德国大使公寓深基坑监测
时间:2009-10-27 16:45来源:监测人 作者:翔云 点击:次
岩土工程是指修建在岩体土体中以及其为依托的工程，例如隧道、地下洞室、边坡、采矿场、坝基、桥梁道路基础、建筑物基础等。
一般来说，设计岩土工程前都必须进行工程地质水文地质调查，物理力学参数的测定。由于绝大多数岩土体在形成过程中经历过造岩运动、构造运动
3.3.2 测斜仪构成
活动式测斜仪的组成大致可分为四部分：装有重力式测斜传感元件的测头、测读仪、连接测头和测读仪的电缆、测斜管。
3.3.2.1测斜仪测头：测头是倾斜角传感元件，测斜仪的核心，是测量信号的来源处。测斜仪的测试过程是：当测头处于竖直状态
时，测头中的传感器处于零位，传感器（CX系列数显测斜仪采用石英挠性伺服加速度计）的敏感轴处于水平状态，此时的输出值称为零偏，一般情况下零偏总是存在的，为了消除零偏的影响，采取正反两次测试的代数和，作为一个方向上的测试结果。现在采取如下坐标系做进一步的说明，坐标系如图5示：
图5 测试方位与平面坐标系示意图
为了适应平面坐标系的习惯，测试时将上导轮朝东，使测头处于要测的深度，当测头（即加速度计）的敏感轴与基准轴（重力加速度线）有一个夹角θ时，加速度计就有一个输出值
U1＝A＋K×G×Sinθ （l）
式中：A—加速度计的偏值（零偏）；K—加速度计的标度因数；g－重力加速度；θ－倾角。CX-03测斜仪测头性能指标为：
a．传感器灵敏度：0.02mm／8”
b．标度因数： 2.5士0.01v／g；
c、导轮间距： 500mm；
d．测头尺寸：Φ32mm X 660mm。
3.3.2.2 测读仪：测读仪应和测头配套选择与使用。其测量范围。精度和灵敏度，根据工程需要而定。测读仪是实现测斜仪测头数据的显示和输出的二次仪表。CX系列数显测斜仪的测读仪分为直读式和存储式两种。直读式测读仪是由观测者将现场测试数据直接从显示屏上读取数据，由人工记录和处理数据,直读式测读仪由十进制4了位模／数（A／D）转换、电压转换、数据显示和可充电电池等组成。通过开关，可以在显示器上显示测头测量的数据，也可以显示电池组当时的电压；存储式测读仪是指将现场测量的数据存储于测读仪的存储器中，存储器具有足够的容量，能够存储一天测试的全部数据。我院现使用的CX—03测斜仪采用了存储式测读仪。存储式测读仪是由单片机、存储器、显示器、模／数（ A／D）转换、电压转换、控制电路和可充电电池等组成。在现场条件下，测斜仪测量结果的重复性，一般应等于或优于上 ±0.01o。
3.3.2.3 电缆：电缆作用有4个：①向测头供给电源；②给测读仪传递量测讯号；③测头量测点距孔口的深度尺；④提升与下放测头的绳索。电缆除具有很高的防水性能，还不能有较大的长度变化，为此电缆芯线中设有一根加强钢芯线。
3.3.2.4 测斜管：测斜管一般由塑料或铝合金制成。测斜管直径大小不一，长度每节约2～4m，管接头有固定式和伸缩式两种；测斜管内有两对互成正交的纵向导槽，测量时，测头导轮座落在一对导槽内并可上、下自由滑动，本次监测使用的是江苏金坛市柚山学校塑料制品厂生产的测斜管，材料为PVC管，内径60mm，外经70mm，弹性模量E＝8100kg/cm2，刚度不均匀度4.4。
我院使用的CX-03测斜仪综合误差为：每15m深度测量误差不超过±4mm。
3.4 监测方法
基坑侧向变形观测是基坑开挖支护施工过程监测中一项较为直观和有效的方法。基坑侧向变形观测有许多方法，常用的方法有以下几种：
3.4.1.1 肉眼巡视
由有经验的工程技术人员按期进行的施工现场肉眼巡视是一项重要的工作。许多影响基坑侧向位移、不利于支护结构稳定的因素，例如支护结构的施工质量、施工条件的改变、基坑四周堆荷的变化、管道渗漏和不适当的排水、以及气候条件变化等等，都可以在日常的巡视中被及时发现。此外，某些工程事故隐患，如基坑四周的地面裂缝，支护结构的裂缝，邻近结构和设施的裂缝、变形或渗漏也可以通过肉眼巡视及时发现，使出现的问题及时得到处理，消除或减轻可能出现的事故。
日常的巡视工作应正式列人监测计划，派专人按期进行，并保持正式的记录。
3.4.1.2 光学仪器观测方法
这里所谓的光学仪器观测方法是指工程测量方法。在基坑侧向位移观测中，在有条件的场地，用视准线法比较简便。具体作法为：沿欲测某基坑边缘设置一条视准线，在该线的两端设置基准点A、B，在此基线上沿基坑边缘设置若干个侧向位移测点。基准点A、B应设置在距离基坑一定距离的稳定地段，各测点最好设在刚度较大的支护结构上，测量时采用经纬仪测出各测点对此基线的偏离值，两次偏离值之差，就是测点垂直于视准线的水平位移值。视准线法按观测偏离值的测法，又可分为活动觇标法和小角度法两种。用活动觇标法观测时，司觇者要根据司仪者的指挥移动觇标，直到觇标中心与经纬仪纵丝完全重合为止。然后，由司砚者在觇标游标上读取偏高值；小角度法采用经纬仪测出视准线与测点之间的小角度，从而算出测点的偏值。
如果施工场地狭窄，通视条件较差，建立视准线比较困难时，可采用前方交会法。前方交会法是在距基坑有一定距离的稳定地段设置一条交会基线，或者设两个或多个基准点，用交会方法，测出各测点的位移值。前方交会分为测角交会、测边交会和测边测角交会三种。即在两个或两个以上的基点上，观测测点的方向或边长，算出测点的平面坐标，从而获得位移值。
3.4.1.3 用测斜仪测量
测斜仪是一种可精确地测量沿垂直方向土层或围护结构内部水平位移的工程测量仪器。测斜仪分为活动式和固定式两种，在基坑开挖支护监测中常用活动式测斜仪。在基坑开挖之前先将有四个相互垂直导槽的测斜管埋入支护结构或被支护的土体中。测量时，将活动式测头放人测斜管，使测头上的导向滚轮卡在测斜管内壁的导槽中，沿槽滚动，活动式测头可连续地测定沿测斜管整个深度的水平位移变化，如图6所示。
图6 测斜仪测量原理
测斜仪的工作原理是根据摆锤受重力作用为基础测定以摆锤为基准的弧角变化。当土体产生位移时，埋人土体中的测斜管随土体同步位移，测斜管的位移量即为土体的位移量。放入测斜管内的活动测头，测出的量是各个不同分段点上测斜管的倾角变化ΔXi，而该段测管相应的位移增量ΔSi为：ΔSi＝Li SinΔXi，式中Li为各段点之间的单位长度。
当测斜管埋设的足够深时，管底可以认为是位移不动点，管口的水平位移值Δn就是各分段位移增量的总和：
在测斜管两端都有水平位移的情况下，就需要实测管口的水平位移值Δ0 ，并向下推算各测点的水平位移值Δ，即：
测斜管可以用于测单向位移，也可以测双向位移。测双向位移时，由两个方向的测量值求出其矢量和，得位移的最大值和方向。图7为1＃孔监测工作情景。
3.4.2测斜管的安装或埋设
测斜管可安装在地下连续墙或支护桩钢筋宠上，随钢筋笼浇注在混凝土中，也可钻孔埋设在支护结构或地基土体中（例如土钉墙中）。安装或埋设过程中注意事项如下：
3.4.2.1 测斜管现场组装后，安装在地下连续墙或支护桩的钢筋笼上，随钢筋笼浇注在混凝土中，浇注混凝土之前应在测斜管内注满清水，防止测斜管在浇注混凝土时浮起，并防止水泥浆渗入管内。
图7 1＃孔现场监测工作情景
3.4.2.2 在支护结构或被支护土体内钻孔，然后将测斜管逐节组装井放入钻孔内，测斜管底部装有底盖，管内注满清水，下入钻孔内预定深度后，即向测斜管与孔壁之间的间隙由下而上逐段灌浆或用砂填实，固定测斜管。
3.4.2.3安装或埋设时，应及时检查测斜管内的一对导槽，其指向是否与欲测量的位移方向一致，并应及时修正。
3.4.2.4测斜管固定完毕或浇注混凝土后，用清水将测斜管内冲洗干净，如果条件允许，可用测头模型放人测斜管内，沿导槽上下滑行一遍，以检查导槽是否畅通无阻，滚轮是否有滑出导槽的现象。如果没有测头模型，可用缓慢速度将测头放入，如遇阻碍，立即拔出测头，对该测管进行必要处理或废弃重新安装，由于测斜仪的测头是贵重的仪器，在未确认测斜管导槽畅通时，应谨慎放入真实的测头。
3.4.2.5 量测测斜管导槽方位、管口坐标及高程，及时做好孔口保护装置，作好记录。
3.4.2.6 对于安装在温泉或有地热地段的测斜管，应确定测斜管内的水温是否在测头容许工作温度范围内。CX-03测斜仪工作温度为-150～500C，如水温过高，应在孔口安装冷水洗孔装置。
3.4.3 测斜仪测量侧向位移
3.4.3.1为保护测斜仪测头的安全，有条件可在测量前先用测头模型下入测斜管内，沿导槽上下滑行一遍，检查测斜孔及导槽是否畅通无阻。如果无测头模型，应缓慢将测头放入测斜管底部；
3.4.3.2联接测头和测读仪，检查密封装置、电池充电量、仪器是否工作正常。
3.4.3.3将测头插入测斜管，使滚轮卡在导槽上，缓慢下至孔底，测量自孔底开始，自下而上沿导槽全长每隔一定距离（通常为0.5m）测读一次，每次测量时，应将测头稳定在某一位置上。整个高度测量完毕后，将测头旋转180度插入同一对导槽，按以上方法重复再测量一次，两次测量的各测点应在同一位置上，此时各测点的两次读数应是数值接近（绝对值不超过20）、符号相反。如果测量数据有疑问，应及时补测。用同样方法可测与其垂直的另一对导槽的水平位移。一般测斜仪可以同时测量相互垂直两个方向的水平位移。
3.4.3.4侧向位移的初始值应是基坑开挖之前连续三次测量无明显差异读数的平均值，或取其中一次的测量值作为初始值。
3.4.3.5观测间隔时间，可参考中华人民共和国冶金工业部1997年9月22日颁布的《建筑基坑工程技术规范》中第19.3.12条的表19.3.12，或应根据侧向位移的绝对值或位移增长速率而定，当侧向位移明显增大时，应加密观测次数。
3.4.4 侧向位移观测资料的整理
侧向位移观测记录及整理内容包括：工程名称、测斜孔编号、平面位置和导槽方位、水平位移实测值、最大位移值及发生的位置与方向、位移发展速率、观测时间，施工进度、观测、计算和校核责任人等等。为了及时进行险情预报，现场实测数据应立即分析处理后反馈给施工现场管理人员。
3.5 监测过程描述
京盛II期基坑北边坡监测工程开始于1999年10月25日，这一天在桩基处京盛II期项目经理部的协助下，将测斜管埋置于图3所示的两个监测位置，当时由于测斜仪未能及时购入，所以错过了将测斜管埋置在相应位置护坡桩中的时机，所以只好将其埋置在相应位置的自渗砂井中，从而本次测量是监测该边坡土体的变形。
初始数据共采集了两次，最后决定以2000年1月1日的初始数据为本次监测的起始数据。边坡第一次开挖时间为2000年1月9日夜间和2000年1月10日凌晨，开挖3米深度，为桩间土喷射混凝土护璧。第一次变形监测测量在2000年1月10日早晨9时；由于开挖深度小，不存在边坡失稳的可能性，所以没有连续测量；2000年1月14日夜晚和1月15日凌晨又向下开挖2米，基坑累计深度为5米，1月16日在基坑内该深度开始第一道锚杆钻孔施工，2000年1月15日早晨9时进行第二次监测测量，从这以后开始连续监测，由于在这个深度基坑基本不会失稳，所以监测大致在4～5天一次，在1月31日拉拔第一道锚杆，所以在拉拔锚杆前后即1月31日和2月1日各测量一次；到2000年2月12日监测孔附近的第二道锚杆即将拉拔，为了了解锚杆拉拔前后对边坡的影响，在拉拔前2月12日进行了测量，拉拔锁定后2月13日又进行了测量；锚杆安装完成后基坑继续下挖，2月18日2＃监测孔处下挖至9米，2月21日1＃监测孔随之下挖至9米深度，至此深度上打基础桩，开挖暂时停止。从2月21日后至4月12日之间，对基坑进行持续性监测，到4月12日2＃监测孔处基坑向下开挖至槽底－11.7m，4月18日1＃监测孔处随后也开挖至槽底-11.7m；从此基坑监测进入持续性监测，直到6月16日最后一次监测表明，基坑位移变形收敛已经长达近一个月，结束监测。结束监测的另外一个原因是：建设施工方将木条堆积在1＃监测孔旁，木条堆压迫了1＃监测孔的测斜管，致使监测数据的可靠性被破坏。
3.6 监测结果评价
3.6.1整体性评价
在基坑开挖整个过程中1＃和2＃监测点的位移情况如图8、图9所示，在全程变形过程中，1＃监测孔土体历史最大位移为16.55mm，发生在2000年1月10日第一次开挖后，位于地面下1.5m处；该监测孔稳定最大位移为：12.66mm，发生在同样高度，时间为6月5日。
2＃监测孔土体最大位移与土体稳定最大位移同步，数值为6.76mm，发生时间为2000年6月16日，发生地点在地面下7.8m。从两个监测孔变形的绝对位移可知，该边坡变形满足规范要求的地面位移小于3cm，边坡最大位移小于6cm的规定，其设计和施工都达到要求。由于桩体的水平变形一般都小于或等于土体变形，所以该边坡的护坡桩变形也同样满足规范要求。上述中的历史最大位移和稳定最大位移的概念陈述如下：
历史最大位移――支护桩由于开挖扰动造成的不稳定最大位移称之为历史最大位移；
稳定最大位移――支护桩由于开挖扰动、土体压力和蠕变变形造成的不可恢复的最大位移；
在后文中将对上述概念进一步阐述。
3.6.2边坡变形速率评价
从监测孔1＃、2＃的全程位移－时间曲线（图10、图11）可看出，1＃监测孔在1月10日至1月19日之间开始开挖阶段，变形速率较大。如图12所示，这段时间变形速率大的原因是测斜管虽然埋置在土体中，但与支护桩帽梁相联，初始开挖将帽梁周围的土体压力突然释放，造成帽梁的突然变形，这就造成测斜管变形速率变化很大。经过一定长时间，随着这部分土体压力释放，一种变形突变现象逐渐消失。1＃孔另外一次变形速率的突变产生在4月18日至4月30日，这段时间变形速率的增加使得监测次数加密，速率突变的原因是因为槽底基础桩完工，一次开挖至槽底所导致。5月8日以后由于开挖结束，槽底开始施工底板，边坡变形逐渐趋于变小，边坡的许多高度上的点变形趋于零，在6月5日后的某些点速率突变为负数，是因为施工方将大量木条堆积在1＃监测孔后，导致木条堆压在监测孔上，从而是变形产生不正常现象。根据图10和图12变形速率情况，该边坡已经达到变形收敛，所以结束监测。在监测过程中虽然产生变形速率的突变，但由于变形量在规范警戒值以下，且稳定变形速率≤±1mm，而最大变形速率虽然为1.54mm/day，但它产生于基坑开挖的初期，这时基坑只有2m深，所以监测期间始终没有发出警戒警告。
2＃监测孔的变形速率变化与1＃孔基本相似，由图11和图13可知，其与1＃孔不同之处为，在基坑开挖的初期，其变形速率在一段时间内为负值，这可能是由于测斜管与桩帽梁相连，而帽梁整体不在一条直线上，开挖初期，帽梁初始变形凹凸不平，造成2＃测斜孔所在帽梁向基坑外变形，造成测斜管也随之产生负位移。25天后随着基坑向下开挖，土压力的显现，2＃孔逐渐产生向基坑内变形。2＃孔变形产生最大突变是在4月12日以后，即开挖100天至130天之间，这段时间基础桩施工完毕，基坑由－9m处一次开挖至槽底，在此时间段内监测次数加密，几乎1～2天一次，到5月16日变形速率逐渐减低，则延长监测间隔。自次以后，边坡变形主要是以土体蠕变变形为主，变形速率和变形量都很小，到6月16日监测点处各高度土体变形速率和变形量趋进于零，且槽底底板施工已经完成、一层地下室钢筋绑扎完毕，该基坑已经由原来的11米减小为不足9m，则结束监测。监测过程中与1＃孔一样没有发出过变形警告，是因为该监测孔绝对位移和变形速率都没有达到警戒值。变形速率历史最大值为：向基坑内发展0.6mm/day，向坑外发展-4.5mm/day，这个值的发生时基坑只有5m深，桩的嵌入深度达11m，高速率的产生是因为土体突然被开挖造成瞬时卸载导致的，所以不存在失稳问题。
------分隔线----------------------------
