软土地基公路桥梁施工基坑支护沉降监测研究

吴厚琪

(贵州建设职业技术学院,贵州 贵阳 550000)

0 引言

在软土地基上进行公路桥梁施工时,由于填土、开挖和基坑支护等操作往往会引起较大的地表沉降。软土地基的特点是黏性大、可压缩性强,其自重应力和附加水平分布的荷载都会导致地面沉降,可能会影响道路交通的通畅性,给行车带来风险和困扰[1-2]。未加以控制的基坑沉降可能会导致邻近建筑物或桥梁结构的沉降或倾斜,甚至引发结构破坏,给施工区域及周边环境带来严重的危险[3]。为了确保软土地基下公路桥梁施工的顺利进行和结构的可靠性,及时发现并采取措施应对潜在的安全问题,以避免事故和损失的发生,需要对基坑支护沉降进行监测。目前的监测方法通常使用电子水准仪和印度钢制驱动器的组合,然而,在具有各种支撑结构的复杂板中,例如土钉墙和周围石板、高板和低板的支撑类型,以及周围石板和支撑类型,传统的方法限制了钢水准仪的长度,无法对其实行自动监测且监测间隔时间也过长等。为此,提出软土地基公路桥梁施工基坑支护沉降监测方法,采用不同相位技术的基坑支护变形监测系统,对一些极端地表等变形监测项目进行变形监测,采用小波表示方法对初始数据进行处理,相关结果可为公路桥梁基坑支护沉降变形控制的工程应用提供参考。

1 公路桥梁施工基坑支护沉降监测方法设计

1.1 基准点和监测点布设

在对基准点和监测点布设之前,应首先调查试验地石头和土壤的结构以及基础围护墙所处环境的性质,以确保对相关影响因素的强度进行更全面、合理的分析[4]。将公路桥梁工程施工结构所在的环境划分为7个深部区域,并对每个部分的主要土层结构进行了研究。基坑围护墙所处环境地层构成具体结果如表1所示。

表1 基坑围护墙所处环境地层构成

根据表1可以得知,基坑围护墙所处环境的地质构成是复杂的。在此基础上,分析了岩体的特征,并对基准点和监测点进行布设。首先,在基板的上平面上建立变形监测点,以实现全面监测,突出重点,对称管理监测点的位置。在此基础上,共建立了4个监测参考点(编号JZ001,JZ002,JZ003,JZ004),每个监测点之间的距离为20.0 m,距离基底墙上边缘20.0 cm。建立了10个水平运动监测点(JC001,JC002,…,JC010),具体位置配置如图1所示。

如图1所示,最大监测点配置用于基坑支护闭合壁。其中,监测点的值应在监测的第一天用作初始数据。每个监测点的数据应与频率同时计算[5]。监测结果之间的差异在5天2次1.0 cm之间。从第6天起,监测频率设置为2次/d。本文中使用的计算监控工具应为LeicadNA03的数字水准仪,随附的Leica代码管理器应用作水准仪。在具体的观测过程中,距离主体墙顶部200.0 m的三个基坑支护围栏被用作控制点。

1.2 监测数据降噪处理

在实际的监测数据中,可能受到各种噪声源的影响,如仪器噪声、环境干扰和信号传输过程中引入的干扰等。这些噪声会对真实的沉降变形信号造成干扰,影响数据的准确性和可靠性。小波降噪法具有同时保留信号主要特征和降低噪声干扰的能力。相比于传统的均值滤波或中值滤波等方法,小波降噪法能够更精确地捕捉信号的时域和频域特征,避免信号平滑过度或丢失细节。因此,采用小波降噪法可以有效地去除这些噪声,提取出真实变形信号。首先,选择波基函数对信号进行N层划分。然后选择每个层的阈值,并且将详细系数应用于软阈值的处理。最后,应使用波浪重新构建命名系数,以获得命名监测信号。当对小波进行命名时,假设含噪声监测数据数学模型为(如式(1)所示)：

(1)

在沉降监测数据分析中,波长是指变化周期的长度。通过将原始监测数据转换为频域,可以得到不同频率成分的振幅和相位信息。频谱分析可以帮助了解数据中的周期性和波动性,获取所指示的波长相对于原始数据的平均二次误差(RMSE)示于等式(2)中：

(2)

其中,n为监测周期,h;Si为初始监测数据,并且表示跟随波面额的监测数据,mm。RMSE值越低,去噪效果越好[6]。信噪比(SNR)适用于信号值与噪声值的比值,如果比值率越高,则噪声去除效果越好,如等式(3)所示。

(3)

(4)

(5)

式(4)和式(5)中,Ps和Pn分别包括信号值和噪声值的有效容量。

1.3 全站仪三角高程监测基坑支护沉降

全站仪三角高程测量计算的总体控制应通过管柱高程的测量方法和监测计算的特点来确定。如图2所示,全站仪应安装在基准点和测量点之间,基准点应确定在监测影响区外的稳定位置。所有站点采用的仪器高度、采用的目标高度、测量的垂直角和测量点采用的参考点,可以通过计算参考点t到测量点的高度差来计算。

hAB=hb-ha

(6)

hB=PsSb×sinβ×vB+c(Sbcosβ)2

(7)

hA=Sa×sinα×vA+c(Sacosβ)2

(8)

其中,c为球面空气差的一个因子;hb为全站仪对于监测影响区外的基准点与反射片之间的距离,m;ha为反射点与全站仪基准的距离,m;Sa,Sb分别为全站仪与反射片之间的直线距离,m;α,β分别为反射线针对于水平位置的倾斜角度,(°);vA,vB分别为反射两点所受到的大气折射速率。如果从测量点到参考点的距离大约等于从测量点的距离,球线和大气折射的影响可能会减少或消除[7]。因此,从测量装置到参考点的距离大约等于从测量点的距离,见式(9)：

(9)

本次与前次的变化量根据沉降监测的特点为(如式(10)所示)：

(10)

其中,hx为沉降变化量。

监测站的总三角高程测量不需要使用测量站的绝对高程,同时也不需要测量仪器的高度和高程,它的测量原理是增加全站仪的总三角函数,便于测量仪器的变化,从而有效避免了测量仪器高度和目标高度的影响,提高了监测精度。

2 实验论证

为了验证本文设计方法是否具有较好的效果,以某地工程为例,分别使用三种监测基坑支护沉降的方法,在上述基础上对文章提出方法的监测结果与传统方法1和传统方法2监测结果进行沉降数据拟合分析对比实验。

2.1 实验准备

在实验中选取某地轨道交通十四号线二期工程马务站基坑,具体位置位于机场路和黄石市中东南广场,具体施工现场如图3所示。

基坑采用开放式天花板法建造,全长140.6 m,标准段宽度22.9 m,底板深度约为27.55 m。底板内层从上到下主要填充土壤、热量、完全还原的氨酰酶热色调、高度还原的氨酰基酶热色调和中等的氨酰化酶热色调。基质主要存在于高度弱化的精氨酸酶热色调和平均弱化的精氨基酸酶热基调中。地下水位被限制在1.20 m～4.00 m的稳定水位,含水层富水性弱。机场高速桥高26.5 m,桥面高21.2 m～22.3 m,桥宽15 m～25 m。上部结构由混凝土、简单支护构造,桥梁下部结构由混凝土荷载车辆规定。该板应为直径为1.5 m～2.5 m的石板,板的长度应为21.5 m～38.4 m。板的下板应进入4 m以上的降低平均层。包含7块靠近基板的桥板(净距离为2.2 m～5 m),其中Pjera 58基板的深度小于基板的底部,原始石材表面更低。为了确保分析结果的可靠性,利用函数对进行监测的7个点数据信息进行拟合计算,使用的函数为多项式函数。具体结果如表2所示。

表2 监测结果与实际沉降数据拟合分析

2.2 实验对比分析

从表2中可以看出,本文中提出的软土地基公路桥梁施工基坑支护沉降监测方法与实际结果之间具有较高的拟合度。在利用函数拟合结果进行分析中,本文方法最大拟合和最小拟合值均在0.942 m以上,高于传统方法1和传统方法2。实验结果表明,本文方法监测的基坑支护沉降数据与实际数据非常相关,监测效果更好,结果可靠。

3 结语

经过理论计算和工程实例验证,采用本文软土地基公路桥梁施工基坑支护沉降监测研究方法,降低了测量过程的误差。在比较和分析三种监测方法的监测数据拟合结果后得知,本文方法监测的基坑支护沉降数据与实际数据非常相关,结果可靠,并为公路桥梁施工项目可以更好地进行软土地基基坑支护沉降监测工作提供保障,有效应对了潜在的风险和问题,及时采取必要的措施保证了施工的安全,也确保了施工的安全性和效率。