地下连续墙变形风险预警系统及预警方法与流程

1.本发明涉及一种地下连续墙变形风险预警系统及预警方法。


背景技术：

2.近年来随着地下空间蓬勃发展，地下工程开挖深度不断加大。地下连续墙作为基坑围护结构因具有良好的承载能力和抗弯刚度得到广泛应用。为了保证施工安全，施工过程需对地下连续墙水平位移是否满足设计限值进行监测，从而防止地下连续墙因侧向变形过大引发基坑坍塌事故。可是在实际施工中，深基坑工程地下连续墙水平位移实测值有时会大于设计限值，导致此情况下地下连续墙安全状态评估多依赖工程技术人员施工经验，缺少力学性能定量分析，从而增加施工风险。为解决上述问题，提出了一种地下连续墙变形风险预警系统及预警方法。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种地下连续墙变形风险预警系统及预警方法，解决了目前基坑工程施工时多只对地下连续墙水平位移是否满足设计限值进行监测，而缺少受力构件力学性能智能分析，从而出现地下连续墙水平位移实测值大于设计限值时，施工技术人员无法评估地下连续墙变形风险的问题。
4.本发明的第一方面提供了一种地下连续墙变形风险预警方法，其包括步骤：
5.采集地下连续墙水平位移实测值、钢筋混凝土材料性能、地下连续墙配筋信息；
6.计算地下连续墙截面弯矩与抗弯承载力设计值的比值，定义为内力抗力比p；
7.将所述内力抗力比p与地下连续墙变形高、中、低风险等级对应的内力抗力比限值p
高
、p
中
、p
低
进行比较，得到地下连续墙变形风险等级，并自动发送预警信息。
8.作为本发明预警方法的实施方式，判断地下连续墙变形风险等级的规则为：
9.若内力抗力比p大于等于p
低
且小于p
中
，地下连续墙处于变形低风险等级；
10.若内力抗力比p大于等于p
中
且小于p
高
，地下连续墙处于变形中风险等级；
11.若内力抗力比p大于等于p
高
，地下连续墙处于变形高风险等级。
12.作为本发明预警方法的实施方式，所述钢筋混凝土材料性能包括以下基本参数：钢筋弹性模量、钢筋强度设计值、混凝土弹性模量、混凝土轴心抗压强度设计值、混凝土立方体抗压强度标准值、混凝土轴心抗拉强度标准值。
13.作为本发明预警方法的实施方式，所述地下连续墙配筋信息包括以下信息：地下连续墙类型名称以及对应的地下连续墙厚度、混凝土强度等级和开挖面处的混凝土保护层厚度、纵向主筋配筋详情；其中所述纵向主筋配筋详情进一步包括以下参数：钢筋名称以及对应的钢筋直径、间距、起止标高和牌号。
14.作为本发明预警方法的实施方式，计算所述内力抗力比p包括以下步骤：
15.s1、定义地下连续墙变形高、中、低风险等级对应的内力抗力比限值p
高
、p
中
、p
低
；
16.s2、根据地下连续墙水平位移实测值形成实测曲线，采用循环判断拟合优度法对
地下连续墙水平位移实测曲线进行自动拟合，得到拟合优度r2满足要求时的地下连续墙水平位移拟合公式；
17.s3、根据所述地下连续墙水平位移拟合公式计算地下连续墙水平位移曲率，求得地下连续墙水平位移实测最大值附近对应的地下连续墙水平位移曲率最大值以及所处的地下连续墙深度h
′
，所述地下连续墙水平位移曲率等于负号乘以所述地下连续墙水平位移拟合公式的二阶导数；
18.s4、结合所述钢筋混凝土材料性能和所述地下连续墙配筋信息计算所述地下连续墙深度h
′
对应的截面抗弯刚度和抗弯承载力设计值；
19.截面抗弯刚度按式(1)计算：
[0020][0021]
式中：e
c
为混凝土弹性模量；i0为截面惯性矩；b为截面宽度，按单位长度计算；x为受压区高度，按计算；α
e
为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值；a
s
为受拉区纵向普通钢筋的截面面积；h0为截面有效高度；
[0022]
截面抗弯承载力设计值按式(2)计算：
[0023][0024]
式中：m
u
为抗弯承载力设计值；α1为当混凝土强度等级不超过c50时，α1取为1.0，当混凝土强度等级为c80时，α1取为0.94，其间按线性内插法确定；f
c
为混凝土轴心抗压强度设计值；
[0025]
s5、根据所述地下连续墙水平位移曲率最大值与对应的所述截面抗弯刚度的乘积得到地下连续墙截面弯矩最大值，进而求得所述地下连续墙截面弯矩最大值与所述抗弯承载力设计值的比值，定义为内力抗力比p。
[0026]
作为本发明预警方法的实施方式，步骤s2进一步包括以下步骤：
[0027]
s21、采用最小二乘法对地下连续墙水平位移实测曲线进行多项式拟合，计算拟合优度r2；拟合优度按式(3)计算：
[0028][0029]
式中：y
i
为地下连续墙水平位移实测值；为地下连续墙实测水平位移平均值；为地下连续墙水平位移拟合值；
[0030]
s22、若拟合优度r2满足要求，则停止计算，所述多项式为地下连续墙水平位移拟合公式；
[0031]
s23、若拟合优度r2不满足要求，则对深度位于的地下连续墙水平位移实测曲线进行多次拟合，循环计算拟合优度r2，判断是否满足要求，其中，i为循环变量，取初始值为δ的递减等差数列，h为地下连续墙水平位移实测最大值对应的地下连续墙深度；
[0032]
s24、直到计算得到的拟合优度r2满足要求，停止循环计算，则最后一次计算得到的多项式为地下连续墙水平位移拟合公式。
[0033]
作为本发明预警方法的实施方式，步骤s23进一步包括：
[0034]
若取
[0035]
若取
[0036]
其中，h
min
为地下连续墙最小深度，h
max
为地下连续墙最大深度。
[0037]
本发明的第二方面提供了一种地下连续墙变形风险预警系统，其包括：
[0038]
数据采集模块，用于收集地下连续墙水平位移实测值、钢筋混凝土材料性能、地下连续墙配筋信息；
[0039]
数据处理模块，用于计算地下连续墙截面弯矩与抗弯承载力设计值的比值，定义为内力抗力比p；
[0040]
风险预警模块，用于将内力抗力比p与地下连续墙变形高、中、低风险等级对应的内力抗力比限值p
高
、p
中
、p
低
进行比较，得到地下连续墙变形风险等级，并自动发送预警信息。
[0041]
作为本发明预警系统的实施方式，所述数据采集模块包括：
[0042]
地下连续墙水平位移自动采集装置，用于按监测频率自动采集地下连续墙水平位移实测值；
[0043]
钢筋混凝土材料性能数据库，用于定义钢筋混凝土材料性能基本参数；
[0044]
地下连续墙配筋信息采集模块，用于采集地下连续墙配筋信息。
[0045]
作为本发明预警系统的实施方式，所述风险预警模块定义有地下连续墙变形高、中、低风险等级对应的内力抗力比限值p
高
、p
中
、p
低
。
[0046]
本发明的积极进步效果在于：通过对地下连续墙的力学性能进行智能分析，得到地下连续墙截面弯矩最大值与抗弯承载力设计值的比值，并与地下连续墙变形高、中、低风险等级对应的内力抗力比限值p
高
、p
中
、p
低
进行比较，得到地下连续墙变形风险等级，从而解决地下连续墙水平位移实测值大于设计限值时，施工技术人员无法对地下连续墙安全状态进行评估的问题。
附图说明
[0047]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0048]
图1为本发明一种地下连续墙变形风险预警系统的示例性示意图。
[0049]
图2为本发明一种地下连续墙变形风险预警方法的示例性流程图。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征
可以相互组合。
[0051]
应当理解，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0052]
本发明提供了一种地下连续墙变形风险预警系统及预警方法，解决了目前基坑工程施工时多只对地下连续墙水平位移是否满足设计限值进行监测，而缺少受力构件力学性能智能分析，从而出现地下连续墙水平位移实测值大于设计限值时，施工技术人员无法评估地下连续墙变形风险的问题。
[0053]
首先参考图1，本发明一种地下连续墙变形风险预警系统1包括数据采集模块11、数据处理模块12和风险预警模块13。
[0054]
数据采集模块11包括地下连续墙水平位移自动采集装置111、钢筋混凝土材料性能数据库112和地下连续墙配筋信息采集模块113。以某工程为例，在数据采集模块11的钢筋混凝土材料性能数据库112输入常用钢筋混凝土材料的钢筋弹性模量、钢筋强度设计值、混凝土弹性模量、混凝土轴心抗压强度设计值、混凝土立方体抗压强度标准值、混凝土轴心抗拉强度标准值等基本参数。在数据采集模块11的地下连续墙配筋信息采集模块113输入地下连续墙水平位移自动采集装置111放置位置对应的开挖面处地下连续墙配筋信息，包括地下连续墙类型名称以及对应的地下连续墙厚度、混凝土强度等级和开挖面处的混凝土保护层厚度、纵向主筋配筋详情等信息。其中，纵向主筋配筋详情包括钢筋名称以及对应的钢筋直径、间距、起止标高和牌号等参数。在风险预警模块13输入地下连续墙变形高、中、低风险等级对应的内力抗力比限值p
高
＝0.7、p
中
＝0.5、p
低
＝0.3。
[0055]
根据数据采集模块11的地下连续墙水平位移自动采集装置111获取的地下连续墙水平位移实测值形成实测曲线。采用最小二乘法对地下连续墙水平位移实测曲线进行多项式拟合，拟合公式为y＝5
×
10
‑
26
x6‑1×
10
‑
20
x5 1
×
10
‑
15
x4‑6×
10
‑
11
x3 1
×
10
‑6x2‑
0.0012x 7.949，拟合优度r2＝0.9952。
[0056]
其中，拟合优度按式(3)计算：
[0057][0058]
式中：y
i
为地下连续墙水平位移实测值；为地下连续墙实测水平位移平均值；为地下连续墙水平位移拟合值。
[0059]
该拟合优度不满足限定拟合优度0.998的要求，故对地下连续墙深度位于的地下连续墙水平位移实测曲线进行多次拟合，循环计算拟合优度r2，直到拟合优度r2大于等于0.998，停止计算。i为循环变量，取初始值为δ(δ＝100)的
递减等差数列；同时，若取若则取
[0060]
在本实施例中，当i取100时拟合优度r2＝0.9997满足限定拟合优度0.998的要求，则这次计算得到的多项式
[0061]
y＝
‑7×
10
‑
25
x6 9
×
10
‑
20
x5‑4×
10
‑
15
x4 8
×
10
‑
11
x3‑5×
10
‑7x2 0.0057x 1.7011为地下连续墙水平位移拟合公式。
[0062]
数据处理模块12根据地下连续墙水平位移拟合公式对其求二阶导数自动计算地下连续墙水平位移曲率，求得地下连续墙水平位移实测最大值附近对应的地下连续墙水平位移曲率最大值为8.023
×
10
‑7mm
‑1以及所处的地下连续墙深度h
′
为22m。结合数据采集模块11的钢筋混凝土材料性能数据库112和地下连续墙配筋信息采集模块113，自动计算地下连续墙水平位移曲率最大值所在地下连续墙深度h
′
(22m)对应的截面抗弯刚度为2.64
×
10
15
n
·
mm2和抗弯承载力设计值为6.45
×
109n
·
mm。
[0063]
其中，截面抗弯刚度按式(1)计算：
[0064][0065]
式中：e
c
为混凝土弹性模量；i0为截面惯性矩；b为截面宽度，按单位长度计算；x为受压区高度，按计算；α
e
为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值；a
s
为受拉区纵向普通钢筋的截面面积；h0为截面有效高度；
[0066]
截面抗弯承载力设计值按式(2)计算：
[0067][0068]
式中：m
u
为抗弯承载力设计值；α1为当混凝土强度等级不超过c50时，α1取为1.0，当混凝土强度等级为c80时，α1取为0.94，其间按线性内插法确定；f
c
为混凝土轴心抗压强度设计值。
[0069]
根据地下连续墙水平位移曲率最大值与对应的截面抗弯刚度的乘积得到地下连续墙截面弯矩最大值为2.12
×
109n
·
mm。进而将地下连续墙截面弯矩最大值与抗弯承载力设计值相比，得到内力抗力比p为0.33。
[0070]
风险预警模块13将内力抗力比p与地下连续墙风险高、中、低风险等级对应的内力抗力比限值p
高
(0.7)、p
中
(0.5)、p
低
(0.3)进行比较，得出地下连续墙处于低风险等级，系统自动发送地下连续墙低风险预警信息。
[0071]
其中，判断地下连续墙所处风险等级的规则为：
[0072]
若内力抗力比p大于等于p
低
且小于p
中
，地下连续墙处于变形低风险等级；若内力抗力比p大于等于p
中
且小于p
高
，地下连续墙处于变形中风险等级；若内力抗力比p大于等于p
高
，地下连续墙处于变形高风险等级。
[0073]
本发明通过对地下连续墙的力学性能进行智能分析，得到地下连续墙截面弯矩最
大值与抗弯承载力设计值的比值，并与地下连续墙变形高、中、低风险等级对应的内力抗力比限值p
高
、p
中
、p
低
进行比较，得到地下连续墙变形风险等级，从而解决地下连续墙水平位移实测值大于设计限值时，施工技术人员无法对地下连续墙安全状态进行评估的问题。
[0074]
再参考图2，本发明一种地下连续墙变形风险预警方法如下：
[0075]
s1、在数据采集模块的钢筋混凝土材料性能数据库定义常用钢筋混凝土材料性能基本参数。在数据采集模块的地下连续墙配筋信息采集模块定义地下连续墙水平位移自动采集装置放置位置对应的开挖面处地下连续墙配筋信息。在风险预警模块定义地下连续墙变形高、中、低风险等级对应的内力抗力比限值p
高
、p
中
、p
低
。
[0076]
s2、为提高地下连续墙水平位移拟合曲线与实测曲线的吻合程度，在数据处理模块采用循环判断拟合优度法对地下连续墙水平位移实测曲线进行自动拟合。
[0077]
首先，根据数据采集模块的地下连续墙水平位移自动采集装置获取的地下连续墙水平位移实测值形成实测曲线，找到水平位移实测最大值对应的地下连续墙深度h、地下连续墙最小深度h
min
和地下连续墙最大深度h
max
。
[0078]
然后，采用最小二乘法对地下连续墙水平位移实测曲线进行多项式拟合，计算拟合优度r2。
[0079]
拟合优度按式(3)计算：
[0080][0081]
式中：y
i
为地下连续墙水平位移实测值；为地下连续墙实测水平位移平均值；为地下连续墙水平位移拟合值。
[0082]
s21、若拟合优度r2满足要求，则停止计算，该多项式为地下连续墙水平位移拟合公式。
[0083]
s22、若拟合优度r2不满足要求，则对地下连续墙深度位于的地下连续墙水平位移实测曲线进行多次拟合，循环计算拟合优度r2，判断其是否满足要求。其中i为循环变量，取初始值为δ的递减等差数列；同时，若取若则取
[0084]
直到计算得到的拟合优度r2满足要求，停止循环计算，则最后一次计算得到的多项式为地下连续墙水平位移拟合公式。
[0085]
s3、数据处理模块根据地下连续墙水平位移拟合公式自动计算地下连续墙水平位移曲率，求得地下连续墙水平位移实测最大值附近对应的地下连续墙水平位移曲率最大值以及所处的地下连续墙深度h
′
，地下连续墙水平位移曲率等于负号乘以地下连续墙水平位移拟合公式的二阶导数。
[0086]
s4、结合数据采集模块的钢筋混凝土材料性能数据库和地下连续墙配筋信息采集模块，数据处理模块自动计算地下连续墙水平位移曲率最大值所在地下连续墙深度h
′
对应的截面抗弯刚度和抗弯承载力设计值。
[0087]
截面抗弯刚度按式(1)计算：
[0088][0089]
式中：e
c
为混凝土弹性模量；i0为截面惯性矩；b为截面宽度，按单位长度计算；x为受压区高度，按计算；α
e
为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值；a
s
为受拉区纵向普通钢筋的截面面积；h0为截面有效高度；
[0090]
截面抗弯承载力设计值按式(2)计算：
[0091][0092]
式中：m
u
为抗弯承载力设计值；α1为当混凝土强度等级不超过c50时，α1取为1.0，当混凝土强度等级为c80时，α1取为0.94，其间按线性内插法确定；f
c
为混凝土轴心抗压强度设计值。
[0093]
根据地下连续墙水平位移曲率最大值与对应的截面抗弯刚度的乘积得到可得地下连续墙截面弯矩最大值。随后，计算地下连续墙截面弯矩最大值与抗弯承载力设计值的比值，即内力抗力比p。
[0094]
s5、风险预警模块将p与地下连续墙变形高、中、低风险等级对应的内力抗力比限值p
高
、p
中
、p
低
进行比较，得到地下连续墙变形风险等级，且自动发送预警信息。
[0095]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0096]
本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。