深基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法研究

柴新宇

(廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510510)

0 引 言

通過(guò)沉降觀測(cè)，可以得到建筑物及其配套設(shè)施準(zhǔn)確可靠的沉降數(shù)據(jù)(沉降和差異沉降量)，可以了解不同荷載下地基隨時(shí)間的變形規(guī)律，真實(shí)地反映建筑物和支撐設(shè)施的沉降情況，提供建筑物的沉降參數(shù)[1]，所積累的資料和經(jīng)驗(yàn)可為今后類似工程設(shè)計(jì)提供類比依據(jù)。通過(guò)對(duì)位移計(jì)算和最終平移計(jì)算的分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)建筑物的不利沉降現(xiàn)象，從而采取措施保證施工的順利進(jìn)行和周圍建筑物的安全使用，為今后的合理設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)，對(duì)工程進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)[2]。

1 工作方案

1.1 監(jiān)測(cè)方案

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括：支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移，支護(hù)結(jié)構(gòu)垂直位移，周圍建筑物沉降監(jiān)測(cè)。沉降觀測(cè)是一項(xiàng)精密細(xì)致的工作，水準(zhǔn)基點(diǎn)是觀測(cè)的基礎(chǔ)，點(diǎn)應(yīng)埋在變形區(qū)外的基巖或原狀土層上，也可采用穩(wěn)定建筑物[3]，當(dāng)條件限制時(shí)，深金屬管水準(zhǔn)點(diǎn)也可埋在變形區(qū)內(nèi)，點(diǎn)位堅(jiān)固穩(wěn)定，便于長(zhǎng)期使用。本工程在醫(yī)院北側(cè)布置2個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn)，便于隨時(shí)檢測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定情況?；鶞?zhǔn)點(diǎn)采用電錘，水平鉆直徑20 mm孔，孔深20～25 cm，植入Φ18鋼筋并用建筑結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)牢固。鋼筋端部焊接直徑為20 mm的鍍鉻球，球上最高點(diǎn)為該點(diǎn)的標(biāo)記[2]。

1.2 沉降觀測(cè)點(diǎn)的布置

周圍建筑物沉降觀測(cè)點(diǎn)的布置?；颖眰?cè)有地鐵，距離基坑開挖邊線最近距離大約9 m，基坑靠近基坑開挖側(cè)邊線，均在基坑的影響范圍內(nèi)。因此，在3號(hào)樓外墻設(shè)置20個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)高出自然地面30 cm，每個(gè)點(diǎn)用電錘鉆孔，孔深20～25 cm，洞的直徑是20～25 cm，Φ18鋼筋預(yù)埋，與建筑結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)牢固。

布置基坑沉降觀測(cè)點(diǎn)。基坑周長(zhǎng)306.5 m，拐點(diǎn)比較多，且各條邊長(zhǎng)短不等。根據(jù)實(shí)際情況，按照一定距離，在基坑的每一角和直線段處布置20個(gè)垂直位移觀測(cè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)均在冠梁頂端及微型鋼樁頂面上砌筑300×300×300 mm(長(zhǎng)×寬×高)混凝土墩，將球狀沉降觀測(cè)點(diǎn)標(biāo)志安裝在混凝土墩中心。

1.3 沉降觀測(cè)與位移觀測(cè)

觀測(cè)儀器采用美國(guó)產(chǎn)S05型號(hào)的天寶dini03精密光學(xué)水準(zhǔn)儀、精密銦鋼條碼水準(zhǔn)尺。每次觀測(cè)前，必須對(duì)儀器進(jìn)行檢驗(yàn)校正，其i角不得大于15″。觀測(cè)時(shí)的視距長(zhǎng)度≤30 m，前后視差≤0.7 m，前后視距不等，累計(jì)差≤1.0 m。為減少誤差，每次觀測(cè)由固定人員觀測(cè)，固定測(cè)站位置[4]。

2 沉降觀測(cè)和位移觀測(cè)

2.1 沉降觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理

由基準(zhǔn)點(diǎn)及工作基點(diǎn)組成平面控制網(wǎng)，用基準(zhǔn)點(diǎn)前方交會(huì)法測(cè)量監(jiān)測(cè)工作基點(diǎn)的穩(wěn)定情況，測(cè)角中誤差±2″，導(dǎo)線全長(zhǎng)相對(duì)閉合差1∶45 000。

用精密水準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行垂直位移監(jiān)測(cè)。由工作基點(diǎn)開始測(cè)量，經(jīng)過(guò)作為水準(zhǔn)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以形成多個(gè)閉合水準(zhǔn)路線或附和水準(zhǔn)路線，一般采用閉合水準(zhǔn)路線。如果檢測(cè)地區(qū)地形比較復(fù)雜，難以構(gòu)成閉合或者附和水準(zhǔn)路線，也可采用支水準(zhǔn)路線進(jìn)行往返測(cè)量[6]。嚴(yán)格控制前后視距差和前后視距累積差，可有效減弱磁場(chǎng)和大氣垂直折光的影響。檢測(cè)期間為了保持誤差穩(wěn)定性，需要固定檢測(cè)儀器、檢測(cè)人員、檢測(cè)路線和檢測(cè)測(cè)站，檢測(cè)周期和監(jiān)測(cè)時(shí)段相對(duì)固定[7]。

根據(jù)水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范對(duì)觀測(cè)程序的要求，水準(zhǔn)測(cè)量往測(cè)時(shí)，奇數(shù)站的觀測(cè)順序?yàn)椤昂笄扒昂蟆?，偶?shù)站的觀測(cè)順序?yàn)椤扒昂蠛笄啊?。返測(cè)時(shí)，奇、偶數(shù)站的觀測(cè)順序?qū)?yīng)往測(cè)時(shí)的偶、奇數(shù)站[8]。

未經(jīng)檢定的標(biāo)尺長(zhǎng)度屬于名義長(zhǎng)度，需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢校得到標(biāo)尺實(shí)際長(zhǎng)度，當(dāng)超過(guò)一定誤差時(shí)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)改正(尺長(zhǎng)改正、溫度改正、傾斜改正等)。奇數(shù)測(cè)站為后-前-前-后，偶數(shù)測(cè)站為前-后-后-前。

采用正確的觀測(cè)步驟進(jìn)行測(cè)量觀測(cè)。共選擇20個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，一年觀測(cè)了6期18次，數(shù)據(jù)見基坑垂直位移監(jiān)測(cè)階段報(bào)表，選擇其中二期數(shù)據(jù)列出表1、表2。

表1 基坑垂直位移觀測(cè)數(shù)據(jù) (1～3次)

表2 基坑垂直位移觀測(cè)數(shù)據(jù) (16～18次)

數(shù)據(jù)處理結(jié)果繪圖。為了預(yù)估下一次觀測(cè)點(diǎn)沉降的大約數(shù)值和沉降過(guò)程是否漸趨穩(wěn)定或已經(jīng)穩(wěn)定，可分別繪制時(shí)間與沉降量關(guān)系曲線和時(shí)間與荷重的關(guān)系曲線。其中，時(shí)間與沉降量的關(guān)系曲線：縱軸為沉降量S，橫軸為時(shí)間T，根據(jù)沉降觀測(cè)量和觀測(cè)日期按照比例得到坐標(biāo)畫出每個(gè)點(diǎn)位置，然后各點(diǎn)連接起來(lái)。時(shí)間與荷重的關(guān)系曲線：縱軸為荷載重量P，橫軸為時(shí)間T。根據(jù)每次荷載重量和相應(yīng)觀測(cè)日期，按照比例畫出每個(gè)點(diǎn)位置，將點(diǎn)連接起來(lái)見圖1。

圖1 時(shí)間、荷重、沉降量曲線圖

2.2 水平位移及數(shù)據(jù)處理

由于各變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)往往向基坑內(nèi)移動(dòng)，在邊坡穩(wěn)定的條件下，大部分點(diǎn)移動(dòng)較為均勻，當(dāng)各觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)觀測(cè)值精度相同時(shí)，各點(diǎn)坐標(biāo)權(quán)重相等，因此最小二乘估計(jì)接近于大多數(shù)一致運(yùn)動(dòng)點(diǎn)[9]。在與大部分勻速運(yùn)動(dòng)點(diǎn)相差較大的點(diǎn)中，加入了坐標(biāo)改正較大的點(diǎn)，使[δδ]/n顯著增加。

用工作基點(diǎn)采用雙測(cè)站極坐標(biāo)觀測(cè)，每次測(cè)量前必須對(duì)儀器進(jìn)行檢驗(yàn)，半測(cè)回歸零差≤±8″，一測(cè)回內(nèi)2C互差≤±13″，每次固定人員觀測(cè)，嚴(yán)格定向。

根據(jù)第一次觀測(cè)的坐標(biāo)確定基準(zhǔn)。

數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)流程：

A.分析問(wèn)題：對(duì)要解決的問(wèn)題，必須分析清楚，明確具體要求，找出其內(nèi)在規(guī)律。

B.建立數(shù)據(jù)庫(kù)及其對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，按照分析結(jié)果建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)學(xué)模型。

C.選擇算法[10]：建立數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)學(xué)模型后，選擇解決問(wèn)題的最佳算法。選擇算法時(shí)要注意算法的邏輯結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單，避免不必要的循環(huán)，減少算法執(zhí)行時(shí)間，在滿足題目條件要求下使所需計(jì)算量最小。

需要求出每次測(cè)量的形心坐標(biāo)，計(jì)算出坐標(biāo)平移量(形心坐標(biāo)之差)，以后的計(jì)算求出每個(gè)三角形的形心坐標(biāo)之差。各個(gè)三角形的形心坐標(biāo)之差公式：ΔX=Xn-Xi，ΔY=Yn-Yi。用它在坐標(biāo)系上的投影來(lái)表示，以沿坐標(biāo)軸正方向?yàn)檎?fù)方向?yàn)樨?fù)，3個(gè)投影稱為在該點(diǎn)的位移分量。一般說(shuō)來(lái)，位移分量也是坐標(biāo)的函數(shù)：

其余的三角形同理可求出邊長(zhǎng)D、方位角A及角度。

D.編寫程序：以此次計(jì)算的坐標(biāo)為基準(zhǔn)點(diǎn)構(gòu)成基準(zhǔn)平面。程序設(shè)計(jì)中，編輯DATA_O.TXT得到第一次觀測(cè)數(shù)據(jù)DATA_O.TXT，打開VFP6，輸入MODI FILE?進(jìn)入編輯數(shù)據(jù)文件，打開DATA_I，進(jìn)入程序編輯界面。

E.調(diào)試運(yùn)行：查看程序是否滿足具體要求，如果沒(méi)有達(dá)到實(shí)際要求，應(yīng)對(duì)程序反復(fù)進(jìn)行修改調(diào)試，直到滿足實(shí)際要求為止。模擬計(jì)算點(diǎn)是專門為此次設(shè)計(jì)設(shè)定的，移動(dòng)量統(tǒng)一為 5 mm，總共設(shè)置了 20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別命名標(biāo)記為C1～C20。根據(jù)相關(guān)規(guī)范和施工要求，計(jì)算各點(diǎn)位移量報(bào)警值，如表3。

表3 位移量報(bào)警值

通過(guò)處理完成后，分析數(shù)據(jù)，以最后一次測(cè)量坐標(biāo)為例，變形圖如圖2。

圖2 水平位移對(duì)比圖

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按要求記錄，當(dāng)出現(xiàn)異常情況，應(yīng)加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并立即上報(bào)相關(guān)單位，采取緊急措施。通過(guò)上述數(shù)據(jù)顯示，C2、C3、C4...C21 位移變化量趨于穩(wěn)定，其中C6點(diǎn)與C8點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生較大位移，超過(guò)報(bào)警值，可能出現(xiàn)問(wèn)題，因此上報(bào)相關(guān)部門調(diào)整，及時(shí)加固，確保施工。

發(fā)現(xiàn)問(wèn)題點(diǎn)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新優(yōu)化，結(jié)果如下：

DELTA_A=FRAD(-0.00075000000101)

[vv]=0.000227159897276

用多邊形法對(duì)某醫(yī)院工程第 6 次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，準(zhǔn)確地給出了變形異常點(diǎn)中C6、C8點(diǎn)發(fā)生較大位移，對(duì)C6、C8點(diǎn)及時(shí)進(jìn)行了加固，確保了施工安全，且實(shí)測(cè)變形規(guī)律與數(shù)值模擬得到的變形規(guī)律基本一致。數(shù)值模擬后的程序可以成功運(yùn)用于實(shí)際工程施工中，因此多邊形法符合基坑水平變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的共有特征，具有實(shí)用性。簡(jiǎn)化了外業(yè)測(cè)量環(huán)節(jié)，顯著提高了測(cè)量精度。依據(jù)相對(duì)基準(zhǔn)計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)水平位移量，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理運(yùn)算，可以很好地指導(dǎo)實(shí)際工程施工。