大型基坑支撐體變形自動分析系統及數據分析方法與流程
2023-05-27 23:04:07
本發明涉及一種大型基坑支撐體變形自動分析系統及數據分析方法，屬於基坑工程領域。
背景技術：
在大型基坑工程中，基坑支護結構至關重要。鋼筋混凝土支撐結構是較常見的基坑支護結構。支撐變形和支撐軸力是評價支護結構以及整個基坑工程是否安全的重要依據。
目前鋼筋混凝土支撐結構的變形，主要通過在支撐結構內設置混凝土應變計進行測量。然而，鋼筋混凝土的變形受到荷載因素以及溫度變化、混凝土收縮和混凝土徐變等非荷載因數的綜合影響。例如，大型或者超大型深基坑工程的工期可能達到6個月甚至更長，支撐體結構受到的最高溫差可能達到30度甚至更多，溫度變形是我們要考慮的重要因素。另外，大型、超大型基坑的支撐體結構通常比較長，混凝土收縮產生的收縮變形也不可忽視。再者，在受到較大軸壓力的作用下，支撐體構件的徐變變形也需要考慮。
然而，目前對變形的測量，僅能得出綜合變形的數值，無法具體得知其中的荷載變形、溫度變形、收縮變形、徐變變形等具體數值及所佔比例，因此在出現變形較大時，無法得知各因素的影響程度，無法採取有效的應對措施。因此，對於大型基坑施工中，為了更好地保障基坑施工的安全，有必要對大型基坑支撐體提供一種新型的變形自動分析系統及數據分析方法。
技術實現要素：
針對現有技術中無法具體得知其中的荷載變形、溫度變形、收縮變形、徐變變形等具體數值及所佔比例，在基坑支撐體出現較大變形時，無法採取有效的應對措施的問題，本發明提供了一種大型基坑支撐體變形自動分析系統及數據分析方法，能夠將監測的應變數據分解為溫度應變、荷載應變、收縮應變和徐變應變，清楚得知各應變的具體數值及所長比例，實時監控基坑支撐體的變形數據，為基坑安全施工提供保障。
為解決以上技術問題，本發明包括如下技術方案：
一種大型基坑支撐體變形自動分析系統，所述基坑支撐體為鋼筋混凝土梁，在施工現場設置與所述基坑支撐體具有相同的截面、配筋和混凝土配比的支撐體模型，所述數據監測系統包括，
第一鋼筋計，串聯連接於所述基坑支撐體的主筋上，用以測量所述基坑支撐體主筋的綜合軸力F；
第二鋼筋計，串聯連接於所述支撐體模型的主筋上，用以測量所述支撐體模型主筋的綜合軸力F模；
第一混凝土應變計，安放於所述基坑支撐體中，用以測量所述基坑支撐體的溫度t和綜合應變ε；
第二混凝土應變計，安放於所述支撐體模型中，用以測量所述支撐體模型的溫度t模和綜合應變ε模；
智能監測平臺，包括數據接收器、數據處理器和顯示器；其中，所述數據接收器分別與所述第一鋼筋計、第二鋼筋計、第一混凝土應變計、第二混凝土應變計相連接，用以接收測量數據F、F模、t、t模、ε、ε模；所述數據處理器，與所述數據接收器相連，內部預設計算公式，將所述第一混凝土應變計的綜合應變ε分解為溫度應變εt、荷載應變εT、收縮應變εP、徐變應變εc；所述顯示器，用以顯示測量數據及測量數據的分解數據。
進一步，所述數據處理器內部預設的計算公式包括，
εt＝m·(t-t0)；
εc＝ε-εt-εT-εP。
其中，m為溫度補償係數，為一常數；
t0、t模0—分別第一混凝土應變計和第二混凝土應變計的初始溫度；
—為第二混凝土應變計的溫度應變；
Es、As—分別為鋼筋的彈性模量與第一鋼筋計串聯主筋的斷面面積；
FT—為第一鋼筋計的荷載軸力。
進一步，如權利要求1所述的大型基坑支撐體變形自動分析系統，
在所述基坑支撐體上設置q個測點，每個測點的橫斷面的鋼筋籠上、下、左、右四個方位的主筋上各串聯連接一個第一鋼筋計，每個測點橫斷面的中心處布設一個第一混凝土應變計；
在所述支撐體模型上選取S個測點，每個測點的橫斷面的鋼筋籠上、下、左、右四個方位的主筋上各串聯連接一個第二鋼筋計，每個測點橫斷面的中心處布設一個第二混凝土應變計。
優選為，所述數據處理器還包括圖形輸出模塊。
優選為，所述支撐體模型下鋪設混凝土墊層，在所述支撐體模型與所述混凝土墊層之間鋪設隔離層。
優選為，所述隔離層包括自下而上依次設置的油氈隔離層、潤滑油膏、油氈隔離層。
相應地，本發明還提供了一種所述的大型基坑支撐體變形自動分析系統的數據分析方法，包括如下步驟：
S1.綁紮基坑支撐體的鋼筋籠，選取q個測點，每個測點的橫斷面的鋼筋籠上、下、左、右四個方位的主筋上各串聯連接一個第一鋼筋計，每個測點的橫斷面的中心處布設一個第一混凝土應變計；
S2.在施工現場綁紮支撐體模型的鋼筋籠，選取S個測點，每個測點的橫斷面的鋼筋籠上、下、左、右四個方位的主筋上各串聯連接一個第二鋼筋計，每個測點的橫斷面的中心處布設一個第二混凝土應變計，並同時澆築基坑支撐體、支撐體模型所需的混凝土，使支撐體模型與基坑支撐體具有相同的截面形狀配筋及混凝土配比；
S3.將所述第一鋼筋計、第一混凝土應變計、第二鋼筋計和第二混凝土應變計與智能監測平臺連接，並記錄第一混凝土應變計、第二混凝土應變計的初始溫度t0j、t模0h，其中：
t0j—為基坑支撐體第j測點的初始溫度，j∈[1,q]；
t模0h—分別為支撐體模型第i天第h測點的溫度數據h∈[1,S]；
S4.所述智能監測平臺分別計算所述第一鋼筋計的綜合軸力Fij及第一混凝土應變計的綜合應變εij、監測溫度tij，和所述第二鋼筋計的綜合軸力F模i及所述第二混凝土應變計的綜合應變ε模ih、監測溫度t模ih；
其中，Fij—為i時刻基坑支撐體第j測點的各第一鋼筋計的平均軸力；
εij—為i時刻基坑支撐體第j測點的綜合變形；
tij—為i時刻基坑支撐體第j測點的監測溫度；
F模i—為i時刻支撐體模型各測點的所有第二鋼筋計的平均軸力；
ε模ih—為i時刻支撐體模型第j測點的綜合變形；
t模ih—i時刻支撐體模型第h測點的監測溫度；
S5.將i時刻基坑支撐體j測點的綜合應變εij分解為溫度應變荷載應變收縮應變徐變應變包括如下步驟：
S5-1.計算i時刻基坑支撐體j測點的溫度應變
S5-2.計算i時刻基坑支撐體j測點的荷載應變其中：
S5-3.計算i時刻基坑支撐體j測點的收縮應變
S5-4.計算i時刻基坑支撐體j測點的徐變應變
其中，m為溫度補償係數；
Es、As—分別為鋼筋的彈性模量及與第一鋼筋計串聯主筋的斷面面積。
進一步，步驟S5之後還包括，S6.將第i天所述基坑支撐體上第j測點的溫度應變荷載應變收縮應變徐變應變變轉化為溫度變形荷載變形收縮變形徐變變形計算如下：
其中，lj為測點j所涉及基坑支撐體的長度；基坑支撐體總長
進一步，步驟S5中的溫度補償係數m的測量方法包括如下步驟：
S5-1：90天後混支撐體模型的凝土收縮應變趨於穩定，測得混凝土應變ε模主要由溫度應變引起，選取N個特徵試驗時刻，測量混凝土第n個特徵實驗時刻的應變數據ε模nj、t模nj，採用一次線性回歸擬合溫度補償係數m，其中，m＝polyfit(t模nj,ε模nj,1)；其中n∈[1,N]。
本發明由於採用以上技術方案，使之與現有技術相比，具有以下的優點和積極效果：本發明提供的大型基坑支撐體變形自動分析系統及數據分析方法，能夠將監測的應變數據分解為溫度應變、荷載應變、收縮應變和徐變應變，清楚得知各應變的具體數值及所長比例，精確反映基坑施工中基坑支撐體的實際受力情況，實時監控基坑支撐體的變形數據，為基坑安全施工提供保障。
附圖說明
圖1為本發明第一實施例提供的大型基坑支撐體變形自動分析系統的結構框圖；
圖2為本發明第二實施例提供的基坑支撐體測點布置圖；
圖3為支撐體模型的結構示意圖；
圖4為圖3中測點1』的斷面圖；
圖5為本發明中第二鋼筋計與鋼筋串聯連接示意圖；
圖6為本發明第三實施例提供的大型基坑支撐體變形自動分析系統的數據分析方法流程框圖；
圖7為本發明第四實施例提供的基坑支撐體各監測點綜合變形隨時間變化圖；
圖8為本發明第四實施例提供的基坑支撐體變形隨時間變化圖。
圖中標號如下：
基坑支撐體100；第一鋼筋計110；第一混凝土應變計120；支撐體模型200；第二鋼筋計210；主筋211；第二混凝土應變計220；混凝土墊層230；隔離層240；智能監測平臺300；數據接收器310；數據處理器320；圖形輸出模塊321；顯示器330。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本發明提供的大型基坑支撐體變形自動分析系統及數據分析方法作進一步詳細說明。結合下面說明和權利要求書，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，附圖均採用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。
實施例一
請參閱圖1，圖1為本實施例提供的大型基坑支撐體變形自動分析系統的結構框圖。該基坑支撐體100為鋼筋混凝土梁，並在施工現場設置與基坑支撐體100具有相同的截面、相同配筋、相同混凝土標號並同時澆築的支撐體模型200。基坑支撐體的變形自動分析系統，包括若干第一鋼筋計110、第一混凝土應變計120、第二鋼筋計210、第二鋼筋計210、第二混凝土應變計220和智能監測平臺300。其中，第一鋼筋計110，串聯連接於基坑支撐體100的主筋上，用以測量基坑支撐體100主筋的綜合軸力F；第一混凝土應變計120，安放於基坑支撐體100中，用以測量基坑支撐體100的溫度t和綜合應變ε；第二鋼筋計210，串聯連接於支撐體模型200的主筋上，用以測量支撐體模型200主筋的綜合軸力F模；第二混凝土應變計220，安放於支撐體模型200中，用以測量支撐體模型200的溫度t模和綜合應變ε模；智能監測平臺300，包括數據接收器310、數據處理器320和顯示器330；其中，數據接收器310分別與第一鋼筋計110、第一混凝土應變計120、第二鋼筋計210、第二混凝土應變計220相連接，用以接收所述測量數據F、F模、t、t模、ε、ε模；數據處理器320與數據接收器310相連，內部預設計算公式，將第一混凝土應變計120的綜合應變ε分解為溫度應變εt、荷載應變εT、收縮應變εP、徐變應變εc；顯示器330，用以顯示監測數據及測量數據的分解數據。
優選的實施方式為，數據處理器內部預設的計算公式包括，
εt＝m·(t-t0)；
εc＝ε-εt-εT-εP。
其中，m為溫度補償係數，為一常數；
t0、t模0—分別第一混凝土應變計和第二混凝土應變計的初始溫度；
—為第二混凝土應變計的溫度應變；
Es、As—分別為鋼筋的彈性模量及與第一鋼筋計串聯主筋的斷面面積；
FT—為第一鋼筋計的荷載軸力，FT＝F-F模。
需要說明的是，第一鋼筋計110與第二鋼筋計210僅是為了標示所處位置的不同，其結構、工作原理均相同。目前，鋼筋計都是通過串聯連接於構件的主筋上，通過採集的鋼筋計頻率數據，換算出某根鋼筋所受軸力，具體公式為：其中，Fs為鋼筋計對應軸力；f0為初始頻率；fi實時頻率；k為鋼筋計係數。
前述的綜合軸力F、F模均是通過第一鋼筋計110、第二鋼筋計210的頻率數據換算而來。鋼筋計測量數值的影響因素，可以分為荷載因素和非荷載因素，其中非荷載因數主要包括溫度、混凝土收縮，混凝土徐變對鋼筋計的影響可以忽略，另外，支撐體模型200上未作用軸向荷載，故不考慮支撐體模型的荷載軸力。因此，F包括溫度軸力Ft、收縮軸力FP、荷載軸力FT，而F模僅包括溫度軸力收縮軸力而且截面結構相同、同時澆築、環境條件相近的情形下，因此，公式中基坑支撐體的荷載軸力FT的計算公式可選為FT＝F-F模。
還需要說明的是，第一混凝土應變計120的讀數受到荷載因素以及溫度、混凝土收縮、混凝土徐等非荷載因素的影響，因此綜合應變ε＝εt+εT+εP+εc；第二混凝土應變計，未有軸向荷載，同時在沒有軸向荷載的情形下，徐變應變很小，故可以忽略不計，因此
優選為，所述數據處理器320還包括圖形輸出模塊321，繪製並呈現基坑支撐體100的應變、變形隨時間變化的曲線圖。這樣有助於我們更加方便、更直觀地了解基坑支撐體應力、應變情況。
實施例二
相對於實施例一，優選的實施方式為，在基坑支撐體100上設置q個測點，每個測點的橫斷面的鋼筋籠上、下、左、右四個方位的主筋上各串聯連接一個第一鋼筋計110，每個測點橫斷面的中心處布設一個第一混凝土應變計120；在支撐體模型200上選取S個測點，每個測點橫斷面的鋼筋籠上、下、左、右四個方位的主筋上各串聯連接一個第二鋼筋計210，每個測點橫斷面中心處布設一個第二混凝土應變計220。每個測點上取四個第一鋼筋計的平均值作為基坑支撐體100在該測點上的應力，每個測點上取四個第二鋼筋計的平均值作為支撐體模型200在該測點上的應力。該布置方式，可以更加全面且更加合理地監測基坑支撐體100上的各測點的應力和應變數據。下面對照圖2至圖5作進一步介紹。
圖2為本實施例提供的基坑支撐體測點布置圖，基坑的開挖採取分層分區開挖，並設置基坑支撐體100。圖中基坑支撐體100採用鋼筋混凝土結構，選取一根長為220m的主梁，選取10個測點對該基坑支撐體100進行監測，分別為測點C1-C10。測點的選取方式為，基坑支撐體100由縱向立柱支撐，在兩根立柱之間的基坑支撐體上，靠近立柱支點1/3位置設置測點，如測點C1和C10；在施工縫的兩側布設測點，如測點C2和C3、測點C5和C6、測點C8和C9；在基坑支撐體交叉處選取測點，如測點C4和C7。
圖3為與圖2中支撐體模型200的結構示意圖，支撐體模型200與基坑支撐體100具有相同的截面、相同的配筋、相同的混凝土配比、相同的溫度溼度環境，並與基坑支撐體100一起澆築。作為舉例，支撐體模型200長度為4m，在距離一端1m、3m處分別設置測點1』、測點2』，每個測點上均設置有第二鋼筋計210和第二混凝土應變計220。其中，支撐體模型200底部設置10cm厚的C15混凝土墊層230，在支撐體模型200與墊層230之間設置有隔離層240，隔離層240至上而下依次為油氈隔離層、潤滑油膏、油氈隔離層。設置平整的墊層230可以防止支撐體模型200在軟土上出現受力不均的情況，隔離層240可降低墊層230對支撐體模型200的溫度、收縮效應產生影響。
圖4為圖3中測點1』的斷面圖，由於各測點的橫斷面均相同，故以圖3中測點1』的橫斷面圖舉例說明。在支撐體模型200的鋼筋籠的上下左右四個方位的靠近中部的主筋上分別串聯連接1個第二鋼筋計210，該鋼筋應力計210用於監測各主筋的應力數據，取四個第二鋼筋計210的平均值作為測點1』的應力；在鋼筋籠的靠近橫斷面的中心位置設置一個第二混凝土應變計220，該混凝土應變計220用於監測支撐體模型的應變數據和溫度數據。因圖4為橫斷面圖，故主筋僅顯示為一個圓點，為了更好第說明第二鋼筋計210與主筋的連接方式，請參閱圖5，圖5為本發明中第二鋼筋計210與主筋211串聯連接示意圖，第二鋼筋計210的兩端分別焊接在兩根主筋211上，與兩根主筋211串聯在一起。
實施例三
請參閱圖6，圖6為本發明提供的一種大型基坑支撐體變形自動分析系統的數據分析方法的流程框圖，下邊結合圖1至圖5，對數據分析方法做進一步描述。該數據分析方法包括如下步驟：
S1.綁紮基坑支撐體100的鋼筋籠，選取q個測點，每個測點橫斷面的鋼筋籠上、下、左、右四個方位的鋼筋上各串聯連接一個第一鋼筋計110，每個測點橫斷面的中心處布設一個第一混凝土應變計120。其中，第一鋼筋計110的型號與主筋尺寸相配套。作為舉例，如圖2中所示，基坑支撐體100上共設置有10個測點，即q＝10。第一鋼筋計110可設置在兩個主筋的接頭處，也可以斷開一根主筋，然後將第一鋼筋計110焊接在缺口處。
S2.在施工現場綁紮支撐體模型200的鋼筋籠，選取S個測點，每個測點橫斷面的鋼筋籠上、下、左、右四個方位的鋼筋上各串聯連接一個第二鋼筋計210，每個測點橫斷面的中心處布設一個第二混凝土應變計220，並同時澆築基坑支撐體100、支撐體模型200所需的混凝土，使支撐體模型100與基坑支撐體200具有相同的截面形狀及配筋。作為舉例，如圖3中所示，支撐體模型200上共設置有2個測點，即S＝2。在施工現場，使支撐體模型200與基坑支撐體100具有大致相同的環境中，儘可能消除外界環境的差異。支撐體模型200下鋪設混凝土墊層230，在支撐體模型200與墊層230之間設置有隔離層240，隔離層240至上而下依次為油氈隔離層、潤滑油膏、油氈隔離層。
S3.將第一鋼筋計110、第一混凝土應變計120、第二鋼筋計210和第二混凝土應變計220與智能監測平臺300連接，並記錄第一混凝土應變計120、第二混凝土應變計220的初始溫度t0j、t模0h。其中：t0j—為基坑支撐體第j測點的初始溫度，j∈[1,q]；t模0h—分別為分別為i時刻支撐體模型h測點的溫度數據h∈[1,S]。工程中，鋼筋應力計常採用振弦式鋼筋應力計。工程中常用埋入式混凝土應變計，使用頻率作為輸出信號，抗幹擾能力強；並且內置溫度傳感器，對外界溫度影響產生的變化進行溫度修正；每個傳感器內部有計算晶片，自動對測量數據進行換算而直接輸出物理量。第一鋼筋計110、第一混凝土應變計120、第二鋼筋計210和第二混凝土應變計220均通過導線引出，導線的另一端與智能監測平臺300相連接；在設置有無線傳輸、接收模塊時，也可以採用無線傳輸方式。
需要說明的是，所謂i時刻為某一測量時刻，該時刻可人為選擇，也可是預設方式的某一時刻，如預設每間隔一小時讀取一次測量數據並對綜合應變進行分析。
S4.所述智能監測平臺300分別計算所述第一鋼筋計110的綜合軸力Fij及第一混凝土應變計120的綜合應變εij、監測溫度tij，和所述第二鋼筋鋼筋計210的綜合軸力F模i及所述第二混凝土應變計的綜合應變ε模ih、監測溫度t模ih。其中：Fij—為i時刻基坑支撐體第j測點的各第一鋼筋計的平均軸力，εij—為i時刻基坑支撐體第j測點的綜合變形，tij—為i時刻基坑支撐體第j測點的監測溫度，F模i—為i時刻支撐體模型各測點的所有第二鋼筋計的平均軸力，ε模ih—為i時刻支撐體模型第j測點的綜合變形，t模ih—i時刻支撐體模型第h測點的監測溫度。
需要說明的是，在基坑支撐體100每個測點均設置了4個第一鋼筋計110，因此，綜合軸力Fijn為測點的第n個第一鋼筋計110由頻率換算的鋼筋綜合軸力。支撐體模型200上共S個測點，每個測點設置4個第二鋼筋計210，因此
S5.將i時刻基坑支撐體100的j測點的綜合應變εij分解為溫度應變荷載應變收縮應變徐變應變包括如下步驟：
S5-1.計算i時刻基坑支撐體100的j測點的溫度應變
S5-2.計算i時刻基坑支撐體j測點的荷載應變其中：
S5-3.計算i時刻基坑支撐體j測點的收縮應變
S5-4.計算i時刻基坑支撐體j測點的徐變應變
其中，m為溫度補償係數；Es、As—分別為鋼筋的彈性模量與鋼筋的斷面面積。
其中，公式FT＝F-F模、ε＝εt+εT+εP+εc、在實施例一中進行了說明，此處不再贅述。
通過該實施例，我們將i時刻基坑支撐體j測點的綜合應變εij通過智能監測平臺自動分解為溫度應變荷載應變收縮應變徐變應變實現對基坑支撐體100的應變數據實時監測，並清楚掌握其中的各因素在綜合應變中所佔比例，為有效降低綜合應變提供依據。
為了更直觀地反映基坑支撐體100的變形情況，我們有必要將應變數據轉化為變形數據。優選的實施方式為，步驟S5之後還包括，S6：將第i天所述基坑支撐體上第j測點的溫度應變荷載應變收縮應變徐變應變變轉化為溫度變形荷載變形收縮變形徐變變形計算公式為：其中，lj為測點j所涉及基坑支撐體的長度；基坑支撐體總長作為舉例，如圖2中所示，測點為10個，即P＝10，測點1所涉及的長度l1為基坑支撐體一端至測點1與測點2的中點處的距離；測點2一側為施工縫，則測點2所涉及的長度l2為測點1與測點2的中點至測點2的距離。
進一步，步驟S5中的溫度補償係數m為一常數，獲取方式為：(1)具有相同斷面、相同配筋、相同混凝土標號的支撐體模型的溫度補償係數也相近，因此，可參考以往工程中計算的溫度補償係數。(2)可通過測量方式獲取，測量方法包為：待90天後支撐體模型200的混凝土收縮應變ε模p趨於穩定，測得混凝土應變ε模主要由溫度應變ε模t引起，選取N個特徵試驗天，測量混凝土第n天的應變數據ε模nj、t模nj，採用一次線性回歸擬合溫度補償係數m，其中，m＝polyfit(t模nj,ε模nj,1)；作為舉例，施工中支撐體模型200如圖3、圖4所示，測點1』、測點2』採用方式(1)測算的m值分別為3.318和3.602，取平均值3.46。
實施例四
請參閱圖7和圖8，其中，圖7為本實施例提供的基坑支撐體各監測點綜合變形隨時間變化圖，圖8為本實施例提供的基坑支撐體綜合變形、荷載變形、徐變變形、溫度變形、收縮變形隨時間變化圖。
在施工中，基坑支撐體上設置10個監測點，各測點布置如圖2所示。圖7反映了各測點所涉及基坑支撐體的長度內的變形量隨時間變化圖，測點最大的變形可達到12.5mm。如圖8所示，基坑支撐體整個長度上，綜合變形在第68天、第86-89天約為60mm，荷載變形最大值出現在第60天約為30mm，徐變變形最大值約為22mm，溫度變形最大值約為16mm，收縮變形最大值約為4mm。
綜上所述，本發明通過在施工現場澆築與基坑支撐體100同截面、同配筋、同混凝土配比的支撐體模型200，並在基坑支撐體100、支撐體模型200中分別設置與只能監測平臺300相連的第一鋼筋計110和第一混凝土應變計120、第二鋼筋計210、第二混凝土應變計220，從而將監測的綜合變形數據分解為荷載變形、徐變變形、溫度變形、收縮變形等。本發明提供的大型基坑支撐體變形自動分析系統及數據分析方法，能夠很清晰地反映出荷載因素及溫度、混凝土徐變、混凝土收縮等非荷載因素對基坑支撐體100的影響，能夠為針對性降低綜合應變提供依據，從而為基坑施工提供安全保障，而且具有結構簡單、施工方便的優點。
上述描述僅是對本發明較佳實施例的描述，並非對本發明範圍的任何限定，本發明領域的普通技術人員根據上述揭示內容做的任何變更、修飾，均屬於權利要求書的保護範圍。