项目背景与行业痛点

深基坑围护桩、支护桩、边坡抗滑桩以及桥梁和建筑桩基础在施工和长期运行过程中，需要承担土压力、水压力、支撑反力、上部结构荷载以及岩土体变形产生的复杂作用。桩体外观即使没有明显开裂或位移，桩身内部不同深度的钢筋应力和截面受力状态仍可能已经发生明显变化。

传统基坑监测通常重点关注桩顶水平位移、深层水平位移、支撑轴力和地表沉降，这些数据能够反映围护体系整体变形，但不能直接说明桩身某一深度截面的受拉、受压和弯曲响应。因此，在重要深基坑、抗滑桩和试验桩项目中，需要进一步建立桩身内部受力监测。

桩身内力还具有明显的深度分布特征。随着基坑逐层开挖、支撑安装、锚索张拉、地下结构回筑以及地下水条件变化，最大弯矩位置和受力方向可能不断发生变化。只在一个深度布设单点应力传感器，难以完整反映整根桩的受力演化。

桩身应力内力在线监测系统通过在钢筋笼关键深度和截面方向布置应力/应变感知元件，连续获取钢筋受拉、受压和温度数据，并结合桩径、配筋、材料参数和测点坐标进行截面力学分析，形成沿深度的应力、轴力、弯矩及其变化过程，为基坑围护桩、抗滑桩和受力桩提供远程数字化监测手段。

建设目标与监测目标

本项目建设桩身应力与内力综合在线监测系统，对围护桩、支护桩、抗滑桩及项目约定的重要结构桩进行长期连续受力监测。

直接监测内容主要包括钢筋应力或应变、温度以及项目配置的土压力等原始工程量。

在设计参数和力学模型明确的条件下，系统进一步计算不同深度截面的轴力、弯矩或相对变化趋势，并形成桩身沿深度受力分布。

通过持续监测分层开挖、支撑施加、锚索张拉、结构回筑、降雨和其他工程事件前后的变化，分析围护体系荷载传递过程。

系统通过边缘数据采集主机、4G或其他项目通信方式将数据上传SIYB智能监测平台，实现远程查看、质量判断、历史分析和分级预警。

需求分析

桩身内力监测首先需要确定关键监测截面。测点应根据桩长、开挖深度、支撑位置、地层条件、结构计算结果和预计最大弯矩区进行布置，而不是按照固定间距机械设置。

第二，需要保证截面测点能够反映受拉和受压差异。对于弯曲明显的围护桩或抗滑桩，通常需要在同一截面不同方向成对或多点布置应力/应变感知元件，以获得截面应力分布信息。

第三，需要提前冻结桩径、钢筋规格、配筋数量、钢筋位置、混凝土和钢筋材料参数以及测点坐标。轴力和弯矩属于基于这些参数进行的力学换算，参数错误会直接影响派生结果。

第四，钢筋笼吊装、焊接、混凝土振捣和浇筑过程可能损伤埋设传感器及电缆，因此桩身内力系统必须在施工阶段实施全过程保护和通道检查。

第五，工程预警不能直接采用传感器量程百分比。控制值应来自结构设计、专项监测方案、历史基线、施工阶段和实际风险等级。

总体解决方案

本方案采用S-PIFS桩身内力监测系统，由桩身应力/应变感知阵列、可选土压力及工况接口、边缘数据采集主机、截面力学计算组件、4G/RS485/LoRa通信系统、现场供电组件和SIYB结构安全监测平台组成。

施工阶段按照设计确定的关键深度，将感知元件固定在钢筋笼指定位置，并记录测点标高、截面方向、钢筋编号和空间坐标。

桩体受力后，感知元件的频率、电阻、应变或其他原始信号发生变化，边缘采集主机依据对应标定系数转换为钢筋应力或应变，并同步读取温度信息。

平台结合桩径、配筋、材料参数和截面测点位置，根据项目确认的力学模型计算轴力、弯矩或其相对变化。

最终形成“桩身受力感知—原始应力/应变采集—温度与质量控制—截面内力计算—4G远程传输—沿深度剖面分析—工程预警”的完整监测体系。

系统架构设计

系统按照桩身感知层、边缘采集层、力学计算层、远程通信层和结构安全应用层进行设计。

桩身感知层由不同深度和不同截面方向的钢筋应力/应变传感单元组成，根据项目需要增加土压力感知。

边缘采集层完成多通道同步或轮询采样、温度补偿、零点管理、数据滤波、质量判断、本地存储和断网缓存。

力学计算层保存桩径、钢筋数量、钢筋坐标、材料参数、截面方向和计算模型，将直接测量数据转换为截面受力分析结果。

通信层可配置RS485、4G、LoRa以及项目约定的其他通信方式，并根据施工阶段选择太阳能、市电或混合供电。

SIYB平台按照“项目—围护体系—桩号—深度截面—测点”的方式组织数据，使桩身受力具有清晰空间属性。

监测内容与监测方法

钢筋应力或应变是桩身内力监测的核心直接测量量，用于反映指定钢筋位置在结构受力后的拉压变化。

温度同步监测用于辅助解释混凝土、钢筋及感知元件受到环境温度和水化热等因素影响产生的长期变化。

同一截面两侧或多方向测点可用于分析受拉、受压差异以及截面弯曲方向。

轴力属于截面派生量，根据各测点应力、材料、配筋及截面模型进行计算或估算。

弯矩属于截面应力分布与测点位置共同决定的力学结果，可用于形成不同深度截面弯曲受力变化趋势。

土压力属于项目可选监测内容，可用于分析桩身受力变化与周边岩土荷载之间的关系。

施工工况包括分层开挖、支撑安装、支撑拆换、锚索张拉、结构回筑、降水和其他重要事件，均应作为时间标签与桩身内力曲线关联。

技术原理与算法模型

桩身应力监测通过固定在钢筋或指定结构位置的应力/应变感知元件获取局部受力变化。结构受力后，钢筋产生拉伸或压缩变形，使传感器对应频率、电阻或应变量发生变化。

边缘采集主机依据各通道出厂标定系数，将原始量转换为钢筋应力或应变工程值，并同步保存温度、零点和质量状态。

对于某一测点，设建立稳定基线时应力为σ0，当前应力为σt，则相对应力变化可表示为Δσ=σt-σ0。

在项目采用应变测量并且材料处于适用力学条件时，可根据设计或试验确认的材料弹性参数进行应力换算。材料参数应采用项目真实钢筋、混凝土或结构参数，不能使用未经确认的统一数值。

对于一个具有多个应力测点的桩身截面，工程计算中可根据各测点应力、钢筋面积和空间坐标建立截面内力模型。轴力反映截面合力，弯矩反映应力相对于截面参考轴的力矩效应。

具体轴力和弯矩模型应根据桩径、配筋、材料本构、钢筋与混凝土协同受力假设以及测点数量确定，平台需要保存模型版本和参数版本。

因此，平台显示的轴力和弯矩属于专业力学模型换算结果，不应将其精度简单等同于单个应力传感器的测量精度。

系统功能设计

系统具备桩身钢筋应力/应变连续采集、温度同步监测、截面管理、轴力估算、弯矩估算、沿深度剖面分析、工况标记、异常变化率识别和分级预警等功能。

基线管理功能保存浇筑前初值、混凝土成型后的稳定值以及正式监测基线，防止不同施工阶段数据混合解释。

截面管理功能将同一深度的多个应力测点组成一个计算截面，并保存每个传感器的空间坐标和方向。

沿深度分析功能可以比较不同深度截面的轴力、弯矩或钢筋应力变化，识别主要受力区。

质量控制功能自动标记越量程、突变、漂移、断线、离线、低电、维护及模型异常。

平台支持阈值、变化率、持续时间、多测点一致性以及设备故障等不同类型告警。

硬件组成与配置方案

系统主要由桩身钢筋应力/应变感知元件、温度感知通道、防护电缆、可选土压力传感器、边缘数据采集主机、4G或LoRa通信模块、电源系统、防护箱和平台软件组成。

钢筋应力或应变感知单元应在钢筋笼制作阶段安装，并根据截面分析要求成对或多点布设。

传感器和线缆安装完成后，应记录桩号、截面标高、传感器编号、朝向、钢筋规格、坐标和校准系数。

土压力模块可根据项目需要布设于桩侧或重点受力区域，用于补充分析外部土体荷载。

多个埋设感知通道集中连接边缘采集主机，由一套通信终端统一通过4G或其他链路上传平台。

基坑施工现场具备市电时可采用稳定电源和备用供电；边坡抗滑桩或偏远点位可根据条件配置太阳能与储能系统。

核心设备参数

S-PIFS主要监测对象包括围护桩、支护桩、抗滑桩以及项目约定的结构桩，具体监测截面和测点由设计或专项监测方案确定。

钢筋应力或应变量程根据设计应力、钢筋规格和最终感知元件配置确定。现有产品资料未形成能够适用于所有桩身配置的单一统一量程，因此本方案不虚构固定量程。

土压力监测典型可选范围为0～3.0MPa，实际量程应覆盖设计计算值、施工扰动及相应安全储备。

感知通道参考精度典型≤±0.1%F.S。该指标属于直接感知通道性能，不能直接作为最终轴力或弯矩计算精度。

分辨能力资料典型为0.025%F.S，具体根据感知元件、量程及采集通道确定。

工作温度典型范围为-40～+80℃，温度测量参考误差±0.5℃。

埋设感知端耐水压资料典型≥1.0MPa，或满足最终配置对应的量程和耐水试验要求。

系统支持多通道同步或轮询采集，通道数量根据监测截面、测点数量和冗余要求配置。

通信可配置RS485、4G或LoRa，常用数字通信可采用RS485/Modbus；以太网、NB-IoT等根据项目配置确认。

主要输出包括原始量、温度、钢筋应力/应变、轴力估算、弯矩估算、可选土压力、质量码和施工工况标记。

软件平台与数据展示

SIYB智能监测平台针对桩身内力采用“桩号+深度截面+截面方向”的数据结构，而不是简单展示一组独立传感器数值。

实时页面显示各钢筋应力/应变测点、温度、土压力选配数据、轴力估算、弯矩估算和设备状态。

桩身剖面页面可按照深度绘制不同截面的应力、轴力或弯矩变化，直观看到当前桩身主要受力位置。

截面页面可显示同一深度不同方向测点的拉压关系，用于观察弯曲方向和应力分布。

历史页面可以将不同开挖阶段、支撑施工阶段和地下结构回筑阶段的数据进行叠加比较。

平台同时保存原始频率、电阻或其他直接量、工程值、计算参数、质量码、模型版本和设备状态，确保派生内力结果可以追溯。

系统支持CSV/Excel数据导出以及项目约定的API、Modbus、MQTT或已有行业平台对接。

数据分析与智能应用

桩身内力分析的核心不是寻找某个单一“最大应力数值”，而是观察受力沿桩深和施工阶段的空间—时间变化。

在深基坑中，可将每一级开挖标高与桩身弯矩剖面进行对应，观察最大弯矩位置是否随着开挖深度逐步变化。

支撑安装或锚索张拉以后，可以比较相邻阶段桩身应力和弯矩是否重新分配，辅助分析围护体系荷载传递。

地下结构回筑和支撑拆除过程中，可继续跟踪桩身内力是否出现新的变化阶段，形成基坑全过程受力记录。

对于抗滑桩，可将不同深度应力与坡体GNSS位移、深部位移、雨量和孔隙水压力同步分析，观察坡体荷载变化与桩身受力之间的响应关系。

对于桥梁和建筑试验桩，可将分级加载时间与桩身应力沿深度分布进行对应，用于研究荷载沿桩身传递规律。

长期运行中，平台可统计同一截面历史最大值、最小值、变化率以及相邻截面差异，快速筛选异常受力区。

预警机制与决策支撑

桩身内力监测可以围绕直接应力/应变、相对变化量、变化速率、派生轴力、派生弯矩、持续时间和多参数关联设置不同预警规则。

钢筋应力变化预警适用于直接监测量，当某一关键截面持续出现明显拉应力或压应力变化时，可进入重点关注状态。

弯矩或轴力预警应使用项目确认的计算模型和设计控制值，并由结构或岩土专业人员确认其适用性。

变化速率规则可以识别施工阶段短时间受力快速改变，即使当前绝对值尚未达到最终控制值，也可作为人工复核触发条件。

多测点一致性规则可以判断同一截面多个感知元件是否表现出合理的拉压关系。如果仅一个通道发生异常跳变，而其他测点及结构变形均无对应变化，应首先核查设备质量状态。

综合在线预警可将桩身内力与深层水平位移、支撑轴力、土压力、地下水位、降雨和施工工况共同使用，提高异常解释能力。

具体控制值不能直接按照±0.1%F.S精度或传感器量程比例确定，应依据设计文件、结构计算、专项监测方案和项目风险等级执行。

项目实施方案

项目实施前由设计和监测单位确定监测桩号、关键深度、截面方向、传感器数量、冗余布置、设计控制值以及内力计算方法。

在钢筋笼加工阶段完成感知元件安装，逐一记录设备编号、安装标高、钢筋位置、朝向、截面坐标和校准系数。

传感器线缆沿钢筋笼可靠固定并采取机械保护，避免吊装、焊接、振捣和混凝土浇筑过程中发生拉扯、切断或局部受压。

浇筑前完成绝缘、通道、初始数据和安装照片检查，并确认所有通道能够正常读取。

混凝土浇筑及养护阶段持续观察传感器状态，达到专项监测方案规定条件后再建立稳定长期基线。

边缘采集主机完成通道、量程、标定参数、桩径、配筋、材料参数、4G通信和平台模型配置。

正式投入使用前逐通道验证原始量、温度、工程值、轴力和弯矩换算、报警、断网补传及数据导出功能。

运维服务保障

桩身感知元件属于长期埋设设备，混凝土浇筑完成后通常无法直接拆卸维护，因此施工安装质量和远程数据诊断尤其重要。

系统应持续检查各通道是否出现断线、数据停滞、长期漂移、突变或明显不符合相邻测点规律的状态。

外露接线箱、边缘数据采集主机、4G天线、电源和防雷系统应根据现场环境定期检查。

开挖、支撑转换、暴雨、明显围护位移或重大施工事件发生后，应重点复核对应时间段桩身受力数据。

通信中断时边缘主机继续采集和缓存，恢复网络后按照真实采集时间补传，避免关键施工阶段形成无法解释的数据空档。

材料参数、截面模型、控制值、零点、传感器更换和算法发生变化时，应保存版本和变更时间，保证轴力和弯矩等派生数据能够长期追溯。

项目优势与方案价值

本方案把传统难以直接观察的桩身内部受力转化为连续数字数据，使围护桩、支护桩和抗滑桩能够从“只看位移”进一步扩展到“位移+受力”综合在线监测。

多个深度、多个截面方向同步布点，可以形成桩身受力剖面，比单一应力传感器更能反映结构实际受力过程。

平台同时保留原始应力/应变和轴力、弯矩等派生结果，使工程人员可以从最终内力反查对应测点和计算模型。

施工工况标签可以将开挖、支撑、回筑和降水等事件与桩身受力变化直接对应，提高数据工程解释价值。

4G、RS485、LoRa及多种供电方式可以根据深基坑、抗滑桩和科研试验桩的现场环境灵活配置。

断网缓存、质量码、模型版本和设备状态统一管理，使长期数据不只“有数值”，还具备较完整的可信性证据链。

系统还可以与位移、支撑轴力、土压力和地下水监测组合，为基坑和边坡构建更加完整的“外部荷载—桩身内力—结构变形”监测体系。

应用场景

本方案适用于深基坑围护桩和支护桩，连续跟踪分层开挖、支撑施加及地下结构回筑阶段的桩身受力。

适用于边坡抗滑桩，通过不同深度应力和内力变化分析坡体荷载向抗滑结构传递的过程。

适用于桥梁桩基础，在试验或重点运营阶段观测桩身应力分布和长期受力变化。

适用于大型建筑桩基础和重点受力桩，建立桩身内部荷载传递的长期监测数据。

适用于轨道交通深基坑、车站围护结构及其他地下工程围护桩内力监测。

适用于水利工程和大型支护结构，对桩式结构内部受力进行长期综合在线观测。

适用于科研试验桩和现场荷载试验，保留原始量、材料参数和工况标签，用于研究桩身荷载传递规律。

效益分析

受力透明化方面，系统使桩身不同深度内部应力和截面内力能够连续数字化呈现，补充外部位移监测的信息不足。

施工分析方面，能够记录每一级开挖、支撑安装和回筑对应的内力变化，为围护结构全过程分析提供数据。

风险筛查方面，应力、变化率、弯矩趋势和多测点一致性可以帮助工程人员快速定位重点桩和重点深度。

远程管理方面，4G联网减少施工现场人工读取和重复整理数据工作，多根监测桩可以统一进入SIYB平台。

科研与复核方面，原始量、材料参数、截面模型、施工工况和派生内力均可长期保存，为设计复核和岩土结构研究提供完整数据基础。

标准规范与政策依据

深基坑围护桩及支护结构监测项目可根据实际适用范围参考GB 50497-2019《建筑基坑工程监测技术标准》。

抗滑桩和建筑边坡相关项目可结合GB 50330-2013《建筑边坡工程技术规范》。

涉及工程变形及监测基准配套工作时，可参考GB 50026-2020《工程测量标准》。

具有外壳防护等级声明的相关设备可参考GB/T 4208-2017《外壳防护等级（IP代码）》。

采用Modbus方式进行现场数字通信和平台集成时，可参考Modbus Application Protocol Specification V1.1b3。

大型综合在线平台涉及网络安全建设时，可根据项目适用范围参考GB/T 22239-2019《信息安全技术 网络安全等级保护基本要求》。

桥梁、轨道交通、水利、建筑桩基和科研试验等项目还应结合所属行业设计规范、专项监测方案和实际验收条件执行。

上述标准用于项目设计、选型和监测方法参考，不表示S-PIFS整套系统自动取得相关认证或满足标准全部条款。

成功案例

成功案例应以真实实施并获得公开授权的项目资料为准。典型深基坑围护桩内力监测项目，可在重点围护桩钢筋笼加工阶段选择多个关键深度，每个截面按照受力分析要求布置成对或多点钢筋应力感知元件。

混凝土浇筑并达到项目规定条件后建立稳定监测基线，边缘采集主机持续读取各深度钢筋应力和温度，并通过4G网络上传SIYB智能监测平台。

随着基坑逐层开挖，平台持续比较各深度钢筋受拉、受压变化，并根据项目确认的截面模型计算相应轴力或弯矩趋势。

支撑安装后，可继续观察桩身最大受力位置和内力分布是否发生变化；进入地下结构回筑和支撑拆除阶段后，再形成新的阶段性受力曲线。

如果系统同时接入深层水平位移、支撑轴力和土压力数据，技术人员可在同一时间轴分析围护桩变形、外部荷载和桩身内力之间的关系。

以上内容属于基于S-PIFS系统能力编制的典型实施路径，不作为欣仰邦既有客户名称、项目业绩或固定量化效果声明。

参考文献

[1] GB 50497-2019，《建筑基坑工程监测技术标准》。

[2] GB 50330-2013，《建筑边坡工程技术规范》。

[3] GB 50026-2020，《工程测量标准》。

[4] GB/T 4208-2017，《外壳防护等级（IP代码）》。

[5] Modbus Application Protocol Specification V1.1b3。

[6] 桩身钢筋应力、应变测量及截面轴力、弯矩换算相关结构力学与岩土工程资料。

[7] 深基坑围护桩、抗滑桩、桩基础荷载传递及施工阶段内力监测相关工程资料。