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        基于三維激光掃描技術(shù)的陡坡填方梁場長期監(jiān)測方法研究

        2021-11-27 09:35:30高月波付紹強(qiáng)
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2021年31期
        關(guān)鍵詞:變形分析方法

        張 軍 高月波 付紹強(qiáng)

        (中國水利水電第十四工程局有限公司,云南 昆明 650041)

        1 概述

        在預(yù)壓期的軟弱地基中,由于地基的不穩(wěn)定性,在預(yù)制梁場布置的過程中極易產(chǎn)生不均勻的沉降,考慮到預(yù)制梁的自重大,極易造成預(yù)制梁的質(zhì)量問題。規(guī)范中要求預(yù)制梁的撓度變形不允許超過2mm,因此必須對預(yù)制梁場進(jìn)行長期的監(jiān)測和控制以滿足預(yù)制梁在施工過程中的質(zhì)量要求。國內(nèi)眾多學(xué)者對其進(jìn)行了一定程度的研究,其中河海大學(xué)的馬飛分析了處于預(yù)壓期軟基路堤上的預(yù)制梁場的沉降規(guī)律[1],王風(fēng)波等分析了不同預(yù)制梁臺座布設(shè)形式對軟基差異沉降的影響[2],黃松分析了不同齡期、不同差異沉降條件下,早齡期混凝土梁構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律[3]。以上研究都從不同的方面分析了影響預(yù)制梁場沉降的因素和規(guī)律,但他們的研究僅僅是從理論上分析其變化的規(guī)律,并未對預(yù)制梁場進(jìn)行長期的監(jiān)測,因此本文提出一種新的方法,通過三維激光掃描技術(shù)分析不同時(shí)期預(yù)制梁場的沉降變化,分析不同階段的點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)梁場的變形監(jiān)測,從而保證預(yù)制梁的施工質(zhì)量。

        2 梁場監(jiān)測方法

        2.1 監(jiān)測方法概述

        本文基于三維激光掃描技術(shù)提出一種新的梁場沉降監(jiān)測方法,以采集到的梁場地面一期點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),將自制的三棱錐作為永久固定的控制點(diǎn)標(biāo)靶,進(jìn)行不同期數(shù)據(jù)的高精度拼接,通過對比多期點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析梁場在該段時(shí)期內(nèi)的沉降量,及時(shí)對梁場進(jìn)行支護(hù)防護(hù),尤其是梁場臺座部分變形,必須嚴(yán)格控制其變形,技術(shù)路線圖如圖1 所示。

        圖1 梁場長期監(jiān)測技術(shù)路線

        2.2 點(diǎn)云拼接

        點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的精度直接關(guān)系到沉降分析的結(jié)果是否準(zhǔn)確,因此本文提出一種新的方法進(jìn)行拼接。在空間內(nèi)三個(gè)兩兩相交的面能夠形成一個(gè)空間點(diǎn),根據(jù)這個(gè)原理選取三棱錐作為標(biāo)志物,通過擬合三棱錐的三個(gè)平面,相交成為一個(gè)控制點(diǎn)。在梁場附近不會產(chǎn)生沉降變形且視野開闊的位置澆筑至少三個(gè)永久固定的三棱錐,并且三棱錐所在位置不能相近或位于同一平面,每期數(shù)據(jù)的采集都需要將三棱錐包含在內(nèi),兩期數(shù)據(jù)通過三棱錐的控制點(diǎn)進(jìn)行拼接,圖2為自制三棱錐。

        圖2 三棱錐標(biāo)志物

        為了達(dá)到高精度拼接效果,擬采用算法實(shí)現(xiàn)空間坐標(biāo)點(diǎn)配準(zhǔn),拼接原理如圖3 所示。相同點(diǎn)集在不同坐標(biāo)系下坐標(biāo)值是不同的。設(shè)第一期點(diǎn)集的坐標(biāo)矩陣為A,第二期點(diǎn)集坐標(biāo)矩陣為B。將B 轉(zhuǎn)化到A 可認(rèn)為是經(jīng)歷了繞X、Y、Z 坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)和整體坐標(biāo)系的平移。

        圖3 空間坐標(biāo)拼接原理

        設(shè)C 為將B 經(jīng)過旋轉(zhuǎn)和平移后得到的矩陣,則:

        使誤差函數(shù)最小求解θ、α、β 以及γ、λ、μ 可視為無約束最小的優(yōu)化問題。采用Mtalab 的很容易求解到最后轉(zhuǎn)換參數(shù)。

        3 工程應(yīng)用

        3.1 工程概況

        本文以宜賓至昭通高速公路彝良(海子)至昭通段為工程依托,宜賓至昭通高速公路彝良(海子)至昭通段,路線起于昭通市彝良縣海子鎮(zhèn)K144+910,止于昭通市昭陽區(qū)北閘鎮(zhèn)K237+600,全長93Km。全線按雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)時(shí)速80Km/h,路基寬度24.5m。其中梁場所處位置為陡坡填方地段,采用粉砂質(zhì)泥巖、粉質(zhì)粘土和卵石作為回填土質(zhì),地面鋪設(shè)混凝土,圖4 為梁場現(xiàn)場監(jiān)測圖。

        3.2 梁場點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集及處理

        采集數(shù)據(jù)時(shí)要盡量保證梁場臺座的數(shù)據(jù)密度均勻,由于梁場面積大,單站掃描并不能保證數(shù)據(jù)的完整,需要進(jìn)行多站數(shù)據(jù)采集,各站之間通過靶標(biāo)球拼接,三個(gè)靶標(biāo)球的擺放不能位于同條直線上,并且兩站之間的距離在10m 左右為宜,在適宜的溫度下進(jìn)行掃描,見圖5。

        圖5 梁場三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

        依據(jù)第2.2 節(jié)所述方法,將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行批量化的降噪處理,尤其是梁場臺座部分,要保證該部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)的原始幾何形狀和完整性。每站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)降噪之后通過靶標(biāo)球進(jìn)行拼接,兩期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過三棱錐獲取的公共特征點(diǎn)進(jìn)行拼接,要保證其拼接精度。

        3.3 梁場沉降分析方法

        3.3.1 基于曲面的沉降分析

        本文提出采取曲面擬合的方法,依據(jù)第一期梁場點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)數(shù)據(jù),對后期梁場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由于點(diǎn)云是無序、離散的,兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)不可能存在同一參考點(diǎn)。為此,采用曲面擬合算法對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,分別得到兩期點(diǎn)云的近似地表曲面?;诖耍疚囊罁?jù)梁場第一期面點(diǎn)云數(shù)據(jù),通過編制MATLAB 算法程序獲得了梁地面曲面,見圖6。

        在回歸分析中,測定值與按回歸方程預(yù)測的值之差為殘差,點(diǎn)云的標(biāo)準(zhǔn)化殘差落在(-2,2)區(qū)間以外的概率≤0.05。若點(diǎn)云的標(biāo)準(zhǔn)化殘差落在(-2,2)區(qū)間以外,可在95%置信度將其判為異常點(diǎn),不參與回歸直線擬合,由圖6 曲面擬合的殘差圖中可以看出,該點(diǎn)云數(shù)據(jù)皆為可靠值,曲面擬合較為真實(shí);在圖7 中,通過對比第一期的理論地形曲面,結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)地面沉降基本在2-3cm,但是該方法只能看出梁場的整體沉降,而無法分辨其沉降趨勢。因此本文將通過線形分析該梁場的地表沉降。

        圖7 曲面偏差分析

        3.3.2 地面沉降線形分析

        在兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)中分割出關(guān)心剖線處的點(diǎn)云帶條。以劃框算法分別計(jì)算兩期點(diǎn)云帶條的高程線。對兩條高程線做差,即可得到梁場地面任意剖線的沉降曲線。劃框算法的步驟如下:(1)將點(diǎn)云帶條縱向分為n 段;(2)對每一段點(diǎn)云求平均值,得到中心點(diǎn)坐標(biāo);(3)將中心點(diǎn)連接構(gòu)成梁場地表面線;(4)對兩條地表線做差,得到沉降曲線。在該項(xiàng)目中,劃框的尺寸縱向0.2 m×橫向0.1 m。劃框中所屬第i(i=1,2,…,n)段點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割公式為:

        按上述方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后,得到該梁場不同剖線的沉降曲線,如圖8 所示。從圖8 中可以看出整個(gè)梁場的整體沉降趨勢,圖中所有曲線均處于梁場填方范圍。外側(cè)曲線相對與內(nèi)側(cè)曲線沉降量更大。從沉降線形分布來看,整個(gè)梁場的整體呈將維持在2-3cm,與曲面分析基本吻合,表明通過曲面分析法進(jìn)行整體分析是準(zhǔn)確的。梁場外側(cè)部分區(qū)域修建了擋土墻,以及填方厚度和壓實(shí)度的不同,可能是引起剖線上不同部位沉降值不同的主要原因。因此,在陡坡上修建填方梁場時(shí),需要注意控制填方土厚度和壓實(shí)度均勻,并且擋土墻應(yīng)在填方范圍內(nèi)連續(xù)修建,確保梁場沉降均勻,這可以大幅降低梁場沉降對預(yù)制梁線形的影響。

        圖8 梁場沉降變形曲線

        4 結(jié)論

        本文依托實(shí)際工程針對梁場沉降變形的長期監(jiān)測提出了基于三維掃描的梁場監(jiān)測新方法,研發(fā)了基于三棱錐的點(diǎn)云精確拼接方法,對宜昭高速項(xiàng)目的填方梁場進(jìn)行了監(jiān)測與應(yīng)用,對梁場地面沉降進(jìn)行了分析與評估,本文提出的方法不僅能夠提高梁場監(jiān)測的精度和效率,同時(shí)能夠獲取梁場的整體變形,對實(shí)際工程有著重要的指導(dǎo)意義。

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