一种高速公路软基智能处理监测系统及监测预警方法
技术领域
本发明涉及高速公路软基处理系统，尤其涉及一种高速公路软基智能处理监测系统及监测预警方法。
背景技术
路基变形如路基沉降及路基边坡水平位移是现役已通车高速公路常见的病害之一，严重情况下将造成行车安全事故，且每年养护和处治费用居高不下。
近年来，3D打印技术已成为改变未来的创新性技术，它将对传统的社会生产产生巨大的影响。同时，与建筑相结合的3D打印建筑技术，必将成为建筑行业发展史上的里程碑。
而如何对高速公路软基进行快速处理，以及对软基处理效果进行监测，使其为软基处理效果评价提供足够的信息，成为了一个亟需解决的技术难题。
发明内容
发明目的：本发明提供一种高速公路软基智能处理监测系统及监测预警方法，通过基于雪花形钢板桩和基于BOTDR光纤传感对高速公路软基进行处理和监测，以克服现有技术中难以对高速公路软基进行快速处理和监测的技术问题。
技术方案：本发明高速公路软基智能处理监测系统，包括高速公路软基处理方案云数据库模块、雪花形钢板桩3D打印模块、雪花形钢板桩变形光纤传感模块、路基沉降光纤传感模块、气候变化光纤传感模块、光纤数据自动采集与传输模块、现场路况监测模块、太阳能供电与数据传输模块、光纤数据处理与分析模块、监测结果显示模块、公路软基处理效果评价模块、软基处理效果云平台数据管理与预警模块和移动手机远程接收模块；
雪花形钢板桩3D打印模块包括3D打印建模模块、3D打印机以及打印的用于软基处理的雪花形钢板桩；
雪花形钢板桩变形光纤传感模块包括雪花形钢板桩，以及布置在雪花形钢板桩上的应变光纤和温度补偿光纤；
路基沉降光纤传感模块包括土工格栅，以及布置在土工格栅上的应变光纤和温度补偿光纤；
气候变化光纤传感模块包括气候监测模块，以及布置在气候监测模块上的温度补偿光纤和自加热光纤温度传感器；
高速公路软基处理方案云数据库模块根据工况调用处理方案并发送至3D打印建模模块；3D打印建模模块建立雪花形钢板桩的3D打印模型并发送至3D打印机；
移动手机远程接收模块包括工方接收模块和警方接收模块，该工方接收模块和警方接收模块均包括数据接收模块、图表显示模块、预警模块和电源模块；预警模块包括预警值设置模块、监测数据与预警值对比模块和声光报警模块；
太阳能供电及数据传输模块将现场路况监测模块的实况监测无线传输至软基处理效果云平台数据管理与预警模块，将光纤数据自动采集与传输模块采集的数据无线传输至光纤数据处理与分析模块；
光纤数据处理与分析模块输出端与监测结果显示模块连接；监测结果显示模块输出端与高速公路软基处理效果评价模块连接；高速公路软基处理效果评价模块将评价结果远程传输至软基处理效果云平台数据管理与预警模块；软基处理效果云平台数据管理与预警模块将软基处理效果评价、监测结果和路况实况监测远程传输至对应的移动手机远程接收模块。
气候监测模块包括雨水收集模块、降水量监测模块和气温监测模块。
光纤数据自动采集与传输模块包括动态数据采集模块、数据分类打包模块及远程参数设置模块。
现场路况监测模块包括摄像模块、照相模块及测速模块。
太阳能供电及数据传输模块包括太阳能发电模块、稳压与变压模块和无线数据传输模块。
光纤数据处理与分析模块包括计算机处理核心模块、无线数据接收模块、数据导出模块和电源模块；计算机处理核心模块包括温度补偿处理模块、小波去噪和数据平滑处理模块、沉降数据处理模块、气候数据处理模块和钢板桩变形处理模块。
监测结果显示模块包括数据接收模块、数据图表处理模块、图像生成模块、数据传输模块和电源模块。
高速公路软基处理效果评价模块包括数据接收模块、处理效果评价模块、图表显示模块、无线数据传输模块和电源模块。
软基处理效果云平台数据管理与预警模块包括数据接收模块、无线数据传输模块、图表显示模块、信息库模块、预警模块和电源模块。
本发明高速公路软基智能处理监测预警方法，采用高速公路软基智能监测系统进行监测预警，该方法包括以下步骤：
(1)将需要进行软基加固处理的路段工况信息输入高速公路软基处理方案云数据库模块，筛选符合加固要求的方案，不限于雪花形钢板桩尺寸、布设方案；
(2)将方案无线发送至3D打印建模模块，利用三维建模软件建立三维立体模型；
(3)将模型转换成STL格式导入3D打印软件中，将材料如金属粉添加入原料箱中，由3D打印机打印雪花形钢板桩；
(4)将雪花形钢板桩运输至现场，将应变光纤和温度补偿光纤固定在雪花形钢板桩上；同时将应变光纤和温度补偿光纤分别粘结在土工格栅表面；布设时均将应变光纤绷直；将温度补偿光纤和自加热光纤温度传感器用空心保护套保护，用环氧树脂粘结布设在气候监测模块的内壁；
(5)将布设有应变光纤和温度补偿光纤的雪花形钢板桩按照高速公路软基处理方案云数据库模块给出的方案，采用压桩、打桩方法打入路基中；
(6)将布设有应变光纤和温度补偿光纤的土工格栅平铺在雪花形钢板桩附近的路基中；
(7)将布设有温度补偿光纤和自加热光纤温度传感器的气候监测模块固定在道路旁，采集温度补偿光纤初始数据并记录当时温度，气候监测模块布置时集水装置底部与路面平行；
(8)将预留长度的光纤引线用保护套保护引至光纤数据自动采集与传输模块处，与跳线熔接，连接至光纤数据自动采集与传输模块；
(9)将太阳能发电板与稳压与变压装置连接，经稳压、变压后连接至无线数据传输模块、光纤数据自动采集与传输模块和现场路况监测模块供电；在风力资源发达的区域也可用风力发电装置；
(10)光纤数据自动采集与传输模块采集光纤监测数据，现场路况监测模块获取路况及车辆信息；无线数据传输模块将采集的光纤监测数据无线传输至光纤数据处理与分析模块，将路况及车辆信息无线传输至软基处理效果云平台数据管理与预警模块；
(11)光纤数据处理与分析模块接收无线数据传输模块发射的数据，记录传感光纤的波长数据，对其进行去噪处理并对应变数据进行温补，将其转换为需要的路基沉降、桩身变形信息，对气候监测模块获取的温度变化量与温度初始值累加；
(12)将光纤数据处理与分析模块与监测结果显示模块连接，监测结果显示模块接收光纤数据处理与分析模块处理的信息，以图表形式呈现在屏幕上，并将其导入至高速公路软基处理效果评价模块；
(13)高速公路软基处理效果评价模块接收监测结果显示模块给出的数据，根据预设程序对路基处理效果进行评价，并将不同类别的评价结果以百分制显示，且无线发送至软基处理效果云平台数据管理与预警模块；
(14)软基处理效果云平台数据管理与预警模块接收数据后与预先设置的预警值进行对比，同时接收现场监控模块传输的实时路况照片或视频，根据数据库内记录的路段负责人联系方式，将监测结果及实时路况传输至移动手机远程接收模块；
若软基处理评价结果达到预警值，说明处理效果欠佳，调用二次处理方案信息库模块中的方案，与监测信息、现场路况、软基处理评价结果打包，同时调用信息库模块中对应的路段负责人信息、相关施工单位信息，将监测结果、处理方案以及现场路况监测模块所拍摄的路段实况照片发送至路段负责人的移动手机远程接收模块；若现场路况监测模块监测到超速车辆违法信息或者路面塌陷、滑坡等自然灾害，亦或者气候监测模块监测到降水量迅速变化，则调用信息库模块中对应的交警合作部门，将信息发送至交警合作部门。
工作原理：雪花形钢板桩是一种新兴桩基形式，它具有承载力高、沉降小、成本低、稳定性好的优点，正逐步应用在软基快速处理、房屋纠偏工程中。BOTDR光纤传感技术作为一种分布式监测技术，具有高精度、抗干扰等特点，现已广泛应用于土木工程、水利交通、地质工程、航天各个工程领域。
本发明利用3D打印技术和雪花形钢板桩实现快速施工，使公路软基病害得到迅速处理，并利用BOTDR精确监测处理后的如路基沉降、雪花形钢板桩变形、气候信息之类导致路基病害的参数，同时实现自动化采集处理数据并利用软基处理效果评价体系对处理效果进行评价，最终以图表形式显示于手机移动端，并对处理效果不理想的路段提出二次加固方案，进而对高速公路软基处理和处理效果进行综合评价。
具体过程为，3D打印机接收模型并打印出雪花形钢板桩；雪花形钢板桩运输至软基加固现场，在雪花形钢板桩上布设应变光纤、温度补偿光纤后采用打桩施工方式打入软基中，对路基进行加固；土工格栅布设应变光纤、温度补偿光纤后埋设在钢板桩加固附近；应变光纤、温度补偿光纤和自加热光纤温度传感器均通过光纤引线与光纤数据自动采集与传输模块连接；光纤数据自动采集与传输模块和现场路况监测模块由太阳能供电及数据传输模块供电；太阳能供电及数据传输模块将现场路况监测模块的实况监测无线传输至软基处理效果云平台数据管理与预警模块，将光纤数据自动采集与传输模块采集的数据无线传输至光纤数据处理与分析模块；光纤数据处理与分析模块接收太阳能供电及数据传输模块发送的数据；光纤数据处理与分析模块输出端与监测结果显示模块连接；监测结果显示模块输出端与高速公路软基处理效果评价模块连接；高速公路软基处理效果评价模块将评价结果远程传输至软基处理效果云平台数据管理与预警模块；软基处理效果云平台数据管理与预警模块将软基处理效果评价、监测结果和路况实况监测远程传输至对应的移动手机远程接收模块。
使用基于BOTDR光纤传感技术的光纤数据采集模块进行光纤数据的实时采集，太阳能供电与数据传输模块进行数据传输，再通过光纤数据处理获得路基的沉降差、雪花形钢板桩应变响应、降水量信息，以图表形式显示在监测结果显示模块中，并通过软基处理效果评价模块对软基处理效果进行评价，上传至软基处理效果云平台数据管理与预警模块后，通过与预警值对比判断是否需要二次加固，并根据事先录入的路段负责人联系信息将路段位置、现场照片、处理方案发送至路段负责人手机移动端；同时现场路况监测模块可测量车速相关信息，传输至云平台数据管理与预警模块后根据情况发送至交警部门，协助交警部门的工作。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明通过云数据管理平台实现对软基处理方案的快速筛选，利用雪花形钢板桩进行路基加固，雪花型钢板桩大幅扩大了桩身与土体接触面积，提高了桩体承载力；三角形外扩支盘挤压部分土体，变相增加了桩侧摩阻力，支盘位置符合土体应力扩散规律，使桩体受力合理；桩帽的设置增加了桩端强度，不易屈服变形，便于活动循环使用；桩身结合了端承桩与摩擦桩优点，利用桩身上下各部位的土层，有效控制沉降，使桩体沉降较小，保证了软基处理的质量。
(2)运用3D打印技术对软基进行快速处理和施工，3D打印的运用减少了工期，降低了成本。
(3)利用存活率高、采集数据全面、人为误差小的BOTDR(Brillouin Optical TimeDomain Reflectometer)对加固后的路基沉降、气候、钢板桩变形进行监测，综合评价路基处理效果和钢板桩发挥的作用，并结合无线传输模块和软基处理效果评价模块实现软基处理效果的自动化远程监测和客观评价，同时对处理效果欠佳的路段起到预警和筛选二次加固方案的目的，有利于高速公路软基病害高质量的快速处理，实现了高速公路软基处理的快速施工及处理效果的远程监测和长期评价。
附图说明
图1为本发明高速公路软基智能处理监测系统示意图；
图2为3D打印模块示意图；
图3为雪花型桩立面图及光纤布设示意图；
图4为雪花型桩横截面图；
图5为雪花形桩桩尖结构示意图；
图6为雪花形桩桩帽结构示意图；
图7为路基沉降监测光纤布设示意图；
图8为气候监测模块光纤布设示意图；
图9为软基处理效果评价流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括高速公路软基处理方案云数据库模块1、3D打印建模模块2、3D打印机3，以及打印的用以公路软基处理的雪花形钢板桩4；布置在土工格栅5和雪花形钢板桩4上的应变光纤7a和温度补偿光纤7b；布置在气候监测模块6内壁的温度补偿光纤7b和自加热光纤温度传感器7c；以及光纤数据自动采集与传输模块8、现场路况监测模块9、太阳能供电与数据传输模块10、光纤数据处理与分析模块11、监测结果显示模块12、高速公路软基处理效果评价模块13、软基处理效果云平台数据管理与预警模块14和移动手机远程接收模块15。
其中高速公路软基处理方案云数据库模块1包含有大量工程实例以及针对不同工况所设计的软基处理方案，在输入工况具体信息后筛选符合要求的处理方案。3D打印机3包括原料箱3a、原料输送管道3b、原料输送泵3c以及打印喷头3d，打印喷头3d为特制喷头，满足打印金属材料的质量要求，3D打印机3采用符合要求的材料进行打印，确保打印出的雪花形钢板桩4的强度符合工程需要。
雪花形钢板桩4由雪花形钢板桩身、钢板桩尖17、钢板桩帽18组成，雪花形钢板桩4采用一体化打印生产，或者分模块打印后组装。
土工格栅5布设在雪花形钢板桩4布设位置附近的面层或基层中以监测路基处理效果。
气候监测模块6包括雨水收集模块、降水量监测模块和气温监测模块；光纤数据自动采集与传输模块8包括动态数据采集模块、数据分类打包模块及远程参数设置模块，通过远程设置数据采集参数。
现场路况监测模块9包括摄像模块、照相模块及测速模块。太阳能供电及数据传输模块10包括太阳能发电模块10a、稳压与变压模块10b和无线数据传输模块10c。太阳能发电板10a与稳压与变压装置10b连接，经稳压、变压后连接至无线数据传输模块10c、光纤数据自动采集与传输模块8和现场路况监测模块9长期稳定供电。
光纤数据自动采集与传输模块8采用一台基于BOTDR技术的光纤数据采集仪，设有数据自动采集功能、远程参数设置功能及数据分类打包功能。现场路况监测模块9实时监控路况信息并上传至软基处理效果云平台数据管理模块14；光纤数据自动采集模块8跳线与应变光纤7a和温度补偿光纤7b相连接，通过远程设置相关参数，对原始数据进行采集后根据所属监测体系的沉降、气候、桩基变形分别进行数据打包并无线传输至光纤数据处理与分析模块11。光纤数据处理与分析模块11接收太阳能供电及数据传输模块10发送的数据并对其进行温补、去噪处理，将数据传输给监测结果显示模块12；监测结果显示模块12通过光纤数据处理获得路基的沉降、桩基变形、降水量造成路基病害的信息，传输给高速公路软基处理效果评价模块13；高速公路软基处理效果评价模块13根据相关信息对其进行评价，并将结果发送至软基处理效果云平台数据管理与预警模块14；软基处理效果云平台数据管理与预警模块14与预警值对比后将相关信息发送至移动手机远程接收模块15；
其中工方接收模块的图表显示模块显示路况信息、软基处理效果评价结果，预警模块对路基变形和大降水量进行预警；警方接收模块的图表显示模块显示车辆违法信息，预警模块对水位快速变化和路面坍塌、路坡滑坡灾害进行预警。
光纤数据处理与分析模块11包括计算机处理核心模块、无线数据接收模块、数据导出模块和电源模块。
计算机处理核心模块包括温度补偿处理模块、小波去噪和数据平滑处理模块、沉降数据处理模块、气候数据处理模块和钢板桩变形处理模块。
监测结果显示模块12包括数据接收模块、数据图表处理模块、图像生成模块、数据传输模块和电源模块。
高速公路软基处理效果评价模块13包括数据接收模块、处理效果评价模块、图表显示模块、无线数据传输模块和电源模块。
软基处理效果云平台数据管理与预警模块14包括数据接收模块、无线数据传输模块、图表显示模块、信息库模块、预警模块和电源模块。
信息库模块包括监测数据储存与更新模块、路段负责人信息储存与调用模块、二次处理方案储存与调用模块、相关施工单位信息储存与调用模块和合作交警部门信息储存与调用模块。
移动手机远程接收模块15包括工方接收模块和警方接收模块，均包括数据接收模块、图表显示模块、预警模块和电源模块。其中工方接收模块的图表显示模块显示路况信息、软基处理效果评价结果，预警模块对路基变形和大降水量进行预警；警方接收模块的图表显示模块显示车辆违法信息，预警模块对水位快速变化和路面坍塌、路坡滑坡灾害进行预警。
预警模块包括预警值设置模块、监测数据与预警值对比模块和声光报警模块。
如图2所示，3D打印建模模块2根据处理方案建立三维模型并导入3D打印机3中，3D打印机3的原料箱3a内为金属粉末材料，通过原料输送泵3c和原料输送管道3b进入打印喷头3d，打印喷头3d将其打印并凝固成型，最终成为所需的雪花形钢板桩4。
如图3、图4、图5和图6所示，雪花形钢板桩4包括桩身、钢板桩桩尖17、钢板桩桩帽18三个部分，均由3D打印机3一体化成型。其中钢板桩桩尖17在压桩、打桩工序中刺入路基，钢板桩桩帽18则用以均当荷载，防止应力集中。应变光纤7a和温度补偿光纤7b固定在雪花形钢板桩桩身上，并与光纤数据自动采集模块8连接。
将雪花形钢板桩运输至现场后，根据高速公路软基处理方案云数据库模块1给出的方案在设计位置通过打桩、压桩方式打入路基。
如图7、图8所示，应变光纤7a和温度补偿光纤7b沿土工格栅网格布设在土工格栅5上，温度补偿光纤7b和自加热光纤温度传感器7c布置在气候监测模块6内壁上；通过光纤引线7d与光纤数据自动采集与传输模块8连接。土工格栅5平铺在钢板桩加固附近的路基面层或基层中以监测路基处理效果；气候监测模块6布置在钢板桩加固附近的道路旁。其中应变光纤7a、温度补偿光纤7b和自加热光纤温度传感器7c均为PE光纤，7d为裸露在路面以上的光纤，需加上保护套16进行保护；
本发明高速公路软基智能处理与监测系统的监测预警方法如下:
(1)预先将案例、设计施工、工程参数信息输入高速公路软基处理方案云数据库模块1中，当需要进行软基处理时，按照要求将实地勘探的工程参数输入，高速公路软基处理方案云数据库模块1将自动筛选符合加固要求的方案，包括但不限于雪花形钢板桩尺寸、布设方案；
(2)将方案无线发送至3D打印建模模块2，利用三维建模软件建立三维立体模型；将模型转换成STL格式导入3D打印软件中，将符合要求的材料，如金属粉添加入原料箱3a中，由3D打印机3打印雪花形钢板桩4；打印时根据工程需求和实际条件，选择打印一体化雪花形钢板桩或组装式雪花形钢板桩；
(3)将雪花形钢板桩4运输至现场，将应变光纤7a和温度补偿光纤7b用环氧树脂黏贴固定在雪花形钢板桩上，用卡扣进一步固定；同时将应变光纤7a和温度补偿光纤7b布设在土工格栅5的网格正面；在网格处用扎带进行绑扎，绑扎时将应变光纤7a绷直，对温度补偿光纤1b不施加作用力；将温度补偿光纤7b与自加热光纤传感器7c用刚性保护套保护后固定在气候监测模块6的内壁；
(4)打桩机吊起雪花形钢板桩4，桩身垂直于路基，并将多余的光纤引线1d保护好，将雪花形钢板桩4按照高速公路软基处理方案云数据库模块1给出的方案，采用压桩、打桩方法打入到路基中的设计深度；将布设有温度补偿光纤和自加热光纤温度传感器的气候监测模块6固定在雪花形钢板桩4打入处的路旁，采集温度补偿光纤初始数据并记录当时温度；集水装置底面水平，保证测得的降水量准确；将预留长度的光纤引线7d用保护套16保护引至光纤数据自动采集与传输模块8处，与跳线熔接，连接至光纤数据自动采集与传输模块8；在雪花形钢板桩4打入处附近开挖，对地基土层整平，将布设有应变光纤7a和温度补偿光纤7b的土工格栅5平铺在雪花形钢板桩4附近的路基中，使土工格栅5与场地紧贴，确保土工格栅与土体协调变形；铺设后及时进行填土、整平和碾压。上述施工点均布置在现场路况监测模块9摄像范围内便于以现场图像和监测数据进行对比检验。光纤分别预留出设定长度，以便于后期与光纤数据自动采集装置8连接。在施工过程中，预留的光纤用保护套进行保护，防止填土、整平和灌浆过程中对光纤造成损坏。
(5)将光纤数据自动采集与传输模块8、现场路况监测模块9与太阳能供电及数据传输模块10连接，测试现场路况监测模块9监测的及时性和有效性；待路基填土完成后，将伸出路基的应变光纤7a、温度补偿光纤7b和自加热光纤温度传感器7c分别与跳线进行熔接，光纤熔接处需加上热膨胀管以增加刚度和耐久性，熔接后根据监测体系中的沉降、桩基变形、降水量分布接入光纤数据自动采集与传输模块8的不同通道中，测试线路的连通性，设置好相关参数，进行数据的试采集，以确定数据的有效性。同时记录气候监测模块6采集的初始数据和现场的大气温度，便于后期对温度数据进行累加。
(6)现场路况监测模块9将监控到的实时路况及车辆信息传输给太阳能供电及数据传输模块10，太阳能供电及数据传输模块10将实时路况及车辆信息无线发送至软基处理效果云平台数据管理与预警模块14，软基处理效果云平台数据管理与预警模块14对将存在的滑坡路况及车辆违法信息作出判断和预警；
(7)光纤数据自动采集装置8采集数据并分别打包后传输给太阳能供电及数据传输模块10，太阳能供电及数据传输模块10将数据发送给光纤数据处理与分析模块11，其对光纤数据进行自动化提取处理，并进行去噪、平滑，最终得到理想数据，根据公式转化成路基沉降、降水量、温度、桩基变形相关信息，并传输给监测结果显示模块12，以图表形式显示在屏幕上；
(8)监测结果显示模块12将数据传输给高速公路软基处理效果评价模块13，高速公路软基处理效果评价模块13根据预设程序，结合接收到的信息，对路基沉降、钢板桩效果发挥、降水量引起路基病害或对加固效果造成影响的可能性进行评估，以百分制进行打分，显示在屏幕上，并将其与沉降、降水量、桩基变形信息进行打包，无线传输至软基处理效果云平台数据管理与预警模块14；
(9)软基处理效果云平台数据管理与预警模块14将评估结果与预警值对比，若评估结果较好，则按照预设时间段，调用信息库中路段负责人联系方式，定期将数据和现场路况照片发送至移动手机远程接收模块15；若软基处理评价结果达到预警值，说明处理效果欠佳，则调用信息库中二次加固方案数据库，将监测数据、现场路况照片、路基处理效果评价结果、二次加固方案、施工单位信息发送至路段负责人移动手机远程接收模块15；若期间出现车辆超速违法的情况被现场路况监测模块9捕捉，则调用信息库中合作交警部门联系方式，将信息发送至移动手机远程接收模块15；若出现暴雨易造成路面塌陷、滑坡危害或道路事故的情况，或者气候监测模块监测到降水量迅速变化，则调用信息库中合作交警部门、路段负责人、突发灾害事件管理部门联系方式，将信息发送至移动手机远程接收模块15，对其进行预警。
