CN115081311A - 一种基坑支护监测预警方法及基坑支护监测预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基坑支护技术领域，公开了一种基坑支护监测预警系统，包括软件模型体系、现场支护体系、变形监测体系、安全预警体系和图形数字显示体系，还公开了一种基坑支护监测预警方法，包括以下步骤：S1、地质资料输入；S2、土体模型建立；S3、支护结构模型建立；S4、支护结构现场布置；S5、变形监测建立；S6、安全预警建立。本发明通过地质资料输入、土体模型建立、支护结构模型建立、支护结构现场布置、变形监测建立和安全预警建立的加固方法，从而通过模型与作业现场的相结合，对基坑进行动态监测，从而在空间、时间上全面地反映各种因素下支护结构以及轴突土体应力、位移的影响，实现基坑的开挖过程中的安全性。

Description

一种基坑支护监测预警方法及基坑支护监测预警系统

技术领域

本发明涉及基坑支护技术领域，具体是一种基坑支护监测预警方法及基坑支护监测预警系统。

背景技术

随着城市的快速发展，土地资源日趋紧张，人们开发地下空间，包括地下室、地铁、地下车库、防空洞等，这些都需要开挖基坑，而在城市地区，通常没有条件进行放坡开挖，而需要进行带有支护系统的基坑开挖，特别是针对软土地基、地下水位高，其容易发生失稳现象，可能造成重大安全和质量事故，因此，基坑支护监测预警系统尤为重要。

中国专利公开了一种深基坑支护结构的稳定性检测预警方法(授权公告号CN104452836A)，该专利技术改变了传统位移时序预测法仅仅选取滑坡位移或位移速率作为监测和评价参数的思路，将开挖基坑加卸载所产生的动力荷载的变化值与基坑位移或位移速率进行同步监测与计算，并给出了具体的耦合监测预警值，但是其没有实现模型与作业现场的相结合，从而不能全面地反映受到因素对基坑变形的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基坑支护监测预警方法及基坑支护监测预警系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基坑支护监测预警系统，包括软件模型体系、现场支护体系、变形监测体系、安全预警体系和图形数字显示体系，所述软件模型体系由地质资料模块、支护结构模型模块和土体模型模块组成，所述软件模型体系用于输入地址资料，并建立基坑的土体模型和支护结构模型，根据土体模型和支护结构模型计算基坑的变形应力和荷载；

所述现场支护体系用于根据施工图进行现场开挖支护布置，并安装监测点；

所述变形监测体系用于对支护结构的位移进行计算，并对基坑支护结构位移的输出和输入数据进行映射；

所述安全预警体系用于在基坑监测过程中的异常情况进行安全预警；

所述图形数字显示体系用于显示监测的数据、图像和列表。

一种基坑支护监测预警方法，包括以下步骤：

S1、地质资料输入：根据勘察文件输入该基坑周边的地质资料；所述地质资料包括各个勘测孔的平面坐标、竖向土层标高、各个土层的物理力学指标；

S2、土体模型建立：根据基坑土体的土层、开挖深度、开挖断面将基坑分割成等价的有限单元组合，定义各个有限单元组合的坐标位置和刚度矩阵，并建立平衡方程，计算出有限单元组合的坐标位移和载荷；

S3、支护结构模型建立：定义和布置支护、支撑、锚固结构类型以及载荷大小；根据输入的地质资料和土体模型对支护、支撑、锚固结构进行单元划分和编号，并进行单元分类和归并，计算各单元的刚度矩阵，计算各单元承受的主动土压力以及外部载荷压力，根据各单元的刚度矩阵以及坐标位置建立平衡方程，计算出支护、支撑、锚固结构各坐标的位移和载荷；

S4、支护结构现场布置：根据支护结构模型数据完成基坑支护体系的施工图绘制，按照施工图在施工现场对基坑进行支护作业，并布置监测点，监测与采集基坑数据；

S5、变形监测建立：基于实测数据为学习的样本的神经网络预测方法建立神经网络预测模型，对支护结构的位移进行计算，利用神经网络的高度映射能力和计算能力，实现基坑支护结构位移的输出和输入参数进行映射；

S6、安全预警建立：通过支护结构安全预警体系在监测过程中进行安全预警，当超过安全报警值时或监测值出现异常变化时进行预警，提醒监测人员及时纠偏处理，并通过图形数字显示体系进行显示。

作为本发明再进一步的方案：所述S5步骤中输入参数包括：基坑面积、基坑宽长比、基坑深度、土的重度、内摩擦角、粘聚力、支撑类型、支撑道数、地下水位和地面荷载；

所述S5步骤中输出参数包括：墙顶最大水平位移、墙体最大水平位置、竖向位移、周边地表沉降、坑底土体隆起。

作为本发明再进一步的方案：所述S6步骤中图形数字显示体系由前处理模块、求解模块和后处理组成：所述前处理用于读取并建立模型，选择单元类型，定义材料类型，分配材料属性，划分网格，指定荷载步；

所述求解模块用于定义分析类型；指定荷载步，开始求解，重复荷载选项，求解后续荷载步；

所述后处理用于显示变形形状，显示等值线，显示列表。

作为本发明再进一步的方案：所述S2步骤中平衡方程的计算公式如下：

[k]{δ}＝[R] (1)

上式(1)中，[k]为整体刚度矩阵；{δ}为各坐标的位移；[R]为坐标荷载。

作为本发明再进一步的方案：所述S2步骤中土体的载荷强度的计算公式如下：

上式(2)中，a为粘聚力和内摩擦角

相关的参数，

I₁为应力张量的第一不变量，I₁＝σ₁+σ₂+σ₃；J₂为应力偏量的第二不变量，J₂＝1/6[(σ₁-σ₂)²+(σ₁-σ₃)²+(σ₂-σ₃)²]；σ₁、σ₂、σ₃为有效应力。

作为本发明再进一步的方案：所述支护结构安全预警体系由学习样本库、实际变位模型、预警指标体系、通过安全预警分析模块、报警决策模块和数据监测与采集模块组成。

作为本发明再进一步的方案：所述支护结构安全预警体系的工作流程包括以下步骤：

S11、收集同类地区基坑的监测和采集的数据实例构建学习样本库；

S12、通过数据监测与采集模块输入本基坑的相关参数，并将神经网络预测模型和数据监测与采集模块进行反演分析，建立实际变位模型；并对实际变位值进行预测；

S13、根据现行法律、规范、标准控制值建立指标体系，并设置安全报警值；

S14、通过安全预警分析模块将实际变位预测值与安全报警值进行分析比较，并发送至报警决策模块，判断是否需要进行报警。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明通过软件模型体系、现场支护体系、变形监测体系、安全预警体系和图形数字显示体系对基坑进行支护和监测，通过地质资料输入、土体模型建立、支护结构模型建立、支护结构现场布置、变形监测建立和安全预警建立的加固方法，从而通过模型与作业现场的相结合，对基坑进行动态监测，从而在空间、时间上全面地反映各种因素下支护结构以及轴突土体应力、位移的影响，实现基坑的开挖过程中的安全性。

附图说明

图1为一种基坑支护监测预警系统的结构示意图；

图2为一种基坑支护监测预警方法的流程示意图；

图3为一种基坑支护监测预警系统中安全预警体系的工作流程示意图。

具体实施方式

请参阅图1～3，本发明实施例中，一种基坑支护监测预警系统，包括软件模型体系、现场支护体系、变形监测体系、安全预警体系和图形数字显示体系，软件模型体系由地质资料模块、支护结构模型模块和土体模型模块组成，软件模型体系用于输入地址资料，并建立基坑的土体模型和支护结构模型，根据土体模型和支护结构模型计算基坑的变形应力和荷载；

现场支护体系用于根据施工图进行现场开挖支护布置，并安装监测点；

变形监测体系用于对支护结构的位移进行计算，并对基坑支护结构位移的输出和输入数据进行映射；

安全预警体系用于在基坑监测过程中的异常情况进行安全预警；

图形数字显示体系用于显示监测的数据、图像和列表。

一种基坑支护监测预警方法，包括以下步骤：

S1、地质资料输入：根据勘察文件输入该基坑周边的地质资料；地质资料包括各个勘测孔的平面坐标、竖向土层标高、各个土层的物理力学指标；

S2、土体模型建立：根据基坑土体的土层、开挖深度、开挖断面将基坑分割成等价的有限单元组合，定义各个有限单元组合的坐标位置和刚度矩阵，并建立平衡方程，计算出有限单元组合的坐标位移和载荷；

S3、支护结构模型建立：定义和布置支护、支撑、锚固结构类型以及载荷大小，可以为计算提供数据，为施工图提供结构构件的精确尺寸；根据输入的地质资料和土体模型对支护、支撑、锚固结构进行单元划分和编号，并进行单元分类和归并，计算各单元的刚度矩阵，计算各单元承受的主动土压力以及外部载荷压力，根据各单元的刚度矩阵以及坐标位置建立平衡方程，计算出支护、支撑、锚固结构各坐标的位移和载荷；

S4、支护结构现场布置：根据支护结构模型数据完成基坑支护体系的施工图绘制，按照施工图在施工现场对基坑进行支护作业，并布置监测点，监测点包括测斜管、沉降监测点、钢筋计，监测与采集基坑数据；

S5、变形监测建立：基于实测数据为学习的样本的神经网络预测方法建立神经网络预测模型，对支护结构的位移进行计算，利用神经网络的高度映射能力和计算能力，实现基坑支护结构位移的输出和输入参数进行映射；

S6、安全预警建立：通过支护结构安全预警体系在监测过程中进行安全预警，当超过安全报警值时或监测值出现异常变化时进行预警，提醒监测人员及时纠偏处理，并通过图形数字显示体系进行显示。

优选的，S5步骤中输入参数包括：基坑面积、基坑宽长比、基坑深度、土的重度、内摩擦角、粘聚力、支撑类型、支撑道数、地下水位和地面荷载；根据支护结构类型还可以包括基坑开挖标高、侧壁重要性系数、基坑边线各顶点坐标；桩、墙、梁、内支撑的截面类型、材料，锚杆和联系梁的类型；桩、墙、锚杆和联系梁的数量；各个桩、墙的控制坐标；顶面标高及长度，水平支撑层数及标高，锚杆和联系梁的控制坐标；

S5步骤中输出参数包括：墙顶最大水平位移、墙体最大水平位置、竖向位移、周边地表沉降、坑底土体隆起。

优选的，S6步骤中图形数字显示体系由前处理模块、求解模块和后处理组成：前处理用于读取并建立模型，选择单元类型，定义材料类型，分配材料属性，划分网格，指定荷载步；

求解模块用于定义分析类型；指定荷载步，开始求解，重复荷载选项，求解后续荷载步；

后处理用于显示变形形状，显示等值线，显示列表。

优选的，S2步骤中平衡方程的计算公式如下：

[k]{δ}＝[R] (1)

上式(1)中，[k]为整体刚度矩阵；{δ}为各坐标的位移；[R]为坐标荷载。

优选的，S2步骤中土体的载荷强度的计算公式如下：

上式(2)中，a为粘聚力和内摩擦角

相关的参数，

I₁为应力张量的第一不变量，I₁＝σ₁+σ₂+σ₃；J₂为应力偏量的第二不变量，J₂＝1/6[(σ₁-σ₂)²+(σ₁-σ₃)²+(σ₂-σ₃)²]；σ₁、σ₂、σ₃为有效应力。

优选的，支护结构安全预警体系由学习样本库、实际变位模型、预警指标体系、通过安全预警分析模块、报警决策模块和数据监测与采集模块组成。

优选的，支护结构安全预警体系的工作流程包括以下步骤：

S11、收集同类地区基坑的监测和采集的数据实例构建学习样本库；

S12、通过数据监测与采集模块输入本基坑的相关参数，并将神经网络预测模型和数据监测与采集模块进行反演分析，建立实际变位模型；并对实际变位值进行预测；

S13、根据现行法律、规范、标准控制值建立指标体系，并设置安全报警值；

S14、通过安全预警分析模块将实际变位预测值与安全报警值进行分析比较，并发送至报警决策模块，判断是否需要进行报警；报警的模式包括影响结构安全单因素超限报警、结构系统安全注意报警和结构系统安全紧急报警。

以上的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基坑支护监测预警系统，包括软件模型体系、现场支护体系、变形监测体系、安全预警体系和图形数字显示体系，其特征在于，所述软件模型体系由地质资料模块、支护结构模型模块和土体模型模块组成，所述软件模型体系用于输入地址资料，并建立基坑的土体模型和支护结构模型，根据土体模型和支护结构模型计算基坑的变形应力和荷载；

所述现场支护体系用于根据施工图进行现场开挖支护布置，并安装监测点；

所述变形监测体系用于对支护结构的位移进行计算，并对基坑支护结构位移的输出和输入数据进行映射；

所述安全预警体系用于在基坑监测过程中的异常情况进行安全预警；

所述图形数字显示体系用于显示监测的数据、图像和列表。

2.一种实现权利要求1所述的基坑支护监测预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、地质资料输入：根据勘察文件输入该基坑周边的地质资料；所述地质资料包括各个勘测孔的平面坐标、竖向土层标高、各个土层的物理力学指标；

S2、土体模型建立：根据基坑土体的土层、开挖深度、开挖断面将基坑分割成等价的有限单元组合，定义各个有限单元组合的坐标位置和刚度矩阵，并建立平衡方程，计算出有限单元组合的坐标位移和载荷；

S3、支护结构模型建立：定义和布置支护、支撑、锚固结构类型以及载荷大小；根据输入的地质资料和土体模型对支护、支撑、锚固结构进行单元划分和编号，并进行单元分类和归并，计算各单元的刚度矩阵，计算各单元承受的主动土压力以及外部载荷压力，根据各单元的刚度矩阵以及坐标位置建立平衡方程，计算出支护、支撑、锚固结构各坐标的位移和载荷；

S4、支护结构现场布置：根据支护结构模型数据完成基坑支护体系的施工图绘制，按照施工图在施工现场对基坑进行支护作业，并布置监测点，监测与采集基坑数据；

S5、变形监测建立：基于实测数据为学习的样本的神经网络预测方法建立神经网络预测模型，对支护结构的位移进行计算，利用神经网络的高度映射能力和计算能力，实现基坑支护结构位移的输出和输入参数进行映射；

S6、安全预警建立：通过支护结构安全预警体系在监测过程中进行安全预警，当超过安全报警值时或监测值出现异常变化时进行预警，提醒监测人员及时纠偏处理，并通过图形数字显示体系进行显示。

3.根据权利要求2所述的一种基坑支护监测预警方法，其特征在于，所述S5步骤中输入参数包括：基坑面积、基坑宽长比、基坑深度、土的重度、内摩擦角、粘聚力、支撑类型、支撑道数、地下水位和地面荷载；

所述S5步骤中输出参数包括：墙顶最大水平位移、墙体最大水平位置、竖向位移、周边地表沉降、坑底土体隆起。

4.根据权利要求2所述的一种基坑支护监测预警方法，其特征在于，所述S6步骤中图形数字显示体系由前处理模块、求解模块和后处理组成：所述前处理用于读取并建立模型，选择单元类型，定义材料类型，分配材料属性，划分网格，指定荷载步；

所述求解模块用于定义分析类型；指定荷载步，开始求解，重复荷载选项，求解后续荷载步；

所述后处理用于显示变形形状，显示等值线，显示列表。

5.根据权利要求2所述的一种基坑支护监测预警方法，其特征在于，所述S2步骤中平衡方程的计算公式如下：

[k]{δ}＝[R] (1)

上式(1)中，[k]为整体刚度矩阵；{δ}为各坐标的位移；[R]为坐标荷载。

6.根据权利要求2所述的一种基坑支护监测预警方法，其特征在于，所述S2步骤中土体的载荷强度的计算公式如下：

上式(2)中，a为粘聚力和内摩擦角

相关的参数，

I₁为应力张量的第一不变量，I₁＝σ₁+σ₂+σ₃；J₂为应力偏量的第二不变量，J₂＝1/6[(σ₁-σ₂)²+(σ₁-σ₃)²+(σ₂-σ₃)²]；σ₁、σ₂、σ₃为有效应力。

7.根据权利要求2所述的一种基坑支护监测预警方法，其特征在于，所述支护结构安全预警体系由学习样本库、实际变位模型、预警指标体系、通过安全预警分析模块、报警决策模块和数据监测与采集模块组成。

8.根据权利要求7所述的一种基坑支护监测预警方法，其特征在于，所述支护结构安全预警体系的工作流程包括以下步骤：

S11、收集同类地区基坑的监测和采集的数据实例构建学习样本库；

S12、通过数据监测与采集模块输入本基坑的相关参数，并将神经网络预测模型和数据监测与采集模块进行反演分析，建立实际变位模型；并对实际变位值进行预测；

S13、根据现行法律、规范、标准控制值建立指标体系，并设置安全报警值；

S14、通过安全预警分析模块将实际变位预测值与安全报警值进行分析比较，并发送至报警决策模块，判断是否需要进行报警。

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