基于多通道动态测试的抗滑桩监测评价系统

翟淑美,谢 强,2,王龙飞,董晓霞

(1.重庆大学土木工程学院, 重庆 400045; 2.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室(重庆大学)，重庆 400045; 3.恒大集团有限公司重庆公司，重庆 648800; 4.重庆市九龙坡区市政设施维护管理处，重庆 400050)

基于多通道动态测试的抗滑桩监测评价系统

翟淑美1,谢 强1,2,王龙飞3,董晓霞4

(1.重庆大学土木工程学院, 重庆 400045; 2.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室(重庆大学)，重庆 400045; 3.恒大集团有限公司重庆公司，重庆 648800; 4.重庆市九龙坡区市政设施维护管理处，重庆 400050)

为充分发挥抗滑桩的抗滑作用，全面了解抗滑桩受力变形趋势，对抗滑桩潜在危险提前预警，防患于未然，本文利用Visual Studio.NET多功能开发平台搭建系统功能框架，结合Microsoft SQL Server 2016数据库功能，运用C#编程语言编写功能实现代码，初步完成了基于多通道动态测试技术的抗滑桩监测评价系统。结合实际工程，搭建了无人实时动态地监测抗滑桩的工作平台，对抗滑桩潜在危险提前警报，并对滑坡防护效果进行综合评估，研究可为类似滑坡治理及预测预警提供借鉴。

抗滑桩；变形监测；预测预警；综合评价

0 引言

我国是世界上地质灾害最严重的国家之一，其中滑坡危害问题尤为突出。抗滑桩作为滑坡灾害治理的一种主要手段，尤其是在大型滑坡的治理中，发挥着重要的作用[1-2]。但抗滑桩的理论研究与工程应用仍然存在较大的差距，这主要是由于大量缺乏抗滑桩实测资料，对于计算的滑坡推力和作用于建筑物上的推力模式是否符合实际等很少有实例验证，导致抗滑桩设计大多依靠经验，参数选取依据不足。然而，监测既费时又费力，无法真正快速准确地判断抗滑桩的受力状态及安全储备。

随着计算机普及与大力发展，人们开始将工程技术与计算机技术结合起来开发出一些可自动监测及预警预报的系统软件，不仅提高了效率、精度，也降低了人力成本。张青等[3]提出了一种滑坡监测新技术并建立一套时间域反射技术(TDR)滑坡监测系统。袁宝远等[4]建立了一套具有监测信息管理、可视化查询分析、边坡不稳定先兆分析等功能的边坡监测信息系统。余钊等[5]设计了一个基于无线传感器网络的山体滑坡监测系统。李邵军等[6]建立了一套基于三维地理信息的滑坡监测及变形预测智能分析系统。由此可见，这几十年来滑坡监测系统研究进展很快，在研究方法和实现上也不断创新。本项研究尝试在前人工作基础上，开发一套基于多通道动态测试技术的抗滑桩监测评价系统，实现无人实时监测、评价、预报预警功能。

1 多通道动态测试技术

数据采集系统[7]通过模块化硬件、应用软件和计算机的结合实现数据信息的采集、分析和显示。数据采集系统依据输入通道的不同又可以划分为单通道和多通道数据采集系统。相比单通道数据采集系统而言，多通道数据采集系统能够同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点，采集数据充分详实，抗干扰能力强，而且动态测试技术能够实现信号采集、信号变换与传输、信号处理与分析、信号记录与显示，它给传统的测量学科带来了一系列观念、方法和技术等方面的革新。本文采用多通道动态测试技术，动态同步采集监测点数据，并实时记录。本文使用HC-JC2G数据采集主机、高智能数据处理器HC-X-C、电缆线连接三通、各种传感器以及自动采集软件HC-01等软硬件结合来实现其功能。布设在抗滑桩中的传感器有固定式测斜仪HC-X500、埋入式应变计HC-X02、土压力盒HC-X04、位移计HC-G01等(表1)。

2 监测评价系统的构建

2.1系统的开发环境

系统配置应遵循故障率低、兼容性强、性能出色、安全性高等原则。基于多通道动态测试技术的桩监测评价系统研发的软件配置：

(1)系统开发环境为Windows 7 Professional；

(2)系统设计工具为Visual Studio.NET 2003；

(3)数据库管理系统为Microsoft SQL Server 2016；

(4)编程开发语言为C#语言。

2.2功能设计

本系统主要功能包括：系统管理、数据管理、传感器管理、图形管理、监测分析、监测预警、综合评价等。系统的总体功能设计见图1。

图1 系统功能设计图

2.3抗滑桩监测评价系统各模块的实现

2.3.1数据库模块

数据库设计[8]质量的好坏，对数据库的完整性、安全性、程序设计以及整个系统的使用效率等有着直接的影响。数据库设计的核心问题就是设计一个好的数据模型。关系模型[9]是现今数据库中最常用的数据模型。其最大优点就是用户容易理解和掌握，一个关系就是一张二维表格，用户只需用简单的查询语言就能对数据库进行操作。本系统的数据库采用关系模型。

当前流行的数据库管理系统如Oracle、Microsoft SQL Server、Microsoft Access等都是基于关系模型建立的。Microsoft SQL Server相比其它数据库软件，具有图形化的用户界面，系统管理和数据库管理更直观、简单，同时也具有很多的编程接口工具，能为用户进行程序设计带来更多的选择，可与WinNT集成，利用NT的许多功能，如管理登录安全性等。因此，本研究选择Microsoft SQL Server作为抗滑桩监测评估系统数据库。

2.3.2抗滑桩监测分析功能

鲁绍宁[10]指出抗滑桩内力过大或桩顶水平位移过大都是导致抗滑桩失效或破坏的因素。因此，需要监测抗滑桩桩顶水平位移、桩身应变、桩侧土压力值等，根据动态监测数据了解抗滑桩的工作状态。传感器连接方式分为串联、并联两种。本系统传感器采用传感器串联相连方式。

在监测过程中产生的数据较多，为了获得真实、可靠的数据，必须对所获得的监测信号进行合理的降噪处理[11]。本文采用小波降噪[12]的方法对监测数据进行预处理，可得一条真实可靠且相对光滑的监测曲线。为了更好地表现出抗滑桩工作过程的受力、位移随时间变化的关系，绘制抗滑桩监测点波形图、柱状图。

2.3.3抗滑桩监测预警功能

抗滑桩工作过程中内力过大或变形过大都会导致抗滑桩破坏或失效，因此可根据抗滑桩的受力状态和变形情况，判断抗滑桩工作安全与否。根据D.J. Varnes[13-15]等人对“块体运动”速度的研究，本文采用抗滑结构基本处于稳定状态时的速率(0.l mm/d)。李霍[16]认为，抗滑桩从开始产生位移到被破坏的过程大体上划分为四个阶段，对应将抗滑桩的安全等级划分为4个等级。鲁绍宁[10]在对抗滑桩安全评价指标进行分析时也得出类似的结论。桩顶位移对应于抗滑桩的不同工作状态(表2)。

表2 抗滑桩桩顶位移预警指标Table 2 Warning index of displacement of the anti-slide pile top

预警响应指的是当抗滑桩出现累计变形量过大、变形速率变大或是监测数据突变等情况时系统进行预警(报警)。本文设定的预警信号级别依据抗滑桩变形可能造成的危害程度、紧急程度和发展态势划分为三级：Ⅲ级(一般)、Ⅱ级(较重)、Ⅰ级(严重)。

2.3.4抗滑桩综合评价模块的实现

(1)抗滑桩评价

抗滑桩评价主要是指对抗滑桩工作过程中的安全性和经济性进行判断。本文对于抗滑桩安全性的评价，主要是通过抗滑桩工作过程中所受内力情况以及桩顶位移与原设计值进行比较判断。在抗滑桩的监测过程中，只能得到抗滑桩的桩顶水平位移、桩身位移、桩侧土压力等，不能直接得到抗滑桩受力过程中的内力值，所以只能通过所获得数据反演抗滑桩的内力情况，进而对抗滑桩安全性进行判断。

用检测数据来反算桩身弯矩和剪力[17]：

(1)

(2)

式中：M——抗滑桩监测点处的弯矩/(N·m-1)；

V——抗滑桩监测点处的剪力/N；

z——抗滑桩桩顶至截面处的距离/mm；

y——抗滑桩桩顶至截面处的距离/mm；

EI——桩的截面抗弯刚度/(N·mm2)。

由式(1)、式(2)反演可得到抗滑桩桩身弯矩和剪力，结合抗滑桩桩顶位移值即可对抗滑桩安全性进行分析。若有反演得到的抗滑桩桩身内力值不超过1.05[设计值]，且桩顶位移值小于10 mm时即可认为抗滑桩处于安全状态；若反演得到的抗滑桩桩身内力值超过1.1[设计值]，或者桩顶位移超过20 mm，两种满足任一种，则认为抗滑桩处于不安全状态，必须引起注意，并采取相应防范措施；介于上述两种情况之间的，则认为抗滑桩处于欠安全状态，针对具体的情况应该引起注意，采取相应措施。有关抗滑桩安全状态划分见表3、表4。

表3 抗滑桩桩顶位移评价指标Table 3 Evaluation index of displacement of the anti-slide pile top

表4 抗滑桩内力评价指标Table 4 Evaluation index of the anti-slide pile internal force

本文通过计算抗滑桩抗滑作用的发挥程度，来判断抗滑桩的经济性。在基于抗滑桩安全性的基础上提出抗滑桩内力实测比的概念[18]，抗滑桩内力实测比T为抗滑桩内力实测值与其设计值的比值，它在一定程度上反映了抗滑桩效果发挥程度。因而可将T划分为4个级别：①T=0.8～1，抗滑桩抗滑作用充分发挥；②T=0.5～0.8，抗滑桩抗滑作用良好发挥，经济性好；③T=0.2～0.5，抗滑桩设计保守，带来一定浪费。④T>1或<0.2，抗滑桩设计过于保守或失败，造成极大的浪费。

(2)滑坡防护综合评价

本文就采用模糊数学理论[19]建立模糊综合评价模型，选择影响滑坡防护效果8个的因素：①滑坡规模(X1)；②对滑坡性质的认识程度(X2)；③防治工程规模(X3)；④c和φ中取值的合理性(X4)；⑤施工工期与难度(X5)；⑥结构受力合理性(X6)；⑦抗滑桩位移状态(X7)；⑧排水效果(X8)。把这8个因素作为评价因子，将综合评价结果划分为4个等级，每个评价因子又被划分为4种情况。参考郑明新[20]提出的参数建立隶属函数。在确定了评价因子的隶属度后，确定一个权向量以表征各因素对滑坡防治效果评价所起的作用，并将重要度系数改进为“0-0.5-1”评分法来计算，该方法在一定程度上可避免因权重人为夸大而造成的评价失误。各因子权重系数的确定见表5。

表5 各因子权重系数Table 5 Weight coefficient of each factor

3 工程应用

3.1项目概况

重庆某县道K3+750-K3+815段路基病害地质灾害类型为滑坡，该滑坡主要受嘉陵江下游草街电站蓄放水的影响，以及岩土体本身潜在的不稳定因素，致使该段路基路面出现严重开裂，公路边缘挡墙被推倒，路基垮塌。经调查，该段路基病害为小型、中层、牵引式、土质滑坡。治理方案为：A型抗滑桩截面尺寸为1.0 m×1.2 m，桩长为11 m；B型抗滑桩截面尺寸为1.2 m×1.5 m，桩长为15 m；在公路内侧原挡墙位置重新修筑重力式挡土墙；顶宽0.6 m，高3.0 m，墙面倾斜坡度1∶0.3，基础埋深0.6 m，浆砌块石砌筑。系统主界面见图2，其内为工程平面图。点击工程概况，就可以在图片显示区下方看到工程概况基本信息，点击监测实景，下拉菜单显示平面图、剖面图，点击任意一个，就可以在图片显示区看到对应的监测区实景图，实现平面图、剖面图自由切换。

图2 系统主界面

3.2监测预警

监测预警栏中有抗滑桩预测、预警设置两个选项。点击抗滑桩预测，弹出见图3窗口，选择任一抗滑桩可以查询其桩顶水平位移的预测图及对应表格，表格中列出监测时间、监测值、预测值及误差值。点击预警设置后即可进行相应报警设置，对于超过预警值的传感器，显示在报警记录中，便于观看查询。在抗滑桩监测过程中若有传感器监测数据大于相应报警值，监测实景图中对应传感器所在抗滑桩就会不断闪烁，并能显示对应的警报级别，依次为Ⅲ级(一般)、Ⅱ级(较重)、Ⅰ级(严重)，提醒用户采取相应的防护措施。

图3 抗滑桩桩顶水平位移预测

3.3综合评价

以抗滑桩A2为例，对抗滑桩评价，同时也对抗滑桩评价可靠性进行验证。将抗滑桩桩身测斜数据导入系统后，最终结果见图4。可得到桩身反演弯矩图、桩顶水平位移图及弯矩监测值、弯矩设计值及弯矩实测比列表，并在抗滑桩评价栏中给出结论。若抗滑桩安全则再给出经济性评价，若抗滑桩不安全则不进行经济性判断。此处为抗滑桩安全性：不安全，最大位移值为102.5 mm，大于20 mm。

图4 抗滑桩评价

结合该段滑坡防护工程，对滑坡防护效果进行综合评估。点击滑坡防护综合评价，依次填写各影响因素隶属度函数，在点击滑坡综合性评价按钮，可得到评估结论(图5)，结论与实际情况基本相符。

图5 滑坡防护综合评价

4 结论

(1)建立多通道动态数据采集系统，实现实时动态监测抗滑桩工作状态的功能，如桩顶位移变化、桩身位移变化、土压力变化、钢筋应力变化等。

(2)建立一整套基于多通道动态测试技术的抗滑桩监测评价系统。监测分析模块，实现动态获取抗滑桩监测数据，绘制抗滑桩监测数据列表图、波形图、柱状图，便于用户观看查询；预测预警模块，实现对抗滑桩的预测，对抗滑桩潜在危险提前预警；综合评价模块，实现对抗滑桩安全性、经济性进行合理判断，并对滑坡防护效果进行综合评估。本系统可结合实际工程，对抗滑桩进行监测预警评价，并为类似滑坡治理提供借鉴。

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Amonitoringandevaluationsystemforanti-slidepilebasedonthemulti-channeldynamictestingtechnique

ZHAI Shumei1,XIE Qiang1,2,WANG Longfei3,DONG Xiaoxia4

(1.SchoolofCivilEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400045,China; 2.KeyLaboratoryofNewTechnologyforConstructionofCitiesinMountainArea(ChongqingUniversity),MinistryofEducation,Chongqing400045,China; 3.ChongqingBranchofEvergrandeGroup,Chongqing648800,China; 4.MunicipalFacilitiesMaintenanceandManagementDepartment,JiulongpoDistrict,Chongqing400050,China)

In order to achieve a full play of the anti-sliding effect of the anti-slide pile, to get a comprehensive understanding of its stress and deformation behavior, to forecast the potential danger and to take preventive measures in advance, using Visual Studio.NET multi-functional development platform to build system function framework, and combining with Microsoft SQL Server 2016 database function and with C# programming language, a monitoring and evaluation system for anti-slide pile engineering based on the multi-channel dynamic testing technique was preliminary established. A working platform was built for a real anti-slide pile engineering, it can monitor the working state of the anti-slide pile in real-time and unattended, also forecast the potential danger, and finally complete the comprehensive evaluation for the effect of slope protection. This research provides a reference for the similar landslide treatment.

anti-slide pile; deformation monitor; forecast and warning; comprehensive evaluation

U213.1+52.1

A

1003-8035(2017)03-0094-07

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.03.14

2016-10-30;

2016-12-15

中央高校基本科研业务费(106112014CDJZR200012, CDJZRPY14200001)；重庆市国土资源和房屋管理局科技计划项目(CQGT-2012021)

翟淑美(1992-)，女，河南永城人，硕士研究生，主要从事岩土工程领域的研究工作。E-mail: 1318408539@qq.com

谢 强(1975-)，男，重庆人，教授，博士生导师，主要从事岩土工程领域的科研和教学工作。E-mail：xieqiang2000@163.com