基于物聯(lián)網的公路路面路基沉降變形監(jiān)測方法

摘 要：常規(guī)的公路路面路基沉降變形監(jiān)測方法主要使用Burgers高度擬合修正模型獲取土體靜動力荷載，易受非線性沉降變化作用影響，導致監(jiān)測值與實際沉降值偏差過高，因此需要基于物聯(lián)網設計一種全新的公路路面路基沉降變形監(jiān)測方法。首先利用物聯(lián)網技術采集處理公路路面路基沉降變形數(shù)據(jù)，然后進行公路路基沉降變形監(jiān)測數(shù)值模擬分析，實現(xiàn)了路面路基沉降變形監(jiān)測。監(jiān)測分析結果表明，該方法監(jiān)測的既有線沉降、新建線沉降、附加沉降均與實際沉降擬合，證明設計方法的監(jiān)測效果較好，具有可靠性，可為降低公路路面行車風險作出一定貢獻。

關鍵詞：物聯(lián)網；公路路面路基；沉降；變形監(jiān)測；有限元分析；小波神經網絡

中圖分類號：TP39；U416.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-00-03

0 引 言

所謂公路路面路基沉降變形監(jiān)測就是通過監(jiān)測儀器和設備定期或連續(xù)地評估公路路面的沉降量和變形量，以判斷其運行狀態(tài)，對其的監(jiān)測對于維護公路的穩(wěn)定運行非常關鍵[1-2]。

此過程涵蓋建立監(jiān)測站、安裝傳感器、處理數(shù)據(jù)、進行預警和定期檢查維護等重要步驟[3-4]。相關研究人員針對路面路基沉降變形監(jiān)測特點設計了幾種常規(guī)的路面路基沉降變形監(jiān)測方法，包括基于光纖傳感技術的公路路面沉降變形監(jiān)測方法[5]，以及考慮土體應力形變關系的公路路面沉降變形監(jiān)測方法[6-9]，但上述方法的沉降變形監(jiān)測效果較差，不符合目前的監(jiān)測要求。因此，本文基于物聯(lián)網技術設計了一種公路路面路基沉降變形監(jiān)測方法。

1 基于物聯(lián)網的路面路基沉降變形監(jiān)測方法設計

1.1 公路路面路基沉降變形數(shù)據(jù)采集及預處理

本文采用的沉降變形采集設備屬于圖像式采集設備[10]，即通過工業(yè)相機與數(shù)字信號處理中心完成并行采集，其結構如圖1所示。

由圖1可知，上述沉降變形數(shù)據(jù)采集設備主要包括采集終端、監(jiān)控中心，輔助設備主要包括電源、應力傳感器、信號處理器等。在路基沉降變形監(jiān)測過程中，需要進行光斑實時定位，并利用GPRS進行通信，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測中心。受采集環(huán)境等因素影響，其采集到的數(shù)據(jù)容易存在噪聲，影響監(jiān)控效果。因此，本文先利用小波神經網絡模型對噪聲數(shù)據(jù)進行處理，即設置一個有效的閾值門限，判斷低于該閾值的數(shù)據(jù)為噪聲，并將其剔除，以此來完成數(shù)據(jù)去噪處理。此時，生成的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本D如式（1）所示：

（1）

式中：x（i）代表處理前的原始數(shù)據(jù)樣本；n代表數(shù)據(jù)處理項數(shù)。此時根據(jù)樣本與監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的非線性映射關系得到監(jiān)測數(shù)據(jù)處理目標函數(shù)如式（2）所示：

（2）

式中：x代表樣本線性處理參數(shù)；k代表自然數(shù)；f代表樣本與預測值間的映射參量。通過式（2）進行處理后可以剔除無效數(shù)據(jù)，有效獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)的輸出梯度，保證數(shù)據(jù)質量，為后續(xù)監(jiān)測打下堅實的數(shù)據(jù)基礎。

1.2 公路路基沉降變形監(jiān)測數(shù)值模擬分析

在完成數(shù)據(jù)采集及預處理后，對公路路基沉降變形監(jiān)測進行模擬分析。本文使用ANSYS/PLAXIS有限元分析軟件作為多維有限元計算程序，確定沉降變形監(jiān)測關系。公路路基發(fā)生沉降變形時，土體狀態(tài)發(fā)生一定改變，因此，先選取監(jiān)測邊界條件σ，如式（3）所示：

（3）

式中：D代表土體形變彈性模量；ε代表線性變化參數(shù)。在監(jiān)測過程中，通過泊松比、內聚力、摩擦角等參數(shù)的變化判斷公路路基的沉降變形狀態(tài)，此時得到的監(jiān)測屈服函數(shù)fa如式（4）所示：

（4）

式中：σ2、σ3分別代表不同的有效應力；φ代表內摩擦角；c代表黏聚力。此時的監(jiān)測偏差度P如式（5）所示：

（5）

式中：SY代表監(jiān)測預測沉降值；SS代表實測沉降值。根據(jù)式（5）可以確定路基監(jiān)測數(shù)據(jù)的有限元關系，若監(jiān)測結果低于標準監(jiān)測偏差，證明此時的監(jiān)測數(shù)據(jù)有效，反之需進行歸一化處理，重新進行沉降變形監(jiān)測。根據(jù)上述參數(shù)可以生成Van-Genuchten數(shù)值模擬分析函數(shù)f（α），如式（6）

所示：

（6）

式中：Ψ代表標準化監(jiān)測系數(shù)；α代表監(jiān)測曲線擬合參數(shù)。利用式（6）可以有效確定沉降變形監(jiān)測假設條件，最大程度提升沉降變形監(jiān)測的準確性。

2 監(jiān)測分析實驗

為驗證設計方法的監(jiān)測效果，選取研究區(qū)域進行公路路基路面的監(jiān)測分析。將本文方法與文獻[5]、文獻[6]兩種公路路面路基沉降變形監(jiān)測方法進行對比。

2.1 分析概況及準備

根據(jù)公路路面路基沉降變形監(jiān)測分析要求，本文選取某公路工程作為研究對象，其全長125.95 m，路基寬度為

26 m，兩側存在路緣帶、行車道，拱橫坡、土路肩橫坡分別為2%、4%。在監(jiān)測分析過程中依據(jù)實際工程情況布設沉降監(jiān)測點，規(guī)劃沉降監(jiān)測斷面。待沉降監(jiān)測點布設完畢后，埋設500 mm×500 mm×10 mm的鋼板并進行回填處理，設置有效的監(jiān)測高程。本次使用計算機模擬分析法分析既有線沉降、新建線沉降、附加沉降值，使用MIDAS/GTS作為有限元分析軟件，對原本的路面路基結構進行離散化處理，調整監(jiān)測分析約束條件，降低分析難度。此時的監(jiān)測有限元分析流程如圖2所示。由圖2可知，在有限元分析過程中，需要預先附加初始應力，使路基處于自重平衡狀態(tài)；再使用MIDAS/GTS軟件將初始位移清零，以此來作為初始模擬值，確定不同階段的沉降變形監(jiān)測結果。

待上述步驟完畢后，進行數(shù)值仿真計算?？紤]路基的實際受力關系進行模型簡化，此時調整仿真模型不同方向的位移約束，但需要保證幾何模型的自由度始終不發(fā)生改變。此時有限元模型的填筑土彈性模量為6 000，泊松比為0.35，容重為19.8。根據(jù)獲取的路基沉降模型實驗路面參數(shù)繪制仿真實驗模型，如圖3所示。

根據(jù)上述仿真實驗模型進行地應力平衡處理，施加自重應力，使荷載分布均勻，此時可進行監(jiān)測分析，輸出準確的模擬監(jiān)測結果。

2.2 監(jiān)測結果與討論

根據(jù)上述分析進行公路路面路基的沉降變形監(jiān)測。先預設不同的監(jiān)測點，各個監(jiān)測點與幫寬側路肩的距離不同；再對新建地基進行逐層填筑；然后使用GNSS路面路基沉降檢測儀檢測不同監(jiān)測點的實際沉降值（既有線沉降、新建線沉降、附加沉降）。分別使用3種方法進行沉降變形監(jiān)測，得到監(jiān)測沉降值與實際沉降值的對比結果見表1。

由表1可知，本文設計的方法在不同的幫寬側路肩距離下監(jiān)測的既有線沉降、新建線沉降、附加沉降均與實際沉降值較擬合；而對比方法在不同的幫寬側路肩距離下監(jiān)測的既有線沉降、新建線沉降、附加沉降均與實際沉降值相差較大。上述變形監(jiān)測分析結果證明：本文設計的公路路面路基沉降變形監(jiān)測方法的監(jiān)測效果較好，具有可靠性，有一定的應用價值。

3 結 語

隨著經濟的發(fā)展，我國的公路工程分布越來越廣泛。很多公路路面工程所處的地形復雜，容易受地下水位的改變、降雨量的大小和頻率、氣溫的變化等因素影響，造成公路路面路基沉降。因此，需要及時進行路面路基沉降監(jiān)測，并采取適當措施對公路進行及時維護，如加強路基壓實、控制填土含水量、加強地質勘察和環(huán)境保護等。常規(guī)的公路路面路基沉降變形監(jiān)測方法易受非線性沉降變化影響，導致監(jiān)測值與實際沉降值偏差過大。為了解決上述問題，本文基于物聯(lián)網設計了一種有效的公路路基沉降變形監(jiān)測方法。結果表明，設計的沉降變形監(jiān)測方法的監(jiān)測效果較好，具有可靠性，有一定的應用價值。

參考文獻

[1]丁建文，魏霞，高鵬舉，等.基于GA-BP神經網絡的軟土路基運營期沉降預測[J].東南大學學報（自然科學版），2023，53（4）：585-591.

[2]張偉.黃土地區(qū)高速公路路基沉陷問題及施工治理技術分析—以陜北地區(qū)某高速公路ZK18+647～ZK18+683段為例[J].四川建材，2023，49（6）：178-180.

[3]顏建偉，熊明，譚鑫.基于Winkler地基疊合梁的不均勻沉降作用下的無砟軌道變形研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2023，42（5）：70-77.

[4]林森，楊釗，戴曉威.多雨山區(qū)高速公路路基沉降病害處置及無損檢測方法研究[J].甘肅水利水電技術，2023，59（4）：11-16.

[5]夏中杰.基于光纖傳感技術的高速公路路基沉降變形監(jiān)測方法研究[J].交通世界，2023（12）：44-46.

[6]張永.基于土體應力-變形建模分析的公路路基沉降監(jiān)測技術[J].交通世界，2022（35）：88-90.

[7]鐘珺.基于數(shù)值模擬的高速公路路基差異性沉降控制方法研究[J].交通世界，2023（15）：76-80.

[8]李耀東.公路路基加寬施工措施淺析[J].科技創(chuàng)新與應用，2012（9）：151.

[9]孫瑞，彭偉.公路路基沉降計算及不均勻沉降對路面結構的影響[J].工程技術研究，2021，6（12）：23-24.

[10]馮玉林，侯宇，何彬彬，等.余弦型路基沉降對縱連板式無砟軌道變形與層間接觸性狀的影響[J].華東交通大學學報，2023，40（2）：9-15.

作者簡介：吳 昊（1989—），男，江蘇淮安人，工程師，研究方向為公路工程。