建筑物地基沉降監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊曉文

（南通理工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 南通 226001）

0 引言

地基沉降指的是地基土層受到附加應(yīng)力的作用后，會發(fā)生豎向、側(cè)向和剪切變形，沉降過大或者不均勻沉降，會導(dǎo)致建筑物發(fā)生開裂、傾斜等，影響建筑物的使用壽命[1]。近幾年高層建筑的數(shù)量顯著增加，與此同時(shí)對于建筑安全性的要求也顯著增加[2]，在建筑物建設(shè)和施工過程中，如果地基處理不合理或者建設(shè)方案設(shè)計(jì)和管理水平較差[3]，建筑在施工過程中或者運(yùn)營過程中就會發(fā)生沉降，進(jìn)而導(dǎo)致建筑產(chǎn)生不同程度的傾斜，造成較大經(jīng)濟(jì)損失，甚至威脅人們生命[4]。為避免該情況的發(fā)生，需及時(shí)掌握建筑物的地基沉降情況[5]。因此，地基沉降監(jiān)測被重點(diǎn)關(guān)注和研究，通過監(jiān)測系統(tǒng)可掌握地基的沉降情況，以此判斷建筑物狀態(tài)，如果地基沉降結(jié)果超過允許標(biāo)準(zhǔn)，則會及時(shí)發(fā)送預(yù)警[6]。

本文為實(shí)現(xiàn)建筑物地基沉降監(jiān)測和預(yù)警，以某城市的高層建筑物為例，設(shè)計(jì)其地基沉降監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，并依據(jù)該系統(tǒng)計(jì)算建筑物的地基沉降結(jié)果。

1 建筑物地基沉降監(jiān)測與預(yù)警

1.1 工程概況

某建筑物共計(jì)33層，其中包含兩層地下車庫，地上建筑高度為100m，地下高度為9m，建設(shè)用地面積接近7800m2，建筑總面積達(dá)到8.1萬m2，建筑場地的自然標(biāo)高約為783m，建筑物采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，厚度在2m左右，埋深為10m。

依據(jù)該地區(qū)的水文管理和統(tǒng)計(jì)資料可知，其年均降水量約為1400mm左右，建設(shè)前對該施工環(huán)境的地質(zhì)情況進(jìn)行鉆探勘察，筏板以下的土層結(jié)構(gòu)詳情如表1所示。結(jié)合該地質(zhì)勘測結(jié)果可知，對該建筑物造成較大影響的影響因素分為2種，如下所述：

表1 土層結(jié)構(gòu)詳情

（1）地基承載力較差，并且存在較大差異性。依據(jù)勘測結(jié)果可知，該施工環(huán)境的土層存在軟弱層，并且后側(cè)較厚，西側(cè)較薄，兩者的土層厚度差接近10m；建筑物設(shè)計(jì)過程中，雖然采用筏板加厚處理，但是對于軟土地基的處理措施考慮不全面，因此，存在不均勻沉降風(fēng)險(xiǎn)。

（2）地下水位變化。該建筑物的施工位置距離市內(nèi)河流較近，覆土層孔隙率較大，具有較高的滲透性；同時(shí)南北兩側(cè)水位差距較大，導(dǎo)致建筑物受到的浮力大小差異顯著，進(jìn)而使有效應(yīng)力也發(fā)生相應(yīng)變化，土體在應(yīng)力變化下產(chǎn)生不同程度的壓縮變形。

1.2 建筑物地基沉降監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

結(jié)合建筑物的建設(shè)情況以及地質(zhì)勘測結(jié)果，本文設(shè)計(jì)建筑物地基沉降監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要依據(jù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)整體可分為3個(gè)部分，分別為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、沉降監(jiān)測和預(yù)警模塊，各個(gè)模塊的詳細(xì)情況如下所述。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊的核心是傳感器，同時(shí)設(shè)有協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)等裝置組成，其主要作用是采集建筑物施工后的地表變化數(shù)據(jù)，為建筑物地基沉降監(jiān)測和預(yù)警提供可靠依據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)傳輸模塊。該模塊主要通過終端、路由以及協(xié)調(diào)器組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并部署防火墻、連接串口、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Wed服務(wù)器以及TCP/IP協(xié)議，以此實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的緩存和傳輸。

（3）沉降監(jiān)測和預(yù)警模塊。該模塊主要包含上位機(jī)、運(yùn)行服務(wù)器、顯示器、數(shù)據(jù)中心等部分，其主要作用是依據(jù)采集的建筑物地表變化數(shù)據(jù)，進(jìn)行建筑物地基沉降計(jì)算；依據(jù)計(jì)算結(jié)果給出不同程度的地基沉降監(jiān)測預(yù)警，可靠、全面實(shí)現(xiàn)建筑物沉降管理。上位機(jī)以B/S模式為主，其能夠在協(xié)調(diào)器網(wǎng)管中有效完成建筑物地表變化數(shù)據(jù)的存儲以及建筑物實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測，同時(shí)具有遠(yuǎn)程查詢能力以及預(yù)警能力；用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器查看建筑物的實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果以及預(yù)警情況。

1.3 建筑物地基沉降監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置

本文在進(jìn)行建筑物地基沉降監(jiān)測時(shí)，主要是依據(jù)傳感器采集建筑物地表變化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集模塊為保證數(shù)據(jù)采集的可靠性，主要利用數(shù)字壓力傳感器和傾角傳感器同時(shí)完成。

（1）數(shù)字壓力傳感器。數(shù)字壓力傳感器是建筑物地基沉降監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，文中為保證建筑物地表變化數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性，文中選擇型號為PY210S 型號的數(shù)字壓力傳感器，該傳感器的相關(guān)性能參數(shù)如表2所示。

（2）傾角傳感器。傾角傳感器的主要作用是采集建筑區(qū)水平角度數(shù)據(jù)，為建筑物的傾斜監(jiān)測提供可靠數(shù)據(jù)，文中為保證采集效果，選擇AVT4000T型號的傾角傳感器，進(jìn)行建筑物傾斜數(shù)據(jù)采集，傾角傳感器的相關(guān)參數(shù)詳情如表3所示。

表3 傾角傳感器的相關(guān)參數(shù)

完成傳感器的選擇后，則進(jìn)行傳感器布設(shè)，在進(jìn)行傳感布設(shè)過程中，需充分結(jié)合《建筑變形測量規(guī)范》（JGJ8-2016）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)完成，該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：沉降觀測點(diǎn)的布設(shè)，需全面描述建筑物地基變形特征，同時(shí)充分結(jié)合地質(zhì)情況以及建筑物結(jié)構(gòu)。因此，本文結(jié)合該規(guī)定，確定本文傳感器監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)，其布設(shè)如圖2所示。

圖2 傳感器布置

1.4 建筑物地基沉降預(yù)測和預(yù)警

1.4.1 建筑物地基沉降預(yù)測

完成傳感器布設(shè)后，進(jìn)行建筑物沉降相關(guān)數(shù)據(jù)采集，沉降監(jiān)測和預(yù)警模塊為實(shí)現(xiàn)建筑物地基沉降監(jiān)測，將采集的數(shù)據(jù)輸入改進(jìn)的灰色模型中，通過該模型預(yù)測建筑物的地基沉降情況。

改進(jìn)的灰色模型主要是依據(jù)傳感器采集的原始數(shù)據(jù)序列進(jìn)行累加處理，以此建立地基沉降預(yù)測模型。為提升模型的預(yù)測精度，先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)化處理，其公式為：

式中：x0(k)——處理后的建筑物沉降數(shù)據(jù)序列；

k——沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)序號，且k=1,2,...,n；

A——灰色作用量；

u——指數(shù)化處理后的發(fā)展系數(shù)；

e——運(yùn)算函數(shù)。

對公式（1）進(jìn)行一次累加后得出其對應(yīng)的序列結(jié)果：

在式（2）的基礎(chǔ)上，構(gòu)建微分方程，并采用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)，獲取u和A的估計(jì)結(jié)果：

式中：a——灰色模型的發(fā)展系數(shù)；

b——灰色模型的灰色作用量。

構(gòu)建建筑物地基數(shù)據(jù)序列模型，其表達(dá)式為：

如果k＜n(k+1)為建筑物累計(jì)的地基沉降結(jié)果擬合值；如果k≥n(k+1)則表示建筑物累計(jì)的地基沉降結(jié)果預(yù)測值。

1.4.2 建筑物地基沉降風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

完成沉降預(yù)測后，可依據(jù)預(yù)測結(jié)果進(jìn)行預(yù)警，以此分析建筑物的沉降風(fēng)險(xiǎn)情況，整個(gè)預(yù)警流程如圖3所示。

圖3 沉降風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警流程

在《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中，建筑物均有對應(yīng)的監(jiān)測預(yù)警值，地基沉降監(jiān)測和預(yù)警模塊可以地基沉降的預(yù)測結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合規(guī)定的預(yù)警值進(jìn)行建筑物風(fēng)險(xiǎn)判斷，如果達(dá)到預(yù)警值，則進(jìn)行預(yù)警。并在該過程中，能夠完成建筑物的變形分析，并且生成曲線圖或者報(bào)告等，為用戶呈現(xiàn)全面的監(jiān)測預(yù)警結(jié)果。

2 測試結(jié)果分析

為分析本文系統(tǒng)的應(yīng)用效果，對依托工程建筑物進(jìn)行地基沉降計(jì)算，并將其沉降計(jì)算結(jié)果和《建筑變形測量規(guī)范》（JGJ 8-2016）中允許的標(biāo)準(zhǔn)（20mm）進(jìn)行對比，測試結(jié)果如表4所示。

表4 建筑物地基沉降計(jì)算結(jié)果

對表4測試結(jié)果進(jìn)行分析后得出：采用本文系統(tǒng)能夠完成建筑物地基的沉降預(yù)測，并且能夠依據(jù)預(yù)測結(jié)果進(jìn)行地基沉降風(fēng)險(xiǎn)分析，同時(shí)預(yù)警值進(jìn)行地基沉降風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，及時(shí)掌握建筑物的運(yùn)營情況。

為進(jìn)一步分析本文系統(tǒng)的應(yīng)用效果，隨機(jī)選擇10個(gè)傾角傳感器觀測點(diǎn)，依據(jù)該觀測數(shù)據(jù)分析建筑的傾斜率結(jié)果，并將分析結(jié)果和《建筑變形測量規(guī)范》（JGJ 8-2016）中的允許傾斜率結(jié)果（2.5%）進(jìn)行對比，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 建筑的傾斜率結(jié)果

對圖4進(jìn)行分析后得出：建筑物的傾斜率均在允許的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，其中最大傾斜率約為0.43%左右。因此，本文系統(tǒng)具有較好的監(jiān)測能力，可有效分析建筑物的運(yùn)營情況。

3 結(jié)束語

建筑物施工完成后，在運(yùn)行過程中會發(fā)生不同程度的沉降，沉降量一旦過大，會導(dǎo)致建筑物發(fā)生傾斜，嚴(yán)重時(shí)會影響建筑物的運(yùn)營安全，因此，需及時(shí)掌握建筑物在沉降運(yùn)營過程中的沉降情況，及時(shí)發(fā)送沉降風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。本文設(shè)計(jì)建筑物地基沉降監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，依據(jù)該系統(tǒng)預(yù)測建筑物的地基沉降情況，分析建筑物的傾斜率，完成建筑物地基沉降風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。通過測試分析得出：該系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用效果，能夠滿足建筑物地基沉降計(jì)算以及傾斜率分析能力，可依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建筑物地基沉降預(yù)警。