測斜管偏轉(zhuǎn)對監(jiān)測成果的影響規(guī)律與修正方法

厲 風(fēng) 智慧淵 許藝騰

(1. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司, 江蘇 南京 210019;2. 中交天津港灣工程研究院有限公司, 天津 300222)

0 引言

支護(hù)樁(墻)體水平位移常被稱為“深層水平位移”。該項(xiàng)目能夠觀測出樁(墻)體不同深度的位移量,分析和判斷支護(hù)樁(墻)的穩(wěn)定和變形發(fā)展趨勢,是目前基坑施工安全控制中最重要的監(jiān)測項(xiàng)目。成果實(shí)現(xiàn)的原理是利用測斜儀在測斜管導(dǎo)槽內(nèi)定位及上下滑動,根據(jù)每個測點(diǎn)的傾角變化計(jì)算出導(dǎo)槽方向的位移量[1-3]。重要的是導(dǎo)槽方向必須垂直于基坑邊線(正對基坑內(nèi)),才能體現(xiàn)出危險(xiǎn)位移方向上的變化,有特定方向的要求,而不是指包含樁(墻)間平行方向在內(nèi)的其他任意方向上的位移值。

測斜管的埋設(shè)質(zhì)量是獲得可靠數(shù)據(jù)和精度保證的前提,共有四項(xiàng)驗(yàn)收要求：通暢性良好、深度要求達(dá)標(biāo)、平面位置準(zhǔn)確和導(dǎo)槽方向準(zhǔn)確。作為測斜儀的通道,測斜管內(nèi)有兩對相互垂直的十字導(dǎo)槽。在鋼筋籠綁扎吊裝時,應(yīng)保證其中一對導(dǎo)槽垂直于基坑邊線。隨著混凝土澆筑完成,測斜管形態(tài)在樁(墻)體內(nèi)被最終固定,不可改變。后期僅需測量這一對導(dǎo)槽就可以得出基坑的位移量數(shù)據(jù)。

長期以來,導(dǎo)槽方向在測點(diǎn)驗(yàn)收時常被忽視或弱化,存在角度偏差的現(xiàn)象普遍存在[4-8],其測值只能反映導(dǎo)槽方向的位移量,并不是基坑危險(xiǎn)方向的位移量。規(guī)范[9]在條文說明中指出,導(dǎo)槽方向如與所需測量的位移方向存在夾角,所測得的變形量會比實(shí)際變形偏小。

忽視夾角問題會產(chǎn)生嚴(yán)重影響。在科研工作中,由于采信了偏小的數(shù)據(jù),會使相關(guān)研究失準(zhǔn),甚至帶來錯誤結(jié)論。在基坑安全分析時,所測數(shù)據(jù)偏小不但會使預(yù)警發(fā)布滯后,還會使監(jiān)測體系不能協(xié)同反映變化情況,影響風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對決策的制定。例如，同一監(jiān)測斷面地表點(diǎn)有沉降趨勢、支撐軸力也在增大,但最重要的深層水平位移卻變化很小,容易干擾或弱化風(fēng)險(xiǎn)研判。經(jīng)查閱,夾角問題的相關(guān)文獻(xiàn)資料很少,值得廣泛關(guān)注并開展試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)布置

某地鐵車站深基坑采用明挖法施工,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻,豎向設(shè)置四道支撐,第一道為800 mm×800 mm的砼支撐,其余三道為φ609鋼支撐?；娱L212 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬19.8 m,開挖深度約20 m。開挖范圍內(nèi)地層由上至下分別為雜填土層、粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂、中密的中砂和泥巖組成,如圖1所示。參照規(guī)范[10]對工程場地內(nèi)上部土層劃分為中軟土層,下部土層劃分為中硬土層。地下水位較淺,常年穩(wěn)定在自然地面下2.3～8.9 m?；由顚铀轿灰频谋O(jiān)測實(shí)施嚴(yán)格按設(shè)計(jì)和規(guī)范要求進(jìn)行,基坑自身風(fēng)險(xiǎn)等級、周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級和工程監(jiān)測等級均為一級,測斜累計(jì)控制值為30 mm,速率控制值為2 mm,預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)為控制值的70%。

圖1 基坑測斜管布置平面和剖面示意圖

測斜管安裝埋設(shè)階段,每處測點(diǎn)除了正常埋設(shè)監(jiān)測方案要求的實(shí)測管外,還在附近約1 m位置安裝一根測試管。測試管選取一對導(dǎo)槽與基坑方向保持夾角,范圍在0°～90°(當(dāng)夾角等于90°時,另一對導(dǎo)槽會正對基坑方向),用于測試夾角數(shù)據(jù)。

考慮到一定的誤差范圍,夾角居中設(shè)置為8°、23°、38°、53°、68°、83°,代表了以15°為間隔的6個試驗(yàn)段,平均分布在基坑的14個測點(diǎn)位置,開展了現(xiàn)場試驗(yàn)。

基坑開挖前對所有測點(diǎn)檢查驗(yàn)收,除ZQT14測試管深度不足外(意外堵管),其余測點(diǎn)均符合要求。經(jīng)測量,測試管成型后的夾角誤差也符合預(yù)期,試驗(yàn)布置總體效果良好。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

實(shí)測管正對基坑的導(dǎo)槽監(jiān)測成果代表墻體位移的實(shí)際值。測試管由于存在夾角,需要分別測量兩對導(dǎo)槽方向,得出兩個方向上的位移值。

實(shí)測管和測試管成型后的深度不同,但均已埋入穩(wěn)定土層內(nèi),為保證數(shù)據(jù)對比性,統(tǒng)一采用深度較小的測斜管底作為起算點(diǎn)。在基坑中板結(jié)構(gòu)完成后(數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定),對所有測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由于篇幅限制,僅選取各試驗(yàn)段內(nèi)累計(jì)變形最大的測點(diǎn)數(shù)據(jù),以便能夠突出差異、直觀對比,如表1所示。

表1 選取的試驗(yàn)點(diǎn)信息統(tǒng)計(jì)表

3 數(shù)據(jù)分析與修正

樁(墻)體向基坑方向位移的數(shù)據(jù)通常設(shè)定為正值,反之為負(fù)。面對基坑,假定左側(cè)靠近基坑方向的一對導(dǎo)槽為LX位移方向,右側(cè)為LY位移方向,則夾角α的定值范圍在0°～90°(如圖2所示)?；娱_挖后,測斜管在不同深度點(diǎn)發(fā)生位移變形,其變形后位置可以通過兩對導(dǎo)槽方向的測量數(shù)據(jù)計(jì)算得出。再將其投影到基坑方向上,即可得出要求的監(jiān)測成果值(修正位移量S)。根據(jù)圖示,修正位移量應(yīng)為LX測值投影長度與LY測值投影長度之和,計(jì)算公式如下：

圖2 方向夾角的數(shù)據(jù)修正示意圖

(1)

式中,LX為左側(cè)一對導(dǎo)槽的位移量;LY為右側(cè)一對導(dǎo)槽的位移量;α為左側(cè)導(dǎo)槽與基坑方向夾角。

考慮基坑開挖過程復(fù)雜,測斜管的變形位置有可能出現(xiàn)在任何方位。經(jīng)理論演算,測斜管在夾角坐標(biāo)系四個象限的位移均能通過修正公式有效計(jì)算。

將實(shí)測管的實(shí)際值、測試管的兩對導(dǎo)槽測值和通過公式計(jì)算的修正值同圖繪制,如圖3所示。

(a)ZQT1數(shù)據(jù)變化曲線

觀察圖形曲線,各測斜管的底部變形較小,表明起算點(diǎn)穩(wěn)定[11-14]。各測點(diǎn)變形曲線總體過渡平穩(wěn),表明測點(diǎn)位移數(shù)據(jù)采集質(zhì)量較高。

(1)將所有測點(diǎn)的LX測值和LY測值代入公式計(jì)算后,得出的修正值與實(shí)際值非常接近,差值很小,主要原因是實(shí)測管與測試管在基坑平面位置上的差異。若以實(shí)際值為基準(zhǔn),修正值的最大誤差均控制在±2 mm內(nèi),最大值比值均保持在0.9以上(如圖4所示),表明夾角修正公式是可靠的,修正值可以視為測試管的實(shí)際值。

圖4 修正值與實(shí)際值的差異關(guān)系

(2)測點(diǎn)ZQT8受基坑開挖影響,接近基坑方向的LX測值與修正值曲線高度相似,最大值比為99.2%,具有很強(qiáng)的代表性。由于缺乏作用力并且受到地下連續(xù)墻橫向阻力限制,測點(diǎn)在基坑邊長方向很少發(fā)生位移,因此LY測值變化不明顯。同理,測點(diǎn)ZQT11由于LY接近基坑方向,其測值與修正值曲線高度相似,最大比值為98.6%,具有很強(qiáng)的代表性。LX測值則變化不明顯。

(3)測點(diǎn)ZQT4靠近基坑方向的LX測值與修正值曲線相似,最大值比為92.0%,具有一定代表性。由于LY方向與基坑邊長方向夾角增大,地下連續(xù)墻橫向限制減弱,其測值出現(xiàn)了小幅度變化。同理,測點(diǎn)ZQT7靠近基坑方向的LY測值與修正值曲線相似,最大值比為94.1%,具有一定代表性。LX測值呈現(xiàn)小幅度變化。

(4)測點(diǎn)ZQT5的兩個導(dǎo)槽方向均有較大的角度偏差。受基坑開挖影響,測點(diǎn)在LX方向和LY方向均發(fā)生明顯位移,且都與修正值曲線差別較大,最大值比值分別為77.6%和62.3%,代表性很差。同理,測點(diǎn)ZQT1的LX和LY測值與修正值的最大比值分別為55.9%和78.8%,代表性同樣很差。

4 影響規(guī)律分析

公式和試驗(yàn)結(jié)果表明,夾角α越小,LX測值越接近實(shí)際值;夾角α越大,LY測值越接近實(shí)際值;導(dǎo)槽方向與基坑邊長方向的夾角越小,其位移量越小,對修正值的影響程度也越小。其影響程度與角度的函數(shù)關(guān)系密切,如圖5所示。

圖5 不同夾角下各導(dǎo)槽對監(jiān)測成果的影響程度

根據(jù)不同夾角的影響程度,綜合考慮工程風(fēng)險(xiǎn)與實(shí)施成本之間的關(guān)系,可以將6個夾角試驗(yàn)段劃分為強(qiáng)代表性、弱代表性和無代表性三類,用于指導(dǎo)后續(xù)監(jiān)測工作。

(1)當(dāng)α<15°時,LX位移量屬于強(qiáng)代表性,此時僅對LX方向進(jìn)行監(jiān)測,不修正數(shù)據(jù)。

(2)當(dāng)30°>α>15°時,LX位移量屬于弱代表性,是否需要監(jiān)測LY方向并進(jìn)行數(shù)據(jù)修正,可以視情況決定。監(jiān)測等級高或規(guī)模大的基坑應(yīng)進(jìn)行修正。

(3)當(dāng)60°>α>30°時,LX和LY方向均無代表性。應(yīng)監(jiān)測兩對導(dǎo)槽方向的位移,并進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。

(4)當(dāng)75°>α>60°時,LY位移量屬于弱代表性,同上,是否監(jiān)測LX位移量并修正,可視情況確定。

(5)當(dāng)時α>75°時,LY位移量屬于強(qiáng)代表性,此時僅對LY方向進(jìn)行監(jiān)測,不修正數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

(1)相關(guān)試驗(yàn)曾在鉆孔灌注樁圍護(hù)形式的基坑開展,未能達(dá)到預(yù)期效果。原因是圓形鋼筋籠吊裝時易發(fā)生角度偏轉(zhuǎn),試驗(yàn)布置難度大。由于灌注樁間存在間隙,基坑邊長方向的限制可能會減弱,應(yīng)加強(qiáng)后續(xù)研究。

(2)測斜管布點(diǎn)實(shí)施過程中,導(dǎo)槽方向很難精準(zhǔn)控制,應(yīng)允許存在一定誤差。根據(jù)夾角的三類劃分,在制定測點(diǎn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)時,可以允許測斜管的角度偏差左、右不大于15°。

(3)測斜管存在夾角時,在其他驗(yàn)收指標(biāo)良好的情況下,可以通過測量兩對導(dǎo)槽,運(yùn)用三角函數(shù)的邊角關(guān)系,對測斜管各深度點(diǎn)的水平位移量進(jìn)行數(shù)據(jù)修正,使其回歸到基坑的危險(xiǎn)位移方向,試驗(yàn)驗(yàn)證了夾角修正公式的可靠性。

(4)管底保持穩(wěn)定是數(shù)據(jù)可靠和試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)。經(jīng)觀察所有測斜管的變形曲線,均在20 m以下開始數(shù)據(jù)收斂,并在25 m以下相鄰點(diǎn)平均位移在誤差范圍內(nèi),屬于穩(wěn)定狀態(tài)。因此,類似地層中(中硬土層),以管底作為起算點(diǎn)的最低深度標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為1.25 H(基坑開挖深度),可暫時作為可靠性與經(jīng)濟(jì)性權(quán)衡后的參考要求(非土體測斜),布點(diǎn)實(shí)施中應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)更大深度,不可以此為準(zhǔn)。

(5)測斜管導(dǎo)槽方向控制應(yīng)以預(yù)防為主。若夾角過大,需要監(jiān)測兩個方向的位移量進(jìn)行數(shù)據(jù)修正,不但日常監(jiān)測工作量提高一倍,而且在基坑發(fā)生事故搶險(xiǎn)時,會降低應(yīng)急監(jiān)測數(shù)據(jù)的反饋時效,拖延搶險(xiǎn)決策的研究部署。經(jīng)過對失敗教訓(xùn)和成功經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),為防止導(dǎo)槽偏轉(zhuǎn),應(yīng)重點(diǎn)做好三點(diǎn)。首先是找準(zhǔn)基坑方向。監(jiān)測人員應(yīng)加強(qiáng)與現(xiàn)場施工人員的溝通,標(biāo)記鋼筋籠朝向基坑的位置,選定一根主筋作為綁扎對象。其次是防止自身偏轉(zhuǎn)。鋼筋籠內(nèi)綁扎時應(yīng)提前控制好導(dǎo)槽方向,綁扎距離不大于1.5 m,管口與管底應(yīng)重點(diǎn)綁扎牢固。最后,鉆孔灌注樁要重點(diǎn)防止籠體偏轉(zhuǎn)?？梢蕴崆皩︿摻罨\做標(biāo)記試驗(yàn),觀察偏轉(zhuǎn)規(guī)律和操控程度。若鋼筋籠下放過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn),在糾偏操控困難時,也可以順勢將籠體旋轉(zhuǎn)90°,使另外一對導(dǎo)槽對準(zhǔn)基坑方向。