基于沉降自動(dòng)化采集系統(tǒng)在軟基處理中的應(yīng)用

肖建寶

（福州合誠(chéng)工程咨詢管理有限公司）

0 引言

軟基處理，是項(xiàng)目施工以前若地基不夠穩(wěn)固，為避免施工之后地基沉降導(dǎo)致建筑物不牢固等問題的產(chǎn)生，對(duì)軟地基采用恰當(dāng)舉措加以處理，讓其牢固水平大幅提升，讓地基的穩(wěn)固性和固結(jié)度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的過程。軟基處理時(shí)一般要進(jìn)行地表沉降檢測(cè)，從而保證工程的安全性。傳統(tǒng)沉降監(jiān)測(cè)的方法主要包括幾何水準(zhǔn)測(cè)量、GPS測(cè)量、靜力水準(zhǔn)測(cè)量等。但是這些監(jiān)測(cè)方式存在一定的問題，例如自動(dòng)化程度較低、成本高、精度低等等。本文主要在上述監(jiān)測(cè)方法的基礎(chǔ)上提出了沉降自動(dòng)化采集系統(tǒng)，將其用在軟基處理中能夠大大提升監(jiān)測(cè)自動(dòng)化程度，提升監(jiān)測(cè)精度的同時(shí)降低成本。

1 沉降自動(dòng)化采集系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

沉降自動(dòng)化采集系統(tǒng)主要是以靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)作為基礎(chǔ)建立起來的，主要包括傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)等內(nèi)容，其工作機(jī)理詳細(xì)而言：利用信息采集平臺(tái)對(duì)壓差型靜力水準(zhǔn)儀導(dǎo)出的電流信號(hào)進(jìn)行采集，然后運(yùn)用GPRS-DTU 模塊進(jìn)行傳播，依托服務(wù)器平臺(tái)接收信號(hào)且進(jìn)行相應(yīng)處理。

1.2 傳感器子系統(tǒng)

傳感器子系統(tǒng)主要包括安裝底座、不銹鋼外殼、有機(jī)玻璃腔體和壓力傳感器等等。有機(jī)玻璃腔體共有4 個(gè)開口，分別連接壓力傳感器、進(jìn)水口、出水口以及排氣口。靜力水準(zhǔn)儀利用通液管和水箱進(jìn)行連接，水箱設(shè)置有兩個(gè)開口，分別連接通液管以及通氣管。

1.3 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)

此系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、定時(shí)模塊、無線傳輸模塊等幾部分，其中數(shù)據(jù)采集模塊主要是將靜力水準(zhǔn)儀傳感器所輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成為電壓信號(hào)，之后通過AD 轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成為數(shù)字量，最終利用光電耦合器由CPU 讀出而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；無線傳輸部分依托MODBUS 協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)連在一起，經(jīng)過在平臺(tái)上構(gòu)建設(shè)備和設(shè)定有關(guān)的傳感器，然后把此模塊與計(jì)算機(jī)連在一起，對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，把DTU 登錄包與服務(wù)器有關(guān)數(shù)據(jù)依照TLINK 云平臺(tái)上設(shè)備數(shù)據(jù)要求加以設(shè)定，之后就可以通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控界面進(jìn)行相應(yīng)信息的監(jiān)測(cè)。

數(shù)據(jù)采集技術(shù)指標(biāo)：

（1）數(shù)據(jù)采集頻率：表面位移監(jiān)測(cè)最高可達(dá)到每秒采集一次數(shù)據(jù)，但在實(shí)際應(yīng)用中，我們每6 個(gè)小時(shí)給出一個(gè)變化量；層沉降、測(cè)斜、孔隙水及表層沉降監(jiān)測(cè)可以每天一次，也可增加頻率，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定；

（2）測(cè)點(diǎn)自動(dòng)連續(xù)采集時(shí)間：太陽能供電系統(tǒng)在全陰雨天氣下有效工作時(shí)間大于兩個(gè)星期；

（3）數(shù)據(jù)傳輸：以手機(jī)網(wǎng)傳輸為主，通訊困難區(qū)域自動(dòng)切換為北斗多卡傳輸方式，確保實(shí)現(xiàn)全天候不間斷的數(shù)據(jù)傳輸；

（4）自動(dòng)化測(cè)量精度指標(biāo)：采用固定安裝的高靈敏度傳感器，高程及位移的最小觀測(cè)量為毫米級(jí)；

（5）測(cè)點(diǎn)埋設(shè)深度：根據(jù)地質(zhì)資料情況，一般打到基巖為止，若基巖較深，通常30m 以上；

（6）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)：基于B/S 結(jié)構(gòu)，在具有互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的終端上實(shí)時(shí)獲取各觀測(cè)目標(biāo)的變形信息、報(bào)警信息等。

1.4 數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)

完成數(shù)據(jù)收集和傳輸后，可以通過云平臺(tái)將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Excel 文件實(shí)施相應(yīng)分析，同時(shí)制定出相應(yīng)沉降曲線。同時(shí)，在云平臺(tái)上設(shè)置有數(shù)據(jù)庫用于信息儲(chǔ)存，用戶能夠按照自身需要選擇性的查看歷史數(shù)據(jù)，并且能夠?qū)⑵鋵?dǎo)出備用。

2 沉降自動(dòng)化采集系統(tǒng)的誤差

2.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)的誤差

對(duì)于沉降智能化采集平臺(tái)而言，因?yàn)樾畔@取模塊和無線傳輸模塊的量測(cè)精準(zhǔn)度在從工廠運(yùn)出時(shí)已完成設(shè)計(jì)，為此信息獲取和傳輸子系統(tǒng)的誤差大多是電能供給模式所造成的。為了能夠分析誤差所在，可以通過電源適配器以及蓄電池對(duì)于兩臺(tái)傳感器實(shí)施供電，間隔0.5 小時(shí)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)的采集，所得數(shù)據(jù)如圖1 所示。

圖1 不同傳感器供電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

從監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，相對(duì)于電源適配器的供電方式來說，采用蓄電池進(jìn)行供電的沉降自動(dòng)化采集系統(tǒng)精度相對(duì)較高，并且奇異點(diǎn)數(shù)據(jù)相對(duì)較少。電源適配器供電出現(xiàn)誤差主要是因?yàn)椋涸陔娫催m配器的交直流轉(zhuǎn)換期間，不可避免的留有交流電部分，該些交流電的頻率大多不高，難以高效濾波，而且該些交流電會(huì)傳輸至采集設(shè)備CPU 和AD 轉(zhuǎn)換器當(dāng)中，這就會(huì)影響到數(shù)據(jù)的采集精度。所以數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)需要選擇蓄電池的供電方式。

2.2 傳感器子系統(tǒng)的誤差

此系統(tǒng)方面的誤差更多來自于其中擴(kuò)散硅壓力傳感器測(cè)量精度，另外，此種傳感器在具體應(yīng)用過程中也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)誤差。壓力傳感器測(cè)量精度主要受到硅晶體材料的影響，這些影響因素在出廠時(shí)都已經(jīng)設(shè)定完畢。為了能夠減小傳感器裝設(shè)過程中出現(xiàn)的誤差水平，在裝設(shè)靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的時(shí)候必須要確保傳感器處于水平形態(tài)，另外應(yīng)當(dāng)保證傳感器水流入口的通暢。此外，靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)所包括的液體會(huì)對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確水平產(chǎn)生一定影響，比如填充液體較易受細(xì)菌或者塵土的作用，乃至出現(xiàn)真菌問題而對(duì)填充液體的密度造成不良影響，嚴(yán)重情況下會(huì)造成通液管的堵塞。

2.3 外界條件引起的誤差

靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)是以伯努利方程作為基本原理來設(shè)置的，具體為：

其中P1、P2表示為大氣壓，ρ1、ρ2表示為液體密度，h1、h2表示為液面高度，C 表示為常數(shù)。從上述公式可知，大氣壓力、液體密度以及重力加速度等因素會(huì)影響到沉降自動(dòng)化采集系統(tǒng)精度，但是液體密度會(huì)伴隨溫度的改變而改變，為此整個(gè)系統(tǒng)會(huì)遭受重力加速度、溫度、壓力差與其他要素的影響。

3 工程概況案例分析

3.1 工程概況

某機(jī)場(chǎng)造地工程，采用圍堰施工后吹填海砂形成陸域，然后打設(shè)塑料排水板后進(jìn)行堆載預(yù)壓。在堆載過程中，要求對(duì)軟基沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以判定是否滿足卸載要求。監(jiān)測(cè)單位共布設(shè)3 個(gè)沉降自動(dòng)化采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)輔以人工監(jiān)測(cè)的方式來進(jìn)行。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置及安裝

① 將具有底座的壓差式靜力水準(zhǔn)儀設(shè)置在待測(cè)點(diǎn)，并利用預(yù)埋件將其固定牢固，同時(shí)要對(duì)預(yù)埋底板面和混凝土墩面進(jìn)行找平，要確保定位螺桿和墩面的垂直度。另外，要在加固區(qū)外設(shè)置水箱以及基準(zhǔn)點(diǎn)靜力水準(zhǔn)儀，確保其穩(wěn)定性。并且控制傳感器最低點(diǎn)和水箱液面高差≤傳感器量程。

② 要參照測(cè)點(diǎn)間管線路徑進(jìn)行通液管鋪設(shè)，利用熱水將其泡漲之后按照順序接入靜力水準(zhǔn)儀以及水箱的接口，并用卡箍將其卡緊，避免發(fā)生漏液?jiǎn)栴}。

③ 從通液管的一側(cè)進(jìn)行加液，并且實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)內(nèi)部液位高度情況，若是液位達(dá)到水箱標(biāo)線處要停止加液；

④ 按照靜力水準(zhǔn)儀間距確定好線纜長(zhǎng)度，將傳感器的二芯電纜匯集成兩根總線，分別和電源、數(shù)據(jù)采集模塊輸入通道進(jìn)行連接。同時(shí)為了避免線路受到破壞，要通過PVC 管對(duì)通信線纜進(jìn)行保護(hù)。

3.3 人工與自動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)該工程堆載預(yù)壓沉降情況進(jìn)行了7 天的連續(xù)監(jiān)測(cè)（間隔6 小時(shí)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集），最終獲取了28 組數(shù)據(jù)，能夠得到圖2、圖3、圖4、圖5 所示的結(jié)果。

圖2 1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)自動(dòng)、人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖3 2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)自動(dòng)、人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖4 3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)自動(dòng)、人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖5 自動(dòng)、人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平均值

對(duì)于地表沉降的自動(dòng)、人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1 所示。

表1 地表沉降的自動(dòng)、人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)計(jì)

從上述各圖表中能夠得知，采取自動(dòng)化采集系統(tǒng)和人工方式的測(cè)量結(jié)果大體相似，規(guī)律相同，這就說明沉降自動(dòng)化采集系統(tǒng)所得到的結(jié)果可以符合軟基處理沉降監(jiān)測(cè)的要求。

4 結(jié)束語

本文主要闡述了沉降自動(dòng)化采集系統(tǒng)的構(gòu)成以及誤差影響因素，并且利用案例分析證明了沉降自動(dòng)化采集系統(tǒng)所得到的結(jié)果可以符合軟基處理沉降監(jiān)測(cè)的要求。這能夠進(jìn)一步推廣沉降自動(dòng)化采集系統(tǒng)的應(yīng)用，為軟基處理提供更加有效的方式。