荊倩婧 陳 誠(chéng) 耿偉衛(wèi)

(1.山東大學(xué),山東 濟(jì)南 250061; 2.上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院,上海 200235)

1 概述

深基坑監(jiān)測(cè)信息主要包括基坑圍護(hù)體系和基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)基坑圍護(hù)體系數(shù)據(jù)的三維可視化技術(shù)已經(jīng)十分成熟，CAD軟件、ArcGIS軟件、專(zhuān)業(yè)的三維建模軟件都能實(shí)現(xiàn)?；颖O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)因測(cè)點(diǎn)空間分布的特征，往往只能反映基坑在某一斷面或者某一特定位置的變形，對(duì)這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的展示也以二維圖表為主?；拥恼w變形是一個(gè)連續(xù)變化的空間曲面，顯然這種二維圖表的展示方式不夠直觀。

馬路濱[1]基于ArcView軟件，通過(guò)插值、偏移、拖拉以及顏色漸變方式實(shí)現(xiàn)了地表沉降、應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)、周邊地物的可視化。為了解決樣本點(diǎn)稀少的問(wèn)題，作者采用了數(shù)值模擬結(jié)果的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)代替樣本點(diǎn)，這種方法滿足了空間插值的精度需求，但是由于數(shù)值計(jì)算的前提假定問(wèn)題，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)往往和計(jì)算結(jié)果出入較大，同時(shí)，隨著施工進(jìn)度的進(jìn)行，數(shù)值計(jì)算的結(jié)果數(shù)據(jù)需要不斷地更新，顯然不適宜大規(guī)模應(yīng)用。李恒楊等[2]利用GIS組件開(kāi)發(fā)的深基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基坑維護(hù)體系數(shù)據(jù)的二維可視化和三維可視化，但是對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的展示仍是從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以二維圖表的形式展示。光輝[3]基于Surfer軟件實(shí)現(xiàn)了基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的二維、三維以及動(dòng)畫(huà)的可視化功能，由于軟件功能的局限性，可視化的效果較差，空間分析能力較弱。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文基于三維GIS技術(shù)，展開(kāi)了空間插值方法、樣本點(diǎn)擴(kuò)充的研究，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化，具有一定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分類(lèi)

參考基坑規(guī)范[4，5]，對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)的基坑，應(yīng)測(cè)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括支護(hù)圍護(hù)墻頂部水平位移，圍護(hù)墻頂部豎向位移，圍護(hù)墻深層水平位移，土體深層水平位移，支撐軸力，立柱豎向位移，錨桿、土釘拉力，地下水位，墻后地表豎向位移。將監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分為位移類(lèi)和應(yīng)力類(lèi)兩大類(lèi)，位移類(lèi)按照測(cè)點(diǎn)的空間分布特征分為單一測(cè)點(diǎn)和復(fù)雜測(cè)點(diǎn)，具體分類(lèi)結(jié)果以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化方法見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分類(lèi)表

3 位移類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化

3.1 復(fù)雜測(cè)點(diǎn)類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化

實(shí)現(xiàn)復(fù)雜測(cè)點(diǎn)位移類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化的基本思路是：統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值和變形值，將其按照ArcGIS的數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值生成連續(xù)變化的曲面，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的三維可視化。常用的空間差值方法有反距離加權(quán)插值、樣條曲線插值、克里金插值等[6]。

3.1.1 墻后地表豎向位移

以長(zhǎng)株潭城際鐵路湘府路基坑監(jiān)測(cè)為例，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間分布很稀疏并且數(shù)目有限，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1，插值之后的可視化效果不理想。為了得到連續(xù)變化的地表沉降的空間曲面，需要進(jìn)行測(cè)點(diǎn)的擴(kuò)充。

考慮到實(shí)際支護(hù)和地質(zhì)情況，基坑外沉降曲線大致可分為兩大類(lèi)[7]：指數(shù)形式和拋物線形式。指數(shù)型模型適用于有支撐支護(hù)的基坑，用式(1)進(jìn)行擬合。拋物線型模型適用于懸臂式支護(hù)的基坑，用式(2)進(jìn)行擬合。

(1)

(2)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)基坑工程支護(hù)的特點(diǎn)，采用式(1)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到基坑外地表沉降的概化曲線，根據(jù)概化曲線擴(kuò)充樣本點(diǎn)。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖2所示。在基坑的南、北方向各布置12列監(jiān)測(cè)點(diǎn)，東、西方向布置3列監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

利用Matlab對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)按照式(1)的沉降曲線進(jìn)行擬合，分別求出每一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的A,u,m值。以北1監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)為例，求出的A,u,m值分別為8.85,-10.65,74.8，擬合得到的基坑外地表沉降曲線如圖3所示。

根據(jù)擬合出的曲線公式擴(kuò)充樣本點(diǎn)，當(dāng)樣本點(diǎn)滿足樣條曲線插值方法的精度要求時(shí)，停止擴(kuò)充，最終結(jié)果見(jiàn)圖4，圖5。

3.1.2 圍護(hù)墻深層水平位移

根據(jù)基坑監(jiān)測(cè)技術(shù)相關(guān)規(guī)定，在現(xiàn)場(chǎng)布置測(cè)斜孔時(shí)，相鄰測(cè)點(diǎn)橫向間距設(shè)為20 m，深度方向每0.5 m為一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到空間后的效果如圖6所示。

由于測(cè)斜孔數(shù)據(jù)分布的特殊性，采用反距離加權(quán)插值的方法進(jìn)行兩個(gè)測(cè)斜孔之間的插值時(shí)，容易產(chǎn)生監(jiān)測(cè)點(diǎn)在X軸,Y軸分布不均的情況。因此，本文根據(jù)沿Y軸每隔0.5 m一個(gè)測(cè)點(diǎn)和沿X軸每隔20 m一個(gè)測(cè)點(diǎn)的分布特征，按照長(zhǎng)、短軸比為40∶1的橢圓形范圍搜索，如圖7所示。為了減小鄰近采樣點(diǎn)的權(quán)重，降低距離的冪，取值為1。此外，當(dāng)插值范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)達(dá)到10個(gè)時(shí)開(kāi)始插值計(jì)算，測(cè)點(diǎn)未達(dá)到10個(gè)時(shí)，按照長(zhǎng)短軸比40∶1擴(kuò)大插值范圍，直到測(cè)點(diǎn)數(shù)量滿足要求。

以相鄰的兩個(gè)測(cè)斜管實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，插值結(jié)果如圖8,圖9所示。相鄰測(cè)斜管插值完成以后在X方向和Y方向空間均勻分布，插值效果更佳理想。

當(dāng)樣本點(diǎn)數(shù)量達(dá)到一定規(guī)模之后，采用樣條插值的方法生成連續(xù)變化的空間曲面。為增強(qiáng)基坑變形的展示效果，對(duì)基坑變形進(jìn)行了適當(dāng)?shù)姆糯?，結(jié)果如圖10所示。

3.2 單一測(cè)點(diǎn)類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化

單一測(cè)點(diǎn)類(lèi)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括墻頂水平位移、墻頂豎向位移、立柱豎向位移等，采用拉伸監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)三維可視化。其中，拉伸方向表示變形方向，拉伸距離表示變形大小。樁頂水平位移三維可視化如圖11所示。

4 應(yīng)力類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化

應(yīng)力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)只有數(shù)值，不包含空間地理信息，因此選用顏色漸變的方法進(jìn)行應(yīng)力類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的表達(dá)，以不同的顏色來(lái)表現(xiàn)應(yīng)力值的變化情況。鋼支撐軸力三維可視化如圖12所示。

5 結(jié)語(yǔ)

1)將深基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分為應(yīng)力類(lèi)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和位移類(lèi)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，根據(jù)測(cè)點(diǎn)的空間分布特征，將位移類(lèi)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分為單一測(cè)點(diǎn)類(lèi)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和復(fù)雜測(cè)點(diǎn)類(lèi)項(xiàng)目，根據(jù)三維GIS可視化技術(shù)分別采用顏色漸變，空間拉伸和空間插值的方法實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化。

2)根據(jù)復(fù)雜測(cè)點(diǎn)類(lèi)項(xiàng)目展開(kāi)了對(duì)樣本點(diǎn)擴(kuò)充和插值方法修正的研究，提出了通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)擬合坑外地表沉降概化曲線的方法，實(shí)現(xiàn)了樣本點(diǎn)的擴(kuò)充，解決了地表監(jiān)測(cè)樣本點(diǎn)不足的問(wèn)題，根據(jù)深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)以及數(shù)據(jù)采集方式的特點(diǎn)，改進(jìn)了反距離加權(quán)插值的插值方法，提出采用橢圓形代替圓形，解決了樣本點(diǎn)集中分布造成插值誤差的問(wèn)題。