智能監(jiān)測系統(tǒng)在固結(jié)法大面積軟基處理監(jiān)測中的應(yīng)用

張鵬飛

（中交四航局廣州南沙工程有限公司 廣州510230）

0 引言

在沿海地區(qū)軟弱淤泥土地基處理過程中，吹填軟土具有高含水量、低滲透性、高壓縮性、低強度等特性，這導(dǎo)致在對其進(jìn)行排水固結(jié)預(yù)壓處理的工程實踐中，很容易發(fā)生由于加載過快而導(dǎo)致地基失穩(wěn)造成的塌陷以及滑坡等事故［1］。為了更有效地進(jìn)行大面積軟基處理，保障施工安全和加固效果，需要實時和準(zhǔn)確的監(jiān)測技術(shù)，為地基處理提供及時準(zhǔn)確的參考信息和決策支持。目前固結(jié)法軟基處理基本采用人工埋設(shè)監(jiān)測儀器，然后按期到現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的方法。人工監(jiān)測方法效率低下、讀取數(shù)據(jù)時容易產(chǎn)生誤差，且難以滿足信息化要求。因而，在大面積軟基處理工程中有必要開發(fā)并推廣智能監(jiān)測技術(shù)，從而為工程提供更高效的監(jiān)控手段，以便更有效地在事故發(fā)生前發(fā)出預(yù)警，采取必要的補救措施，最終阻止事故的發(fā)生［2］。本文依托惠州市某軟基處理工程進(jìn)行了智能監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)，并在項目實施過程中與人工監(jiān)測同步進(jìn)行，將監(jiān)測數(shù)據(jù)和實施效果進(jìn)行對比。

1 智能監(jiān)測系統(tǒng)組成

智能監(jiān)測系統(tǒng)主要目標(biāo)是在軟基處理過程中，實現(xiàn)智能監(jiān)測及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)某商變x器、對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化采集與處理的管理、自動對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對風(fēng)險進(jìn)行評估、預(yù)警。

智能監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點模塊、監(jiān)測站（含GPRS/4G網(wǎng)關(guān)）、GPRS/4G網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測終端及相應(yīng)的監(jiān)控軟件等構(gòu)成［3，4］。智能監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，智能監(jiān)測系統(tǒng)終端主界面如圖2所示。

圖1 智能監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Intelligent Monitoring System Architecture

2 智能監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

圖2 智能監(jiān)測系統(tǒng)終端主界面Fig.2 Terminal Main Interface of Intelli?gent Monitoring System

通過監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的各個監(jiān)測節(jié)點將采集到的軟基土力數(shù)據(jù)，通過有線通信的方式，傳送給GPRS/4G網(wǎng)關(guān)。監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測節(jié)點，其節(jié)點和節(jié)點之間、節(jié)點和GPRS/4G網(wǎng)關(guān)之間采用RS485線纜串聯(lián)進(jìn)行通信。GPRS/4G網(wǎng)關(guān)用來接收監(jiān)測區(qū)域傳來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS/4G網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測終端通過Internet網(wǎng)絡(luò)來接收經(jīng)服務(wù)器處理過的數(shù)據(jù)并控制服務(wù)器作相關(guān)分析。智能監(jiān)測中心由終端設(shè)備和其中的應(yīng)用程序組成，終端設(shè)備可采用計算機、移動終端、便攜筆記本等［5］。

3 智能監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)功能研發(fā)

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

將監(jiān)測點接收到的信號，采用適用的理論處理為需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)。對于自動采集儀采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分別采用不同方法對測斜數(shù)據(jù)、孔隙水壓力數(shù)據(jù)、壓力變送器數(shù)據(jù)、荷載數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，為進(jìn)行相關(guān)計算，必須在軟基處理加載前選定各儀器的監(jiān)測初始值，便于計算其變化值。

3.2 自動風(fēng)險評估

地基處理施工過程中可能出現(xiàn)失穩(wěn)、滑坡、局部破壞及監(jiān)測儀器不正常等異?，F(xiàn)象。判斷異常數(shù)據(jù)的發(fā)生是屬于監(jiān)測異常還是事故發(fā)生的前兆是監(jiān)測工作的重點。為此，在此次智能監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)中，根據(jù)巖土工程理論及軟基處理具體的工程實踐經(jīng)驗總結(jié)出一套評分規(guī)則，以異常監(jiān)測數(shù)據(jù)的偏差大小及測點數(shù)量兩個維度，來綜合評價異常情況發(fā)生時工程的風(fēng)險程度。

在評價系統(tǒng)中，評分規(guī)則由低到高共分為3個層次：①對單個監(jiān)測設(shè)備的安全評分；②對分區(qū)的安全評分；③對整個工程項目的安全評分。高層次的評分一般由低層次的評分來計算。例如地表沉降傳感器評分示意如下：讀取當(dāng)天沉降量和前一天沉降量?計算日平均沉降速率?根據(jù)平均沉降速率所在區(qū)間確定評分公式?計算完成。

要計算地表沉降評分，除異常數(shù)據(jù)測點個數(shù)（與測點所代表的區(qū)域面積相關(guān)）外，其次是測點數(shù)據(jù)的偏差評分。首先計算日沉降速率變化值△Vdi=Vdi-Vd（i-1）（即連續(xù)2 d沉降速率差），然后根據(jù)以下評分區(qū)間計算：

當(dāng)0≤Vdi≤Vz/6（默認(rèn)Vz=30 mm/d，可根據(jù)項目情況在系統(tǒng)中修改）時，M=100；當(dāng)Vz/6＜Vdi＜Vz時，M=60～100；當(dāng)Vz＝Vdi，則M=59；當(dāng)Vz＜Vdi≤2Vz，M=60-10×（Vdi/Vz-1）；當(dāng) 2Vz＜Vdi，M=100Vz/Vdi；當(dāng)Vdi＜0 時，應(yīng)是監(jiān)測儀器發(fā)生故障。

在終端系統(tǒng)操作界面可根據(jù)需要選擇監(jiān)測的類型，如圖3所示。

圖3 監(jiān)測類型添加窗口Fig.3 The Add Window of Monitor Type

3.3 監(jiān)測預(yù)警

地基處理施工過程中，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對可能造成的不良后果、緊急程度和發(fā)展態(tài)勢劃分等級：Ⅳ級（正常）、Ⅲ級（基本正常、有少許問題）、Ⅱ級（有危險）、Ⅰ級（嚴(yán)重危險），分別用綠色、淺藍(lán)色、橙黃色及紅色表示。

⑴ Ⅳ級（正常，綠色表示，85～100分）：所有監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，數(shù)據(jù)與預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)相差較多，反映現(xiàn)場地基穩(wěn)定狀況好，軟基處理施工正常。

⑵ Ⅲ級（基本正常、有少許問題，淺黃色表示，60～84分）：有個別或少數(shù)幾個監(jiān)測點數(shù)據(jù)異常，且異常點所在位置其它監(jiān)測類型數(shù)據(jù)正常，通常反映儀器故障、局部施工干擾等現(xiàn)象；另一種情況是部分監(jiān)測項的數(shù)據(jù)將接近預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，但其它監(jiān)測項的數(shù)據(jù)均很正常，對軟基處理工程來講較為常見，實際上一般來講失穩(wěn)的危險性極低。一般無需發(fā)出監(jiān)測警報。

⑶ Ⅱ級（有危險，橙黃色表示，50～59分）：該狀況對應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)通常是指達(dá)到或略低于控制標(biāo)準(zhǔn)要求的臨界值，且局部區(qū)域各監(jiān)測類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)較多達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)或變化明顯，反映該區(qū)域局部因施工加載過快或其它原因造成地基有失穩(wěn)的危險。

⑷ Ⅰ級（嚴(yán)重危險，紅色表示，＜50分）：局部監(jiān)測數(shù)據(jù)多數(shù)達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)且發(fā)生急劇變化，地基失穩(wěn)的可能性極大。

3.4 預(yù)測分析

軟基處理中的預(yù)測計算一般主要針對地表沉降。其他監(jiān)測指標(biāo)的預(yù)測計算由于在工程實踐中應(yīng)用很少，故此次智能監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)測暫未考慮。

在沉降預(yù)測計算過程中，根據(jù)已有的實測沉降數(shù)據(jù)，預(yù)測未來某一時間的地表沉降或最終沉降，只適用于軟基處理。對于恒載期（加載滿載后）的推算方法，并不適用于加載期。一般是根據(jù)地質(zhì)條件，假定沉降隨時間的變化符合某一數(shù)學(xué)表達(dá)式，根據(jù)實際監(jiān)測的數(shù)據(jù)，然后采用曲線擬合的方法，求出數(shù)學(xué)表達(dá)的各參數(shù)。再根據(jù)數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行預(yù)測計算。

目前，系統(tǒng)支持3種預(yù)測模型：經(jīng)驗雙曲線法、Asaoka法及三點法。這3種預(yù)測模型在國內(nèi)工程界應(yīng)用較廣泛，但同時各有不同的適用條件和范圍［6，7］。

4 工程應(yīng)用

4.1 依托工程概況

本研發(fā)項目依托惠州某集裝箱碼頭工程中的軟基處理工程，項目中軟基處理總面積為552 639 m2（其中276 178 m2為新吹填淤泥區(qū)域）。軟基處理方法為先進(jìn)行淺表層真空預(yù)壓預(yù)處理，再進(jìn)行深層真空聯(lián)合堆載預(yù)壓。為確保軟基處理加固效果，在施工過程中進(jìn)行了土力觀測以監(jiān)控施工質(zhì)量，控制卸載標(biāo)準(zhǔn)等。

4.2 監(jiān)測方案

為分析驗證智能監(jiān)測系統(tǒng)的實施效果，本項目自動監(jiān)測系統(tǒng)測點布置盡量與原設(shè)計人工監(jiān)測布置的測點相對應(yīng)，位于其旁邊，以更利于分析對比2種模式的監(jiān)測數(shù)據(jù)成果［8-10］。項目測點布置如圖4所示，現(xiàn)場照片如圖5所示。

圖4 項目測點布置平面示意圖Fig.4 Layout Plan of Survey Points of the Project

根據(jù)試驗研究方案，本項目智能監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測內(nèi)容包括表層沉降監(jiān)測、深層土體分層沉降監(jiān)測、孔隙水壓力監(jiān)測、地下水位監(jiān)測（含真空度監(jiān)測）、深層水平位移監(jiān)測。

5 數(shù)據(jù)對比

本次對比選取12 m和20 m深度處測點連續(xù)39 d的體分層沉降觀測對比數(shù)據(jù)，如圖6、圖7所示。

圖5 現(xiàn)場測點布置Fig.5 On-site Measurement Points

圖6 智能監(jiān)測分層沉降曲線Fig.6 Layered Settlement Curve of Intelligent Monitoring System

圖7 人工監(jiān)測分層沉降曲線（同期）Fig.7 Manual Monitoring of Layered Settlement Curve（Same Period）

在上述監(jiān)測統(tǒng)計區(qū)間內(nèi)，可以看出智能監(jiān)測的分層沉降曲線與人工監(jiān)測的相對比，其數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本一致。在8月13日，自動監(jiān)測12 m、20 m處沉降分別為39.5 cm、21.2 cm；人工監(jiān)測12 m、20 m處沉降分別為38.9 cm、21.2 cm。兩者相差在誤差允許范圍內(nèi)?？傮w上看，沿深度方向土層累計沉降量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，也表明了軟土在加固過程中的壓縮性，與實際情況相符。

6 結(jié)論

⑴ 從智能監(jiān)測結(jié)果與人工監(jiān)測結(jié)果的對比來看，智能監(jiān)測系統(tǒng)所取得的數(shù)據(jù)具有有效性。由于其受外部環(huán)境的影響比人工監(jiān)測更小，其監(jiān)測數(shù)據(jù)更具有可信性。

⑵ 智能監(jiān)測系統(tǒng)的效率遠(yuǎn)高于人工監(jiān)測，具有實時性、智能化，大大提高工作效率，能夠更有效地保證加固過程中工程安全。

⑶ 智能監(jiān)測數(shù)據(jù)與智能監(jiān)測終端相結(jié)合，實現(xiàn)了自動風(fēng)險評估、監(jiān)測預(yù)警、監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測等功能。不僅提高了監(jiān)測工作的效率，也大大增加了監(jiān)測工作的時效性。有異常情況會比人工監(jiān)測更快給出反饋，從而增加了應(yīng)急處理的時間。