時域反射測試技術(shù)在基坑變形監(jiān)測中的應(yīng)用

董俊平，曹平，王軍

(1.廣東省水利水電第三工程局，廣東東莞 5237102； 2.中南大學(xué)，湖南長沙 410083)

時域反射測試技術(shù)在基坑變形監(jiān)測中的應(yīng)用

董俊平1?，曹平2，王軍2

(1.廣東省水利水電第三工程局，廣東東莞 5237102； 2.中南大學(xué)，湖南長沙 410083)

基坑位移的測量工作是工程建設(shè)和工后的一項(xiàng)重點(diǎn)工作，見于基坑深部位移監(jiān)測的復(fù)雜性，采用時域反射測試技術(shù)在基坑監(jiān)測方面的應(yīng)用。通過工程算例的計算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比表明:時域反射技術(shù)能夠得到基坑土體深部剪切位移的分布和潛在滑動面的位置，這為工程實(shí)踐提供了可資用的指導(dǎo)。

基坑工程；時域反射測試技術(shù)；變形測量；工程計算

1 引 言

基坑是房屋建筑和市政工程結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，是地下建筑物施工過程中開挖形成的土體構(gòu)筑物，具有技術(shù)難度高、投資大、管理復(fù)雜等特點(diǎn)，是整個工程建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)目。其結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性對施工進(jìn)度和工程應(yīng)用有重要的影響，因此在基坑施工過程和施工后使用過程中對其結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力等關(guān)鍵量進(jìn)行監(jiān)測是一項(xiàng)十分必要的工作[1]?；庸こ痰闹饕谋O(jiān)測項(xiàng)目有:基坑頂部位移的水平位移、坑壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深部位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、坑頂及周邊的沉降、水位監(jiān)測等，其中位移監(jiān)測是重中之重。

目前，基坑工程的位移監(jiān)測大都使用水準(zhǔn)儀和全站儀進(jìn)行表層位移和沉降觀測，使用測斜儀進(jìn)行深部位移監(jiān)測。很明顯前者監(jiān)測手段受人為和環(huán)境因素影響較大，并且測量范圍極其有限。后者是通過埋設(shè)測斜管能對基坑深部做出位移監(jiān)測，但其精度跟埋管位置很相關(guān)。而時域反射測試技術(shù)是利用電磁波動傳輸原理，充分發(fā)揮坑體介質(zhì)材料的本身特性，能對基坑的深部位移做出精確的測量，已在工程實(shí)踐中得到了大量的應(yīng)用[2]。為此，本文依據(jù)常規(guī)工程監(jiān)測技術(shù)和工程計算理論，并結(jié)合現(xiàn)代時域反射測試技術(shù)來探討時域反射測試技術(shù)在基坑位移測量中的合理性和可行性。

2 時域反射測試技術(shù)原理

時域反射測量技術(shù)是使用階躍信號發(fā)生儀和示波器，在被測的傳輸線上發(fā)送一個快速的上升線，再在特定的點(diǎn)上用示波器觀察反射電壓波形。根據(jù)反射回波的時間可以判斷阻抗不連續(xù)點(diǎn)距接收端的距離，根據(jù)反射回來的幅度可以判斷相應(yīng)點(diǎn)的阻抗變化，因此線路的阻抗是影響信號線完整性的一個最關(guān)鍵的因素。這種技術(shù)可以測出傳輸線的特性阻抗，并顯示出每個阻抗不連續(xù)點(diǎn)的位置和特性(阻抗、感抗和容抗)。所有這些信息都是在示波器上實(shí)時顯示。相對于其他技術(shù)，時域反射技術(shù)能夠給出更多的關(guān)于系統(tǒng)寬帶相應(yīng)的信息[3]。

時域反射法是巖土工程監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)展起來的一種新的檢測技術(shù)。它以方便、快捷、經(jīng)濟(jì)、數(shù)字化及遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。本文對時域反射技術(shù)的基本原理及其在巖土工程中的應(yīng)用做了較為全面的介紹，并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)成果進(jìn)行分析，對了解時域反射技術(shù)促進(jìn)其在國內(nèi)巖土工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有一定的意義[4]。

圖1 時域反射測試系統(tǒng)的組成

時域反射測試是以電波發(fā)生器激發(fā)的電磁波在同軸電纜中傳播、反射及透射。如果測試電波信號為V1，反射信號為V2，其關(guān)系式為[5]:

根據(jù)線性傳輸理論，可得:

結(jié)合式(1)和式(2)得:

式中:Ra為變形后電纜的阻抗，Rb為變形前電纜的阻抗，ρ為反射系數(shù)。

3 時域反射測試技術(shù)在基坑工程中的應(yīng)用

3.1 工程概況

本基坑工程位于廣東省境內(nèi)，擬建一棟高層建筑，設(shè)計基坑開挖深度12 m，基坑安全等級為一級。施工場地地形平坦，主要地層為第四系土層，屬洪沖積粘土層，分布深度在15 m左右，下伏中風(fēng)化砂巖，巖基面起伏較大。通過鉆探資料顯示裂隙稍發(fā)育，巖芯較完整，質(zhì)地堅硬，節(jié)長5 cm～45 cm，RQD＝60%～95%，Ⅴ級。巖土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

巖土層物理力學(xué)參數(shù) 表1

該基坑工程呈規(guī)則矩形，為簡化分析只取1/4范圍進(jìn)行時域反射技術(shù)應(yīng)用和工程計算，計算范圍和支護(hù)如圖2所示。

圖2 基坑計算范圍

3.2 基坑工程監(jiān)測布置

根據(jù)本基坑工程特點(diǎn)、周邊環(huán)境狀況、地層及水文地質(zhì)情況，按照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》的要求[6]，布置監(jiān)測方案:基坑邊坡土體頂部的水平位移、豎向位移測點(diǎn)通常應(yīng)沿基坑周邊每隔10 m～20 m設(shè)一點(diǎn)，為了節(jié)約成本和監(jiān)測數(shù)據(jù)的代表性及精確性，在每邊的中部和端部邊緣位置布置觀測點(diǎn)，本監(jiān)測系統(tǒng)共布置5個監(jiān)測孔(考慮到基坑工程的對稱性)，每孔深為20 m，并在遠(yuǎn)離基坑處(大于5倍的基坑開挖深度)設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)，且數(shù)量不應(yīng)少于2點(diǎn)，對基準(zhǔn)點(diǎn)要按其穩(wěn)定程度定時測量其位移和沉降，此方案通過常規(guī)的位移監(jiān)測和水準(zhǔn)測量可以得到較好的效果[7]。然而，大量資料顯示，基坑支護(hù)的整體破壞很多都是深部土體發(fā)生剪切而導(dǎo)致，深部位移的測量目前主要是運(yùn)用深孔測斜技術(shù)得到，該技術(shù)在復(fù)雜的巖土層中很難獲得理想的結(jié)果，時域反射技術(shù)作為一種精密的測試技術(shù)，適用性好，測試結(jié)果準(zhǔn)確，能完全滿足工程建設(shè)的需要，時域反射測量的布置如圖3所示。

圖3 時域反射技術(shù)基坑深部位移監(jiān)測圖

3.3 時域反射技術(shù)監(jiān)測結(jié)果分析

文中采用RVVP型號同軸電纜，在坑壁測孔中發(fā)出電信號，再根據(jù)該測孔中電纜接收信號與位移關(guān)系的特點(diǎn)，來完成坑體深部位移測量過程，其位移關(guān)系為:當(dāng)剪切位移較小時，呈現(xiàn)出滑動面處的反射系數(shù)變化為零；當(dāng)剪切位移達(dá)到一定的限值，反射系數(shù)開始增大，同剪切位移增長近似成正比關(guān)系，剪切位移的測試結(jié)果可以通過兩條直線擬合得到，在該坐標(biāo)系統(tǒng)中以剪切位移為自變量，反射系數(shù)的變化為因變量，以反射系數(shù)變化的拐點(diǎn)為分段的間斷點(diǎn)，具體測試結(jié)果如圖4所示，RVVP電纜反射特性表如表2所示。

圖4 RVVP電纜剪切位移與反射系數(shù)的關(guān)系圖

RVVP電纜反射特性表 表2

3.4 工程計算

通過上述時域反射測量技術(shù)可以獲得基坑深部位移的剪切位移數(shù)值和坑體整體滑動面的位置，為了驗(yàn)證時域反射技術(shù)測試結(jié)果的可靠性和可行性，對該基坑典型斷面進(jìn)行了工程計算，包括剪切位移、垂直位移、水平位移和塑性區(qū)的計算，具體結(jié)果如圖5～圖8所示(鑒于該基坑工程的幾何形狀和荷載具有對稱性，為節(jié)省篇幅僅對圖2中左側(cè)坑壁進(jìn)行了計算)。

圖5 水平位移分布(單位/m)

圖6 垂直位移分布(單位/m)

圖7 剪應(yīng)變率分布

從圖5和圖6的位移云圖中可以看到，基坑的最大位移達(dá)到1.5 cm，已超過規(guī)范規(guī)定的限值，基坑有出現(xiàn)整體滑動的可能，同時從圖8的塑性區(qū)分布圖中也可以看到從坡腳到坡頂存在即將貫通的塑性區(qū)，這充分說明該基坑邊坡具有失穩(wěn)的趨勢，這與時域反射測量結(jié)果較吻合，因此及時進(jìn)行監(jiān)測和防護(hù)工作很關(guān)鍵。

圖8 塑性區(qū)分布(綠色和紅色網(wǎng)格)

4 結(jié) 論

本文介紹了時域反射技術(shù)的原理，針對該測試技術(shù)在基坑深部位移監(jiān)測中的應(yīng)用，獲得了基坑深部剪切位移的數(shù)值及潛在滑動面的位置，并結(jié)合工程計算結(jié)果比較得到，時域反射技術(shù)用于土體工程的監(jiān)測是可行的、有效的。

[1] 劉建航，侯學(xué)淵.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997

[2] 劉紅軍，張庚成，劉濤.土巖組合地層基坑工程變形監(jiān)測分析[J].巖土工程學(xué)報，2010，32(S2):550～553

[3] 張青，史彥新.TDR滑坡監(jiān)測技術(shù)的研究[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2001，6(2):64～66

[4] 陳云敏，陳赟，陳仁朋等.滑坡監(jiān)測TDR技術(shù)的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(16):2748～2755

[5] 朱健.TDR技術(shù)在邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用[J].城市勘測，2009，(1):151～153

[6] JGJ120－99.建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

[7] 林杭，曹平，李江騰等.邊坡臨界失穩(wěn)狀態(tài)的判定標(biāo)注[J].煤炭學(xué)報，2008(6):643～647

Application of Excavation Deformation Based on Time Domain Reflector

Dong JunPing1，Cao Ping2，Wang Jun2
(1.The Guangdong No.3 Water Conservancy and Hydro－electric Engineering Board；Dongguan 523710，China；2.Central South University，Changsha 410083，China)

It is key process for pit foundation to be gained deformation during the whole engineering construction. The time domain reflector is applied for deep displacement，which is taking on complicated and difficult fact.Comparisons between the calculated datum and testing datum show the deep shear displacement and location of sliding face are obtained by time domain reflector，it can serve as engineering projects.

Pit foundation；time domain reflector；deformation measurement；calculation

1672－8262(2010)03－164－03

P631

B

2011—01—01

董俊平(1971—)，男，工程師，主要從事巖土工程監(jiān)測、檢測及工程測量的工作。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10972238)，高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20060533071)