一种内支撑的监测预警预报方法与流程

本申请涉及基坑监测工程技术领域，尤其是涉及一种内支撑的监测预警预报方法。

背景技术：

部分基坑施工过程中，需要在基坑中布设相应的支撑体系来对基坑进行支撑防护。目前，常用的支撑体系主要包括用于防护基坑侧壁土体的支护构件、沿基坑内壁周长方向设置的连系梁以及呈水平状安装于基坑内的内支撑构件。其中，支护构件主要为支护桩、支护墙等，且支护构件为竖直设置，用于对基坑侧壁的土体进行防护；连系梁主要为压顶梁、腰梁等，且连系梁与支护构件相连接；内支撑构件的两端均连接于连系梁上，且内支撑构件用于维持对基坑内壁水平方向的支撑力，以达到对基坑进行支撑防护的目的。

随着基坑开挖深度越来越大，所处环境越来越复杂，通常需要对支撑体系的支撑情况进行监测，以保证支撑体系的安全性与稳定性。其中，内支撑构件作为维持支撑力的主要部件，通常应对内支撑构件的内部应力进行监测预警。

相关技术中，内支撑轴力的监测预警方法主要包括以下步骤：1、在内支撑构件中选定监测点布设应力计，由应力计获得监测点的轴力数据；2、将轴力数据传输至预警系统；3、预警系统中预设有预警值，将轴力数据与预警值进行比较，当轴力数据大于预警值时发出预警。其中，预警系统中的预警值通常是根据内支撑构件受到的荷载计算所得的固定值。

针对上述中的相关技术，发明人认为：在实际工况中，内支撑构件受到的荷载值会因环境的影响而发生变化，仅采用固定的预警值进行预警存在一定的安全隐患。

技术实现要素：

为了提升内支撑轴力监测预警的精准性，达到降低安全隐患的目的，本申请提供一种内支撑的监测预警预报方法。

本申请提供的一种内支撑的监测预警预报方法采用如下的技术方案：

一种内支撑的监测预警预报方法，包括以下步骤：

s1、选取监测位置，监测位置包括选在内支撑构件的第一监测点；

s2、建立数据采集系统、数据处理系统和预警处置系统，由数据采集系统获取监测位置的监测数据，监测数据包括第一监测点的温度数据与轴力数据，将采集的温度数据传输至数据处理系统，将采集的轴力数据传输至预警处理系统；

s3、数据处理系统对连续实测的温度进行处理，得到监测时刻的温差值；

s4、数据处理系统通过基坑支撑系统的尺寸数据建立基坑支撑体系三维模型，并在基坑支撑体系三维模型中输入基坑的地层因子和支撑体系的材料因子；

s5、数据处理系统将温差值输入至基坑支撑体系三维模型，处理得到内支撑构件因温度变化所产生的内支撑轴力增量计算值，基于真实值趋近策略由内支撑轴力增量计算值获得内支撑轴力增量最终值，根据内支撑轴力增量最终值与温差值为零时的设计支撑轴力处理得到支撑轴力累加值；

s6、预警处置系统根据各个监测点的内支撑构件的支撑轴力累加值，实时调整各个内支撑构件的实时预警值，预警处理系统根据实时预警值与实测的轴力数据进行比较后实时在线预警。

通过采用上述技术方案，在考虑周边环境温度变化的影响情况下，通过数据处理获得内支撑构件在温度变化情况下的支撑轴力累加值，并以支撑轴力累加值实时调整各个内支撑构件的实时预警值，预警处理系统根据实时预警值与实测的轴力数据进行比较后实时在线预警，能够提升内支撑监测预警的精准性，达到降低安全隐患的目的。

可选的，所述数据处理系统包括支撑体系建模模块，所述支撑体系建模模块包括建模单元和参数设置单元；

所述建模单元，通过输入的支护构件、内支撑构件、连系梁的三维尺寸数据以及地层埋深和厚度建立基坑支撑体系三维模型；

所述参数设置单元，通过输入的支护构件材料因子、内支撑构件材料因子、连系梁材料因子和地层因子建立参数模块。

通过采用上述技术方案，由支撑体系的三维尺寸数据建立基坑支撑体系三维模型，输入支撑体系中各承力件的材料因子与地层因子，这样建立的三维模型更能够体现实际工况下的基坑支撑体系，以使得后续达到更佳的预测结果。

可选的，所述内支撑轴力增量计算值nt1＝f(δt，α，e，a，l，ks，kp，kb)，其中，δt表示温差值；α表示内支撑构件的线膨胀系数；e表示内支撑构件的弹性模量；a表示内支撑构件的截面面积；l表示内支撑构件的长度；ks表示支护构件后侧土体的水平刚度系数；kp表示支护构件侧向水平刚度系数；kb表示连系梁侧向水平刚度系数。

通过采用上述技术方案，当温度发生变化时，内支撑构件自身的长度会发生一定变化，也就是内支撑构件的端部位置会发生变化；相应的，连接于内支撑构件端部的连系梁通过支护构件紧贴在基坑侧壁土体上，基坑侧壁土体会产生阻碍内支撑构件长度变化的抗力；因而，本方案获取内支撑构件因温度变化所产生的内支撑轴力增量时，会同时将温差值、内支撑构件、土体、支护构件和连系梁的材料因子以及土体因子考虑在内，以使获得的内内支撑轴力增量更为贴合实际工况，从而保证监测的精准性。

可选的，数据处理系统基于系数调整策略由土体水平抗力比例系数理论值m0获得土体水平抗力比例系数运用值m；

支护构件后侧土体水平刚度系数ks＝f(m，s，h，z)，其中，m表示土体水平抗力比例系数运用值，s表示内支撑构件水平间距，h表示基坑深度，z表示内支撑构件距基坑顶部的距离；

土体水平抗力比例系数理论值m0＝[m1h1²+m2(h2²-h1²)+…+mn(hn²-hn-1²)]/h²，其中，n表示基坑底部以上的地层总数；m1、m2、…、mn分别表示第一层、第二层、…、第n层土体的水平抗力比例系数；h1、h2、…、hn分别表示第一层、第二层、…、第n层土体的底标高距地面的距离，且hn＝h。

通过采用上述技术方案，根据土体水平抗力比例系数理论值处理得到土体水平抗力比例系数运用值，相比于直接使用土体水平抗力比例系数理论值，具有更大的调节修正空间，以使得处理得到的支护构件后侧土体水平刚度系数更能贴合于实际施工地的情况。

可选的，真实值趋近策略包括获得内支撑轴力增量比较值，确定内支撑轴力增量计算值与内支撑轴力增量比较值之间的差值百分比；若差值百分比小于等于预设阈值，将内支撑轴力增量计算值输出为内支撑轴力增量最终值；若差值百分比大于预设阈值，调整土体水平抗力比例系数运用值。

通过采用上述技术方案，利用真实值趋近策略，能够令支撑轴力增量最终值处理过程中的相关量与实际施工地的实际情况更相符，以使得能够获得更为精准的预警预报效果。

可选的，监测位置还包括第二监测点，第二监测点位于内支撑构件靠近基坑侧壁的支点的后侧土体；数据采集系统获取的监测数据还包括第二监测点的土体水平位移数据，将采集的水平位移数据传输至数据处理系统；将土体水平位置数据输入至基坑支撑体系三维模型，处理得到内支撑轴力增量比较值。

通过采用上述技术方案，利用实际监测的土体水平位置数据处理得到内支撑轴力增量比较值，操作简便，且可根据监测的频次进行多次修正，以使得支撑轴力增量最终值处理过程中的相关量与实际施工地的实际情况更相符。

可选的，支护构件侧向刚度系数kp＝f(epip，s，sp，h，z)，其中，epip表示支护构件的抗弯刚度；s表示内支撑构件水平间距；h表示基坑深度；z表示内支撑构件距基坑顶部的距离；

当支护构件为支护桩时，sp表示支护桩的水平间距；

当支护构件为支护墙时，sp表示单幅支护墙的宽度。

通过采用上述技术方案，根据支撑体系中支护构件的不同形式，能够在数据处理方式不变的情况下，通过选用不同的支护构件型式获得准确的支护构件侧向水平刚度系数，具有良好的适用性。

可选的，连系梁侧向水平刚度系数kb＝f(elil，lab，ai，aj)，其中，elil表示连系梁侧向抗弯刚度；lab表示连系梁长度；ai表示第i根内支撑构件与连系梁连接节点距连系梁端部的距离；aj表示计算内支撑轴力增量的内支撑构件与连系梁的连接节点距连系梁端部的距离；i与j均为自然数，且i与j均不大于同一平面中内支撑构件的总量。

通过采用上述技术方案，同一根连系梁上通常连接有多根内支撑构件，当计算其中一根内支撑构件与连系梁连接节点处的连系梁侧向水平刚度系数时，同样需考虑其他内支撑构件对连系梁的撑力或拉力，以使得处理得到的连系梁侧向水平刚度系数更为精准，从而提高内支撑监测预警的精准性。

可选的，所述预警处置系统包括危险性判定模块和预警预报模块，危险性判定模块根据各个监测点内支撑构件的支撑轴力累加值计算得到各个内支撑构件的实时预警值，根据实时预警值与实测的轴力数据进行危险性等级判定；预警预报模块根据不同的危险性等级进行分级预警预报。

通过采用上述技术方案，划分不同的危险性等级，并对不同的危险性等级进行分级预警预报，可令监测人员形成更加直观的危险印象，同时，低危险等级的预警预报也能够起到良好的提前警示作用，使得监测人员有充足的时间进行防范措施的规划与准确。

可选的，所述危险性判定模块中设有危险性系数，危险性系数c＝n/n0,其中，n表示实时轴力数据，n0表示实时预警值；

当c<0.6时，判定无危险，预警预报模块显示安全；

当0.6≤c<0.8时，判定危险等级为三级，预警预报模块进行黄色预警；

当0.8≤c<1时，判定危险等级为二级，预警预报模块进行橙色预警；

当c≥1时，判定危险等级为一级，预警预报模块进行红色预警。

通过采用上述技术方案，将量化的危险性系数划分为不同的危险区间，并对各个危险区间定位不同的危险等级，根据不同的危险等级进行预警，以使得监测人员能够更加的直观的感受危险程度，并及时做出防范措施。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.能够提升内支撑轴力监测预警的精准性，达到降低安全隐患的目的；

2.将温差值、内支撑构件、土体、支护构件和连系梁的材料因子以及地层因子考虑在内，以使获得的内内支撑轴力增量更为贴合实际工况，从而保证监测的精准性；

3.数据采集便捷，且便于实现实时、在线和准确的监测；

4.根据支撑体系中支护构件的不同形式，能够在数据处理方式不变的情况下，通过选用不同的支护构件型式获得准确的支护构件侧向水平刚度系数，具有良好的适用性；

5.利用真实值趋近策略，能够令支撑轴力增量最终值处理过程中的相关量与实际施工地的实际情况更相符，从而能够获得更精准、可靠的预警预报效果。

附图说明

图1是本申请实施例的工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图1对本申请作进一步详细说明。

实施例1

本申请实施例公开一种内支撑的监测预警预报方法。参照图1，一种内支撑的监测预警预报方法，包括以下步骤：

s1、在基坑的内支撑构件选取第一监测点，在内支撑构件靠近基坑侧壁的支点的后侧土体选取第二监测点。

其中，内支撑构件为钢筋混凝土构件，第一监测点位于内支撑构件的内部；第二监测点位于基坑侧壁的土体内部，且在本实施例中，第二监测点为深部水平位移监测孔。

s2、建立数据采集系统、数据处理系统和预警处置系统，由数据采集系统获取第一监测点的温度数据与轴力数据、第二监测点的土体水平位移数据，并将采集的数据传输至数据处理系统；

具体的，数据采集系统包括数据采集模块和数据传输模块。其中，数据采集模块包括应力计、温度计和固定式测斜仪。应力计和温度计在内支撑构件的浇筑之前安放在内支撑构件内部的第一监测点，用于监测第一监测点的温度数据和轴力数据；固定式测斜仪安放于深部水平位移监测孔中，用于对深部水平位置监测孔各个深度的土体进行监测，得到各个深度的土体水平位移数据。

数据传输模块通过无线传输的方式将数据采集模块采集的数据输送至数据处理系统。

s3、数据处理系统对连续实测的温度进行处理。

具体的，数据处理系统包括温度数据存储分析模块，温度数据存储分析模块用于对温度数据进行存储和分析，以处理得到温差值。

本实施例中，可取监测时段的实测温度最大值和最小值，将最大值和最小值相减，得到监测时刻的温差值；或取监测时刻所测得的温度与支撑刚开始受压时的温度相减，得到监测时刻的温差值。

s4、数据处理系统通过基坑支撑系统的尺寸数据建立基坑支撑体系三维模型，并在基坑支撑体系三维模型中输入基坑的地层因子和支撑体系的材料因子。

具体的，数据处理系统包括支撑体系建模模块，支撑体系建模模块包括建模单元和参数设置单元。

其中，建模单元通过输入的支护构件、内支撑构件、连系梁的三维尺寸数据以及地层埋深和厚度建立基坑支撑体系三维模型。本实施例中，三维尺寸数据主要为各构件的尺寸数据、位置数据和间距数据；具体的，可通过导入基坑支撑体系设计之初的数据完成，也可通过在现场进行立体扫描获取数据。

参数设置单元通过输入支护构件材料因子、内支撑构件材料因子、连系梁材料因子和地层因子等参数建立参数单元。具体的，支护构件材料因子主要包括支护构件的抗弯刚度，内支撑构件材料因子主要包括内支撑构件的抗拉(压)强度和线膨胀系数，连系梁材料因子包括连系梁的抗弯刚度。

地层因子主要包括地层的物理及力学指标，具体的，地层因子包括地层重度、抗剪强度和水平抗力比例系数。

s5、数据处理系统将温差值、土体水平位移数据输入至基坑支撑体系三维模型，处理得到内支撑构件因温度变化所产生的内支撑轴力增量计算值，以及处理得到内支撑轴力增量比较值；基于真实值趋近策略由内支撑轴力增量计算值和内支撑轴力增量比较值获得内支撑轴力增量最终值，根据内支撑轴力增量最终值与温差值为零时的设计轴力处理得到支撑轴力累加值。

具体的，内支撑轴力增量计算值nt1＝f(δt，α，e，a，l，ks，kp，kb)，其中，δt表示温差值；α表示内支撑构件的线膨胀系数；e表示内支撑构件的弹性模量；a表示内支撑构件的截面面积；l表示内支撑构件的长度；ks表示支护构件后侧土体的水平刚度系数；kp表示支护构件侧向水平刚度系数；kb表示连系梁侧向水平刚度系数。

本实施例中，以单道支撑为例，即内支撑构件所处的平面仅为一层的情况下：将支护构件后侧土体、支护构件和连系梁的抗力视为并联弹簧模型进行分析，内支撑轴力增量计算值nt1的计算公式为：

nt1＝αδt/{1/ea+2/[(ks+kp+kb)l]}。

同时，数据处理系统基于系数调整策略由土体水平抗力比例系数理论值m0获得土体水平抗力比例系数运用值m。

具体的，土体水平抗力比例系数理论值m0＝[m1h1²+m2(h2²-h1²)+…+mn(hn²-hn-1²)]/h²,其中，n表示基坑底部以上的地层总数；m1、m2、…、mn分别表示第一层、第二层、…、第n层土体的水平抗力比例系数；h1、h2、…、hn分别表示第一层、第二层、…、第n层土体的底标高距地面的距离，且hn＝h。

本实施例中，系数调整策略包括m＝μm0，其中，m表示土体水平抗力比例系数运用值，m0表示土体水平抗力比例系数理论值，μ表示预设的比例参数。且在本实施例中，μ取100％，即m＝m0。

支护构件后土体水平刚度系数ks＝f(m，s，h，z)，其中，m表示土体水平抗力比例系数，s表示内支撑构件水平间距，h表示基坑深度，z表示内支撑构件距基坑顶部的距离。本实施例中，支护构件后侧土体水平刚度系数ks的计算公式为：

ks＝msh³/[6(h-z)]。

支护构件侧向水平刚度系数kp＝f(epip，s，sp，h，z)，其中，epip表示支护构件的抗弯刚度；s表示内支撑水平间距；h表示基坑深度；z表示内支撑构件距基坑顶部的距离；其中，当支护构件为支护桩时，sp表示支护桩的水平间距，当sp大于土反力计算宽度b0时取b0，当sp小于b0时取sp，b0计算参见《建筑基坑支护技术规程》jgj120—2012；而当支护构件为支护墙时，sp表示单幅支护墙的宽度。本实施例中，支护构件侧向水平刚度系数kp的计算公式为：

kp＝3epips/(h-z)³sp。

连系梁侧向水平刚度系数kb＝f(elil，lab，si、sj、ai，aj)，其中，elil表示连系梁侧向抗弯刚度；lab表示连系梁长度；si表示第i根内支撑构件受力计算间距，具体的，第i根内支撑构件受力计算间距的取值方法为第i根内支撑构件与左右相邻内支撑构件的间距各取一半之和；sj表示计算内支撑轴力增量的内支撑构件受力计算间距，其取值方法与第i根内支撑构件受力计算间距的取值方法相同；ai表示第i根内支撑构件与连系梁连接节点距连系梁端部的距离；aj表示计算内支撑轴力增量的内支撑构件与连系梁的连接节点距连系梁端部的距离；i与j均为自然数，且i与j均不大于同一平面中内支撑构件的总量。本实施例中，连系梁侧向水平刚度系数kb的计算公式为：

同时，真实值趋近策略包括获得内支撑轴力增量比较值，确定内支撑轴力增量计算值与内支撑轴力增量比较值之间的差值百分比；若差值百分比小于等于预设阈值，将内支撑轴力增量计算值输出为内支撑轴力增量最终值；若差值百分比大于预设阈值，调整土体水平抗力比例系数运用值。

即：

|nt1-nt1|/nt2≤τ时，输出nt＝nt1；

|nt1-nt1|/nt2＞τ时，调整m的数值。

上述中，nt1表示内支撑轴力增量计算值，nt2表示内支撑轴力增量比较值，τ表示预设阈值，m表示土体水平抗力比例系数运用值。

具体的，内支撑轴力增量比较值nt2＝ea(αδt-2δ/l)，其中，α为支撑杆件材料线膨胀系数，砼材料取1.0×10^-5/℃，钢材取1.2×10^-5/℃；δ为内支撑构件支点处所对应的土体水平位移数据，δt为温差值；ea为支撑杆件抗拉(压)强度；l为支撑杆件长度。

以τ＝1％作为示例说明，即将nt1与nt2进行对比，若二者差值百分比小于等于1％，直接将内支撑轴力计算值nt1输出为内支撑轴力最终值nt；若二者差值百分比大于1％，则调整土体水平抗力比例系数m的数值，直至nt1和nt2之间的差值百分比小于等于1％时，将内支撑轴力计算值nt1输出为内支撑轴力最终值nt。

此外，内支撑轴力累加值为内支撑轴力增量最终值与支撑零温差设计轴力相加得到。

s6、预警处置系统根据各个监测点的内支撑构件轴力累加值，实时调整各个内支撑构件的实时预警值，预警处理系统根据实时预警值与实测的轴力数据进行比较后实时在线预警。

具体的，预警处置系统包括危险性判定模块和预警预报模块。危险性判定模块根据各个监测点内支撑构件的支撑轴力累加值计算得到各个内支撑构件的实时预警值，根据实时预警值与实测的轴力数据进行危险性等级判定；预警预报模块根据不同的危险性等级进行分级预警预报。

危险性判定模块中设有危险性系数，危险性系数c＝n/n0，其中，n表示实时轴力数据，n0表示实时预警值；

当c＜0.6时，判定无危险，预警预报模块显示安全；

当0.6≤c＜0.8时，判定危险等级为三级，预警预报模块进行黄色预警；

当0.8≤c＜1时，判定危险等级为二级，预警预报模块进行橙色预警；

当c≥1时，判定危险等级为一级，预警预报模块进行红色预警。

实施例2

本申请实施例公开一种内支撑的监测预警预报方法。本实施例中与实施例1的区别在于：

步骤s5中，以多道内支撑为例，即内支撑构件所处的平面为多层的情况下：参照单道支撑温度应力增量计算公式，则第i道内支撑温度应力增量nt(i)计算公式为：

nt(i)＝eiai(αiδt-2δi/li)；

式中，eiai为第i道内支撑抗压(拉)刚度；αi为第i道内支撑构件线膨胀系数；δi为第i道内支撑支点处水平位移；li为第i道内支撑长度。如果令eiaiαiδt＝ξ(i)，2eiai/li＝η(i)，并将[η(i)]拓展为[η(i，j)]，当i＝j时，η(i，j)＝η(i)；当i≠j时，η(i，j)＝0，则第i道内支撑温度应力增量nt(i)计算公式写成矩阵形式为：

[nt(i)]＝[ξ(i)]-[η(i，j)][δi]

将支护构件后侧土体、支护构件和连系梁的抗力视为并联弹簧模型进行分析，利用并联弹簧模型特性，即δi＝xs(i)＝xp(i)和nt(i)＝nts(i)+ntp(i)，并将[ks(i)]拓展成n×n阶矩阵[ks(i，j)]，当i＝j时，ks(i，j)＝ks(i)；当i≠j时，ks(i，j)＝0。于是，得到内支撑温度应力增量矩阵[nt(i)]和支点位移增量矩阵[δi]的另一个关系式为：

[nt(i)]＝[ks(i，j)+k′p(i，j)][δi]

同时，支护构件后侧土体在内支撑支点处的综合水平刚度系数ks(i)＝f(m，s，h，z)，其中，m表示土体水平抗力比例系数运用值，s表示内支撑构件水平间距，h表示基坑深度，z表示内支撑构件距基坑顶部的距离。本实施例中，支护构件后土体水平刚度系数ks(i)的计算公式为：

式中，

支护构件侧向水平刚度系数kp(i，j)＝f(epip，si，sp，h，z)，其中，epip表示支护构件的抗弯刚度；si为第i道内支撑水平间距；h表示基坑深度；z表示内支撑构件距基坑顶部的距离；其中，当支护构件为支护桩时，sp表示支护桩的水平间距；而当支护构件为支护墙时，sp表示单幅支护墙的宽度。本实施例中，支护构件侧向水平刚度系数kp的关系式可选用如下计算公式：

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。