德國大使公寓深基坑監測
時間:2009-10-27 16:45來源:監測人 作者:翔云 點擊:次
巖土工程是指修建在巖體土體中以及其為依托的工程，例如隧道、地下洞室、邊坡、采礦場、壩基、橋梁道路基礎、建筑物基礎等。
一般來說，設計巖土工程前都必須進行工程地質水文地質調查，物理力學參數的測定。由于絕大多數巖土體在形成過程中經歷過造巖運動、構造運動
3.3.2 測斜儀構成
活動式測斜儀的組成大致可分為四部分：裝有重力式測斜傳感元件的測頭、測讀儀、連接測頭和測讀儀的電纜、測斜管。
3.3.2.1測斜儀測頭：測頭是傾斜角傳感元件，測斜儀的核心，是測量信號的來源處。測斜儀的測試過程是：當測頭處于豎直狀態
時，測頭中的傳感器處于零位，傳感器（CX系列數顯測斜儀采用石英撓性伺服加速度計）的敏感軸處于水平狀態，此時的輸出值稱為零偏，一般情況下零偏總是存在的，為了消除零偏的影響，采取正反兩次測試的代數和，作為一個方向上的測試結果。現在采取如下坐標系做進一步的說明，坐標系如圖5示：
圖5 測試方位與平面坐標系示意圖
為了適應平面坐標系的習慣，測試時將上導輪朝東，使測頭處于要測的深度，當測頭（即加速度計）的敏感軸與基準軸（重力加速度線）有一個夾角θ時，加速度計就有一個輸出值
U1＝A＋K×G×Sinθ （l）
式中：A—加速度計的偏值（零偏）；K—加速度計的標度因數；g－重力加速度；θ－傾角。CX-03測斜儀測頭性能指標為：
a．傳感器靈敏度：0.02mm／8”
b．標度因數： 2.5士0.01v／g；
c、導輪間距： 500mm；
d．測頭尺寸：Φ32mm X 660mm。
3.3.2.2 測讀儀：測讀儀應和測頭配套選擇與使用。其測量范圍。精度和靈敏度，根據工程需要而定。測讀儀是實現測斜儀測頭數據的顯示和輸出的二次儀表。CX系列數顯測斜儀的測讀儀分為直讀式和存儲式兩種。直讀式測讀儀是由觀測者將現場測試數據直接從顯示屏上讀取數據，由人工記錄和處理數據,直讀式測讀儀由十進制4了位模／數（A／D）轉換、電壓轉換、數據顯示和可充電電池等組成。通過開關，可以在顯示器上顯示測頭測量的數據，也可以顯示電池組當時的電壓；存儲式測讀儀是指將現場測量的數據存儲于測讀儀的存儲器中，存儲器具有足夠的容量，能夠存儲一天測試的全部數據。我院現使用的CX—03測斜儀采用了存儲式測讀儀。存儲式測讀儀是由單片機、存儲器、顯示器、模／數（ A／D）轉換、電壓轉換、控制電路和可充電電池等組成。在現場條件下，測斜儀測量結果的重復性，一般應等于或優于上 ±0.01o。
3.3.2.3 電纜：電纜作用有4個：①向測頭供給電源；②給測讀儀傳遞量測訊號；③測頭量測點距孔口的深度尺；④提升與下放測頭的繩索。電纜除具有很高的防水性能，還不能有較大的長度變化，為此電纜芯線中設有一根加強鋼芯線。
3.3.2.4 測斜管：測斜管一般由塑料或鋁合金制成。測斜管直徑大小不一，長度每節約2～4m，管接頭有固定式和伸縮式兩種；測斜管內有兩對互成正交的縱向導槽，測量時，測頭導輪座落在一對導槽內并可上、下自由滑動，本次監測使用的是江蘇金壇市柚山學校塑料制品廠生產的測斜管，材料為PVC管，內徑60mm，外經70mm，彈性模量E＝8100kg/cm2，剛度不均勻度4.4。
我院使用的CX-03測斜儀綜合誤差為：每15m深度測量誤差不超過±4mm。
3.4 監測方法
基坑側向變形觀測是基坑開挖支護施工過程監測中一項較為直觀和有效的方法。基坑側向變形觀測有許多方法，常用的方法有以下幾種：
3.4.1.1 肉眼巡視
由有經驗的工程技術人員按期進行的施工現場肉眼巡視是一項重要的工作。許多影響基坑側向位移、不利于支護結構穩定的因素，例如支護結構的施工質量、施工條件的改變、基坑四周堆荷的變化、管道滲漏和不適當的排水、以及氣候條件變化等等，都可以在日常的巡視中被及時發現。此外，某些工程事故隱患，如基坑四周的地面裂縫，支護結構的裂縫，鄰近結構和設施的裂縫、變形或滲漏也可以通過肉眼巡視及時發現，使出現的問題及時得到處理，消除或減輕可能出現的事故。
日常的巡視工作應正式列人監測計劃，派專人按期進行，并保持正式的記錄。
3.4.1.2 光學儀器觀測方法
這里所謂的光學儀器觀測方法是指工程測量方法。在基坑側向位移觀測中，在有條件的場地，用視準線法比較簡便。具體作法為：沿欲測某基坑邊緣設置一條視準線，在該線的兩端設置基準點A、B，在此基線上沿基坑邊緣設置若干個側向位移測點。基準點A、B應設置在距離基坑一定距離的穩定地段，各測點最好設在剛度較大的支護結構上，測量時采用經緯儀測出各測點對此基線的偏離值，兩次偏離值之差，就是測點垂直于視準線的水平位移值。視準線法按觀測偏離值的測法，又可分為活動覘標法和小角度法兩種。用活動覘標法觀測時，司覘者要根據司儀者的指揮移動覘標，直到覘標中心與經緯儀縱絲完全重合為止。然后，由司硯者在覘標游標上讀取偏高值；小角度法采用經緯儀測出視準線與測點之間的小角度，從而算出測點的偏值。
如果施工場地狹窄，通視條件較差，建立視準線比較困難時，可采用前方交會法。前方交會法是在距基坑有一定距離的穩定地段設置一條交會基線，或者設兩個或多個基準點，用交會方法，測出各測點的位移值。前方交會分為測角交會、測邊交會和測邊測角交會三種。即在兩個或兩個以上的基點上，觀測測點的方向或邊長，算出測點的平面坐標，從而獲得位移值。
3.4.1.3 用測斜儀測量
測斜儀是一種可精確地測量沿垂直方向土層或圍護結構內部水平位移的工程測量儀器。測斜儀分為活動式和固定式兩種，在基坑開挖支護監測中常用活動式測斜儀。在基坑開挖之前先將有四個相互垂直導槽的測斜管埋入支護結構或被支護的土體中。測量時，將活動式測頭放人測斜管，使測頭上的導向滾輪卡在測斜管內壁的導槽中，沿槽滾動，活動式測頭可連續地測定沿測斜管整個深度的水平位移變化，如圖6所示。
圖6 測斜儀測量原理
測斜儀的工作原理是根據擺錘受重力作用為基礎測定以擺錘為基準的弧角變化。當土體產生位移時，埋人土體中的測斜管隨土體同步位移，測斜管的位移量即為土體的位移量。放入測斜管內的活動測頭，測出的量是各個不同分段點上測斜管的傾角變化ΔXi，而該段測管相應的位移增量ΔSi為：ΔSi＝Li SinΔXi，式中Li為各段點之間的單位長度。
當測斜管埋設的足夠深時，管底可以認為是位移不動點，管口的水平位移值Δn就是各分段位移增量的總和：
在測斜管兩端都有水平位移的情況下，就需要實測管口的水平位移值Δ0 ，并向下推算各測點的水平位移值Δ，即：
測斜管可以用于測單向位移，也可以測雙向位移。測雙向位移時，由兩個方向的測量值求出其矢量和，得位移的最大值和方向。圖7為1＃孔監測工作情景。
3.4.2測斜管的安裝或埋設
測斜管可安裝在地下連續墻或支護樁鋼筋寵上，隨鋼筋籠澆注在混凝土中，也可鉆孔埋設在支護結構或地基土體中（例如土釘墻中）。安裝或埋設過程中注意事項如下：
3.4.2.1 測斜管現場組裝后，安裝在地下連續墻或支護樁的鋼筋籠上，隨鋼筋籠澆注在混凝土中，澆注混凝土之前應在測斜管內注滿清水，防止測斜管在澆注混凝土時浮起，并防止水泥漿滲入管內。
圖7 1＃孔現場監測工作情景
3.4.2.2 在支護結構或被支護土體內鉆孔，然后將測斜管逐節組裝井放入鉆孔內，測斜管底部裝有底蓋，管內注滿清水，下入鉆孔內預定深度后，即向測斜管與孔壁之間的間隙由下而上逐段灌漿或用砂填實，固定測斜管。
3.4.2.3安裝或埋設時，應及時檢查測斜管內的一對導槽，其指向是否與欲測量的位移方向一致，并應及時修正。
3.4.2.4測斜管固定完畢或澆注混凝土后，用清水將測斜管內沖洗干凈，如果條件允許，可用測頭模型放人測斜管內，沿導槽上下滑行一遍，以檢查導槽是否暢通無阻，滾輪是否有滑出導槽的現象。如果沒有測頭模型，可用緩慢速度將測頭放入，如遇阻礙，立即拔出測頭，對該測管進行必要處理或廢棄重新安裝，由于測斜儀的測頭是貴重的儀器，在未確認測斜管導槽暢通時，應謹慎放入真實的測頭。
3.4.2.5 量測測斜管導槽方位、管口坐標及高程，及時做好孔口保護裝置，作好記錄。
3.4.2.6 對于安裝在溫泉或有地熱地段的測斜管，應確定測斜管內的水溫是否在測頭容許工作溫度范圍內。CX-03測斜儀工作溫度為-150～500C，如水溫過高，應在孔口安裝冷水洗孔裝置。
3.4.3 測斜儀測量側向位移
3.4.3.1為保護測斜儀測頭的安全，有條件可在測量前先用測頭模型下入測斜管內，沿導槽上下滑行一遍，檢查測斜孔及導槽是否暢通無阻。如果無測頭模型，應緩慢將測頭放入測斜管底部；
3.4.3.2聯接測頭和測讀儀，檢查密封裝置、電池充電量、儀器是否工作正常。
3.4.3.3將測頭插入測斜管，使滾輪卡在導槽上，緩慢下至孔底，測量自孔底開始，自下而上沿導槽全長每隔一定距離（通常為0.5m）測讀一次，每次測量時，應將測頭穩定在某一位置上。整個高度測量完畢后，將測頭旋轉180度插入同一對導槽，按以上方法重復再測量一次，兩次測量的各測點應在同一位置上，此時各測點的兩次讀數應是數值接近（絕對值不超過20）、符號相反。如果測量數據有疑問，應及時補測。用同樣方法可測與其垂直的另一對導槽的水平位移。一般測斜儀可以同時測量相互垂直兩個方向的水平位移。
3.4.3.4側向位移的初始值應是基坑開挖之前連續三次測量無明顯差異讀數的平均值，或取其中一次的測量值作為初始值。
3.4.3.5觀測間隔時間，可參考中華人民共和國冶金工業部1997年9月22日頒布的《建筑基坑工程技術規范》中第19.3.12條的表19.3.12，或應根據側向位移的絕對值或位移增長速率而定，當側向位移明顯增大時，應加密觀測次數。
3.4.4 側向位移觀測資料的整理
側向位移觀測記錄及整理內容包括：工程名稱、測斜孔編號、平面位置和導槽方位、水平位移實測值、最大位移值及發生的位置與方向、位移發展速率、觀測時間，施工進度、觀測、計算和校核責任人等等。為了及時進行險情預報，現場實測數據應立即分析處理后反饋給施工現場管理人員。
3.5 監測過程描述
京盛II期基坑北邊坡監測工程開始于1999年10月25日，這一天在樁基處京盛II期項目經理部的協助下，將測斜管埋置于圖3所示的兩個監測位置，當時由于測斜儀未能及時購入，所以錯過了將測斜管埋置在相應位置護坡樁中的時機，所以只好將其埋置在相應位置的自滲砂井中，從而本次測量是監測該邊坡土體的變形。
初始數據共采集了兩次，最后決定以2000年1月1日的初始數據為本次監測的起始數據。邊坡第一次開挖時間為2000年1月9日夜間和2000年1月10日凌晨，開挖3米深度，為樁間土噴射混凝土護璧。第一次變形監測測量在2000年1月10日早晨9時；由于開挖深度小，不存在邊坡失穩的可能性，所以沒有連續測量；2000年1月14日夜晚和1月15日凌晨又向下開挖2米，基坑累計深度為5米，1月16日在基坑內該深度開始第一道錨桿鉆孔施工，2000年1月15日早晨9時進行第二次監測測量，從這以后開始連續監測，由于在這個深度基坑基本不會失穩，所以監測大致在4～5天一次，在1月31日拉拔第一道錨桿，所以在拉拔錨桿前后即1月31日和2月1日各測量一次；到2000年2月12日監測孔附近的第二道錨桿即將拉拔，為了了解錨桿拉拔前后對邊坡的影響，在拉拔前2月12日進行了測量，拉拔鎖定后2月13日又進行了測量；錨桿安裝完成后基坑繼續下挖，2月18日2＃監測孔處下挖至9米，2月21日1＃監測孔隨之下挖至9米深度，至此深度上打基礎樁，開挖暫時停止。從2月21日后至4月12日之間，對基坑進行持續性監測，到4月12日2＃監測孔處基坑向下開挖至槽底－11.7m，4月18日1＃監測孔處隨后也開挖至槽底-11.7m；從此基坑監測進入持續性監測，直到6月16日最后一次監測表明，基坑位移變形收斂已經長達近一個月，結束監測。結束監測的另外一個原因是：建設施工方將木條堆積在1＃監測孔旁，木條堆壓迫了1＃監測孔的測斜管，致使監測數據的可靠性被破壞。
3.6 監測結果評價
3.6.1整體性評價
在基坑開挖整個過程中1＃和2＃監測點的位移情況如圖8、圖9所示，在全程變形過程中，1＃監測孔土體歷史最大位移為16.55mm，發生在2000年1月10日第一次開挖后，位于地面下1.5m處；該監測孔穩定最大位移為：12.66mm，發生在同樣高度，時間為6月5日。
2＃監測孔土體最大位移與土體穩定最大位移同步，數值為6.76mm，發生時間為2000年6月16日，發生地點在地面下7.8m。從兩個監測孔變形的絕對位移可知，該邊坡變形滿足規范要求的地面位移小于3cm，邊坡最大位移小于6cm的規定，其設計和施工都達到要求。由于樁體的水平變形一般都小于或等于土體變形，所以該邊坡的護坡樁變形也同樣滿足規范要求。上述中的歷史最大位移和穩定最大位移的概念陳述如下：
歷史最大位移――支護樁由于開挖擾動造成的不穩定最大位移稱之為歷史最大位移；
穩定最大位移――支護樁由于開挖擾動、土體壓力和蠕變變形造成的不可恢復的最大位移；
在后文中將對上述概念進一步闡述。
3.6.2邊坡變形速率評價
從監測孔1＃、2＃的全程位移－時間曲線（圖10、圖11）可看出，1＃監測孔在1月10日至1月19日之間開始開挖階段，變形速率較大。如圖12所示，這段時間變形速率大的原因是測斜管雖然埋置在土體中，但與支護樁帽梁相聯，初始開挖將帽梁周圍的土體壓力突然釋放，造成帽梁的突然變形，這就造成測斜管變形速率變化很大。經過一定長時間，隨著這部分土體壓力釋放，一種變形突變現象逐漸消失。1＃孔另外一次變形速率的突變產生在4月18日至4月30日，這段時間變形速率的增加使得監測次數加密，速率突變的原因是因為槽底基礎樁完工，一次開挖至槽底所導致。5月8日以后由于開挖結束，槽底開始施工底板，邊坡變形逐漸趨于變小，邊坡的許多高度上的點變形趨于零，在6月5日后的某些點速率突變為負數，是因為施工方將大量木條堆積在1＃監測孔后，導致木條堆壓在監測孔上，從而是變形產生不正常現象。根據圖10和圖12變形速率情況，該邊坡已經達到變形收斂，所以結束監測。在監測過程中雖然產生變形速率的突變，但由于變形量在規范警戒值以下，且穩定變形速率≤±1mm，而最大變形速率雖然為1.54mm/day，但它產生于基坑開挖的初期，這時基坑只有2m深，所以監測期間始終沒有發出警戒警告。
2＃監測孔的變形速率變化與1＃孔基本相似，由圖11和圖13可知，其與1＃孔不同之處為，在基坑開挖的初期，其變形速率在一段時間內為負值，這可能是由于測斜管與樁帽梁相連，而帽梁整體不在一條直線上，開挖初期，帽梁初始變形凹凸不平，造成2＃測斜孔所在帽梁向基坑外變形，造成測斜管也隨之產生負位移。25天后隨著基坑向下開挖，土壓力的顯現，2＃孔逐漸產生向基坑內變形。2＃孔變形產生最大突變是在4月12日以后，即開挖100天至130天之間，這段時間基礎樁施工完畢，基坑由－9m處一次開挖至槽底，在此時間段內監測次數加密，幾乎1～2天一次，到5月16日變形速率逐漸減低，則延長監測間隔。自次以后，邊坡變形主要是以土體蠕變變形為主，變形速率和變形量都很小，到6月16日監測點處各高度土體變形速率和變形量趨進于零，且槽底底板施工已經完成、一層地下室鋼筋綁扎完畢，該基坑已經由原來的11米減小為不足9m，則結束監測。監測過程中與1＃孔一樣沒有發出過變形警告，是因為該監測孔絕對位移和變形速率都沒有達到警戒值。變形速率歷史最大值為：向基坑內發展0.6mm/day，向坑外發展-4.5mm/day，這個值的發生時基坑只有5m深，樁的嵌入深度達11m，高速率的產生是因為土體突然被開挖造成瞬時卸載導致的，所以不存在失穩問題。
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