复杂地质构造下的微观水平变形监测系统与方法与流程
本发明属于土木施工监控技术领域，尤其涉及一种软复杂地质构造下的微观水平变形监测系统与方法。
背景技术：
随着我国城市人口的不断增多，城市用地逐渐紧张，在软土地区新建的高层建筑基坑实例不断增多由于软土基坑变形通常很大，为保证软土基坑的开挖安全，常常需要对基坑围护桩(墙)采用内支撑以及外拉锚的型式来保证基坑围护结构的稳定。但当基坑开挖宽度较大且基坑周边存在地下管线以及地下建筑时，内支撑以及外拉锚施工就十分不便，基于这种情形，悬臂式双排桩支护结构开始逐渐被推广使用。
随着城市的高速发展,建筑越建越高,基坑也越挖越深,其周边环境越来越复杂,支护形式也越来越多样。
国外对基坑工程的研究开始相对较早。1976年goldberg等以63个基坑实测数据为基础，研究了软黏土地层中以钢板桩为代表的基坑柔性围护结构侧移量、沉降分布形态与开挖深度之间的关系，研究结果表明在软黏土中地表最大沉降最高可以达到2.5％h(h为开挖深度，参见deepexcavationsandtunnelinginsoftground)。
针对深基坑监测进行分析的成果有很多,但大多数针对的是支护形式单一、周边环境相对简单的基坑,少有对形状不规则、周围环境复杂、支护形式多样的深基坑进行监测分析。
申请号为cn202010184906.9的中国发明专利申请提出一种紧邻地铁超高层超深基坑的基坑支护及其施工方法，地连墙与楼板之间采用预埋插筋连接，地连墙与筏板基础之间采用预埋插筋与锚筋同配合连接，并且由于是超高层，所以筏板的钢筋比较粗，不容易调直，所以采用接驳器将筏板钢筋与锚筋连接，便于现场施工。将地连墙作为地下室外墙，稳定性强，能够满足结构的牢固程度，省去了以往内支撑的拆除等工作，大大缩短了施工工期，节省了人力物力，并且在施工前还可以通过模拟确保结构稳定的可行性，保证安全性的基础上，实现了施工工期短，节省了人力物力，与目前的施工方法相比，具有突出的进步。
申请号为cn202010111023.5的中国发明专利申请提出一种基坑承压水预警装备体系及监测方法，特点是包括水力连通结构、临时封堵工具和水压监测系统，水力连通结构包括中空矩形体、透水圆孔矩阵和滑槽，中空矩形体设置于地下连续墙内且其迎土面一侧与地下连续墙迎土面一侧平齐，透水圆孔矩阵设置在中空矩形体的迎土面上，透水圆孔矩阵位于承压水层顶面以上0.5-1.5m处至承压水层底面以下0.5-1.5m的范围内，滑槽纵向设置在中空矩形体内且靠近中空矩形体的迎土面侧，临时封堵工具插入滑槽内且封堵透水圆孔矩阵，水压监测系统置于中空矩形体内且采集中空矩形体内的孔隙水压力，优点是可实时提供坑内开挖层以下土中承压水状态，同时提高基坑开挖效率。
总体来说，高层建筑物深基坑施工过程中，由于基坑开挖、周边荷载增加、机械震动等因素而导致基坑变形，甚至坍塌。通过对其沉降与水平位移监测，可以有效的掌握基坑随着时间的沉降与水平位移变形规律，从而为基坑的施工与安全提供可靠的数据保证。现有的监控技术只能针对已有的数据进行分析，无法提前预警和监控；更重要的是，无法根据实际情况进行参数校正和调节；此外，监测控制点的选择也是一个重要问题，并且对于围护结构顶部变形规律，以及内支撑对围护顶部变形，地表沉降的影响研究尚不完善。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明提出复杂地质构造下的微观水平变形监测系统与方法。所述监测系统包括测斜仪、频率读数计、水平变形预测引擎以及多个第一围护结构体和第二围护结构体。所述测斜仪对所述第一围护结构体进行水平位移量测定；所述多个频率读数计布置于所述第一锚杆和所述第二锚杆，测量所述第一锚杆的第一轴向力和所述第二锚杆的第二轴向力。所述水平变形预测引擎基于所述水平位移量与所述第一轴向力、第二轴向力的多个测定值，对所述第一围护结构体和第二围护结构体进行水平变形预测。所述方法还包括计算所述深基坑在开挖深度为hc时的主动土压力。所述方法还包括建立位移变化量与轴向力之间的拟合关系式后，判断所述拟合关系式是否符合精度要求。
具体来说，在本发明的第一个方面，提供一种微观水平变形监测系统，所述监测系统包括多个第一围护结构体和第二围护结构体。
所述监测系统还包括测斜仪和频率读数计；
所述测斜仪对所述第一围护结构体进行水平位移量测定；
所述频率读数计对所述第二围护结构体进行轴向力测定；
所述第一围护结构体包括多个支撑柱，所述多个支撑柱构成环形结构，相邻的两个支撑柱通过钢索连接，构成h型结构；
所述多个测斜仪布置于所述h型结构对应的钢索连接位置，用于检测所述钢索连接位置的水平位移量；
所述第二围护结构体包括多个双排钻孔灌注桩和搅拌桩，每个所述双排钻孔灌注桩和所述搅拌桩之间通过第一锚杆和第二锚杆连接，
所述多个频率读数计布置于所述第一锚杆和所述第二锚杆，测量所述第一锚杆的第一轴向力和所述第二锚杆的第二轴向力；
所述监测系统还包括水平变形预测引擎，
所述水平变形预测引擎基于所述水平位移量与所述第一轴向力、第二轴向力的多个测定值，对所述第一围护结构体和第二围护结构体进行微观水平变形预测。
在本发明的第二个方面，提供基于前述微观水平变形监测系统实现的一种微观水平变形监测方法，所述方法用于复杂地质构造下的深基坑围护结构体的水平变形预测，所述深基坑围护结构体包括前述的多个第一围护结构体和第二围护结构体。
所述方法包括如下步骤：
s1：测定所述所述第一围护结构体的所述钢索连接位置的水平位移量；
s2：测量所述第二围护结构体的所述第一锚杆的第一轴向力和所述第二锚杆的第二轴向力；
s3：基于所述水平位移量与所述第一轴向力、第二轴向力的多个测定值，建立水平位移量与锚杆轴向力的拟合关系式；
s4：基于所述拟合关系式，对所述第一围护结构体和第二围护结构体进行水平变形预测。
所述方法还包括，在所述步骤s4之后，计算所述深基坑在开挖深度为hc时的主动土压力，具体包括：
所述钢索连接位置的水平沉降值x与主动土压力
其中，hb为所述深基坑的目标开挖深度；
在上述方法和系统的技术方案中，每个所述第一围护结构体和第二围护结构体相互连接。
所述频率读数计为钢弦式频率轴力计，当所述钢弦式频率轴力计受轴向力时，引起弹性钢弦的张力变化，改变了钢弦的振动频率，通过频率仪测得钢弦的频率变化，即可测出所受轴向力的大小。
所述频率读数计测定的所述轴向力采用如下公式得到：
其中，
本发明的上述方法可以基于计算机系统自动化实现，因此，在本发明的第三个方面，还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可执行程序指令；通过存储器和处理器执行所述程序指令，用于实现前述微观水平变形监测方法。
本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例的微观水平变形监测系统示意图
图2是图1所述系统使用的第一围护结构体和第二围护结构体示意图
图3是图1所述系统实现的微观水平变形监测方法主要流程示意图
图4是图1-图3所述系统或者方法的方案总体概况图
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出进一步的描述。
参见图1，是本发明一个实施例的微观水平变形监测系统示意图。
图1中，所述监测系统还包括测斜仪和频率读数计；所述测斜仪对所述第一围护结构体进行水平位移量测定；所述频率读数计对所述第二围护结构体进行轴向力测定。
所述监测系统包括多个第一围护结构体和第二围护结构体。
所述多个频率读数计布置于所述第一锚杆和所述第二锚杆，测量所述第一锚杆的第一轴向力和所述第二锚杆的第二轴向力；
所述监测系统还包括水平变形预测引擎，
所述水平变形预测引擎基于所述水平位移量与所述第一轴向力、第二轴向力的多个测定值，对所述第一围护结构体和第二围护结构体进行水平变形预测。
在图1基础上，图2显示了图1所述系统使用的多个第一围护结构体和第二围护结构体示意图。
每个所述第一围护结构体和第二围护结构体相互连接。
所述第一围护结构体包括多个支撑柱，所述多个支撑柱构成环形结构，相邻的两个支撑柱通过钢索连接，构成h型结构；
所述多个测斜仪布置于所述h型结构对应的钢索连接位置，用于检测所述钢索连接位置的水平位移量；
所述第二围护结构体包括多个双排钻孔灌注桩和搅拌桩，每个所述双排钻孔灌注桩和所述搅拌桩之间通过第一锚杆和第二锚杆连接，
所述多个频率读数计布置于所述第一锚杆和所述第二锚杆，测量所述第一锚杆的第一轴向力和所述第二锚杆的第二轴向力。
所述频率读数计为钢弦式频率轴力计，当所述钢弦式频率轴力计受轴向力时，引起弹性钢弦的张力变化，改变了钢弦的振动频率，通过频率仪测得钢弦的频率变化，即可测出所受轴向力的大小。
作为一个示例，所述频率读数计为xp02频率读数仪，采用cx-06b测斜仪。
本实施例使用测斜仪的基本原理如下：
首先，必须设定好基准点，围护桩桩体变形观测的基准点一般设在测斜管的底部。当被测桩体产生变形时，测斜管轴线产生挠度，用测斜仪确定测斜管轴线各段的倾角，便可计算出桩体的水平位移。
设基准点为o点，坐标为(x0，y0)，于是测斜管轴线各测点的平面坐标由下列两式确定：
式中：
由上式可计算出测斜管轴线各测点水平位置，比较不同测次各测点水平坐标，便可知道水平位移量。
所述频率读数计测定的所述轴向力采用如下公式得到：
其中，
需要指出的是，现有技术中，使用钢弦式频率轴力计测量计算时通常使用如下常规的静态标定常数的公式：
然而，发明人经过现场创造发现，上述公式并不能自适应现场测量参数的影响和变化。
因此，本发明的上述实施例引入校正值
在图1-2基础上，参见图3。
图3是图1所述系统实现的微观水平变形监测方法主要流程示意图。
图3所述方法用于复杂地质构造下的深基坑围护结构体的水平变形预测，所述深基坑围护结构体包括图1-图2所述的多个第一围护结构体和第二围护结构体。
所述方法包括步骤s1-s4，各个步骤具体执行如下：
s1：测定所述所述第一围护结构体的所述钢索连接位置的水平位移量；
s2：测量所述第二围护结构体的所述第一锚杆的第一轴向力和所述第二锚杆的第二轴向力；
s3：基于所述水平位移量与所述第一轴向力、第二轴向力的多个测定值，建立水平位移量与锚杆轴向力的拟合关系式；
s4：基于所述拟合关系式，对所述第一围护结构体和第二围护结构体进行水平变形预测。
所述方法还包括建立位移变化量与轴向力之间的拟合关系式后，判断所述拟合关系式是否符合精度要求。
虽然未示出，但是在图3所述的方法中，所述方法还包括，在所述步骤s4之后，计算所述深基坑在开挖深度为hc时的主动土压力，具体包括：
所述钢索连接位置的水平沉降值x与主动土压力
其中，hb为所述深基坑的目标开挖深度；
图4概括性的体现了上述各个实施例的具体实现原理。
具体来说，利用所述测斜仪测定所述所述第一围护结构体的所述钢索连接位置的水平位移量x后，利用所述频率读数计测定所述第二围护结构体的所述第一锚杆的第一轴向力
将每个所述水平位移量x与锚杆轴向力a存储为关联数组{x，a}；
通过多次不同施工节点的测量得到多个关联数组{x，a}；
基于所述多个关联数组{x，a}，建立水平位移量与锚杆轴向力的拟合关系式；
基于所述拟合关系式，对所述第一围护结构体和第二围护结构体进行水平变形预测。
基于所述拟合关系式，对所述第一围护结构体和第二围护结构体进行水平变形预测，具体包括：
获取所述双排钻孔灌注桩和所述搅拌桩之间的所有所述第一锚杆和所述第二锚杆的最大设计轴向可承受力
其中k为所述第一锚杆和所述第二锚杆的数量总和；
令
将
基于所述拟合关系式，对所述第一围护结构体和第二围护结构体进行水平变形预测，具体包括：
获取所述第一围护结构体的所有相邻的两个支撑柱的所述连接钢索的最大轴向可拉伸力
其中s为所述连接钢索的数量总和；
令
将
在上述实施例中，可以采用多种数值模拟方法或者数值模拟软件建立所述拟合关系式，数值模拟方法例如指数拟合、多项式拟合或者分布函数拟合等，数值模拟软件包括flac3d、有限元分析软件等，本发明对此不做限制。现有技术已经公开各种拟合方法，具体可参见：
[1]魏燃．地铁车站深基坑开挖围护结构变形监测数据分析与数值模拟
[2]gordonmdeta1．lateralsupportsystemsandunderpining．reportno．fhⅳa．rd．75．129．1976
[3]wheelersj,naatanena,karstunenm.ananisotropicelastoplasticmodelforsoftclays[j].canadiangeotechnicaljournal,2003,40(2):403-418.
[4]谢方媛.深基坑开挖变形及稳定性数值模拟研究[d].河北工程大学,2013。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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