公路施工深基坑变形实时监测坍塌预警系统的制作方法

本发明涉及基坑工程安全监测，具体涉及公路施工深基坑变形实时监测坍塌预警系统。

背景技术：

1、随着我国交通基础设施建设的快速发展，公路工程中的深基坑施工日益增多，尤其是在邻近既有交通线的拼接拓宽路段，常采用“半幅通车、半幅施工”的组织模式。深基坑工程具有地质条件复杂、施工工序多变、周边环境敏感等特点，施工过程中极易发生坍塌事故，造成重大人员伤亡和财产损失。因此，建立科学有效的深基坑变形实时监测预警系统具有重要的工程实用价值。

2、在拼接拓宽路段中，支护桩两侧土体性质存在显著差异，一侧为原状硬土（既有路面下的老路基），另一侧为松软回填土（新建路基）。这种先天性的土体非对称分布导致新旧路基之间产生差异沉降，使支护桩承受不对称土压力。在此非对称荷载作用下，桩身弯矩反弯点将发生漂移，不再位于设计理论所预期的常规深度位置。当前工程实践中，监测点通常依据规范要求布设于桩顶和桩底等常规部位，这种布设方式会直接导致反弯点漂移后实际最大剪力截面的力学响应完全落入监测盲区。该最大剪力截面恰恰是桩身最危险的破坏面，其失效模式表现为突发性脆性剪切断裂，由于该处剪应力持续积累而无任何变形前兆，监测曲线上呈现变形反应平淡而内力持续趋险的异常特征，破坏发生时毫无预兆。

3、为此，本发明提供公路施工深基坑变形实时监测坍塌预警系统。

技术实现思路

1、为了弥补现有技术的不足，解决背景技术中所提出的至少一个技术问题，本发明提供公路施工深基坑变形实时监测坍塌预警系统，针对拼接拓宽路段半幅通车、半幅施工条件下，支护桩因两侧土体非对称导致反弯点漂移、最大剪力截面偏离规范布点范围而突发无预兆脆性剪切断裂的核心问题，通过耦合差异沉降速率与最大剪力截面深度追踪反弯点漂移，结合危险截面动态识别与加密布设、脆性前兆特征捕捉及主控失效模式判别，实现从风险判定到预警输出的全链条闭环监测。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：公路施工深基坑变形实时监测坍塌预警系统，包括以下模块：

3、风险判定模块：采集支护桩桩顶差异沉降速率和桩身最大剪力截面深度，并进行耦合分析，判断支护桩是否存在非对称土压力引发的反弯点漂移-脆性剪切破坏风险；

4、诱因识别模块：若存在反弯点漂移-脆性剪切破坏风险，对非对称土压力内力响应进行多工况时序切分比对分析，识别非对称土主导诱因；

5、测点优化模块：基于多断面钢筋应力实测数据求解支护桩最大剪力截面深度，统计不同工况下最大剪力截面深度变化区间，并与现有测点布设位置进行空间叠加分析，识别监测盲区，输出新增测点布设范围；

6、模式判别模块：同步采集支护桩变形与内力数据，并通过比对分析识别脆性失效前兆，基于实测弯矩与剪力分布，分别计算延性弯曲失效潜力指数与脆性剪切失效潜力指数，并通过比对分析输出主控失效模式；

7、预警输出模块：基于主控失效模式动态分配预警指标权重，结合非对称土主导诱因触发预警，并输出预警信息。

8、进一步的，所述支护桩是否存在非对称土压力引发的反弯点漂移-脆性剪切破坏风险的判断方式为：

9、以固定采样周期读取静力水准仪读数，以环形缓存队列和滑移时间窗口维护实时数据，通过一元线性回归拟合计算差异沉降速率；

10、同步读取分布式应变传感数据，根据弯矩与剪力的微分关系，通过逐段数值差分求解剪力分布，经单向扫描获取剪力绝对值最大值与深度位置；

11、将实测差异沉降速率与预设沉降速率比较，同时计算实测最大剪力截面深度与设计理论反弯点深度之间的绝对偏差量，并与预设偏差量比较；

12、若实测差异沉降速率大于等于预设沉降速率，且绝对偏差量大于等于预设偏差量，则判断存在非对称土压力引发的反弯点漂移-脆性剪切破坏风险。

13、进一步的，所述非对称土主导诱因的识别方式为：

14、将非对称土压力的诱因拆解为五类，并预设五个工况标记时间窗口，识别各工况起止时间，提取各工况时段内的最大剪力与反弯点深度；

15、五类工况包括初始完工状态、开挖至设计深度状态、差异沉降稳定状态、重车通行高峰状态、降雨后状态；

16、以初始完工状态为基准计算各工况最大剪力增量及贡献占比，将贡献占比最大的工况判定为主导诱因，并在工况切换、主导诱因衰减或非主导诱因增强时自动触发重新判定；

17、当降雨事件与重车通行高峰时段重叠或间隔小于预设时间差时，将降雨软化和重车动载合并为组合主导诱因进行判定。

18、进一步的，所述不同工况下最大剪力截面深度变化区间的统计过程为：

19、读取沿支护桩各深度断面预埋的钢筋应力计实测应变数据，逐断面求解弯矩值并扫描剪力分布，将剪力绝对值最大的深度位置标记为最大剪力截面深度；

20、汇总不同工况条件下历次求解得到的最大剪力截面深度形成历史数据集，经极值分析提取最小深度值和最大深度值，构成最大剪力截面深度变化区间。

21、进一步的，所述监测盲区的识别方式为：

22、读取支护桩上已安装的全部点式传感器的深度坐标，形成现有测点深度序列，以相邻两个测点的深度坐标为一组生成各监测间隙区间；

23、将最大剪力截面深度变化区间与各监测间隙区间进行空间叠合分析，判断是否存在重叠；

24、对于存在重叠的监测间隙区间，将最大剪力截面深度变化区间与监测间隙区间进行交集运算并计算交集长度，将交集长度大于等于预设最小空间分辨率的监测间隙区间判定为存在监测盲区。

25、进一步的，所述新增测点布设范围的输出方式为：

26、将所有存在监测盲区的监测间隙区间取并集，对相邻间隔满足要求的盲区区间进行合并处理，形成加密布设范围；

27、在加密布设范围内按不超过桩身直径一倍的空间间隔均匀排布新增测点的具体深度位置，输出新增测点布设方案。

28、进一步的，所述脆性失效前兆的识别方式为：

29、在同一时间基准下同步采集支护桩桩顶水平位移绝对值、位移变化速率以及桩身最大弯矩和最大剪力；

30、将位移变化速率与预设位移变化速率比较，判断是否处于低位平稳状态，将最大剪力变化速率与剪力突变率预警值比较，判断是否处于高位上升状态；

31、当同时满足位移速率低位平稳而剪力速率高位上升时，判定存在脆性失效前兆。

32、进一步的，所述延性弯曲失效潜力指数与脆性剪切失效潜力指数的计算过程为：

33、读取当前时刻实测桩身最大弯矩值，并与设计文件给出的截面极限抗弯承载力值相除，得到弯矩逼近系数；

34、读取当前时刻实测桩顶最大水平位移值，并与设计文件给出的允许水平位移值相除，得到位移逼近系数；

35、将弯矩逼近系数与位移逼近系数相乘，得到延性弯曲失效潜力指数；

36、脆性剪切失效潜力指数=（实测最大剪力/截面极限抗剪承载力）/（1+贡献系数×箍筋实测应变/箍筋屈服应变）；

37、其中，实测最大剪力为当前时刻全桩长范围内剪力绝对值的最大值，截面极限抗剪承载力为设计文件给出的支护桩截面的抗剪承载力极限值，箍筋实测应变为布设于桩身箍筋上的应变计当前时刻的实测应变值，箍筋屈服应变为箍筋材料开始发生塑性变形时的应变值，贡献系数为系统预设常数。

38、进一步的，所述主控失效模式的判断方式为：

39、将延性弯曲失效潜力指数与脆性剪切失效潜力指数进行比较，当脆性剪切失效潜力指数大于延性弯曲失效潜力指数时，判定主控失效模式为脆性剪切失效；

40、反之则判定主控失效模式为延性弯曲失效。

41、进一步的，所述基于主控失效模式动态分配预警指标权重的过程为：

42、将脆性剪切失效潜力指数除以延性弯曲失效潜力指数得到潜力比值；

43、当潜力比值大于一时按潜力比值/(潜力比值+1)和1/(潜力比值+1)的比例分配剪力指标权重和位移指标权重；

44、当潜力比值小于等于一时切换为位移指标主控模式；

45、分别计算剪力指标超限程度和位移指标超限程度，与对应权重相乘后比较得出主控判定指标；

46、当主控判定指标的加权超限程度大于等于预警触发阈值时触发预警，输出包含主导诱因类型、主控判定指标名称、加权超限程度的预警信息。

47、本发明的有益效果如下：

48、将差异沉降速率与最大剪力截面深度耦合判定，使反弯点漂移这一传统监测盲区被实时感知，同时基于实测数据统计最大剪力截面深度变化区间，自动识别监测盲区并输出加密布设方案，确保最危险截面始终处于有效覆盖范围；

49、通过识别位移速率平稳而剪力速率攀升的异常匹配关系，在桩身外观变形尚未显现时即可捕捉脆性剪切失效的独有前兆，实现破坏发生前的有效预警；

50、量化分离开挖卸荷、重车动载、降雨软化等多因素贡献占比，准确定位主导诱因，使预警信息明确指向风险从何而来，为现场采取针对性工程措施提供直接依据；

51、定量判别主控失效模式并据此动态调整剪力指标与位移指标的预警权重，确保预警灵敏度始终指向最迫切的破坏路径，避免脆性风险被低估或漏报。