器、钢弦传感器、频率输出传感器、电压输出传感器、电流输出传感器，可测电阻信号、钢弦信号、电压和电流信号，通过配套软件调节通道属性，且采集器内自带温湿度及电池电量检测传感器。系统采用专业的信号处理和传输模块，通过GPRS/CDMA网络实现用户与采集仪之间的相互通讯，使用户不用亲临现场就可随时随地掌握各监测点信息，方便快捷，省时省力。

支撑内力监测采用的振弦式表面应变计和振弦式钢筋测力计输出的均为钢弦信号，土体深层水平位移监测采用的固定测斜仪输出的为电压信号。

YW300Z多功能数据采集系统的设置可分为四个步骤:第一步，将多功能数据采集器通过专用数据线与电脑连接，打开配套软件对其进行设置;第二步，设置数据采集的类型，即信号的类型，“1”代表钢弦信号，“2”代表电压信号;再设置采集数据的频率，假设为每天采集一次;第三步，将工程信息和每个传感器的标定系数、编号等输入到采集器的配置表中;第四步，通过配套软件设置数据接收时的固定IP地址和通道端口。此时，便完成了对该系统的设置。最后将数据采集器放置在现场适当的位置，并将每个传感器通过数据电缆线与其连接。至此，整个自动监测系统便可在设定的时间点对所有的支撑内力和土体深层水平位移监测点进行数据采集，在采集完成后实时发送至电脑。

YW300Z多功能数据采集系统会自动将采集的数据保存到文件qsy．mdb中，该文件可用Excel或者Access软件打开，样式如图3所示。

图3　YW300Z多功能采集数据

3　数据整理

通过YW300Z多功能数据采集系统采集到的钢弦信号为频率值，采集到的电压信号为角度值，需要通过计算才能得到支撑的内力值以及土体深层水平位移量。

通过表面应变计计算钢管支撑内力的计算公式如下:

P=(S钢管的外径－S钢管的内径)×K×ΔF×钢管的弹性模量。

其中，P为钢管支撑内力;S为钢管截面面积;K为表面应变计的标定系数;ΔF为频率模数的差值，频率模数的数值为频率的平方值除以1 000。

通过钢筋计计算混凝土支撑的内力计算公式如下:

其中，N为钢筋混凝土支撑的内力;K为钢筋计的标定系数; ΔF为频率模数的差值，频率模数的数值为频率的平方值除以1 000;Eh为混凝土的弹性模量;Eg为钢筋的弹性模量;A0为支撑梁的截面面积;As为纵向主筋的截面面积;Ag为钢筋的截面面积。

通过固定测斜仪计算每个测点的水平偏差值的计算公式如下:

其中，L为水平偏差值;α为所测的角度值;PI为圆周率。

土体深层水平位移量需从孔底测点的水平偏差量，自下而上依次累计，即上下相邻两个测点，上面测点的位移量为本测点的水平偏差值加下面测点的位移量。

上述计算均可通过Excel软件进行公式编辑与计算，方便快捷，只需将自动采集的数据复制到Excel中即可。

4　结语

基坑支护的水平和竖向位移监测，观测方法较为灵活，受施工干扰较小;相对而言支撑内力监测与土体深层水平位移监测，监测方法与位置相对固定，当施工现场有干扰时，则无法进行监测，而采用自动监测系统则可以避免上述问题，确保数据不漏测。同时自动化监测不仅节省人力，提高工作效率，而且进行全天候监测，避免了因天气的影响而人工无法进行数据采集的问题，确保基坑工程的安全，对于实现信息化施工具有重要的意义，所以其以后的发展和应用是势在必行的。但是，自动化监测相对传统的人工监测，设备投资较大，成本较高，导致自动化监测无法快速发展。

参考文献:

［1］GB 50497—2009，建筑基坑工程监测技术规范［S］．

［2］ 陈伟．分析自动化监测系统于基坑监测中的运用以及特点［J］．山东青年，2015(4):119-121．

［3］ 张鸣宇，王绍君．基坑变形监测的自动化建设［J］．测绘技术装备，2015，17(3):55-57．

中图分类号:TU463

文献标识码:A

文章编号:1009-6825(2016)17-0064-02

收稿日期:2016-04-10

作者简介:董振(1988-)，男，助理工程师

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