沉降變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

摘 要：本研究以某建筑項(xiàng)目為案例，采用試驗(yàn)測(cè)定方法和案例研究方法，對(duì)沉降變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。試驗(yàn)部分采用單樁基豎向壓力靜載試驗(yàn)驗(yàn)證混凝土灌注樁的承載能力，案例部分采用傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)地基沉降情況，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。結(jié)果顯示，試驗(yàn)方法可驗(yàn)證混凝土灌注樁的承載能力，荷載與沉降位移呈正相關(guān)，荷載為32kN時(shí)的沉降相對(duì)穩(wěn)定。荷載為64kN和96kN時(shí)的沉降波動(dòng)明顯。案例研究方法結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)地基沉降情況，利用SVM模型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和評(píng)估，發(fā)現(xiàn)環(huán)境濕度的預(yù)測(cè)價(jià)值較高，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的準(zhǔn)確性為94%，此類方法和結(jié)果可以為建筑工程提供風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估參考。

關(guān)鍵詞：沉降變形監(jiān)測(cè)；案例研究；混凝土灌注樁；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

中圖分類號(hào)：TU 19 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在建筑工程中，沉降變形監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)至關(guān)重要的工作，它能夠幫助工程師和設(shè)計(jì)師了解地基承載能力的情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)地基沉降變形問(wèn)題，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行修復(fù)和加固。劉曉鵬等[1]探討了對(duì)深厚吹填軟土進(jìn)行地基處理的方法以及后續(xù)評(píng)價(jià)。余仕江等[2]研究了靜荷載下螺桿樁復(fù)合地基樁的側(cè)摩阻力試驗(yàn)。吳術(shù)高等[3]關(guān)注靜荷載下鐵路長(zhǎng)短樁復(fù)合地基的承載特性試驗(yàn)研究。王蕾等[4]基于分布式光纖傳感器對(duì)地下原水管道沉降監(jiān)測(cè)方面進(jìn)行了研究。何杰等[5]對(duì)循環(huán)荷載下楔形勁芯水泥土復(fù)合樁的工作特性進(jìn)行了研究。蔣進(jìn)波[6]提出一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的深基坑周邊密集建筑群沉降監(jiān)測(cè)方法。本文將以某建筑項(xiàng)目為案例，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定方法和案例研究方法，對(duì)沉降變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

1 案例項(xiàng)目概述

在建筑項(xiàng)目中，地基沉降是一個(gè)常見(jiàn)且普遍存在的問(wèn)題。不同類型的地基在承受荷載后會(huì)發(fā)生不同程度的沉降變形，而這種變形可能會(huì)對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性造成影響。因此，對(duì)地基沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)并及時(shí)評(píng)估其風(fēng)險(xiǎn)是非常必要的。

本研究選取某建筑項(xiàng)目作為案例對(duì)象，該建筑項(xiàng)目包括審判法庭業(yè)務(wù)用房，總建筑面積達(dá)到17394.79㎡，其中包括地上和地下部分。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，建筑物采用框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，平均樁深在35m以上。按照設(shè)計(jì)要求計(jì)算每層的荷載值，同時(shí)考慮地基允許變形值和基礎(chǔ)埋置深度等因素。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告書，該項(xiàng)目處于復(fù)雜的場(chǎng)地環(huán)境中，地勢(shì)起伏變化大且存在各種巖土種類。場(chǎng)地屬于中等復(fù)雜場(chǎng)地和中等復(fù)雜地基，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)下被判定為不利地段。

2 沉降變形試驗(yàn)分析

2.1 單樁基豎向壓力靜載試驗(yàn)

單樁基豎向壓力靜載試驗(yàn)是一種常用的原位測(cè)試方法，旨在評(píng)估建筑物樁基承受垂直荷載時(shí)的變形特性和受力性能。試驗(yàn)的基本原理是通過(guò)在單根樁上施加不同大小的豎向荷載，并監(jiān)測(cè)記錄下樁頂沉降數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)繪制Q-s曲線以及輔助曲線s-lgt，從而推導(dǎo)單樁豎向抗壓承載力特征值等重要參數(shù)。

試驗(yàn)需要計(jì)算混凝土灌注樁的破壞荷載，對(duì)摩擦型樁來(lái)說(shuō)，例如混凝土灌注樁在計(jì)算破壞荷載的過(guò)程中，關(guān)鍵是考慮樁身與周圍土體之間的摩擦力。當(dāng)研究樁間土體的剪切破壞時(shí)，主要側(cè)重于周圍土體提供的側(cè)向摩阻力是否可以承受外部施加的荷載。當(dāng)計(jì)算剪切破壞時(shí)，需要考慮樁身表面積、側(cè)向摩阻力系數(shù)以及外部荷載大小等因素。其計(jì)算過(guò)程如公式（1）所示。

（1）

式中：Q為土體側(cè)摩擦阻力，kN；UP為混凝土灌注樁的周長(zhǎng)，m；τs為第i層土層的側(cè)摩擦力；li 為第i層土層的厚度，m。地質(zhì)勘探顯示，地表除填土外，還有種植土、淤泥土及其底層淤泥質(zhì)粉土，一起構(gòu)成需要分析的主要土層結(jié)構(gòu)；a為阻力發(fā)揮系數(shù)；AP為截面積；QP 為土體抗壓強(qiáng)度，由于混凝土灌注樁為摩擦型樁，該部分可忽略不計(jì)。

需要考慮混凝土灌注樁受到豎向荷載的自身破壞，其計(jì)算過(guò)程如公式（2）所示。

Q=ηAPfcu （2）

式中：Q為抗壓承載力；η為折減系數(shù)，取值為0.33；fcu為豎向抗壓強(qiáng)度，根據(jù)水泥塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)獲得，取值1.2×103kPa。

通常使用百分表測(cè)量沉降。對(duì)大直徑樁來(lái)說(shuō)，需要在兩個(gè)正交直徑方向?qū)ΨQ安裝4個(gè)百分表；而小徑樁則可安裝2個(gè)或3個(gè)百分表。測(cè)定點(diǎn)距離樁頂不應(yīng)小于0.5倍樁徑，保證測(cè)點(diǎn)固定和支撐結(jié)構(gòu)不受外界因素影響而發(fā)生變形。

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，須注意反力梁支點(diǎn)重心與友座中心重合，并監(jiān)測(cè)記錄每級(jí)荷載下相應(yīng)的沉降數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將有助于繪制Q-s曲線和s-lgt曲線，并最終推導(dǎo)關(guān)鍵參數(shù)，用于評(píng)估混凝土灌注樁在靜態(tài)荷載條件下的受力性能。

2.2 Q-s曲線

繪制Q-s曲線如圖1所示。

在單樁荷載下的Q-s曲線數(shù)據(jù)中，荷載（kN）和沉降位移（mm）之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系。隨著荷載增加，沉降位移呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。在初始階段，荷載從0kN開(kāi)始增加，沉降位移也開(kāi)始逐漸增加，但增幅較小，在一定范圍內(nèi)，隨著荷載進(jìn)一步增加，沉降位移的增長(zhǎng)速度明顯加快。然而，在一定階段后，盡管荷載繼續(xù)增加，沉降位移的變化幅度開(kāi)始變小。

這種現(xiàn)象可能源于土體受到初期荷載作用時(shí)發(fā)生初始變形，并逐漸適應(yīng)外部荷載而產(chǎn)生相對(duì)較小的沉降。隨著荷載繼續(xù)增加，土體逐漸達(dá)到極限承載能力，在這個(gè)階段內(nèi)，土體會(huì)發(fā)生更大幅度變形和沉降。在實(shí)際工程中，混凝土灌注樁通常會(huì)設(shè)計(jì)為承受垂直荷載并傳遞這些荷載到較深的持力層，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和保障安全性。持力層通常是指能夠提供足夠支撐力以承受混凝土灌注樁施加的荷載并減少沉降的土層。然而，在某些情況下，例如存在淤泥夾層或其他不利因素時(shí)，這些條件可能會(huì)影響混凝土灌注樁的承載性能和沉降情況。淤泥夾層可能會(huì)導(dǎo)致混凝土灌注樁底部支撐條件不佳，進(jìn)而影響其在荷載作用下的變形行為。因此，在實(shí)際工程中，對(duì)混凝土灌注樁設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中需要充分考慮地質(zhì)條件、支撐層情況以及可能存在的不利因素來(lái)說(shuō)，保證混凝土灌注樁能夠有效地承受荷載并減少沉降。單樁荷載下的Q-s曲線數(shù)據(jù)特征反映了土體在不同承載能力范圍內(nèi)對(duì)外部荷載作用產(chǎn)生的不同響應(yīng)。

2.3 s-lgt曲線

繪制s-lgt曲線如圖2所示。

在軟土地基中，在施加荷載后，土體會(huì)發(fā)生壓實(shí)和變形，導(dǎo)致沉降位移變化。在32kN荷載下，沉降位移保持相對(duì)穩(wěn)定，在0.72mm左右波動(dòng)。這可能表明在較低荷載作用下，土體受力較小，變形相對(duì)較小，因此沉降位移相對(duì)穩(wěn)定。在64kN和96kN荷載下，沉降位移隨時(shí)間呈現(xiàn)出更為顯著的波動(dòng)和變化。特別是在64kN荷載下，80min時(shí)達(dá)到最大值0.84mm。這種情況反映了軟土地基承受較高荷載時(shí)發(fā)生更明顯的壓實(shí)和變形過(guò)程。軟土環(huán)境中的土體通常具有較高含水量和較低密度，因此受到外部荷載作用時(shí)更容易發(fā)生擠壓和流動(dòng)，導(dǎo)致不同承載能力范圍內(nèi)的土體對(duì)外部荷載作用有不同響應(yīng)。64kN和96kN荷載下出現(xiàn)較大沉降說(shuō)明軟土地基受到更高荷載時(shí)發(fā)生了擠壓和流動(dòng)變形，這與該建筑項(xiàng)目自身的土壤環(huán)境問(wèn)題密切相關(guān)。

隨著時(shí)間延長(zhǎng)，沉降位移會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)外部荷載作用于軟土地基時(shí)，會(huì)導(dǎo)致地基內(nèi)部應(yīng)力分布發(fā)生變化。這種應(yīng)力分布改變可能使土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整，包括顆粒重新排列、微觀結(jié)構(gòu)調(diào)整等，從而導(dǎo)致沉降位移增加或減少。土壤中的水分含量對(duì)土體的力學(xué)性質(zhì)具有重要影響。隨著時(shí)間推移，軟土地基可能會(huì)經(jīng)歷固結(jié)過(guò)程，固結(jié)是指軟土在受到應(yīng)力作用下逐漸排水和壓實(shí)的過(guò)程，導(dǎo)致沉降位移逐漸增加。固結(jié)過(guò)程中還可能隨著孔隙水壓力釋放和孔隙率變小，進(jìn)一步影響沉降行為。當(dāng)土壤含水量發(fā)生變化時(shí)，土體內(nèi)部顆粒間的摩擦力和顆粒之間的相互作用會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而影響土體的承載能力和穩(wěn)定性。這種含水量變化可能源自降雨、地下水位變化或其他因素，在長(zhǎng)時(shí)間尺度上會(huì)對(duì)沉降位移產(chǎn)生顯著影響。

3 沉降變形風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理

在施工過(guò)程中，施工團(tuán)隊(duì)始終對(duì)該建筑項(xiàng)目的沉降情況進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)布置了大量傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)多種環(huán)境因素，包括溫度、濕度、壓力和位移等。

3.2 模糊SVM分類結(jié)果

本文利用高維數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊支持向量機(jī)（SVM）分類是一種有效的方法，可以幫助識(shí)別濕度變化與沉降位移之間的聯(lián)系。將傳感器記錄的多維數(shù)據(jù)輸入模糊SVM分類器中，可以進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析和模式識(shí)別，從而揭示隱藏在數(shù)據(jù)背后的潛在關(guān)聯(lián)。

具體來(lái)說(shuō)，模糊SVM分類器可以處理具有一定程度不確定性或模糊性的數(shù)據(jù)，這對(duì)涉及多個(gè)環(huán)境因素監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的建筑工程非常重要。通過(guò)訓(xùn)練模糊SVM分類器并利用傳感器收集到的高維數(shù)據(jù)，可以對(duì)不同環(huán)境因素（例如濕度變化）與地基沉降位移之間復(fù)雜關(guān)系進(jìn)行建模和預(yù)測(cè)。其分類結(jié)果如圖3所示。

結(jié)果顯示濕度變化與沉降位移之間聯(lián)系密切，僅有3個(gè)點(diǎn)位未表現(xiàn)出顯著沉降，即沉降距離小于7mm，而其濕度普遍下降。在出現(xiàn)顯著沉降的大多數(shù)點(diǎn)位均檢測(cè)到了較高的濕度，表明含水量過(guò)高可能是導(dǎo)致地基沉降變化的重要因素。

3.3 預(yù)測(cè)結(jié)果分析

利用SVM模型對(duì)更多傳感器數(shù)據(jù)中的環(huán)境測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，其ROC曲線如圖4所示。

ROC顯示SVM分類器能夠穩(wěn)定、有效利用環(huán)境濕度預(yù)測(cè)沉降位移，既能夠提示水分因素在該建筑項(xiàng)目沉降中的重要作用，也能構(gòu)成沉降預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要手段?；煜仃嚾鐖D5所示。

基于濕度的沉降風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)有效性高達(dá)94%，表明傳感器測(cè)量和SVM分類器在該建筑項(xiàng)目的沉降變形風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中具有重要價(jià)值。準(zhǔn)確性高說(shuō)明模糊SVM分類器能夠準(zhǔn)確地識(shí)別濕度變化與地基沉降之間的關(guān)聯(lián)，為沉降風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了可靠的依據(jù)。傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)可以提供實(shí)時(shí)、精確的環(huán)境因素監(jiān)測(cè)，包括濕度等參數(shù)，為建筑工程項(xiàng)目提供了關(guān)鍵信息。采用模糊SVM分類器對(duì)高維數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，揭示了濕度變化與地基沉降之間密切的聯(lián)系，為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管理提供了有力支持。將傳感器測(cè)量和模糊SVM分類器結(jié)合起來(lái)，可以幫助工程團(tuán)隊(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑物或結(jié)構(gòu)體的沉降情況，并及時(shí)識(shí)別潛在的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)濕度等因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，可以更好地理解地基穩(wěn)定性受環(huán)境因素影響的模式，從而改善風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)防措施。

4 結(jié)論

Q-s曲線數(shù)據(jù)顯示荷載與沉降位移呈正相關(guān)，隨著荷載增加，沉降位移逐漸增加。在32kN荷載下，沉降位移相對(duì)穩(wěn)定，約為0.72mm；而荷載為64kN和96kN時(shí)，呈現(xiàn)更明顯波動(dòng)，尤其64kN時(shí)達(dá)到最大值0.84mm。施工團(tuán)隊(duì)采用傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境因素（例如濕度等）發(fā)現(xiàn)，在較高濕度下會(huì)出現(xiàn)明顯沉降，而濕度較低處僅小幅沉降或未見(jiàn)明顯變化。基于濕度的沉降風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)有效性高達(dá)94%，證明傳感器測(cè)量和SVM分類器對(duì)該建筑項(xiàng)目中的沉降變形風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估至關(guān)重要，為工程安全提供了有力支持。

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