摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题研究目的及意义
1.2课题国内外研究现状
1.3 课题研究主要内容
第二章 基坑监测技术研究
2.1基坑监测内容
2.2 基坑监测方法
2.3基坑监测预测模型
第三章 基坑监测数据处理方法
3.1 水平位移
3.2 竖向位移
3.3 倾斜
3.4 内力
第四章 基坑监测数据处理系统
4.1 数据库设计
4.1.1数据库与数据库系统
4.1.2 系统数据库的建立
4.2系统总体设计
4.3功能设计
第五章 总结与展望
第一章 绪论
1.1课题研究目的及意义
在基坑变形监测过程中，监测项目多，监测数据量大，数据采集后需要对监测数据及时地进行计算处理，综合分析基坑的状态和变化趋势，发现并消除安全隐患。同时，在计算变形和位移数据后，还需要对所有的观测数据及分析数据进行安全有效的保存和管理，以便于后期数据的查询和分析。传统监测数据的处理主要由人工完成，监测报表用Word和Excel手工制作，以简单的文档进行数据保存。监测数据处理效率低，数据成果反馈不及时，不利于监测数据的分析和监测预报，影响工程决策。同时，由于监测数据缺乏数据库支持，数据查询和分析速度慢，查询的分析成果可视化程度差，不直观。在这种情况下，为满足越来越多的大型基坑工程监测的需要，建立一个基坑施工变形监测数据处理系统是十分必要的。利用基坑监测数据处理系统可以管理并利用好监测中所产生大量且复杂的数据，通过分析处理发现变形，寻找变形发生的原因、分析变形特征， 提高预测预报准确性[5]以及基坑建设的工作效率。
基坑工程是一个综合性的土木工程和岩土工程难题,随着城市空间紧张,高层建筑向地下空间 发利用的趋势,深基坑越来越多,它的受力、变形等都比浅基坑要复杂[9]。基坑支护开挖过程的计算既涉及到强度与稳定问题,又有变形问题,同时还涉及到土与支护结构的共同作用,所以深基坑工程涉及到土力学、结构力学、基础工程、施工技术、监测技术等多门学科,其理论性和实践性很强。
Terzaghi和Peck等人在20世纪30年代就提出基坑支护 挖计算方法,40年代提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法,并取得了一定的成果。50年代,Bjerrum和Eide给出了分析深基坑底板隆起的方法。60年代开始在挪威首都奥斯陆和墨西哥首都墨西哥城软粘士深基坑中使用了仪器进行监测。Peck在1969年通过对监测数据的分析提出了一种分析墙后沉降和范围的经验性的方法,通过大量的试验证明了这种方法预测的准确性。70年代开始,指导基坑开挖的一些法规相继产生了相,这个时期对工程检测项目、仪器的选择、埋设与观测等工作有了进一步的研究。对于我国的基坑发展,在70年代以前基本上都是浅基坑,从80年代中期开始,我国才涉及深基坑的研究。随着研究不断深入,工程经验的不断积累,形成了一些半经验半理论的设计、施工和预测基坑变形的方法。80年代末期中国召开了很多的关于深基坑工程的研讨会,互相交流对深基坑的设计和施工的经验。90年代,中国相继出台了深基坑设计的规范,为深基坑的发展起到了积极地推动作用。
1.3 课题研究主要内容
本课题需详细探讨基坑工程变形监测相关理论知识与关键技术，在此基础上重点研究自动化数据处理系统设计思想与实现方法，利用Office、Visual Studio等工具平台完成主要功能模块的开发，并通过实测数据验证该系统的合理性与实用性。具体研究内容包括以下几方面：
（1）结合国内外研究现状，对课题研究背景，研究方向作深入探讨，论证课题的必要性；
（2）深入了解并掌握深基坑变形监测的内容、方法以及具体项目的监测流程，对深基坑变形数据分析处理方法进行探讨；
（3）对时间序列法基本原理作深入探究，包括平稳时间序列的三种基本模型、动态特性、模型识别、模型参数估计与模型定阶的基本方法、模型的预报；
（4）掌握小波变换的原理与特点，及其变换思想，并对小波变换的基本步骤做深入研究；
（5）结合深基坑变形数据，利用Matlab语言建立基于小波分析时间序列法的数据预报模型，做出合理预报，并与实测值对比，验证小波技术与时序法在数据预报方面的可靠性。
第二章 基坑监测技术研究
2.1基坑监测内容
为了准确地掌握基坑特别是深基坑工程在施工过程中的变形情况，需从基坑主体结构、围护结构、地下水位和相邻环境四个方面对基坑进行全面的变形监测。对于一般的基坑工程，施工变形监测的项目一般包括：(1)围护体水平位移监测(测斜);(2)围护墙顶部沉降监测;(3)围护墙顶部水平位移监测;(5)地下水位监测;(4)围护结构的受力监测;(6)基坑周围地表沉降监测;(7)基坑内坑底回弹监测。
2.2基坑监测方法
2.2.1 水平位移监测
(1)水平监测点的布设:一般的基坑形状为长方形和不规则基坑,《建筑物变形测量规程》的中有水平位移视线长度的相关规定,因为一般情况下基坑的拐角区域的变形相对较小,所以一般讲基点墩的位置设在在基坑的拐角区域,为满足计算要求一般要设置2个以上的基点;在基坑的围护结构某些冠梁顶布设的水平位移监测点需要根据基坑的围护结构布置的位置及数量来确定,这种观测点的埋设一般是观测墩;在布设好基点后,可以沿基坑边布设监测点,但相邻观测点之间必须选要通视,一般情况下观测点距离基坑300mm比较合适。
(2)水平位移监测方法:一、基坑的水平位移监测一般是采用小角度法或极坐标法。二、而基坑几点的稳定性宜采用前方交会、后方交会法和导线测量法。三、小角度法主要用于基坑水平位移变形点的观测。四、导线测量法主要用于前方交会法和后方交会法都难以实现基坑周边建筑物密集的情况下对基点的稳定性检查的情况。
2.2.2 沉降监测
(1)沉降监测点布设:沉降监测点得布置要考虑各方面的因素,例如建筑的形状、地质条件、围护结构的形式等,布设点必须要能敏感的反应沉降的变化。一般布设在建筑物四角、地质条件有明显不同的区段、差异沉降量大的位置、以及沉降裂缝的两侧。观测点必须要与建筑物牢靠联结,真正能反应建筑的陈建变化情况。设定固定的观测路线,是相邻的观测点之间要能通视,必须要保证每一次的测量都是沿统一观测路线进行的。
(2)沉降监测方法:首先测点水准基点高程,沉降观测水准基点的高程可以通过附近的国家高等级水准点引测。沉降监测点不设稳定后,同时依次向每个点引测高程值,接下来根据工程性质以及地址条件、周边现有建筑的环境、设计要求进行周期性监测。
2.2.3 测斜监测
(1)一般是指使用测斜仪观测土体内部水平位移。常用于:1.滑面不明、滑带较厚的斜坡监测;2.填土下软土变形监测;3.深基坑边坡监测;4.挡土墙变形监测。
(2)测斜方法:将测斜器感应方向对准水平位移方向导槽内,将测斜器轻轻的放入管底,待稳定后,将测量管放在关口处并测其读数,每隔0.5m进行一次测量读数。然后将测斜器旋转180°,再按上述方法进行一次测试,按照这个方法可以消除仪器本身的误差,提高测量结果的准确性。
2.3基坑监测预测模型
对于深基坑围护结构顶部的变形,人们不仅关注以前发生的变形,更关注产生形的原因和将来可能发生变形的趋势,因此变形分析和预报具有广泛的重要意义。变形预测采用的方法多种多样,如时间序列分析、灰色系统、卡尔曼(Kaiman)滤波模型、神经网络模型等。
2.3.1 时间序列AR预测模型
时间序列AR模型(Autoregressivemodel)全称自回归模型,是研究原始观测数据的自相关性,建立动态模型,利用已有的观测数据与未来数据进行预测。如时间序列
的预测是当已知
时,对
的
进行预测,并且要求预测误的方差达到最小。ARMA(n,m)模型是时间序列分析中最具代表性的一类线性模型。
时间序列分析是动态数据处理分析和处理的一种有效方法。它通过对这些观测数据的统计规律性分析,构造拟合出这些规律的最佳数学模型,并预报时间序列未来的可能数值,最后给出预报结果的精度分析,它不要求考虑影响观测值的各种力学因素。时间序列分析的应用己涉及到众多的学科领域,并都取得了良好的效果。
2.3.2 灰色系统模型
灰色系统(GreySystem)是指信息不完全的系统,其中部分信息明确、部分不明确,已知的信息称为白色,未知的信息成为黑色,它将一切随机过程看作是在一定范围内变化的、与时间有关的灰色过程,通过对灰色过程的生成处理,特别没有规律的原始数据序列通过累加或累减而成为具有较强规律的新数据,从而建立连续的微分方程,得到模型计算值,再与实测值比较,获得残差,用残差再对模型做修正得到最终的预测模型。它提供了在缺少信息情况下解决系统问题的新途径。灰色系统中应用最多的是GM(1,1)模型,在岩土工程中己有应用。
2.3.3 卡尔曼滤波模型
卡尔曼(Kalman)滤波采用递推的方式,借助于系统本身的状态转移矩阵和观测资料,实时最优估计系统的状态,并能对未来时刻系统的状态进行实时控制和快速预报。它是用一组状态方程和观测方程描述动态系统,把参数估计和预报有机结合起来,是一种对动态系统进行实时数据处理的有效方法。但该模型要求己知系统的状态方程、观测方程及其统计特性,如果使用错误的数学模型或不准确的噪声统计特性,就会导致状态估计不可信,产生发散现象。动态噪声和观测噪声的方差一协方差估计误差是引起发散现象的重要因素。克服发散现象较常用的自适应卡尔曼滤波方法,它在利用观测数据进行滤波的同时,实时地对未知的或不确切知道的系统模型参数和噪声的统计特性进行适当的估计和修正,以减弱模型误差的影响,使滤波结果更接近于实际。
2.3.4 神经网络模型
神经网络(ArtificialNeuralNetwork,ANN)是基于生物大脑结构功能而研发的一种信息处理系统。它由大量而简单的处理单元广泛地相连接而形成复杂系统,具有很强的容错能力和学习功能。它不需要任何数学模型,只靠过去的经验来学习,其本身具有的自适应性、非线性和容错性等特性,特别适合于处理模糊的、非线性的、含有噪声的数据。可用于预测、分类、模式识别、非线性回归、过程控制等各种数据处理的场合。而且在大多数情况下,应用效果大大优于传统的数据处理方法。当变形监测中目前使用最广泛的是BP网络。
第三章 基坑监测数据处理方法
3.1 水平位移
在基坑开挖前对水平位移监测点用极坐标法进行监测，建立初始数据，规定向基坑位移内为正，向基坑外为负，以X轴或Y轴与上期的差值即为本期位移值，与初始观测值的差值即为累计位移值，由于观测点数量较多，观测周期短，数据量大，因此利用Excel电子表格进行计算，简单快捷准确。并利用Excel电子表格的数据绘图功能，绘出报警值曲线以及水平位移-时间曲线图，使变形数据一目了然。以下详细介绍了坐标法计算位移量的方法。
坐标法如图一所示，
为施工测量坐标系，
为与
共原点的参考坐标系。
和
为位移点
分别在施工测量坐标系和参考坐标系中的坐标。
为位移点
沿基坑边线的垂线（且指向基坑内）在施工测量坐标系
轴旋转
角且与
点基坑边线的垂线平行。由坐标系旋转变换原理可得：
（1）
即以施工测量坐标系中按坐标法施测获得的位移点
坐标
，位移点基坑边线的垂线坐标方位角
（可有基坑电子平面图等获得），可按（1）式求得位移点在参考坐标系中的坐标值。设本次监测为第
次，前次监测为第
次（
），则位移量计算可按下式表达：
即
在初次监测时，解求每个位移监测点沿基坑边线垂线（指向基坑内）的坐标方位
角。
值在坐标系统不变条件下对于每个位移点是固定不变的，不同位移点有各自的
值（不一定会相同）
（2）
按（2）式解算的
或
即为
点在基坑边线的垂线方向的位移量。采用此方法要求。
特殊情形，当唯一点位于如图一的垂直拐点
时，
点的位移量应同时计算
和
值，而在确定
点
值时，应按
点往基坑里两个方向都为参考坐标系正轴方向来确定。如此才能使计算位移量在两个方向都满足往基坑里为正，往基坑外为负的规定。
该方法是以各监测点的基坑边线垂线（方向指向基坑内）方位角为参数，将施工测量坐标系下监测点坐标通过坐标系换算方法直接求得位移量。应用时，应全面理解此法采用的参考坐标系与基坑的位置关系，避免位移量值用错。
图一
3.2 竖向位移
如图二所示，为获知各工作基点的纵横位移分量，一般采用间接平差的方法。按平差原理组成各观测值的误差方式，写成矩阵形式，有
权阵
系列矩阵为
各观测值的权由下式确定：
按最小二乘原理可组成法方程，并求解，有
（1）
当我们要求第
期观测相对于第一次观测的位移量时，我们可以把第一次观测的坐标看做是第
次观测时的坐标近似值，由两期观测角度的差数直接通过平差求得其坐标的变化量，而监测网的图形是一定的，每次的位移对于计算误差方程式的系数几乎没有影响，因此可以把式（1）看做不变的常数，以后每期观测仅计算
式中：
=1,2，…，
为观测个数；
为期数；0为初始观测。
这样就可以求得各点的位移分量
，
（
。
为未知数的个数）。
图二
3.3 倾斜
建筑物倾斜监测宜采用全站仪、激光铅直仪、倾斜仪等测定建筑物顶部监测点相对于底部固定点或上层相对于下层监测点的倾斜度、倾斜方向及倾斜速率。刚性建筑物的整体倾斜可采用水准仪测量顶面或基础的差异沉降来间接确定。
当从建筑物的外部观测主体倾斜时，宜采用投点法、坐标法或前方交会法；当利用建筑物顶部与底部之间的竖向通视条件进行主体倾斜观测时，宜采用垂准法或激光铅直仪法；当利用相对沉降量间接确定建筑物主体倾斜时，宜采用倾斜仪法或差异沉降法。以下为倾斜数据的处理方法。
1.高度（高程）=上点高程-下点高程；
2.成果数据表中，倾斜方向根据情况分为9种：东北、东南、西北、西南、正北、正南、正东、正西、无。
倾斜方向判断：
方向的倾斜量
时，偏北；
方向的倾斜量
时，偏南。
方向的倾斜量
时，偏东；
方向的倾斜量
时，偏西。等于0时，不偏。
3.成果表中，倾斜量只保存两方向上的整体偏移量：倾斜量=
=-；=-。
4.倾斜度（即倾斜率）=整体倾斜量/高程。只保存整体倾斜度。
5. 倾斜速率=倾斜量/间隔日期（mm/d）。
第四章 基坑监测数据处理系统
4.1数据库设计
4.1.1数据库与数据库系统
数据库(Database,简称DB)是长期存储在计算机内有组织的、大量的、可共享的数据集合。数据库内的数据按一定的数据规范组织、描述和存储,可以供多个用户共享,数据具有合理的冗余度,数据间联系紧密同时又有较高的数据独立性。
对于应用领域的各种数据,为了在数据库中科学合理地组织和存储这些数据,进而高效的访问和维护数据库中的大量数据,需要数据库管理系统。数据库管理系统(DBMS, DataBase Management System)是计算机系统中位于用户和操作系统之间的数据管理系统软件,是数据库系统的核心。
数据库系统(DBs, DataBase System)是指在计算机系统中引入数据库后的软硬件系统组成。DBS分为硬件、软件、用户三个层次。
(1)计算机硬件平台，数据库系统存储的数据量很大,要求计算机硬件平台具有较快的CPU处理速度、足够大的内存和外存、较高的系统通信能力。
(2)系统软件和应用软件，包括数据库管理系统DBMS、支持DBMS运行的操作系统、数据库应用开发工具和数据库应用程序。
(3)用户，包括建立与维护数据库的数据库管理员(DBA)、负责数据库系统设计和实现的系统分析员、数据库设计人员、应用程序员、使用数据库的最终用户等。
4.2.2 系统数据库的建立
基坑监测数据主要由Microsoft Access 2007进行管理。Access 2007是一个关系型数据管理系统,适用于容量不是很大的数据库,其处理速度快,功能完善。它采用表的方式进行数据组织,各种数据表都存在一个数据库文件中,便于文件的管理。而且操作系统兼容性良好,并且根据需要,可将数据转移到大型数据库系统如SQL Server等,其应用程序开发也比较方便。Access是Visual Basic内嵌的数据库,Visual Basie中的数据控件使用Microsoft的Jet数据库引擎Microsoft Access所用的数据库引擎相同,能快捷方便的访问Access数据库。对数据库中的基坑监测数据的访问、编辑和更新采用ADO(Active data objects)方式实现。
根据监测项目和系统需要,监测数据库里存放了共10张表,分别是围护体水平位移监测(测斜)、围护墙顶部沉降监测、围护墙顶部水平位移监测、地下水位监测、围护结构的受力监测、基坑周围地表沉降监测、基坑内坑底回弹监测、系统管理数据表、工程概况数据表、仪器信息数据表。以下例举了几张表
围护墙顶部水平位移
地下水位
基坑周围地表沉降
； 
；
；
。
，则
，
（
，
分别为测距仪的固定误差和比例误差）。
