一种基于实时反馈的基坑支护
技术领域
本实用新型涉及基坑支护技术领域，具体涉及一种基于实时反馈的基坑支护。
背景技术
在高地下水位地区进行基坑开挖时，为了保证施工的正常进行，需要对基坑进行降水，常见的基坑降水方式有基坑内侧降水、基坑外侧降水以及基坑内外侧同步降水。大量的工程经验表明，对基坑进行降水可以有效的减小地下水的渗流，让基坑保持在干燥的环境下施工，还可以防止基坑底部出现流砂和管涌现象，避免了基坑底部土体及基坑边坡土体的流失，有效的提高基坑的稳定性。然而，在高地下水位地区进行基坑降水时，由于基坑外侧水位的降低，基坑外侧土体会发生固结变形，同时在基坑底部容易出现渗透破坏现象，进而会导致基坑周围的建筑物、路面以及地下管道等出现不均匀的沉降变形。这些问题的出现会对我们工程的施工进度以及造价产生不利的影响。
建筑、水利、市政等工程中，高层建筑地下室、地铁工程、市政道路立交桥、市政污水排放工程、地下商业街、人防工程等越来越多，深基坑的面积和深度向大而深方向发展。当前，基坑监测是深基坑工程质量保证的三大基本要素之一。传统的监测支护结构应力的方法较少，数据采集周期一般为3-5天或者一个星期，有时甚至一个月。人们对支护结构的应力关注不够，忽略了其重要性，而且精度不高、灵活性实时性不强、无法远距离传输、劳动强度大。因此，基坑存在着很大的安全隐患。
现有技术中，对基坑支护的安全性和可靠性的监测精度不高，进而无法对基坑支护的安全性能进行有效评估，导致基坑存在安全隐患。
实用新型内容
本实用新型的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种能够实现实时监测、保证基坑安全性的基于实时反馈的基坑支护。
本实用新型的技术方案为：一种基于实时反馈的基坑支护，包括主固定桩和横向加固杆，所述主固定桩竖直设置且沿基坑侧壁周向均匀分布，所述主固定桩底部伸入基坑底部土壤层内，所述横向加固杆向下倾斜穿过主固定桩并深入基坑侧壁土壤层内，所述主固定桩内竖直设置有相互平行的第一竖直挡护板和第二竖直挡护板，所述第一竖直挡护板、第二竖直挡护板中部固定连接，所述第一竖直挡护板和第二竖直挡护板之间形成中部加固层，所述中部加固层内设有用于检测其应力信号的应力传感器。
较为优选的，还包括用于监测横向加固杆振动状态的振动传感器、以及用于监测振动传感器所在环境温度的温度传感器，所述振动传感器固定在横向加固杆伸入土壤层的端部，所述温度传感器紧邻振动传感器设置，所述温度传感器输出的温度信号用于对振动传感器的振动信号进行温度补偿修正。
较为优选的，还包括辅助固定桩，辅助固定桩包括水平限位板、伸入基坑底部土壤层的辅助固定桩桩身和与所述辅助固定桩桩身底部固连的辅助固定桩桩头，所述水平限位板水平固定在辅助固定桩桩身顶部，所述水平限位板的底面与基坑底部土壤层上表面限位接触，主固定桩桩头穿过所述水平限位板并伸入基坑底部的土壤层内。
较为优选的，所述辅助固定桩桩头的直径大于辅助固定桩桩身的直径。
较为优选的，所述第一竖直挡护板朝向基坑的板面设有防水层。
较为优选的，所述主固定桩朝向基坑的一侧设有竖直加固板，所述竖直加固板与横向加固杆的末端通过固定连接板固连。
较为优选的，还包括信号处理电路、振动信号采集单元、振动信号补偿单元、单片机控制器、计算机和显示器，所述应力传感器的信号输出端通过信号处理电路与单片机控制器的第一数据输入端连接，所述振动传感器的信号输出端通过振动信号采集单元与单片机控制器的第二数据输入端连接，所述单片机控制器的控制信号输出端通过所述振动信号补偿单元与振动传感器的控制信号输入端连接，所述温度传感器的信号输出端与单片机控制器的第三数据输入端连接，所述单片机控制器的数据输出端与计算机的数据输入端连接，所述计算机的数据输出端与显示器的数据输入端连接。
较为优选的，所述信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元，所述应力传感器的输出端与所述信号放大单元的输入端连接，所述信号放大单元的输出端与所述信号滤波单元的输入端连接，所述信号滤波单元的输出端与所述单片机控制器的输入端连接。
较为优选的，所述信号放大单元包括电阻R1-R9、电容C1-C2、二极管D1-D2和运算放大器A1-A3，其中电阻R8为滑动变阻器；
其中，所述应力传感器的输出端与运算放大器A1的同相输入端连接，电阻R1的一端与运算放大器A1的反相输入端连接，电阻R1的另一端与运算放大器A2的反相输入端连接，电阻R2的一端接地，电阻R2的另一端与运算放大器A2的同相输入端连接，电容C1和电阻R3并联后的一端与电阻R1的另一端连接，电容C1和电阻R3并联后的另一端与运算放大器A2的输出端连接，电阻R4的一端与运算放大器A2的输出端连接，电阻R4的另一端与二极管D1的阴极连接，二极管D1的阳极接地，电阻R4的另一端与电阻R5的一端连接，电阻R4的另一端与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阳极接地，电阻R5的另一端与运算放大器A3的同相输入端连接，电阻R6的一端接地，电阻R6的另一端与运算放大器A3的同相输入端连接，电阻R5的另一端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与运算放大器A3的输出端连接，电阻R5的另一端与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与运算放大器A3的输出端连接，电阻R9的一端与运算放大器A3的输出端连接，电阻R9的另一端与所述信号滤波单元的输入端连接。
较为优选的，信号滤波单元包括电阻R10-R13、电容C3-C4以及运算放大器A4；
其中，所述信号放大单元的输出端与电阻R10的一端连接，所述信号滤波单元的输出端还与电容C3的一端连接，电阻R10的另一端与电阻R11的一端连接，电容C3的另一端与电容C4的一端连接，电容C3的另一端还与电阻R10的另一端连接，电阻R12与电阻R13并联后的一端接地，电阻R12与电阻R13并联后的另一端与电阻R10的另一端连接，电容C5与电容C6并联后的一端接地，电容C5与电容C6并联后的另一端与电阻R10的另一端连接，电容C4的另一端与电阻R11的另一端连接，电阻R11的另一端与运算放大器A4的同相输入端连接，运算放大器A4的反相输入端与运算放大器A4的输出端连接，运算放大器A4的输出端与所述单片机控制器的输入端连接。
本实用新型的有益效果为：
(1)在主固定桩内设置有竖直挡护板能够增加竖直固定桩的抗渗透能力，也能提高基坑支护的稳定性。在主固定桩内设置第一竖直挡护板和第二竖直挡护板，使两个挡护板之间形成稳定的中部加固层。在该中部加固层内设置应力传感器，监测该部位的土壤应力，能有效的反应基坑支护的安全性。同时，在横向加固杆端部设置振动传感器，在振动传感器旁设置温度传感器，能同时监测横向加固杆的振动信号以及利用振动传感器所在的环境温度进行温度补偿修正。从而可对基坑支护的安全性进行有效评估，进而确保基坑的可靠性。
(2)设置竖直加固板、设置辅助固定桩，能够提高基坑的稳定性，辅助固定桩桩头大于辅助固定桩桩身的直径，大大提高了基坑底部土壤的抗浮性能和承载能力。而辅助固定桩顶部的水平限位板能够进一步提高基坑底部土壤的抗浮性能，同时提高辅助固定桩、主固定桩的稳定性。
(3)信号处理电路大大提高了对中部加固层中的应力监测精度，该信号处理电路的噪声在3.35nV以内，漂移为2.15μV/℃；同时，使用温度传感器采集的温度对振动传感器的输出信号进行补偿，大大提高了对横向加固杆的振动监测精度。
附图说明
图1为本实用新型一种基于实时反馈的基坑支护的结构示意图；
图2为本实用新型一种基于实时反馈的基坑支护的模块连接示意图；
图3为图2中信号处理电路的电路图。
图中：1-土壤层、2-竖直挡护层、3-竖直挡护板、3.1-第一竖直防护板、3.2-第二竖直挡护板、4-主固定桩、5-横向加固杆、6-竖直加固板、7-横向加固杆安装孔、8-固定连接板、9-竖直挡护板连接件、10-紧固螺栓、11-中部加固层、12-防水层、13-主固定桩桩头、14-辅助固定桩桩身、15-辅助固定桩桩头、16-辅助固定桩、17-水平限位板、18-应力传感器、19-振动传感器、20-温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明，便于清楚地了解本实用新型，但它们不对本实用新型构成限定。
如图1所示，一种基于实时反馈的基坑支护，包括主固定桩4和横向加固杆5，主固定桩4竖直设置且沿基坑侧壁周向均匀分布，主固定桩4底部为主固定桩桩头13，主固定桩4底部伸入基坑底部土壤层1内。主固定桩4远离基坑的一侧形成竖直挡护层2。横向加固杆5向下倾斜穿过主固定桩4并深入基坑侧壁土壤层1内。主固定桩4内竖直设置有相互平行的第一竖直挡护板3.1和第二竖直挡护板3.2。第一竖直挡护板3.1、第二竖直挡护板3.2中部通过H型的竖直挡护板9连接件焊接固定。第一竖直挡护板3.1、第二竖直挡护板3.2均包括上部钢板和下部钢板，上部钢板与下部钢板之间通过竖直挡护板9焊接成一个整体。第一竖直挡护板3.1和第二竖直挡护板3.2之间的空间形成中部加固层11，中部加固层11内设有用于检测其应力信号的应力传感器18。还包括用于监测横向加固杆5振动状态的振动传感器19、以及用于监测土壤温度的温度传感器20，振动传感器19固定在横向加固杆5伸入土壤层1的端部，温度传感器20紧邻振动传感器19设置。其中，每种传感器在每个主固定桩附近分别设置1～2个。当设置1个时，应力传感器18设置在中部加固层11中部，当设置2个时，两个应力传感器18分别设置在中部加固层11的上部和下部。
第一竖直挡护板3.1朝向基坑的板面设有防水层12。每个主固定桩4朝向基坑的一侧均设有一块竖直加固板6。竖直加固板6与横向加固杆5的末端通过固定连接板8固连。竖直加固板6、主固定桩4上对应位置设有用于穿设横向加固杆5的横向加固杆安装孔7。
还包括辅助固定桩16，辅助固定桩16包括水平限位板17、伸入基坑底部土壤层1的辅助固定桩桩身14和与辅助固定桩桩身14底部固连的辅助固定桩桩头15，水平限位板17水平固定在辅助固定桩桩身14顶部，水平限位板17的底面与基坑底部土壤层1上表面限位接触，主固定桩桩头13穿过水平限位板17并伸入基坑底部的土壤层1内。辅助固定桩桩头15的直径大于辅助固定桩桩身14的直径。
如图2所示，还包括信号处理电路、振动信号采集单元、振动信号补偿单元、单片机控制器、计算机、显示器、存储器和数据传输单元。应力传感器18的信号输出端通过信号处理电路与单片机控制器的第一数据输入端连接，振动传感器19的信号输出端通过振动信号采集单元与单片机控制器的第二数据输入端连接，单片机控制器的控制信号输出端通过振动信号补偿单元与振动传感器19的控制信号输入端连接，温度传感器20的信号输出端与单片机控制器的第三数据输入端连接，单片机控制器的数据输出端与计算机的数据输入端连接，计算机的数据输出端与显示器的数据输入端连接。计算机将接收到的数据信息传输至存储器进行存储，将接收到的数据信息通过数据传输单元传输至外部设备。工作人员能够根据显示器实时获知中部加固层11中的应力信号和横向加固杆5的振动信号，以实时获知基坑支护的状态。其中，数据传输单元为无线传输单元MAX485，本实用新型提供的基于实时反馈的基坑支护通过MAX485通信实现远程无线传输。
其中，振动传感器19为单线圈型振弦式振动传感器，振动信号采集单元采集线圈中感应的频率信息，振动信号补偿单元根据接收到的补偿信号对振动传感器19中的线圈的频率进行补偿。振弦式传感器是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器，具有抗干扰能力强、受温度影响小、性能稳定可靠、耐震动等一般谐振式传感器的优点。通过振动信号采集单元，将采集到的振动信号再经过RS-485总线和无线传输相结合的方式与计算机进行传输通信。计算机通过总线发送信号控制单片机开控制器始工作，单片机控制器再通过振动信号补偿单元使振动传感器起振，产生的毫幅级电信号通过振动信号采集单元进行滤波放大和整形。同时利用振动传感器19所在的环境温度进行温度补偿修正。最后由单片机控制器将采集到的数据信号通过串行通信模块传输到单片机控制器显示并分析。
一般单线圈振弦式传感器的固有频率范围是400-4500Hz，其输出频率随振弦传感器所受压力的变化而变化。本实用新型采用软件扫频。具体方法是：由参数输入电路输入扫频信号频率的上限值fmax和下限值fmin，并设置相邻两个扫频信号频率的差值Δf，将这些参数存储在单片机控制器的片内EEPROM中。这样，振动信号补偿单元输出的频率可控性好、速度快。
由于感应电势的频率就是振弦的固有频率，所以振动信号采集单元对振弦频率的采集就是对线圈中感应电势的频率采集。线圈中感应电势的频率检测电路由滤波放大电路、整形变换电路两部分组成，对整形后的信号进行等精度测频计数，使用两组计数器，其中一组计数标准频率F的信号计数值N，另一组记录被测频率f的信号计数值n。通过软件控制两组计数器同时开始、同时结束。利用等精度测频公式f＝nF/N可准确地得到被测频率f。计数标准频率F由有源晶振产生。由于本实用新型提供的基于实时反馈的基坑支护要求运行速度快，且所在工作环境较差，所以需要抗干扰能力强、运行速度高、串口功能多的单片机。结合上述特点，选择功耗少、体积小、易拆卸和不伤焊盘的贴片STC12C5A60S2单片机，其封装为LQFP-44的单片机控制器。
温度传感器20为DS18B20，它具有传感器、变送器与A/D转换器三大功能，可直接将温度信号转换为数值信号输出。DS18B20将得到的温度信号和其他相关信号一起输送到单片机控制器中，通过运行补偿算法达到温度补偿的目的。总线为RS-485总线。
应力传感器18用于监测中部加固层11中的应力信号，将采集的应力信号转换为电压信号V0，并将电压信号V0传输至信号处理电路，V1为经过信号处理电路处理后的电压信号，信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元，应力传感器18的输出端与信号放大单元的输入端连接，信号放大单元的输出端与信号滤波单元的输入端连接，信号滤波单元的输出端与单片机控制器的输入端连接。
如图3所示，信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元，应力传感器18的输出端与信号放大单元的输入端连接，信号放大单元的输出端与信号滤波单元的输入端连接，信号滤波单元的输出端与单片机控制器的输入端连接。
信号放大单元包括电阻R1-R9、电容C1-C2、二极管D1-D2和运算放大器A1-A3，其中电阻R8为滑动变阻器；
其中，应力传感器18的输出端与运算放大器A1的同相输入端连接，电阻R1的一端与运算放大器A1的反相输入端连接，电阻R1的另一端与运算放大器A2的反相输入端连接，电阻R2的一端接地，电阻R2的另一端与运算放大器A2的同相输入端连接，电容C1和电阻R3并联后的一端与电阻R1的另一端连接，电容C1和电阻R3并联后的另一端与运算放大器A2的输出端连接，电阻R4的一端与运算放大器A2的输出端连接，电阻R4的另一端与二极管D1的阴极连接，二极管D1的阳极接地，电阻R4的另一端与电阻R5的一端连接，电阻R4的另一端与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阳极接地，电阻R5的另一端与运算放大器A3的同相输入端连接，电阻R6的一端接地，电阻R6的另一端与运算放大器A3的同相输入端连接，电阻R5的另一端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与运算放大器A3的输出端连接，电阻R5的另一端与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与运算放大器A3的输出端连接，电阻R9的一端与运算放大器A3的输出端连接，电阻R9的另一端与信号滤波单元的输入端连接。
上述实施方式中，信号放大单元中，电阻R1的阻值为1k欧姆，电阻R2的阻值为910欧姆，电阻R3的阻值为10k欧姆，电阻R4的阻值为1k欧姆，电阻R5的阻值为1k欧姆，电阻R6的阻值910欧姆，电阻R7的阻值为8.2k欧姆，电阻R8的满程阻值为5k欧姆，电阻R9的阻值为1k欧姆，电容C1的电容值为0.056μ法，电容C2的电容值为0.056μ法，且运算放大器A1的型号为OPA277，运算放大器A2的信号为OPA277，运算放大器A3的信号为OPA277，二极管D1的型号为1N4148，二极管D2的型号为1N4148。
信号滤波单元包括电阻R10-R13、电容C3-C4以及运算放大器A4；
其中，信号放大单元的输出端与电阻R10的一端连接，信号滤波单元的输出端还与电容C3的一端连接，电阻R10的另一端与电阻R11的一端连接，电容C3的另一端与电容C4的一端连接，电容C3的另一端还与电阻R10的另一端连接，电阻R12与电阻R13并联后的一端接地，电阻R12与电阻R13并联后的另一端与电阻R10的另一端连接，电容C5与电容C6并联后的一端接地，电容C5与电容C6并联后的另一端与电阻R10的另一端连接，电容C4的另一端与电阻R11的另一端连接，电阻R11的另一端与运算放大器A4的同相输入端连接，运算放大器A4的反相输入端与运算放大器A4的输出端连接，运算放大器A4的输出端与单片机控制器的输入端连接，信号滤波单元将电压信号V1传输至单片机控制器。
信号放大单元用于对传感器的信号进行放大作业，信号放大单元中运算放大器A1的作用为传感器的信号进行缓冲后再加到运算放大器A2和运算放大器A3中，电阻R8用于调整信号放大单元的增益，二极管D1和二极管D2的作用是防止信号放大单元输出饱和，本实用新型提供的信号放大单元失调电压小、偏置电流低、温漂低、噪声电压低。
其中，信号放大单元的闭环增益为A，则有，
信号滤波单元中，电阻R10的阻值为68k欧姆，电阻R11的阻值为68k欧姆，电阻R12的阻值为68k欧姆，电阻R13的阻值为68k欧姆，电容C3的电容值为0.047μ法，电容C4的电容值为0.047μ法，电容C5的电容值为0.047μ法，电容C6的电容值为0.047μ法，运算放大器A4的信号为OPA277。
更进一步地，信号滤波单元用于对信号放大单元的信号进行滤波作业，信号滤波单元的中心角频率f为：
则有，本实用新型提供的信号处理电路的噪声在3.35nV以内，漂移为2.15μV/℃。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
