深層水平位移監(jiān)測(cè)技術(shù)分析

程勝一，褚偉洪，陳杰，王維

(上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200438)

1 引言

在巖土工程領(lǐng)域，位移監(jiān)測(cè)主要包括垂直位移監(jiān)測(cè)、平面位移監(jiān)測(cè)和深層水平位移(習(xí)慣稱測(cè)斜，側(cè)向位移)監(jiān)測(cè);對(duì)土石壩、堤防、鐵路公路邊坡、巖土邊坡、建筑物地基、礦井、基坑開挖以及地下結(jié)構(gòu)工程內(nèi)部需進(jìn)行深層水平位移觀測(cè);各種監(jiān)測(cè)技術(shù)綜合使用，互相驗(yàn)證，共同確保監(jiān)測(cè)對(duì)象的安全?；谏虾r土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司(簡(jiǎn)稱上?？辈煸?監(jiān)測(cè)工程經(jīng)驗(yàn)，本文采用文獻(xiàn)研究法對(duì)測(cè)斜技術(shù)進(jìn)行了誤差和精度分析，研究了典型工程的測(cè)斜曲線及變形規(guī)律。

2 測(cè)斜原理

測(cè)斜是通過在被測(cè)試的對(duì)象內(nèi)部安裝或埋設(shè)測(cè)斜管，測(cè)量測(cè)斜管軸線與鉛垂線之間夾角變化量，來監(jiān)測(cè)土、巖石或圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部各深度處水平位移的方法。測(cè)斜儀包括活動(dòng)式測(cè)斜儀和固定式測(cè)斜儀。活動(dòng)式測(cè)斜儀利用探頭在測(cè)斜管內(nèi)移動(dòng)，連續(xù)逐段觀測(cè)各點(diǎn)傾斜度，通過累加得出測(cè)斜管切向位移變化。固定式測(cè)斜儀固定在測(cè)斜管某個(gè)位置上進(jìn)行連續(xù)、自動(dòng)測(cè)量其所在位置傾斜角的變化。常用的活動(dòng)式測(cè)斜儀有美國(guó)SINCO、美國(guó)基康和北京航天慣性科技公司等生產(chǎn)的加速度式測(cè)斜儀，此三種測(cè)斜儀在本文涉及的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中均有應(yīng)用。

計(jì)算公式:

式中:△Xi為i深度的累計(jì)位移(計(jì)算結(jié)果精確到0.1 mm)，Xi為 i深度的本次坐標(biāo)(mm)，Xi0為 i深度的初始坐標(biāo)(mm)，Ai為儀器在0°方向的讀數(shù)，Bi為儀器在180°方向上的讀數(shù)，C為探頭標(biāo)定系數(shù)，L為探頭長(zhǎng)度(mm)，αi為傾角。

圖1 測(cè)斜原理圖

3 主要誤差及精度分析

3.1 主要誤差分析

(1)零點(diǎn)偏移誤差

在垂直狀態(tài)下，測(cè)斜儀探頭的理論值為0，但實(shí)際情況下探頭一般會(huì)有一個(gè)接近0的小數(shù)值輸出，即零點(diǎn)偏移誤差。造成零點(diǎn)偏移值改變的主要因素有:①探頭受到碰撞或沖擊。加速度計(jì)對(duì)撞擊較敏感，電纜施放過程中探頭撞擊測(cè)斜管底部，會(huì)造成儀器零點(diǎn)偏移值改變;若測(cè)斜管接頭位置有孔隙，在定位導(dǎo)向滑輪彈簧力的作用下，測(cè)量時(shí)探頭會(huì)受到一定的沖擊;同樣是在定位導(dǎo)向滑輪彈簧力的作用下，當(dāng)測(cè)斜儀探頭拉出測(cè)管時(shí)，探頭也會(huì)受到一定的沖擊。②探頭溫度的改變會(huì)改變傳感器的輸出值。探頭放至測(cè)斜管底部停留10 min左右，儀器讀數(shù)穩(wěn)定后才開始測(cè)試［1］。測(cè)試過程中應(yīng)緩慢地將探頭下放至測(cè)斜管底部，切忌讓電纜從手中滑過而使探頭自由下落，以免使探頭急速碰到測(cè)斜管底部;探頭接近拔出測(cè)斜管前，讀數(shù)儀操作員需提醒拉線員，最后階段減速上拉、在導(dǎo)向滑輪彈出同時(shí)用手護(hù)住，均可減少探頭內(nèi)加速度計(jì)受到激震而造成零點(diǎn)偏移值改變。

(2)測(cè)斜管的扭角誤差

由于制造工藝和現(xiàn)場(chǎng)安裝等原因，測(cè)斜管的導(dǎo)槽存在一定的扭角，即將管口的十字導(dǎo)槽垂直對(duì)準(zhǔn)基坑邊線，測(cè)斜管口下部的導(dǎo)槽可能與管口導(dǎo)槽的鉛垂線偏離一定的角度。若測(cè)斜管為鋁管、聚氯乙烯管和高壓聚乙烯管，扭角約為15°時(shí)，15 m的測(cè)斜管管口因扭曲引起的誤差分別為18.7%、16.3%及7.3%［2］。所以測(cè)斜管應(yīng)使用導(dǎo)槽和接頭套管制造精度高的產(chǎn)品，以減少扭角對(duì)精度的影響;對(duì)于重要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目需采用測(cè)扭儀測(cè)得各段扭角大小，同時(shí)對(duì)導(dǎo)向槽的兩個(gè)方向位移進(jìn)行測(cè)量，在數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行改正。

(3)探頭導(dǎo)輪誤差

由于測(cè)斜管密封不嚴(yán)密，泥沙或泥漿進(jìn)入管內(nèi)，測(cè)試時(shí)泥沙落入導(dǎo)輪軸內(nèi)，或其他原因阻止導(dǎo)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與有泥沙的測(cè)斜管導(dǎo)槽長(zhǎng)期磨損造成圓周變成不規(guī)則曲線而產(chǎn)生的測(cè)斜誤差。工程實(shí)施過程中，對(duì)磨損導(dǎo)輪經(jīng)常檢查和更換。遇到導(dǎo)輪等零部件替換或測(cè)斜儀更換等原因，可采取設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)接點(diǎn)予以過渡使前后數(shù)據(jù)銜接。由于實(shí)測(cè)資料缺乏，這種誤差的定量分析還存在困難。

(4)測(cè)量誤差

當(dāng)以上部管口作為深層水平位移的起算點(diǎn)時(shí)，每次監(jiān)測(cè)均應(yīng)測(cè)定管口坐標(biāo)的變化并修正［3］。測(cè)量誤差主要包括測(cè)站對(duì)點(diǎn)誤差、測(cè)繪儀器誤差和定向誤差。采用視準(zhǔn)線法進(jìn)行測(cè)量，使用2″級(jí)經(jīng)緯儀或全站儀，距離 100 m，假設(shè)m對(duì)點(diǎn)=±1 mm，m定向=±0.5 mm，m測(cè)繪儀器=±2×100000÷206265，則根據(jù)誤差傳播定律，測(cè)量誤差為:

其他誤差還包括電纜長(zhǎng)度變化產(chǎn)生的誤差以及拉線人員每段停止位置與上次不一致產(chǎn)生的誤差等。河海大學(xué)專利產(chǎn)品測(cè)斜儀智能繞線機(jī)以及美國(guó)SINCO公司類似產(chǎn)品可以減少每段測(cè)試位置不同產(chǎn)生的誤差。

3.2 精度分析

由上述誤差分析可知:

由文獻(xiàn)［2］假設(shè)扭轉(zhuǎn)誤差為測(cè)斜儀器誤差的10%;分別估算航天科工慣性技術(shù)公司的CX－06A型(測(cè)斜儀器誤差為±4 mm/15 m)和美國(guó)新科測(cè)斜儀(儀器誤差為±3 mm/25 m)在不同深度的測(cè)斜誤差。

測(cè)斜精度估算匯總表 表1

由表1數(shù)據(jù)可知:測(cè)斜儀器誤差是測(cè)斜誤差的主要部分;測(cè)斜誤差隨深度增加逐步增大，超過一定深度(10 m)儀器誤差則占測(cè)斜誤差的很大部分(如航天為87%或新科為73%)。

為減少深層水平位移監(jiān)測(cè)的誤差，從測(cè)斜儀的使用與保養(yǎng)，測(cè)斜管的選用和埋設(shè)以及管口位移測(cè)量的每個(gè)環(huán)節(jié)，均需遵從科學(xué)的操作步驟。

4 實(shí)測(cè)的測(cè)斜曲線及變形規(guī)律

4.1 基坑有支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)或土體監(jiān)測(cè)

圖2 基坑有支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)或土體測(cè)斜曲線(圖中3條曲線說明測(cè)斜曲線的發(fā)展歷程)

測(cè)斜曲線特點(diǎn)及變形規(guī)律:

(1)地下連續(xù)墻墻體測(cè)斜曲線逐漸呈“啤酒肚”型，最終形成中間大，上下兩端小的特點(diǎn)，說明端部位移受到了約束作用:一是由于壓頂梁和第一道支撐對(duì)連續(xù)墻側(cè)移限制明顯;二是地下連續(xù)墻嵌入基巖或深埋入土體中，墻腳受到了較強(qiáng)的約束，側(cè)向位移在墻角處收斂;即在深基坑兩端存在顯著的空間效應(yīng)，抑制了位移的發(fā)展。

(2)地下連續(xù)墻的變形主要由土方開挖引起，變形量與開挖深度成正比。隨開挖加深，變形逐步增大，位移最大值所在的位置逐步下移。曲線最大變形值與監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置以及支撐形成時(shí)間密切相關(guān)，與無支護(hù)暴露時(shí)間成正相關(guān)關(guān)系［5］。

(3)有支撐的深埋式圍護(hù)結(jié)構(gòu)在軟土地基的側(cè)向位移最大值一般出現(xiàn)在基坑開挖面附近［6］。

(4)嵌巖影響地下連續(xù)墻的側(cè)向位移最大值。楊玉泉在《深基坑工程信息化施工技術(shù)》書中指出潤(rùn)揚(yáng)大橋北錨工程地下連續(xù)墻下端嵌入基巖2 m，基坑開挖深度50 m，嵌巖對(duì)墻腳有極強(qiáng)的約束作用使各孔最大位移出現(xiàn)在27 m～28 m之間。

(5)深層水平位移在開挖過程中發(fā)展較快，自基坑的底板澆筑至支撐全部拆除結(jié)束階段，側(cè)向位移發(fā)展變化較小。

4.2 無支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)、放坡開挖或邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

圖3 基坑無支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)、放坡開挖或邊坡穩(wěn)定性［7］監(jiān)測(cè)測(cè)斜曲線(圖中3條曲線說明測(cè)斜曲線的發(fā)展歷程)

無支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括擋墻支護(hù)、擋墻加土錨支護(hù)、重力式擋墻支護(hù)等，與放坡開挖及邊坡的側(cè)向位移變形曲線類似，其測(cè)斜曲線特點(diǎn)及變形規(guī)律為:

(1)無支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)或放坡開挖基坑，一般上部側(cè)向位移值最大，從基坑頂部到基底土體的水平位移值逐漸減小，形成類似圖3(a)的曲線［8］。

(2)擋墻結(jié)構(gòu)的墻頂水平位移的大小除與擋墻自身剛度有關(guān)外，還與基坑底面以上土體的容重、摩擦角、內(nèi)聚力以及基坑開挖深度、擋墻的插入深度和擋墻底端土的支承情況有關(guān)［9］。

(3)基坑開挖至預(yù)定深度后，墻體位移遠(yuǎn)沒有停止，為確?；影踩瑴p少因支護(hù)結(jié)構(gòu)位移過大導(dǎo)致外側(cè)土體變形或沉降過大，應(yīng)盡快鋪設(shè)墊層，完成基礎(chǔ)底板的工作。側(cè)向位移如在坑底附近出現(xiàn)異常，累計(jì)位移和變化速率超過允許值，測(cè)斜曲線出現(xiàn)“凸肚子”的現(xiàn)象，類似圖3(b)的曲線［10］，土體中可能已經(jīng)形成滑裂面，必須采取措施控制位移變化。

(4)基于邊坡不同位置的側(cè)斜曲線及側(cè)向位移速率的分析可以了解邊坡變形發(fā)展規(guī)律，結(jié)合滲濾液水位數(shù)據(jù)可以判斷邊坡失穩(wěn)模式及滑裂面位置［11］。

4.3 大面積堆載作用下土體深層水平位移監(jiān)測(cè)

圖4 大面積堆載作用下土體測(cè)斜曲線

變形規(guī)律:

(1)堆載土體變形一般與堆載大小(地基處理深度等)、堆載速率和土層性質(zhì)有很大關(guān)系;土體最大側(cè)向位移與排水條件和土層條件有關(guān):最大側(cè)向位移發(fā)生在土性最弱的土層，且排水條件好的一側(cè);最大位移點(diǎn)在深度上隨排水和土層條件的變化而變化。

(2)擬合后分層沉降的特征曲線是一個(gè)“開口向下的拋物線”;分層沉降量大小與土性和排水條件有關(guān);堆載預(yù)壓作用下所產(chǎn)生的沉降量在淺部土層最大，其衰減量亦最大;隨開口的增大，沉降量減小，其衰減變緩［12］。

4.4 逆作法施工監(jiān)測(cè)［13］

測(cè)斜曲線特點(diǎn)變形規(guī)律:

(1)結(jié)構(gòu)上部位移值相比有支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部位移大，中部曲線突出，收斂于端部。

(2)逆作法施工利用逐層澆注的地下室結(jié)構(gòu)作為支護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻的內(nèi)部支撐，由于地下室結(jié)構(gòu)與臨時(shí)支撐相比剛度大，所以地下連續(xù)墻在側(cè)壓力的作用下的變形相對(duì)小得多［14］。

圖5 逆作法施工測(cè)斜典型曲線

5 結(jié)語(yǔ)

測(cè)斜曲線與監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式、支撐體系的布置形式和支撐形成時(shí)間等因素密切相關(guān);曲線發(fā)生異常應(yīng)綜合考慮監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)變化量、變形速率和支撐軸力、水位等其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)，來判斷基坑穩(wěn)定性并進(jìn)行驗(yàn)證。

監(jiān)測(cè)人員基于前期觀測(cè)數(shù)據(jù)建立該項(xiàng)目的變形最大值與開挖深度的線性回歸方程，或基于灰色系統(tǒng)理論預(yù)測(cè)未來可能的變形最大值，通過與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較分析，起到較好的輔助判斷作用，確保監(jiān)測(cè)工作的有效性及監(jiān)測(cè)對(duì)象的安全。

［1］方大勇.邊坡長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中測(cè)斜儀測(cè)量數(shù)據(jù)的修正［J］.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2006，30(4):56

［2］熊國(guó)文，張啟岳.測(cè)斜儀精度試驗(yàn)與應(yīng)用研究［J］.水利水運(yùn)科學(xué)研究，1990(3):288

［3］GB50497－2009.建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］楊雪強(qiáng)，劉祖德.論深基坑支護(hù)的空間效應(yīng)［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，199820(2):74～78

［5］林鳴，徐偉，楊玉泉等.深基坑工程信息化施工技術(shù)［M］.北京中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006:32～38

［6］汪大龍.深基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境變形影響監(jiān)測(cè)實(shí)例［J］.工程勘察，2009(S2):580～584

［7］裴華富，殷建華，朱鴻鵠等.基于光纖光柵傳感技術(shù)的邊坡原位測(cè)斜及穩(wěn)定性評(píng)估方法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(8):1574

［8］李俊才，張倬元，許強(qiáng).深基坑開挖變形的三維數(shù)值模擬研究［J］.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27(3):1～5

［9］季沖平，何金華，胡曉鋒.水泥土攪拌樁擋墻的側(cè)向位移分析與計(jì)算［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，1999(3):27～30

［10］楊育文，吳先干，林科等.土釘墻施工監(jiān)測(cè)與破壞機(jī)理探討［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006，2(3):460～462

［11］詹良通，管仁秋，陳云敏等.某填埋場(chǎng)垃圾堆體邊坡失穩(wěn)過程檢測(cè)與反分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(8):1698～1705

［12］金宗川，顧國(guó)榮，郭春生等.大面積堆載作用下軟土地基變形特性［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(6):1060

［13］袁聚云，吳權(quán)，艾智勇.逆作法基坑圍護(hù)的變形及鄰近建筑物沉降實(shí)測(cè)分析［J］.地下空間，2004，24(1):44～47

［14］劉建航，侯學(xué)淵.基坑工程手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1996:830