一种多源数据融合的房屋地基沉降预警方法与系统与流程

本发明涉及建筑健康监测，特别是一种多源数据融合的房屋地基沉降预警方法与系统。

背景技术：

1、房屋地基沉降的根因形成于地基与基础施工阶段，而现有检测技术多聚焦于建筑主体完工后的表观沉降观测与结构损伤识别，监测手段以单一物理量为主，未能将基坑施工期支护结构内力响应、周边土体渗流场演化及地表三维形变进行同步关联。由于基坑开挖引起的地层扰动具有显著的时空传递特性，且施工期沉降一旦固化则运营期难以逆转，而传统方法缺乏对支护-土体-地下水三场耦合作用机制的有效建模，导致多源异构监测数据与地层空间结构之间存在语义断层，沉降异常成因难以追溯，预警响应滞后于风险演化。尤其在复杂地层组合条件下，现有技术无法刻画沉降在层位节点间的传播路径与强度，难以实现由“成因定位”到“路径预判”的跨越，制约了房屋地基质量从被动事后检测向主动事前预警的能力提升。

技术实现思路

1、针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种多源数据融合的房屋地基沉降预警方法与系统，旨在通过构建地层结构模型与三场耦合的沉降传播图谱，实现多源监测数据在层位节点上的深度语义融合，准确刻画沉降风险的演化路径与贡献程度，提升房屋质量监测的预判能力与预警准确性。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种多源数据融合的房屋地基沉降预警方法，包括：

4、获取目标房屋建筑基坑支护结构的内力响应数据、所述基坑周边土体的渗流场监测数据以及所述基坑周边地表的三维形变监测数据；

5、基于所述基坑的地质勘察数据构建地层结构模型，将所述内力响应数据、所述渗流场监测数据以及所述三维形变监测数据按照地层空间坐标映射至所述地层结构模型的对应层位节点，形成多源数据驱动的地层节点状态矩阵；

6、根据所述地层节点状态矩阵中各层位节点在多源数据耦合作用下的沉降关联关系，构建支护-土体-地下水三场耦合的沉降传播图谱，所述沉降传播图谱的边权表征相邻层位节点间沉降影响传递强度；

7、基于所述沉降传播图谱中各层位节点的沉降贡献度与所述支护结构的安全度，确定房屋风险等级并触发分级预警。

8、优选地，所述获取目标房屋建筑基坑支护结构的内力响应数据、所述基坑周边土体的渗流场监测数据以及所述基坑周边地表的三维形变监测数据包括：

9、通过布设于基坑支撑构件、围护墙体及锚索受力部位的传感器，采集所述支护结构的轴力、弯矩及预应力数据，以作为所述内力响应数据；

10、通过渗压计阵列及水位监测井获取基坑开挖影响范围内的孔隙水压力及地下水位梯度，以作为所述渗流场监测数据；

11、利用三维激光扫描设备或gnss监测阵列获取基坑周边地表在预设采样周期内的空间位移矢量，以作为所述三维形变监测数据。

12、优选地，基于所述基坑的地质勘察数据构建地层结构模型包括：

13、提取所述地质勘察数据中的钻孔柱状图，获取各土层的物理力学参数，并利用空间插值算法重构所述基坑各土层分界面的三维包络曲面以划分三维地层空间；

14、根据三维地层空间中每一地层空间的厚度分布，按预设步长进行栅格化处理以确立多个层位节点；

15、将所述物理力学参数映射至对应的层位节点，得到第一地层结构模型。

16、优选地，将所述内力响应数据按照地层空间坐标映射至所述地层结构模型的对应层位节点包括：

17、获取所述内力响应数据对应的内力监测点的空间坐标，所述内力监测点包括布设于支撑构件的轴力监测点、围护墙体的弯矩监测点以及锚索受力部位的预应力监测点；

18、计算每一所述内力监测点与所述第一地层结构模型中各层位节点的三维空间距离；

19、根据所述三维空间距离，按照基于空间衰减函数的加权分配策略，将所述内力响应数据映射至距离最近的一个或多个层位节点，作为所述层位节点的内力响应分量；

20、其中，所述加权分配策略包括：根据所述内力监测点与所述层位节点之间的距离，通过指数衰减函数计算映射权重，将所述内力监测点的内力响应数据按照所述映射权重分配至邻近层位节点，得到各所述层位节点的受力约束属性。

21、优选地，将所述渗流场监测数据按照地层空间坐标映射至所述地层结构模型的对应层位节点包括：

22、获取所述渗流场监测数据对应的渗流监测点的空间坐标，所述渗流监测点包括渗压计阵列布设点及水位监测井位置；

23、提取所述第一地层结构模型中处于每一所述渗流监测点所在的地层空间范围内的层位节点集合；

24、基于所述渗流监测点的空间坐标及各所述层位节点的空间坐标，利用反距离加权插值算法将所述渗流场监测数据分配至所述层位节点集合中的各所述层位节点，得到各所述层位节点的渗流场分量；

25、其中，所述反距离加权插值算法包括：对于第j个层位节点，其渗流场分量由第j个层位节点预设邻域范围内的各渗流监测点的监测值加权平均得到，权重与所述渗流监测点到第j个层位节点的空间距离成反比，得到各所述层位节点的渗流驱动属性。

26、优选地，将所述三维形变监测数据按照地层空间坐标映射至所述地层结构模型的对应层位节点包括：

27、获取所述三维形变监测数据对应的地表监测点的水平空间坐标；

28、基于所述水平空间坐标，在所述第一地层结构模型的水平投影面上确定目标层位节点，所述目标层位节点为水平坐标与所述地表监测点最接近且位于最上层地层空间内的层位节点；

29、将所述三维形变监测数据中的竖向位移分量及水平位移分量，垂直投影至所述目标层位节点，作为所述目标层位节点的地表形变分量；

30、其中，若同一目标层位节点对应多个地表监测点，则对所述多个地表监测点的三维形变监测数据取均值或按监测精度加权平均后，作为当前目标层位节点的地表形变分量，得到各所述层位节点的位移边界属性。

31、优选地，根据所述地层节点状态矩阵中各层位节点在多源数据耦合作用下的沉降关联关系，构建支护-土体-地下水三场耦合的沉降传播图谱包括：

32、确定所述地层结构模型中各层位节点的空间邻接关系，所述空间邻接关系包括同一地层空间内相邻层位节点之间的水平邻接关系以及相邻地层空间之间层位节点的垂向邻接关系；

33、对于每一对具有空间邻接关系的层位节点，基于所述地层节点状态矩阵提取源节点与目标节点的多源状态向量，计算所述源节点与所述目标节点在受力约束属性、渗流驱动属性及位移边界属性上的耦合差异度；

34、根据所述耦合差异度、所述源节点与所述目标节点所属地层的渗透系数比值、支护结构刚度耦合系数以及所述源节点与所述目标节点之间的空间距离，计算所述源节点向所述目标节点的沉降传播概率，作为所述沉降传播图谱的边权；

35、将所述沉降传播概率与预设传播阈值进行比较，若所述沉降传播概率大于所述预设传播阈值，则在所述源节点与所述目标节点之间建立有向传播边，所述有向传播边的方向由沉降影响源指向沉降影响目标；

36、遍历所有具有空间邻接关系的层位节点对，基于所述有向传播边及对应的边权，构建所述支护-土体-地下水三场耦合的沉降传播图谱。

37、优选地，将所述沉降传播概率与预设传播阈值进行比较包括：

38、设定第一传播阈值与第二传播阈值，且第一传播阈值小于第二传播阈值；

39、若沉降传播概率不小于第二传播阈值，则判定层位节点向层位节点存在强沉降传播路径，所述有向传播边标记为强传播边；

40、若沉降传播概率不小于第一传播阈值且小于第二传播阈值，则判定层位节点向层位节点存在中等沉降传播路径，所述有向传播边标记为中等传播边；

41、若沉降传播概率小于第一传播阈值，则判定层位节点向层位节点之间不存在有效沉降传播路径，不建立有向传播边。

42、优选地，所述第一传播阈值与第二传播阈值满足关系式：

43、；

44、；

45、其中，表示第一传播阈值，表示第二传播阈值，表示基础阈值，表示当前基坑开挖深度，表示参考开挖深度，表示围护墙等效刚度，表示参考刚度，和表示深度修正系数，表示刚度修正系数。

46、一种多源数据融合的房屋地基沉降预警系统，包括：

47、数据采集模块，用于获取目标房屋建筑基坑支护结构的内力响应数据、所述基坑周边土体的渗流场监测数据以及所述基坑周边地表的三维形变监测数据；

48、数据融合模块，用于基于所述基坑的地质勘察数据构建地层结构模型，将所述内力响应数据、所述渗流场监测数据以及所述三维形变监测数据按照地层空间坐标映射至所述地层结构模型的对应层位节点，形成多源数据驱动的地层节点状态矩阵；

49、图谱构建模块，用于根据所述地层节点状态矩阵中各层位节点在多源数据耦合作用下的沉降关联关系，构建支护-土体-地下水三场耦合的沉降传播图谱，所述沉降传播图谱的边权表征相邻层位节点间沉降影响传递强度；

50、风险预警模块，用于基于所述沉降传播图谱中各层位节点的沉降贡献度与所述支护结构的安全度，确定房屋风险等级并触发分级预警。

51、上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

52、本发明通过同步采集基坑支护结构内力、周边土体渗流场及地表三维形变三类异构监测数据，将房屋质量检测的数据维度从单一表观位移拓展至结构受力、地下水渗流与地表形变的协同感知层面，从而突破传统监测手段因数据源割裂导致的成因追溯盲区；随后基于地质勘察数据构建地层结构模型，将多源异构数据按照地层空间坐标映射至对应层位节点，使离散的监测数据获得了地层语义归属与空间一致性约束，解决了异构数据与地质结构之间的语义断层问题；依据层位节点在多源数据耦合作用下的沉降关联关系构建支护-土体-地下水三场耦合的沉降传播图谱，并以边权显式量化相邻层位节点间沉降影响的传递强度，使原本隐含的沉降演化过程转化为可解释的传播路径，实现了从单点异常报警向链式传播预判的跨越；最终通过综合评估层位节点的沉降贡献度与支护结构的安全度进行风险分级，将地层变形传播趋势与支护系统的承载冗余进行联动判定，使预警机制同时兼顾土体扰动演化与支护结构响应，显著提升了房屋地基质量预警的物理可解释性与工程针对性，有效支撑了施工期房屋安全的主动防控。