浅谈自动化远程无线监测技术在港航工程中的应用

发表时间:2016/5/27   来源:《工程建设标准化》2016年2月供稿   作者:邬家琪 欧阳研研
[导读] (1,2.上海港湾工程质量检测有限公司,上海,200120) 随着国家经济高速的发展,港航工程建设不断加大,特别是防波堤、海堤、围堤吹填项目。

(1,2.上海港湾工程质量检测有限公司,上海,200120)
 
        【摘  要】随着国家经济高速的发展,港航工程建设不断加大,特别是防波堤、海堤、围堤吹填项目。然而,这些工程大多位于风浪较大的外海,自然条件和地基条件都比较恶劣,这对工程建设单位和现场工程人员的施工带来了困难和挑战。工程监测既能为现场科学施工提供数据支撑,又能为施工单位科学地控制施工速率提供依据,确保生产安全和效率。尤其是近年来,自动化远程无线监测技术在工程中的应用使业主单位、监理单位、施工单位能够实时掌握现场施工过程中的监测数据变化,提高了工程监测的时效性。
        【关键词】自动化;无线监测;港航工程

一、工程概况
        1.1工程概述
        本工程位于江苏某沿海城市,结构为斜坡式防波堤。工程主要对一港池至六港池泊位区起掩护作用。堤长7833.54m,监测工期24个月。为了提高监测精度,使监测工作不干扰施工,监测传感器埋设不穿透面层砂被,同时能更快速、并全天候条件下获取监测数据,本工程监测工作采用自动化无线远程监测方式。测设4个监测断面,每个监测断面分为内侧、堤心、外侧三个监测部位,设如下监测项目:
        ① 岸侧、堤心、海侧原泥面表层沉降观测;
        ② 堤心原泥面下深层土体分层沉降观测;
        ③ 岸侧、海侧深层土体水平位移观测;
        ④ 岸侧、堤心、海侧孔隙水压力观测。
        1.2 监测点布置
        根据要求,四个监测断面分别位于桩号K0+500、K1+800、K2+500、K3+500,每个断面布置3个表层沉降(原泥面沉降)测试传感器,1个分层沉降测试孔,1个深层土体水平位移观测孔(测斜孔),本文以K0+500断面为例,详细讲述了自动化监测在本工程中的应用。K0+500断面测点布置图如图1所示。
二、测试方法、原理及埋设工艺
        2.1自动化测试系统
        自动化测试系统由传感器单元、无线测控单元、供电单元、数据服务处理单元等组成。该系统的主要工作原理:现场根据监测需要埋设沉降仪、孔隙水压力计和测斜仪等传感器,输出信号可为电压、电流、差阻、频率、电容等物理量,直接接入无线测控单元,采集的数据通过GPRS公共信息服务平台传输至中心数据服务器直接接收监测数据,确保数据的时效性。
        根据工程需要,每个监测断面分别安装一台无线测控单元,现场所有的测控单元与中心数据服务器构成一个多点对点的测控网络。通过该测控网络,不仅可将现场自动采集的数据传输至位于数据服务器,远程操作指令也可通过它传输至现场测控单元,实现用户和现场测控单元的远程交互,便于用户及时调整现场测控单元的功能参数。
        2.2 深层土体位移观测
        使用多点固定式测斜系统测试深层土体水平位移。
        2.3表层沉降
        表层沉降利用液压振弦式沉降仪测试,液压振弦式沉降仪是一个密封系统根据沉降板和系统内沉降基准点间的液压差反应沉降板的位置垂直变化。液压差由振弦式传感器测读并通过换算读出沉降值。
        2.4 分层沉降
        分层沉降采用液体压差式分层沉降计观测,液体压差式分层沉降计通过液体管联通基准传感器及压力传感器形成密封系统,密封系统中液体压力变化传递到压力传感器上,通过压力差计算各土层垂直位移变化。
        2.5孔隙水压力
        孔隙水压力测试采用输出频率信号的振弦式孔隙水压力计。
        埋设方面,由于本工程中孔压计单孔垂直方向间距较小,依靠传统的方法埋设非常难以保证埋设质量,很容易形成串孔等不能反应真实情况,因此我们使用辅助管安装方法进行埋设。方法如下:根据埋设标高将孔压计放入到专门的PVC管内,根据仪器的埋设标高要求,在PVC管上孔压计位置处打设3mm左右孔径的滤水小孔。将孔压放入到PVC管内,周围用中粗砂填实,中粗砂形成的过滤段长度在20cm左右。在两个过滤段之间的PVC管内排好导线后用环氧树脂或膨胀红泥密封隔断,如图2。安装时,利用钻机在需要埋设的位置成孔,后将串联在PVC管内的孔压计逐节放入土中。
 
 
                          图1 测点布置图                                                         图2 孔压计辅助管安装法
 
三、监测结果及分析
        K0+500断面于2013年5月仪器埋设完成,监测工作从2013年6月开始,至2015年8月结束,总历时2年零2个月,监测成果汇总如下:
        根据工况估算断面土体加载情况如图3所示。
 
 
                                            图3  K0+500断面土体荷载情况
        3.1表层沉降监测数据分析
        表层沉降监测数据如图4所示,
 
                                                     图4  K0+500表层沉降曲线
 
        从图4可以看出,表层沉降堤心最大,最大沉降量1608mm,两侧沉降量1400mm左右。根据施工加载情况,可将表层沉降数据分四个阶段分析,分别为:第一级加载为砂被施工阶段、第二级加载为第一层抛石加载、第三级加载为第二层抛石加载、第四级加载为第三层抛石加载及恒载期。从监测数据可以看出,在K0+500断面中,第一级加载(2013年6月)对表层沉降影响不大,2013年6月~2013年7月表层土体累计沉降75mm;土体沉降主要发生在第二级荷载加载后(2013年7月),结合现场施工情况来看,这一级加载为水上抛石,抛石总厚度达到5m左右,加载量大,下卧软土层固结沉降量较大,2013年7月~2014年7月期间累计沉降1227mm;第三级加载加载量较小,且经过前期荷载作用下卧软土层强度有所提高,土体沉降量较小,2014年7月~2015年5月累计沉降量216mm,主要为土体固结沉降;第四级加载及恒载期(2015年5月~2015年8月)累计沉降量48mm,日均沉降量0.4mm/d认为表层沉降已基本稳定。
        3.2分层沉降监测数据分析
        分层沉降监测数据如图5、图6所示:
 
 
  
        从图5、图6可以看出,最大沉降量发生在标高-0.5m位置,最大沉降量1.4m左右,沉降随深度的递增逐渐递减,土体压缩层主要发生在标高-12.5m以上,标高-12.5m以下土体沉降很小,可认为加载对下卧土层的影响深度在标高-0.5m~-12.5m左右。分层压缩量数据显示,标高-0.5m~-3.5m之间土层压缩量较大,该层内土体压缩量0.45m左右。
        3.3深层土体侧向位移监测数据分析
        深层土体侧向位移监测数据如图7所示:
 
 
                                  图7   K0+500断面深层土体侧向位移
 
        从图7可以看出,由于固定式测斜仪在充填袋施工前埋设在原状土中,未受充填袋的侧向拉结效应影响,因此深层土体侧向位移曲线呈“喇叭口”状,最大位移发生在表层,侧向位移量420mm,可认为受堤心加载影响,堤心土体挤压造成两侧土体侧向位移,位移量由上至下均匀递减,未见任何滑动迹象。
        3.4孔隙水压力监测数据分析
        孔隙水压力监测数据如图8 ~10所示:
 
    
图8   K0+500断面内侧孔隙水压力变化曲线                    图9   K0+500断面堤心孔隙水压力变化曲线
 
                                             图10   K0+500断面外侧孔隙水压力变化曲线
 
        从图8~10可以看出,2013年7~8月水上抛石施工期间,孔隙水压力有明显上升,最大超孔压达到35kPa左右,施工完成初期孔隙水压力呈快速消散趋势,后期消散速率逐渐放缓;第二层、第三层抛石加载未引起明显孔隙水压力变化,至2015年8月断面超孔压已消散至5kPa以内。
四、结语
        由于我国此类港航工程,大多处在近海软土地基上,地基基础较差。通过自动化远程无线监测技术可以使工程建设单位及时了解工程基础土体的固结情况,以及围堤堤身的安全稳定。本文对港航工程中使用远程自动化无线监测技术从监测仪器埋设到数据采集、分析等各环节在实际工程中的应用进行了简单阐述。
        参考文献:
        [1]《水运工程水工建筑物原型观测技术规范》(JTJ218-2005);
        [2]《建筑变形测量规程》(JGJ 8-2007);
        [3]《孔隙水压力测试规程》(CECS55- 93)。

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