基坑水平位移觀測(cè)的幾點(diǎn)分析

梁偉才

【摘要】基坑的變形觀測(cè)，隨著社會(huì)對(duì)地下發(fā)展空間的需求，基坑支護(hù)的技術(shù)要求和巖土設(shè)計(jì)研究的要求而不斷發(fā)展成熟，扮演著越來越重要的角色。由于基坑變形觀測(cè)數(shù)據(jù)具有的重要作用，人們對(duì)基坑變形觀測(cè)的認(rèn)識(shí)又上了一個(gè)新臺(tái)階。如何才能如實(shí)地、客觀地基坑變形數(shù)據(jù)觀測(cè)記錄下來，自然地成為基坑變形觀測(cè)很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)?？茖W(xué)的分析，觀測(cè)方法的選取又是觀測(cè)到真實(shí)變形數(shù)據(jù)的前提。本文從力學(xué)和數(shù)學(xué)，分別地、邏輯性地對(duì)當(dāng)前的基坑變形觀測(cè)工作作簡(jiǎn)單探討，結(jié)合實(shí)際工作，對(duì)基坑水平位移觀測(cè)中應(yīng)注意的問題加以闡釋。

【關(guān)鍵詞】前期分析;力學(xué)平衡;數(shù)學(xué)分析;坐標(biāo);變形數(shù)據(jù)

1?現(xiàn)狀及存在問題

基坑，是指為構(gòu)建筑物打基礎(chǔ)和地下室施工所開挖的地面以下的空間。再寫隨著社會(huì)的進(jìn)步，建設(shè)工程以及各種高層建筑物、地下室、人防工程等的需要，基坑的應(yīng)用將會(huì)越來越廣，對(duì)基坑的技術(shù)要求也越來越高。

基坑監(jiān)測(cè)，是指在基坑施工及使用期限內(nèi)，對(duì)建筑基坑及周邊環(huán)境實(shí)施的檢查、監(jiān)控工作。目前，基坑監(jiān)測(cè)主要包括：支護(hù)結(jié)構(gòu)、相關(guān)自然環(huán)境、施工工況、地下水狀況、基坑底部及周圍土體、周圍建（構(gòu)）筑物、周圍地下管線及地下設(shè)施、周圍重要的道路、其他應(yīng)監(jiān)測(cè)的對(duì)象。實(shí)際監(jiān)測(cè)工作中，許多監(jiān)測(cè)項(xiàng)目都需要結(jié)合儀器觀測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)巡視的反復(fù)跟蹤方式來采集基坑最真實(shí)、最客觀的變形數(shù)據(jù)。同時(shí)需要在儀器觀測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)巡視等工作中不斷分析、不斷排除誤差，以達(dá)到采集高質(zhì)量數(shù)據(jù)的目的。

客觀、真實(shí)的變形數(shù)據(jù)不但可以及時(shí)了解基坑的變形情況，為施工提供參考及指導(dǎo)性意見，可以驗(yàn)證基坑設(shè)計(jì)可行性、科學(xué)性，還可以為巖土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等多門學(xué)科的研究提供寶貴的原始數(shù)據(jù)。為了追求更真實(shí)、客觀的變形數(shù)據(jù)，測(cè)量工作者以及巖土工程、結(jié)構(gòu)工程等工作者想法設(shè)法尋找更加科學(xué)和實(shí)用的變形監(jiān)測(cè)方法。由于變形監(jiān)測(cè)的發(fā)展歷史比較短，各種基坑的情況也不一樣，變形監(jiān)測(cè)的方法也要具體問題具體分析了。而現(xiàn)階段人們對(duì)基坑變形觀測(cè)工作似乎缺乏必要的分析，對(duì)這方面工作是任務(wù)式的，缺少深層次的研究。

2?對(duì)基坑變形觀測(cè)的前期分析

基坑水平位移的監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)比較具有代表性的變形監(jiān)測(cè)工作，同時(shí)也是考驗(yàn)測(cè)量工作者對(duì)變形觀測(cè)分析能力的一個(gè)重要指標(biāo)。那么，水平位移的變形觀測(cè)需要分析什么，如何分析呢？下面我們以常見的基坑支護(hù)型式為例，對(duì)基坑水平位移變形觀測(cè)方法的選取作一個(gè)簡(jiǎn)單的探討。

我們知道，基坑的形狀是各不相同的，要如實(shí)的把變形數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，首先要做的，就是要明確該基坑將會(huì)怎樣發(fā)生位移。這是基坑水平位移觀測(cè)的前提分析。而我們實(shí)際工作中遇到比較多、比較簡(jiǎn)單而又常見的基坑支護(hù)型式，是矩形形狀的基坑。下面我們以矩形基坑為例作一個(gè)簡(jiǎn)單的力學(xué)分析（如圖所示）：

圖a：基坑開挖前狀態(tài)?????????????????????圖b：基坑開挖后狀態(tài)

圖a表示，基坑開挖前，基坑及外界沒有土石方的分離，基坑里外相互作用力大小相等方向相反，基坑所受合力為0，基坑處于靜止?fàn)顟B(tài)，理論上不會(huì)發(fā)生位移。

圖b表示，基坑開挖后，以基坑邊線為臨界面，基坑里面與外面分離，基坑里外相互作用力當(dāng)中缺少了由里向外的作用力，此時(shí)合力方向垂直于基坑邊向里，理論上基坑邊緣處會(huì)發(fā)生垂直基坑邊向里的位移。

通過對(duì)基坑進(jìn)行力學(xué)平衡原理的分析，我們發(fā)現(xiàn)基坑水平位移的變化方向是沿垂直于基坑邊線向里的?，F(xiàn)實(shí)工作中很多測(cè)量工作者往往忽略這一工作，但這個(gè)前期分析相當(dāng)重要，它將直接關(guān)乎到觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。弄清這個(gè)方向，對(duì)于將要進(jìn)行的水平位移觀測(cè)有一個(gè)比較明確的指導(dǎo)性方向：把沿垂直于基坑邊線向里這個(gè)方向上的位移量觀測(cè)、記錄并表達(dá)出來。

a·基坑外面

圖c：基坑水平位移的實(shí)際方向

在我們明確了基坑監(jiān)測(cè)需要采集哪一個(gè)方向的變化量之后，才能在后面的測(cè)量工作中找準(zhǔn)方向。如圖c所示，我們要觀測(cè)的位移，即監(jiān)測(cè)點(diǎn)a，發(fā)生水平位移移動(dòng)到a′時(shí)，垂直于基坑變形的位移。

從圖中我們可以看出，基坑開挖之后，水平位移不一定是純碎的垂直基坑邊向里，還有其他方向的外力作用，使基坑支護(hù)部分的發(fā)生的實(shí)際位移并非純碎的垂直于基坑變形。通過比較兩點(diǎn)坐標(biāo)，我們發(fā)現(xiàn)，從a點(diǎn)發(fā)生位移到達(dá)a′時(shí)，兩點(diǎn)坐標(biāo)既有X增量ΔX，又有Y增量ΔY，通過計(jì)算，我們得知兩點(diǎn)發(fā)生的位移為：

ΔS=

即

ΔS=

而我們要的，是沿著垂直于基坑變形這一方向的位移。要計(jì)算這樣的位移，我們很自然會(huì)想到利用三角函數(shù)和位移的正交分解，但這樣的計(jì)算過程比較繁雜，這里就不進(jìn)行討論了。

3方法的選取及確定

那么，我們可以用什么方法將繁雜的計(jì)算過程簡(jiǎn)化呢？通過建立跟矩形基坑邊垂直（或平行）的獨(dú)立的直角坐標(biāo)系，采用坐標(biāo)觀測(cè)法，可以大大簡(jiǎn)化上面所述的計(jì)算過程。

通過坐標(biāo)法建立的坐標(biāo)系，利用矩形基坑的特有優(yōu)勢(shì)，單獨(dú)對(duì)水平位移的X、Y坐標(biāo)進(jìn)行分析，計(jì)算X、Y坐標(biāo)的增量ΔX和ΔY，便可直觀、快捷地計(jì)算出發(fā)生于沿垂直基坑邊線方向上的位移。通過分析這種方法觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，我們不難發(fā)現(xiàn)：與垂直于基坑邊線方向的位移相比，其他方向的位移是考驗(yàn)忽略不計(jì)的，也就是說，其他方向的位移趨向于無窮小。

4?案例分析

明確了水平位移觀測(cè)應(yīng)該做的前期分析，選取了合適的方法之后，我們就可以開展觀測(cè)工作了。那么，這種方法是否真的湊效呢？東莞市中國(guó)電子松山湖研發(fā)中心基坑監(jiān)測(cè)和東莞市錦裕源儀器科技有限公司智能震動(dòng)分析及動(dòng)平衡系統(tǒng)項(xiàng)目基坑監(jiān)測(cè)均按照這樣的思路進(jìn)行了前期分析和通過分析確定的觀測(cè)方法。讓我們看看這些變形觀測(cè)項(xiàng)目是怎樣進(jìn)行分析和確定方法的選取的，觀測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性又是如何。

東莞市中國(guó)電子松山湖研發(fā)中心基坑監(jiān)測(cè)工程監(jiān)測(cè)平面布置圖如下：

中國(guó)電子松山湖研發(fā)中心基坑監(jiān)測(cè)平面布置圖

變形觀測(cè)之前，先對(duì)該基坑作前期分析：受力、變形趨勢(shì)分析，因?yàn)檫@基坑呈矩形，所以基坑支護(hù)會(huì)發(fā)生垂直于基坑邊線向里的位移?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查之后，得知施工現(xiàn)場(chǎng)通視條件比較好，最終確定選用坐標(biāo)觀測(cè)法并以基坑南面和北面邊線為Y軸的平行線，東面和西面為X軸的平行線，確定獨(dú)立坐標(biāo)系。在此基礎(chǔ)上，把基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)確定后記錄并保存好作為初始觀測(cè)數(shù)據(jù)。值得注意的是，由于變形觀測(cè)采用獨(dú)立坐標(biāo)系，坐標(biāo)由測(cè)量工作者自定，所以為了確保計(jì)算方便，測(cè)量工作者一般要把坐標(biāo)定的大一點(diǎn)，以免出現(xiàn)負(fù)數(shù)。我們以抽樣檢查的方式，抽取所觀測(cè)到的基坑南面上的一組數(shù)據(jù)連續(xù)5次觀測(cè)記錄為標(biāo)本如下：

表1：中國(guó)電子松山湖研發(fā)中心水平位移觀測(cè)記錄表（樣本）

WY18

X坐標(biāo)（mm）

Y坐標(biāo)（mm）

ΔX（mm）

ΔY（mm）

一次數(shù)據(jù)

35.3642

108.5382

—

—

二次數(shù)據(jù)

35.3646

108.5382

0.4

0

三次數(shù)據(jù)

35.3652

108.5381

0.4

-0.1

四次數(shù)據(jù)

35.3660

108.5383

0.8

0.2

五次數(shù)據(jù)

35.3665

108.5382

0.5

-0.1

WY20

一次數(shù)據(jù)

35.3238

68.3617

—

—

二次數(shù)據(jù)

35.3244

68.3615

0.6

-0.2

三次數(shù)據(jù)

35.3249

68.3616

0.5

0.1

四次數(shù)據(jù)

35.3253

68.3616

0.4

0

五次數(shù)據(jù)

35.3260

68.3618

0.7

0.2

通過數(shù)據(jù)，我們可以看出，此數(shù)據(jù)Y坐標(biāo)增量ΔY基本上是不變的，X坐標(biāo)增量ΔX符合前期對(duì)基坑變形趨勢(shì)的分析，準(zhǔn)確地表達(dá)了基坑在施工過程中的變形情況。

東莞市錦裕源儀器科技有限公司智能震動(dòng)分析及動(dòng)平衡系統(tǒng)項(xiàng)目基坑支護(hù)形狀如下：

智能震動(dòng)分析及動(dòng)平衡系統(tǒng)項(xiàng)目基坑監(jiān)測(cè)平面布置圖

我們作觀測(cè)前期分析：此基坑為矩形基坑，基坑支護(hù)在土石方開挖期間，由于力的平衡遭到破壞，基坑支護(hù)必然會(huì)沿垂直于基坑邊線向里面發(fā)生位移。通過變形觀測(cè)，對(duì)所觀測(cè)數(shù)據(jù)作抽樣檢查，樣本數(shù)據(jù)如下：

表2：智能震動(dòng)分析及動(dòng)平衡系統(tǒng)項(xiàng)目基坑監(jiān)測(cè)水平位移觀測(cè)記錄表（樣本）

WY02

X坐標(biāo)（mm）

Y坐標(biāo)（mm）

ΔX（mm）

ΔY（mm）

一次數(shù)據(jù)

22.3315

42.3315

—

—

二次數(shù)據(jù)

22.3318

42.3316

0.3

0.1

三次數(shù)據(jù)

22.3319

42.3314

0.1

-0.2

四次數(shù)據(jù)

22.3326

42.3315

0.7

0.1

五次數(shù)據(jù)

22.3329

42.3315

0.3

0

WY03

一次數(shù)據(jù)

22.1925

62.2679

—

—

二次數(shù)據(jù)

22.1926

62.2677

0.1

-0.2

三次數(shù)據(jù)

22.1931

62.2678

0.5

0.1

四次數(shù)據(jù)

22.1932

62.2680

0.1

0.2

五次數(shù)據(jù)

22.1935

62.2679

0.3

-0.1

從樣本數(shù)據(jù)看，基坑南面觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)Y增量ΔY基本上為0，觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)X增量ΔX的變化符合前期分析，變形數(shù)據(jù)與基坑變形相符，同樣驗(yàn)證了基坑變形觀測(cè)的前期分析。

此外，東莞市長(zhǎng)安客天下大廈基坑監(jiān)測(cè)、中山市寶麗西區(qū)棕櫚彩虹花園一期B地塊基坑監(jiān)測(cè)、中山市雋峰花園基坑監(jiān)測(cè)等基坑監(jiān)測(cè)工程，均做了必要的前期分析，選取了合適的觀測(cè)方法，各項(xiàng)觀測(cè)數(shù)據(jù)都很好的驗(yàn)證了這些分析方法。

5?結(jié)語

由于工程實(shí)際中，基坑的形式多種多樣，因此，對(duì)各種變形監(jiān)測(cè)的要求以及應(yīng)該采用的方法也不能一概而論，坐標(biāo)觀測(cè)法對(duì)于矩形基坑比較實(shí)用，但并不是每個(gè)基坑都呈矩形，有很多基坑形狀是不規(guī)則的，需要綜合分析結(jié)合多種觀測(cè)方法才能很好的把基坑的變形數(shù)據(jù)真實(shí)、客觀的觀測(cè)和表達(dá)出來。