周永波,王麗
(1.山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司,山東濟(jì)南 250101; 2.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東濟(jì)南 250014)
建筑基坑常規(guī)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)問題探討
周永波1?,王麗2
(1.山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司,山東濟(jì)南 250101; 2.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東濟(jì)南 250014)
伴隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展以及舊城改造范圍的不斷擴(kuò)大,建筑基坑規(guī)模及開挖深度隨之增大,使得臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和穩(wěn)定性問題變得突出和復(fù)雜,建筑基坑的變形監(jiān)測(cè)已成為市政管理部門和工程界十分關(guān)注的問題。文章對(duì)建筑基坑常規(guī)變形檢測(cè)技術(shù)方法的優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍及監(jiān)測(cè)實(shí)施等進(jìn)行了分析,為基坑變形監(jiān)測(cè)提供了理論參考。
建筑基坑;變形監(jiān)測(cè);數(shù)據(jù)處理和分析
基坑開挖引發(fā)坡面滲流失穩(wěn)、土體重力下滑、坑底土體卸荷隆起失穩(wěn)或者浸水軟化、支護(hù)樁墻強(qiáng)度不足或者剛度不夠,導(dǎo)致基坑附近建筑物或道路開裂、管線爆裂、基坑坍塌等事故屢有發(fā)生。通過對(duì)這些事故的調(diào)查研究可以發(fā)現(xiàn):基坑工程事故多與監(jiān)測(cè)不利等因素有關(guān),基坑監(jiān)測(cè)成為基坑工程中必不可少的重要環(huán)節(jié)。通過監(jiān)測(cè)技術(shù)方法的選擇制定、監(jiān)測(cè)方案的實(shí)施、對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理以及分析,可早期發(fā)現(xiàn)問題,并及時(shí)通過各種技術(shù)和手段的處理,以保證工程的順利施工。
基坑監(jiān)測(cè)是指在施工及使用期限內(nèi),對(duì)建筑基坑及周邊環(huán)境實(shí)施的檢查、監(jiān)控工作。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。
2.1基坑監(jiān)測(cè)方法和儀器
2.1.1基坑監(jiān)測(cè)儀器
基坑變形監(jiān)測(cè)中,一般采用電子經(jīng)緯儀、全站儀、水準(zhǔn)儀、測(cè)斜儀、GPS以及其他儀器進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。
(1)經(jīng)緯儀、全站儀和水準(zhǔn)儀
采用電子經(jīng)緯儀或者全站儀監(jiān)測(cè)水平位移,采用全站儀或毫米級(jí)精度的水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)坑壁位移,采用全站儀或精度為0.1 mm的精密水準(zhǔn)儀對(duì)周邊建筑物進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。
(2)測(cè)斜儀
采用測(cè)斜儀對(duì)土體水平位移以及圍護(hù)樁、圍護(hù)墻或其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移等參數(shù)進(jìn)行量測(cè)。
一般情況下,測(cè)斜儀的測(cè)量結(jié)果用來與經(jīng)緯儀的監(jiān)測(cè)結(jié)果比對(duì)驗(yàn)證。
(3)GPS
在部分基坑變形監(jiān)測(cè)中,常常使用GPS觀測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維位移信息。
(4)其他監(jiān)測(cè)設(shè)備
基坑監(jiān)測(cè)中除使用經(jīng)緯儀、全站儀和水準(zhǔn)儀外,還使用土壓力及水壓力計(jì),使用回彈儀測(cè)坑底隆起,還用軸力計(jì)測(cè)支撐軸力。
2.1.2基坑水平位移監(jiān)測(cè)方法
基坑水平位移觀測(cè)的常用方法:交會(huì)法、小角法、活動(dòng)覘牌法、全站儀法、GPS法等。
(1)交會(huì)法
交會(huì)法是指通過測(cè)定由變形觀測(cè)點(diǎn)和2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)形成的三角形的邊角得到變形觀測(cè)點(diǎn)的位移變化量。交會(huì)法可解決一些不規(guī)則形狀的基坑水平位移監(jiān)測(cè)問題。缺點(diǎn)是當(dāng)求變形觀測(cè)點(diǎn)的位移變化量時(shí),需要至少架設(shè)兩次儀器,這不僅增加了觀測(cè)的數(shù)量,而且加大測(cè)量誤差;另外,交會(huì)法的計(jì)算比較復(fù)雜。
(2)小角法
小角法是指利用精密經(jīng)緯儀精確測(cè)出基準(zhǔn)線方向同測(cè)站點(diǎn)到觀測(cè)點(diǎn)的視線方向間所夾的小角,從而計(jì)算出觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)線的偏離值。
計(jì)算水平位移的變化,其原理如圖1所示。
圖1 小角法測(cè)偏離值
該檢測(cè)方法操作簡(jiǎn)單,計(jì)算簡(jiǎn)便,適用于形狀較為規(guī)則的基坑。缺點(diǎn)是要求場(chǎng)地必須開闊,基準(zhǔn)點(diǎn)與基坑之間必須有一定距離,以避免基坑變形對(duì)基準(zhǔn)線產(chǎn)生影響;且測(cè)站點(diǎn)數(shù)量太多,觀測(cè)成本較高。
(3)活動(dòng)覘牌法
活動(dòng)覘牌法是指通過采用精密的附有讀數(shù)設(shè)備的活動(dòng)覘牌直接測(cè)定出觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)面的偏離值。活動(dòng)覘牌如圖2所示,覘牌上分劃尺的最小分劃值為1 mm,用游標(biāo)尺可直接讀到0.1 mm~0.01 mm?;顒?dòng)覘牌法現(xiàn)場(chǎng)即可得出變形結(jié)果,不需內(nèi)業(yè)計(jì)算。但活動(dòng)覘牌法不僅具有測(cè)小角法的缺點(diǎn),還需要專用的照準(zhǔn)設(shè)備及儀器,而且對(duì)活動(dòng)覘牌上的讀數(shù)尺要求很高,成本相對(duì)較高。
圖2 活動(dòng)覘牌
(4)全站儀法
全站儀法是在一個(gè)固定的測(cè)站點(diǎn)上設(shè)置一個(gè)高精度全站儀,選擇另一個(gè)固定點(diǎn)作為后視點(diǎn),測(cè)定各變形觀測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo),然后將測(cè)量結(jié)果與首次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較,得出水平位移變化值。
全站儀法觀測(cè)與計(jì)算都比較簡(jiǎn)便,適用于各種形狀的基坑變形監(jiān)測(cè),而且成本與造價(jià)相對(duì)較低,目前全站儀在基坑監(jiān)測(cè)方面已廣泛使用。然而,高精度電子全站儀價(jià)格較高,此外全站儀精度尚不能滿足部分深基坑水平位移監(jiān)測(cè)的需求。
(5)GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng):
GPS法具有測(cè)站間無需通視、監(jiān)測(cè)精度高、全天候監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn),還可同時(shí)提供監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維位移信息。缺點(diǎn)是受地形或建構(gòu)筑物影響較大,對(duì)場(chǎng)地要求較多,垂直位移精度不足,只能獲取變形體上部分離散點(diǎn)的位移信息。
這些方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn),實(shí)際操作過程中應(yīng)根據(jù)基坑的形狀和施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況選擇合適的監(jiān)測(cè)方法。
2.1.3基坑豎向位移監(jiān)測(cè)方法
基坑豎向位移通常采用精密水準(zhǔn)儀配合條形碼銦鋼水準(zhǔn)尺按相應(yīng)等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范要求進(jìn)行測(cè)量。在不同時(shí)間測(cè)定同一變形監(jiān)測(cè)點(diǎn),得到幾組高程值Hi,根據(jù)公式
計(jì)算觀測(cè)點(diǎn)的高程變化值。然后,通過數(shù)據(jù)處理分析,計(jì)算出實(shí)際沉降值。
該方法操作簡(jiǎn)單、讀數(shù)準(zhǔn)確,大大提高了作業(yè)效率,提高了監(jiān)測(cè)工作的時(shí)效性。
2.2基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布設(shè)
2.2.1布設(shè)原則
基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布設(shè)應(yīng)遵循以下原則:
(1)采用的觀測(cè)設(shè)備及觀測(cè)方法應(yīng)具有數(shù)據(jù)采集快、全天候作業(yè)的能力,能夠滿足雨霧天氣或夜晚等環(huán)境下作業(yè)的要求;
(2)采用以儀器監(jiān)測(cè)為主,目測(cè)巡視為輔的方法。重點(diǎn)、關(guān)鍵區(qū)重點(diǎn)監(jiān)測(cè);
(3)應(yīng)盡量要求在相同的位置上,使用相同的儀器,由同一觀測(cè)者按同一方案進(jìn)行觀測(cè),以盡可能做到等精度;
(4)應(yīng)在地表和基坑土體內(nèi)部及周邊的受影響的建構(gòu)筑物與設(shè)施內(nèi)布點(diǎn),以便形成一定的測(cè)點(diǎn)覆蓋率的監(jiān)測(cè)網(wǎng);
(5)在滿足工程需要和精度要求的同時(shí),應(yīng)充分考慮成本的問題。
2.2.2基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的設(shè)置
變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)應(yīng)充分考慮周邊環(huán)境和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)等情況,既要保證在建筑物建到±0 m高度之前,能夠順利地觀測(cè)到支護(hù)結(jié)構(gòu)所布設(shè)的觀測(cè)點(diǎn),又要考慮觀測(cè)網(wǎng)的圖形強(qiáng)度以及觀測(cè)網(wǎng)控制點(diǎn)的相對(duì)穩(wěn)定性的問題。
2.2.3基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置
基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)考慮基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的材料、形狀、施工方法和施工地區(qū)工程地質(zhì)條件等因素。
應(yīng)選擇在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)圈梁頂變形最敏感的區(qū)段布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),以監(jiān)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)環(huán)梁頂部的水平位移和豎向位移;在支護(hù)結(jié)構(gòu)基坑內(nèi)側(cè)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)土體旁側(cè)壓力和水頭壓力等使支撐柱產(chǎn)生的傾斜位移。內(nèi)力和變形大的代表性(例如基坑的中部和輕軌的支撐柱等)部位,應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)避開障礙物,布設(shè)在開闊區(qū)域,便于觀測(cè)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)志應(yīng)穩(wěn)固,易于保存。
2.2.4沉降控制網(wǎng)的布設(shè)
沉降控制網(wǎng)點(diǎn)位選擇的質(zhì)量對(duì)于保證觀測(cè)工作的順利進(jìn)行和保證測(cè)量結(jié)果的可靠性有著重要的意義,實(shí)際選點(diǎn)布設(shè)時(shí)應(yīng)特別注意點(diǎn)位的土質(zhì)、位置和周圍的環(huán)境等要求,具體如下:
(1)應(yīng)考慮點(diǎn)位自身的沉降或因重物碾壓等原因引起的點(diǎn)位沉降。
(2)應(yīng)布設(shè)在基坑50 m的以外區(qū)域,以避免因擬建建筑物加荷、基坑開挖等引起點(diǎn)位沉降。
(3)觀測(cè)路線設(shè)計(jì)應(yīng)合理,控制點(diǎn)間距應(yīng)適中。
(4)點(diǎn)位標(biāo)志應(yīng)采用頂部突出成球形的不銹鋼材料。2.2.5 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)
沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)除了布設(shè)在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部以外,還應(yīng)設(shè)置在主樓樁型不同的兩側(cè)、擬建建筑物拐角處、大轉(zhuǎn)彎處、沉降縫處以及其他地質(zhì)條件變化明顯的區(qū)段內(nèi),間距一般為10 m~15 m。
對(duì)于周圍建筑物沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè),應(yīng)考慮其建筑結(jié)構(gòu)、高度、地質(zhì)條件、距離基坑的遠(yuǎn)近程度等因素,沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般設(shè)在距地面約0.3 m高的建筑物樁體上。
監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)如圖3所示。
圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)示意圖
2.2.6基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)
基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)布設(shè)設(shè)在距離基坑100 m之外,基礎(chǔ)好、沉降穩(wěn)定、便于施測(cè)、便于保存的穩(wěn)定區(qū)域以及穩(wěn)固的永久性建筑物上,方便從基準(zhǔn)點(diǎn)向工作基點(diǎn)引測(cè)。
基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)方式如圖4、圖5所示。
圖4 墻角基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)示意圖
圖5 地面基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)示意圖
2.3觀測(cè)方法及注意事項(xiàng)
儀器在開始使用前均需檢定,作業(yè)過程中嚴(yán)格遵守規(guī)范,每次觀測(cè)都采用相同的觀測(cè)儀器,相同觀測(cè)人員按相同路線進(jìn)行觀測(cè)。
每次變形監(jiān)測(cè)前均應(yīng)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)檢校,確定其點(diǎn)位穩(wěn)定可靠后,才可進(jìn)行監(jiān)測(cè)?;鶞?zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測(cè)及變形點(diǎn)觀測(cè)均應(yīng)組成附合或閉合路線。
為保證控制點(diǎn)的可靠,應(yīng)定期對(duì)觀測(cè)控制點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè),聯(lián)測(cè)后平差處理,根據(jù)平差成果對(duì)觀測(cè)控制點(diǎn)進(jìn)行了修正,以提高觀測(cè)精度。
為保證觀測(cè)質(zhì)量,應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
(1)為確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,應(yīng)繪制觀測(cè)示意圖、做好觀測(cè)記錄,并及時(shí)計(jì)算閉合差和限差。
(2)應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)間段進(jìn)行觀測(cè)。
(3)應(yīng)優(yōu)化觀測(cè)流程,選擇合理的觀測(cè)順序。
(4)應(yīng)采用相同的觀測(cè)儀器,相同觀測(cè)人員按相同路線進(jìn)行觀測(cè)。
2.4基坑監(jiān)測(cè)時(shí)間和頻率
基坑監(jiān)測(cè)在土方開挖之時(shí)就應(yīng)開始進(jìn)行,直至土方回填完畢后結(jié)束。監(jiān)測(cè)頻率和監(jiān)測(cè)次數(shù)應(yīng)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50497-2009)要求。
當(dāng)發(fā)現(xiàn)下列情況之一時(shí),應(yīng)縮短監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔、加密監(jiān)測(cè)次數(shù)或連續(xù)監(jiān)測(cè):
(1)監(jiān)測(cè)值達(dá)到報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)測(cè)值變化量較大或速率加快;
(2)出現(xiàn)超長(zhǎng)開挖、超深開挖、未及時(shí)加撐等情況; (3)基坑附近地面荷載加大;
(4)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)降雨、大量積水、市政管道出現(xiàn)泄漏等情況;
(5)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、坡體或底部出現(xiàn)流沙、管涌等現(xiàn)象;
(6)鄰近的地面或建(構(gòu))筑物出現(xiàn)嚴(yán)重的開裂、大量沉降或不均勻沉降等;
(7)支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂;
(8)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)事故征兆。2.5 基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理
及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析是基坑監(jiān)測(cè)工作的關(guān)鍵。用圖表方式對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析,可以得出基坑中各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的變化情況,分析基坑變形的規(guī)律性和穩(wěn)定性,為后期的施工和完善設(shè)計(jì)提供依據(jù),同時(shí)對(duì)開挖過程中出現(xiàn)的危險(xiǎn)信號(hào)及時(shí)報(bào)警,以便采取相應(yīng)措施。
2.5.1監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理
由于環(huán)境、儀器或操作者等原因,觀測(cè)數(shù)據(jù)中可能會(huì)引入一些誤差(或錯(cuò)誤)數(shù)據(jù),因此在數(shù)據(jù)處理時(shí),可以用大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)的平均值近似地進(jìn)行表示,也可以用標(biāo)準(zhǔn)誤差來表示數(shù)據(jù)波動(dòng)的情況或分散的程度,或者舍棄可疑數(shù)據(jù)。
(1)算術(shù)平均值
若未知量x0被測(cè)量n次,測(cè)量值分別為x1,x2,…,xn,則xr=x0+er,式中,er是觀測(cè)中的不確定度,它可正可負(fù)。那么,n次測(cè)量的算術(shù)平均值為:
(2)標(biāo)準(zhǔn)誤差σ
標(biāo)準(zhǔn)誤差σ反映的是測(cè)量值在算術(shù)平均值附近的分散與偏離程度。σ越大時(shí),波動(dòng)越大;σ越小時(shí),波動(dòng)越小。它是一種表示測(cè)量誤差的較好指標(biāo)。
2.5.2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理和分析
利用平差軟件對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平差解算,得出本觀測(cè)周期所需要的各種成果:本次觀測(cè)坐標(biāo)及高程、本次位移量及位移方位、累計(jì)位移量及位移方位、本次最大沉降速度、平均沉降速度、沉降量以及累計(jì)沉降量等。最后,利用軟件根據(jù)數(shù)據(jù)整理繪出相應(yīng)的沉降曲線和平面位移曲線。為保證結(jié)果的正確性,需要人工對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行多次檢查、校核。確認(rèn)無誤后,方可編寫數(shù)據(jù)報(bào)告。
監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí),應(yīng)選擇多種處理方式。這樣,不僅可以檢驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的精度,從而保證所采用的數(shù)據(jù)處理方法的可靠性,還可以考察各種方法的優(yōu)劣勢(shì),為日后的數(shù)據(jù)處理工作提供經(jīng)驗(yàn)。
目前,最常用的數(shù)據(jù)處理分析方法是統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。統(tǒng)計(jì)學(xué)方法是利用各種數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法,根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算預(yù)報(bào)模型,從而達(dá)到分析監(jiān)測(cè)對(duì)象以及預(yù)測(cè)變化趨勢(shì)的目的。
基坑監(jiān)測(cè)應(yīng)整理完整的監(jiān)測(cè)記錄表、數(shù)據(jù)報(bào)表、形象的圖表和曲線,監(jiān)測(cè)結(jié)束后整理出監(jiān)測(cè)報(bào)告。
文章對(duì)建筑基坑常規(guī)變形檢測(cè)技術(shù)方法的適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析對(duì)比,對(duì)基坑監(jiān)測(cè)方法和儀器、基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布設(shè)以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理方法等方面進(jìn)行了論述,為建筑基坑變形監(jiān)測(cè)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ),為基坑監(jiān)測(cè)的實(shí)施提供了可靠的技術(shù)保障,為確保地面建、構(gòu)筑物的安全提供了有力支持。
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About Construction Method and Realization of the Foundation Pit Deformation Monitoring Technology
Zhou Yongbo1,Wang Li2
(1.Shandong Zhengyuan Geophysical Information Technology Co.,Ltd,Ji′nan 250101,China; 2.NO1 Institute of Geology and mineral resources of Shandong Province,Ji′nan 250014,China)
With the continuous development of China's urbanization and the expansion of the scope of the transformation of the old city,the size of the foundation pit and the increase of the depth of the excavation,the deformation and stability of the temporary retaining structure become outstanding and complex,which has become a problem of the municipal administration departments and the engineering community.In this paper,the advantages and disadvantages,the application scope and the monitoring of the deformation detection technology for conventional foundation pit are analyzed, which provides a theoretical reference for the deformation monitoring of foundation pit.
building excavation;deformation monitoring;data processing and analysis
1672-8262(2016)01-141-04
P258
B
?2015—10—27
周永波(1976—),男,工程師,碩士,主要從事測(cè)繪技術(shù)工作。