摘 要：常規(guī)的公路路面路基沉降變形監(jiān)測方法主要使用Burgers高度擬合修正模型獲取土體靜動力荷載，易受非線性沉降變化作用影響，導(dǎo)致監(jiān)測值與實際沉降值偏差過高，因此需要基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計一種全新的公路路面路基沉降變形監(jiān)測方法。首先利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集處理公路路面路基沉降變形數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行公路路基沉降變形監(jiān)測數(shù)值模擬分析，實現(xiàn)了路面路基沉降變形監(jiān)測。監(jiān)測分析結(jié)果表明，該方法監(jiān)測的既有線沉降、新建線沉降、附加沉降均與實際沉降擬合，證明設(shè)計方法的監(jiān)測效果較好，具有可靠性，可為降低公路路面行車風(fēng)險作出一定貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；公路路面路基；沉降；變形監(jiān)測；有限元分析；小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP39；U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-00-03

0 引 言

所謂公路路面路基沉降變形監(jiān)測就是通過監(jiān)測儀器和設(shè)備定期或連續(xù)地評估公路路面的沉降量和變形量，以判斷其運行狀態(tài)，對其的監(jiān)測對于維護(hù)公路的穩(wěn)定運行非常關(guān)鍵[1-2]。

此過程涵蓋建立監(jiān)測站、安裝傳感器、處理數(shù)據(jù)、進(jìn)行預(yù)警和定期檢查維護(hù)等重要步驟[3-4]。相關(guān)研究人員針對路面路基沉降變形監(jiān)測特點設(shè)計了幾種常規(guī)的路面路基沉降變形監(jiān)測方法，包括基于光纖傳感技術(shù)的公路路面沉降變形監(jiān)測方法[5]，以及考慮土體應(yīng)力形變關(guān)系的公路路面沉降變形監(jiān)測方法[6-9]，但上述方法的沉降變形監(jiān)測效果較差，不符合目前的監(jiān)測要求。因此，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了一種公路路面路基沉降變形監(jiān)測方法。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的路面路基沉降變形監(jiān)測方法設(shè)計

1.1 公路路面路基沉降變形數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

本文采用的沉降變形采集設(shè)備屬于圖像式采集設(shè)備[10]，即通過工業(yè)相機與數(shù)字信號處理中心完成并行采集，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，上述沉降變形數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要包括采集終端、監(jiān)控中心，輔助設(shè)備主要包括電源、應(yīng)力傳感器、信號處理器等。在路基沉降變形監(jiān)測過程中，需要進(jìn)行光斑實時定位，并利用GPRS進(jìn)行通信，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測中心。受采集環(huán)境等因素影響，其采集到的數(shù)據(jù)容易存在噪聲，影響監(jiān)控效果。因此，本文先利用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即設(shè)置一個有效的閾值門限，判斷低于該閾值的數(shù)據(jù)為噪聲，并將其剔除，以此來完成數(shù)據(jù)去噪處理。此時，生成的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本D如式（1）所示：

（1）

式中：x（i）代表處理前的原始數(shù)據(jù)樣本；n代表數(shù)據(jù)處理項數(shù)。此時根據(jù)樣本與監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的非線性映射關(guān)系得到監(jiān)測數(shù)據(jù)處理目標(biāo)函數(shù)如式（2）所示：

（2）

式中：x代表樣本線性處理參數(shù)；k代表自然數(shù)；f代表樣本與預(yù)測值間的映射參量。通過式（2）進(jìn)行處理后可以剔除無效數(shù)據(jù)，有效獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)的輸出梯度，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，為后續(xù)監(jiān)測打下堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2 公路路基沉降變形監(jiān)測數(shù)值模擬分析

在完成數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理后，對公路路基沉降變形監(jiān)測進(jìn)行模擬分析。本文使用ANSYS/PLAXIS有限元分析軟件作為多維有限元計算程序，確定沉降變形監(jiān)測關(guān)系。公路路基發(fā)生沉降變形時，土體狀態(tài)發(fā)生一定改變，因此，先選取監(jiān)測邊界條件σ，如式（3）所示：

（3）

式中：D代表土體形變彈性模量；ε代表線性變化參數(shù)。在監(jiān)測過程中，通過泊松比、內(nèi)聚力、摩擦角等參數(shù)的變化判斷公路路基的沉降變形狀態(tài)，此時得到的監(jiān)測屈服函數(shù)fa如式（4）所示：

（4）

式中：σ2、σ3分別代表不同的有效應(yīng)力；φ代表內(nèi)摩擦角；c代表黏聚力。此時的監(jiān)測偏差度P如式（5）所示：

（5）

式中：SY代表監(jiān)測預(yù)測沉降值；SS代表實測沉降值。根據(jù)式（5）可以確定路基監(jiān)測數(shù)據(jù)的有限元關(guān)系，若監(jiān)測結(jié)果低于標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測偏差，證明此時的監(jiān)測數(shù)據(jù)有效，反之需進(jìn)行歸一化處理，重新進(jìn)行沉降變形監(jiān)測。根據(jù)上述參數(shù)可以生成Van-Genuchten數(shù)值模擬分析函數(shù)f（α），如式（6）

所示：

（6）

式中：Ψ代表標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測系數(shù)；α代表監(jiān)測曲線擬合參數(shù)。利用式（6）可以有效確定沉降變形監(jiān)測假設(shè)條件，最大程度提升沉降變形監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

2 監(jiān)測分析實驗

為驗證設(shè)計方法的監(jiān)測效果，選取研究區(qū)域進(jìn)行公路路基路面的監(jiān)測分析。將本文方法與文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]兩種公路路面路基沉降變形監(jiān)測方法進(jìn)行對比。

2.1 分析概況及準(zhǔn)備

根據(jù)公路路面路基沉降變形監(jiān)測分析要求，本文選取某公路工程作為研究對象，其全長125.95 m，路基寬度為

26 m，兩側(cè)存在路緣帶、行車道，拱橫坡、土路肩橫坡分別為2%、4%。在監(jiān)測分析過程中依據(jù)實際工程情況布設(shè)沉降監(jiān)測點，規(guī)劃沉降監(jiān)測斷面。待沉降監(jiān)測點布設(shè)完畢后，埋設(shè)500 mm×500 mm×10 mm的鋼板并進(jìn)行回填處理，設(shè)置有效的監(jiān)測高程。本次使用計算機模擬分析法分析既有線沉降、新建線沉降、附加沉降值，使用MIDAS/GTS作為有限元分析軟件，對原本的路面路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化處理，調(diào)整監(jiān)測分析約束條件，降低分析難度。此時的監(jiān)測有限元分析流程如圖2所示。由圖2可知，在有限元分析過程中，需要預(yù)先附加初始應(yīng)力，使路基處于自重平衡狀態(tài)；再使用MIDAS/GTS軟件將初始位移清零，以此來作為初始模擬值，確定不同階段的沉降變形監(jiān)測結(jié)果。

待上述步驟完畢后，進(jìn)行數(shù)值仿真計算?？紤]路基的實際受力關(guān)系進(jìn)行模型簡化，此時調(diào)整仿真模型不同方向的位移約束，但需要保證幾何模型的自由度始終不發(fā)生改變。此時有限元模型的填筑土彈性模量為6 000，泊松比為0.35，容重為19.8。根據(jù)獲取的路基沉降模型實驗路面參數(shù)繪制仿真實驗?zāi)Ｐ?，如圖3所示。

根據(jù)上述仿真實驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行地應(yīng)力平衡處理，施加自重應(yīng)力，使荷載分布均勻，此時可進(jìn)行監(jiān)測分析，輸出準(zhǔn)確的模擬監(jiān)測結(jié)果。

2.2 監(jiān)測結(jié)果與討論

根據(jù)上述分析進(jìn)行公路路面路基的沉降變形監(jiān)測。先預(yù)設(shè)不同的監(jiān)測點，各個監(jiān)測點與幫寬側(cè)路肩的距離不同；再對新建地基進(jìn)行逐層填筑；然后使用GNSS路面路基沉降檢測儀檢測不同監(jiān)測點的實際沉降值（既有線沉降、新建線沉降、附加沉降）。分別使用3種方法進(jìn)行沉降變形監(jiān)測，得到監(jiān)測沉降值與實際沉降值的對比結(jié)果見表1。

由表1可知，本文設(shè)計的方法在不同的幫寬側(cè)路肩距離下監(jiān)測的既有線沉降、新建線沉降、附加沉降均與實際沉降值較擬合；而對比方法在不同的幫寬側(cè)路肩距離下監(jiān)測的既有線沉降、新建線沉降、附加沉降均與實際沉降值相差較大。上述變形監(jiān)測分析結(jié)果證明：本文設(shè)計的公路路面路基沉降變形監(jiān)測方法的監(jiān)測效果較好，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價值。

3 結(jié) 語

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的公路工程分布越來越廣泛。很多公路路面工程所處的地形復(fù)雜，容易受地下水位的改變、降雨量的大小和頻率、氣溫的變化等因素影響，造成公路路面路基沉降。因此，需要及時進(jìn)行路面路基沉降監(jiān)測，并采取適當(dāng)措施對公路進(jìn)行及時維護(hù)，如加強路基壓實、控制填土含水量、加強地質(zhì)勘察和環(huán)境保護(hù)等。常規(guī)的公路路面路基沉降變形監(jiān)測方法易受非線性沉降變化影響，導(dǎo)致監(jiān)測值與實際沉降值偏差過大。為了解決上述問題，本文基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計了一種有效的公路路基沉降變形監(jiān)測方法。結(jié)果表明，設(shè)計的沉降變形監(jiān)測方法的監(jiān)測效果較好，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價值。

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作者簡介：吳 昊（1989—），男，江蘇淮安人，工程師，研究方向為公路工程。