1、基于小波变换的建筑物抗浮失效事故变形监测的应用研究 李鹏 宁夏回族自治区国土测绘院 摘 要： 在高层建筑的施工运营阶段, 由于城市地下水位的变化及建筑物抗浮设计不合理, 地下建筑抗浮失效事故日益增多。为保证抗浮失效事故处理阶段建筑物的安全, 对其进行持续的变形监测是十分必要的。本文结合工程项目, 对此类事故处理阶段变形监测的组织实施进行整理, 利用小波变换对短周期的监测数据进行降噪处理, 得到有效数据, 通过各方信息分析总结变形监测在高层建筑抗浮失效事故中的应用。关键词： 抗浮; 变形监测; 小波变换; 作者简介：李鹏 (1988-) , 男, 回族, 宁夏银川人, 注册测绘师, 学士, 主要
2、从事工程测量工作。收稿日期：2017-09-18Research on the Application of the Deformation Monitoring Based on Wavelet Transform in Anti-floating Failure Accidents of BuildingsLI Peng Ningxia Institute of Homeland Surveying and Mapping; Abstract： In the construction and operation stage of high-rise buildings, the anti-
3、floating failure accidents of underground construction are increasing due to the change of underground water level and the unreasonable anti-floating design of buildings. It is necessary to carry out continuous deformation monitoring to ensure the building security in the process of anti-floating fa
4、ilure accidents. In combination with engineering projects, the organization and implementation of the deformation monitoring of such accidents has been sorted out, the effective data has been obtained by using wavelet transform to denies the short cycle of monitoring data, and the application of def
5、ormation monitoring in the anti-floating failure accidents of high-rise building has been summarized based on the information analysis in all aspects.Keyword： anti-floating; deformation monitoring; wavelet transform; Received： 2017-09-180 引言近些年来, 随着城市建设的发展, 高层建筑在我国大量兴建, 地基越来越深, 以地下车库、地下超市等功能建筑的地下室、裙
6、房的开发利用情况越来越普及。因此, 地下建筑的抗浮问题日益增多, 特别是近年以来由于地下水浮力造成的建筑结构变形的事故频发, 造成了巨大的经济损失和负面影响。在抗浮失效事故发生后, 对建筑物及时进行变形监测, 对于分析抗浮失效类型、原因和事故处理有着积极的作用。本文以某大型商业广场地下室为例, 根据事故处理过程中持续的变形观测, 分析此类事故建筑物的变形特性, 总结抗浮失效情况下变形监测的应用。1 工程概况某大型商业广场, 北至大型体育场, 东至老旧小区 (建成约 30 年) , 西侧与南侧紧邻两条主要交通干道。总建筑面积 62 万 m, 地上总建筑面积 52 万 m, 地下总建筑面积 10
7、万 m。购物中心 5 层, 精装住宅 32 层, 项目建设时基坑开挖深度 12.3 m, 商业广场于 2014 年 7 月投入运营。1.1 工程地质条件根据工程勘察报告, 勘察深度内地层主要有杂填土、素填土和粉细沙组成, 建筑物基底标高为海拔 1 100.5 m, 该深度基底持力层为第三层粉、细沙, 其承载力高, 为中-低压缩性土, 为高层建筑理想的持力层。1.2 水文地质条件场区地下水为浅水类型, 勘察期间适逢平水期, 2012 年 5 月进行地下水实测时, 实测水位为海拔 1 107.11 107.7 m。地下水年动态变化量为 1.002.00 m。2004 年 5 月在场地西北 600
8、m 处测得地下水水位平均标高为 1 108.8 m, 2008 年 2 月测得场地北侧 200 m 地下水水位平均标高为 1 107.7m。考虑到场区附近原为湖沼, 预估历史最高水位为 1 109.0m。1.3 抗浮设计根据已有水位资料, 抗浮设计水位按 1 109.0m 考虑, 并对场区地下室进行抗浮验算。本商业广场甲方对于抗浮设计做法在原有的抗拔桩的基础上优化为抗浮锚杆。地下室底板设置为永久抗浮锚杆, 安全等级为二级, 锚杆锚固体抗拔安全系数为 2.0。依据抗浮锚杆图纸采用试桩时的同一施工队伍与相同的施工工艺, 并成立管控小组, 层层把关。在锚杆桩施工工艺流程上进行优化, 经自检、监理交接
9、检等程序严格控制成孔、成桩质量。1.4 事故情况介绍2015 年 05 月发现商业区地下室南侧中庭位置处填充墙出现多处裂缝, 从观感上看属一般质量缺陷。间隔 15 日发现维修后的墙体再次开裂, 经详细观察, 发现基础筏板可能存在不均匀沉降, 导致变形。通过对柱边地面最高点及最低点进行对比, 高差约 50 mm。参照前期监测数据, 柱上标识 C65C68#上浮量约7.5 mm, 整体上浮面积大约 1 200 km。在商业区附近, 增加地下水位观测点, 水位位于 1 107.85 m (相对商业零米为-3 m) 左右, 通过持续观测, 近期水位波动每天约 75 mm。为确保结构安全, 委托第三方监
10、测单位对此区域进行变形监测。2 变形监测方案2.1 基准点和监测点的布设本次基准点设置 3 个, 根据规范要求布设在安全区, 标石采用深埋式混凝土标。沉降监测点采用不锈钢标志, 立尺端为半圆形。观测标志直接植入建筑物的柱体上。监测点布设在建筑物地下室二层, 重点布设在抗浮失效破坏部位附近的承力柱上, 同时在裙楼与高层建筑连接处及发生破坏的延伸部位均匀布设监测点, 共布设 73 个监测点。2.2 监测周期及方法抗浮失效事故的变形监测不同于一般高层建筑物的变形监测, 由于抗浮失效后, 地下水浮力造成建筑物局部甚至整体突然上升, 在采取加固及地下水降水后建筑物会快速回落, 在这期间其沉降速率特别大,
11、 鉴于这种特殊情况, 在上浮及地下水降水过程中监测周期为一天/次;平稳期为一周/次, 在这期间根据具体沉降速度调节监测周期。沉降观测仪器采用标称精度为0.3 mm/km 且经检定合格并在合格期内的天宝DINI03 电子水准仪, 配合铟瓦条码尺。基准点与监测点分别观测并组成多个闭合环, 构成水准结点网, 观测精度为二级。前两次观测取平均高程值作为初始高程值。观测过程中遵循三固定的原则, 即固定人员、固定仪器、固定观测路线。观测数据以测站为单位权进行严密平差处理, 计算出各点的高程。根据本期观测高程与第一次和上次观测高程的较差, 计算该点的累计沉降量和本次沉降量, 并根据基准点平差后的高程值检验基
12、准点是否处于稳定状态。3 监测数据处理与分析在变形观测作业过程中, 监测数据必定要受到各种因素的影响。变形监测数据不仅包含着真实的变形信息, 还存在着各种误差信息。在监测数据处理与分析中, 要对监测数据综合考虑, 提取有用的变形数据, 尽可能剔除无用的噪音。根据变形监测数据的规律, 可以利用小波变换对监测数据进行降噪处理, 有效地剔除噪声, 保留可靠的数据, 为研究变形体真实的变形规律提供了科学依据。小波变换的多分辨率特性对于变形分析中有用信号和噪声的时频特性是不一样的, 利用这样的差异性, 可以有效地分离有用信号和噪声。通过多尺度细化信号, 对高频处实现时间细分对低频处实现频率细分, 其基本
13、思想是对信号利用一系列的函数去逼近。由于变形监测数据信号都是离散的, 同时便于分析和实际计算, 在实际应用中, 处理信号要使用离散小波变换。将式中的 a、b 离散化, a=a 0, b=kb0a0, a1, 得到其离散小波的函数:离散化小波变换为:建立一个包含噪声的变形监测数据模型:式中, x (t) 为监测数据, s (t) 为有效信号, n (t) 为随机噪声。由于有效信号和随机噪声的小波系数多尺度中的表现形态差异, 通过其多分辨率特性可以对变形体的观测数据进行滤波。首先, 选择一个适合变形观测数据分解的小波系数 (如 Daubechies 小波) 及其分解层数 S, 对监测数据进行 S
14、层分解。其次, 确定高频系数的阈值, 通常设置阈值为: (n 为相应分解层次的高频系数个数, 为第一层高频系数的绝对标准偏差) , 各层小波分解进行阈值量化处理将不小于 的系数均减少 , 其余系数置为 0。最后进行小波重构, 经过小波分解信号的第 S 层的低频系数和第 1 层至第 S 层通过修改的高频系数进行逆向重构, 可得到监测数据有效信号的最优估计。由于 Matlab 在数据分析和数字图像信号处理方面功能强大, 可借助 Matlab 的小波工具箱的函数, 对离散的变形监测数据进行去噪。抗浮失效变形监测不同于常规监测, 其在建筑物上浮加剧和地下水降水降压的过程中, 沉降数据特别大, 单日最大
15、沉降值可达 23.65 mm。要求在此过程中监测周期为一天/次, 这就使监测数据的信噪比较高。结合此次监测数据, 利用 Matlab 的小波变换函数对此次事故的数据进行降噪。此次抗浮失效变形监测共进行了 28 次监测, 本文利用 Matlab 工具箱的小波分析包对此次变形较大的 C66 点进行尺度 3 的 sym 小波进行进行小波分解。通过采用 sym6 小波对监测数据进行分解和重构, 在该信号的小波分解中, 其 d1 和d2 层的高频部分将不连续点显示得特别明显 (如图 1 所示) , 在时间点为50、62 和 90 天附近, 根据图像可以看出小波对噪声信号的时域定位较为精确。利用小波分析在
16、变形监测数据处理中可以较为准确地找到噪声信号。然后利用软阈值法量化处理, 之后进行小波重构。如图 2 所示, 去噪后的曲线与原始曲线相比, 小波变换有效地对噪声进行剔除, 使变形曲线更符合客观情况。图 1 Sym6 小波分解图 Fig.1 The decomposition diagram of Sym6 wavelet 下载原图综合所有监测数据进行分析, 此次抗浮失效类型属于局部抗浮失效, 为较为复杂的事故类型, 需要参照实时监测数据进行上浮加固处理, 以避免建筑物发生二次破坏。图 2 去噪后曲线与原始曲线对比图 Fig.2 The comparison diagram between de
17、noising curve and original curve 下载原图4 结束语根据建筑物抗浮失效事故的特性, 制订合理的监测方案, 同时将小波变换应用到此类变形观测中, 运用其原理可对各个频带的有效信号进行提取, 很大程度上降低了数据的性噪比。在此基础上, 分析真实监测数据的变形规律, 为建筑物动态情况的精确掌握以及其抗浮失效类型的定性提供了依据。参考文献1黄声享, 尹晖, 蒋征.变形监测数据处理M.武汉:武汉大学出版社, 2002. 2张平等.MATLAB 基础及应用M.北京:北京航空航天大学出版社, 2007. 3郑治真.小波变换及其 MATLAB 工具的应用M.北京:地震出版社, 2001. 4蒋廷臣, 王秀萍.基于小波变换的变形监测分析研究J.淮海工学院学报:自然科学版, 2005, 14 (1) :75-77.
