基于沉降自动化采集系统在软基处理中的应用

肖建宝

（福州合诚工程咨询管理有限公司）

0 引言

软基处理，是项目施工以前若地基不够稳固，为避免施工之后地基沉降导致建筑物不牢固等问题的产生，对软地基采用恰当举措加以处理，让其牢固水平大幅提升，让地基的稳固性和固结度达到设计标准的过程。软基处理时一般要进行地表沉降检测，从而保证工程的安全性。传统沉降监测的方法主要包括几何水准测量、GPS测量、静力水准测量等。但是这些监测方式存在一定的问题，例如自动化程度较低、成本高、精度低等等。本文主要在上述监测方法的基础上提出了沉降自动化采集系统，将其用在软基处理中能够大大提升监测自动化程度，提升监测精度的同时降低成本。

1 沉降自动化采集系统的构建

1.1 系统总体设计

沉降自动化采集系统主要是以静力水准系统作为基础建立起来的，主要包括传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据分析子系统等内容，其工作机理详细而言：利用信息采集平台对压差型静力水准仪导出的电流信号进行采集，然后运用GPRS-DTU 模块进行传播，依托服务器平台接收信号且进行相应处理。

1.2 传感器子系统

传感器子系统主要包括安装底座、不锈钢外壳、有机玻璃腔体和压力传感器等等。有机玻璃腔体共有4 个开口，分别连接压力传感器、进水口、出水口以及排气口。静力水准仪利用通液管和水箱进行连接，水箱设置有两个开口，分别连接通液管以及通气管。

1.3 数据采集与传输子系统

此系统主要包括数据采集模块、定时模块、无线传输模块等几部分，其中数据采集模块主要是将静力水准仪传感器所输出的电流信号转变成为电压信号，之后通过AD 转换器进一步转变成为数字量，最终利用光电耦合器由CPU 读出而实现数据采集；无线传输部分依托MODBUS 协议与物联网云平台连在一起，经过在平台上构建设备和设定有关的传感器，然后把此模块与计算机连在一起，对参数进行设定，把DTU 登录包与服务器有关数据依照TLINK 云平台上设备数据要求加以设定，之后就可以通过远程数据监控界面进行相应信息的监测。

数据采集技术指标：

（1）数据采集频率：表面位移监测最高可达到每秒采集一次数据，但在实际应用中，我们每6 个小时给出一个变化量；层沉降、测斜、孔隙水及表层沉降监测可以每天一次，也可增加频率，根据实际需要设定；

（2）测点自动连续采集时间：太阳能供电系统在全阴雨天气下有效工作时间大于两个星期；

（3）数据传输：以手机网传输为主，通讯困难区域自动切换为北斗多卡传输方式，确保实现全天候不间断的数据传输；

（4）自动化测量精度指标：采用固定安装的高灵敏度传感器，高程及位移的最小观测量为毫米级；

（5）测点埋设深度：根据地质资料情况，一般打到基岩为止，若基岩较深，通常30m 以上；

（6）自动化监测系统平台：基于B/S 结构，在具有互联网环境的终端上实时获取各观测目标的变形信息、报警信息等。

1.4 数据分析子系统

完成数据收集和传输后，可以通过云平台将数据导出为Excel 文件实施相应分析，同时制定出相应沉降曲线。同时，在云平台上设置有数据库用于信息储存，用户能够按照自身需要选择性的查看历史数据，并且能够将其导出备用。

2 沉降自动化采集系统的误差

2.1 数据采集与传输子系统的误差

对于沉降智能化采集平台而言，因为信息获取模块和无线传输模块的量测精准度在从工厂运出时已完成设计，为此信息获取和传输子系统的误差大多是电能供给模式所造成的。为了能够分析误差所在，可以通过电源适配器以及蓄电池对于两台传感器实施供电，间隔0.5 小时进行一次数据的采集，所得数据如图1 所示。

图1 不同传感器供电监测数据对比

从监测结果可知，相对于电源适配器的供电方式来说，采用蓄电池进行供电的沉降自动化采集系统精度相对较高，并且奇异点数据相对较少。电源适配器供电出现误差主要是因为：在电源适配器的交直流转换期间，不可避免的留有交流电部分，该些交流电的频率大多不高，难以高效滤波，而且该些交流电会传输至采集设备CPU 和AD 转换器当中，这就会影响到数据的采集精度。所以数据采集与传输子系统需要选择蓄电池的供电方式。

2.2 传感器子系统的误差

此系统方面的误差更多来自于其中扩散硅压力传感器测量精度，另外，此种传感器在具体应用过程中也会产生相应误差。压力传感器测量精度主要受到硅晶体材料的影响，这些影响因素在出厂时都已经设定完毕。为了能够减小传感器装设过程中出现的误差水平，在装设静力水准系统的时候必须要确保传感器处于水平形态，另外应当保证传感器水流入口的通畅。此外，静力水准系统所包括的液体会对测量的准确水平产生一定影响，比如填充液体较易受细菌或者尘土的作用，乃至出现真菌问题而对填充液体的密度造成不良影响，严重情况下会造成通液管的堵塞。

2.3 外界条件引起的误差

静力水准系统是以伯努利方程作为基本原理来设置的，具体为：

其中P1、P2表示为大气压，ρ1、ρ2表示为液体密度，h1、h2表示为液面高度，C 表示为常数。从上述公式可知，大气压力、液体密度以及重力加速度等因素会影响到沉降自动化采集系统精度，但是液体密度会伴随温度的改变而改变，为此整个系统会遭受重力加速度、温度、压力差与其他要素的影响。

3 工程概况案例分析

3.1 工程概况

某机场造地工程，采用围堰施工后吹填海砂形成陆域，然后打设塑料排水板后进行堆载预压。在堆载过程中，要求对软基沉降进行监测，以判定是否满足卸载要求。监测单位共布设3 个沉降自动化采集系统监测点，同时辅以人工监测的方式来进行。

3.2 测点布置及安装

① 将具有底座的压差式静力水准仪设置在待测点，并利用预埋件将其固定牢固，同时要对预埋底板面和混凝土墩面进行找平，要确保定位螺杆和墩面的垂直度。另外，要在加固区外设置水箱以及基准点静力水准仪，确保其稳定性。并且控制传感器最低点和水箱液面高差≤传感器量程。

② 要参照测点间管线路径进行通液管铺设，利用热水将其泡涨之后按照顺序接入静力水准仪以及水箱的接口，并用卡箍将其卡紧，避免发生漏液问题。

③ 从通液管的一侧进行加液，并且实时查看系统内部液位高度情况，若是液位达到水箱标线处要停止加液；

④ 按照静力水准仪间距确定好线缆长度，将传感器的二芯电缆汇集成两根总线，分别和电源、数据采集模块输入通道进行连接。同时为了避免线路受到破坏，要通过PVC 管对通信线缆进行保护。

3.3 人工与自动监测结果对比分析

对该工程堆载预压沉降情况进行了7 天的连续监测（间隔6 小时进行一次数据采集），最终获取了28 组数据，能够得到图2、图3、图4、图5 所示的结果。

图2 1#监测点自动、人工监测数据

图3 2#监测点自动、人工监测数据

图4 3#监测点自动、人工监测数据

图5 自动、人工监测数据平均值

对于地表沉降的自动、人工监测数据误差情况进行统计，如表1 所示。

表1 地表沉降的自动、人工监测数据误差统计

从上述各图表中能够得知，采取自动化采集系统和人工方式的测量结果大体相似，规律相同，这就说明沉降自动化采集系统所得到的结果可以符合软基处理沉降监测的要求。

4 结束语

本文主要阐述了沉降自动化采集系统的构成以及误差影响因素，并且利用案例分析证明了沉降自动化采集系统所得到的结果可以符合软基处理沉降监测的要求。这能够进一步推广沉降自动化采集系统的应用，为软基处理提供更加有效的方式。