某深基坑安全监测设计文献综述

 2020-04-03 11:04

文 献 综 述

随着科学技术的发展和人类文明的进步,基坑监测在生活中有着越来越重要的意义。改革开放以来城市建设的快速发展, 高层建筑、地铁、市政工程等相关的地下工程规模越来越大, 而城市用地日趋紧张,周围建筑设施密集, 施工条件受到限制, 因而对施工的要求越来越高。然而, 在深基坑施工过程中, 基坑开挖及围护结构设计的影响因素众多, 难度较大, 往往引发工程事故, 造成重大的经济损失。因此, 深基坑的变形预报显得愈来愈重要。

近年来, 依据现场监测进行反分析数值技术得到迅速发展,对实际工程的施工实施严密的跟踪监测, 并依据监测数据进行信息反馈, 随时间调整施工参数, 人们提出了信息化施工方法。位移预测采用的方法多种多样, 如回归分析、灰色预测、神经网络、时间序列分析等, 这些方法各有优缺点。因此便捷的基坑监测方法以及便捷的基坑监测方案在目前看来显得尤为重要。

一.基坑变形基理[3]

深基坑的变形包括周边地表沉降、围护结构位移和坑底隆起三个方面。基坑周围地层移动是基坑工程变形控制设计的首要问题。

基坑的开挖过程是基坑开挖面上卸载的过程, 由于卸载而引起坑底土体产生以向上为主的变形, 同时也引起围护结构在两侧土压力差的作用下而产生水平位移和因而产生的墙外侧土体位移, 坑底土体隆起和围护结构的位移是引起周围地层移动的主要原因。

坑底隆起是由于垂直方向卸载而引起的坑底土体原始状态的改变, 随着某坑开挖深度的增加, 基坑内外的土面高差不断加大, 当开挖到一定的深度, 基坑内外面高差所形成的加载和地面各种超载的作用, 就会使围护结构外侧土体产生向基坑内移动,使基坑坑底产生向上的隆起。

影响基坑变形的主要因素包括:

( 1) 基坑的工程地质与水文地质条件;

( 2) 支护类型及结构设计参数;

( 3) 基坑平面尺寸及开挖深度;

( 4) 施工过程和场地周边环境;

( 5) 地面超载和震动荷载。

二.基坑监测技术的进展

技术概论

工程界从20 世纪50 年代才逐步开始认识到基坑安全监测的重要性。自20 世纪70 年代后,对监测项目和仪器的确定、仪器的埋设技术和布置、观测方法以及观测资料的整理分析等项目的研究工作逐步加深。到了20 世纪80 年代,工程界又将监测设计和监测方法不断改进,并在考虑各种地质因素和监测的时空连续性基础上,提出新的安全监测布置原则和方法。20 世纪90 年代以来,监测范围不断扩大,数据处理、资料分析、安全预警系统不断完善,安全监测已经成为提供工程设计、可靠度评价和施工质量控制的重要手段。

我国深基坑工程的全方位监测于20世纪90年代才开始起步;而国外60年代已开始在奥斯陆和墨西哥城软粘土深基坑中使用仪器进行监测,20世纪90年代已出现了电脑数据采集系统;但在深基坑工程的研究方面,国内外主要侧重于支护设计和施工技术的研究,缺乏对监测分析、信息反馈及预测报警的自动化研究,难以满足现代信息化施工技术对基坑监测及险情预报工作提出的及时、准确、可靠的要求。

近年来科技的进步,以及计算机技术在工程领域得到广泛和深入的应用,为基坑工程安全监测向信息化发展提供了有利条件。如近些年发展起来的人工神经网络,由于其具有较强的非线性大规模并行处理能力,在岩土工程界得到广泛应用。所谓BP神经网络是一种无反馈的前向网络,由输入层、隐含层、输出层构成。利用BP 神经网络对基坑的变形和稳定性进行预测,其基本思路根据BP算法对前期的监测资料进行学习训练(新陈代谢法) ,并用学习的结果去预测未来时间内的基坑变形和稳定性。根据这一思路和监测的实测次数情况可设计不同参数的BP神经网络结构。实例分析表明,人工神经网络的智能方法具有收敛速度快、精度高、实用性强的特点,是信息化施工管理的有效工具,在工程应用中有一定借鉴意义。

此外非线性回归、时间序列系统、灰色系统以及有限元分析技术也在基坑监测中得到极其广泛的应用。这一切都是信息化施工的重要基础。近年来,还有不少研究人员针对工程实际研究出关于深基坑工程的监测数据处理与预测报警软件系统。有了预警系统就可将施工中实测的各项变形与内力的数据与预警指标相对照进行判别,根据分析判别结果,当已达到或根据预测结果判别即将达到极限状态时,立即报警,以便及时采取有效措施,避免发生险情或将损失降低至最低限度。

深基坑监测今后的研究方向[2]

信息化监控设计与施工及完整的险情预报系统在今后基坑监测工作有待完善和发展。

三.监测布置的原则

1、位移、沉降监测基准点的建立

根据现场实地踏勘的情况,考虑基准点的稳定性和观测精度要求,在工程现场旁距基坑边 5 倍开挖深度距离以外的稳定土体中布设 7 个基准点(测量控制点)进行互相校核,它们的编号为 WJ1、WJ2、WJ3、WJ4、CJ1、CJ2、CJ3;4 个位移基准点每个与每边成一直线布置的 水平位移观测点构成位移监测网,4个位移基准点和3个沉降基准点布置在相对稳定且大于5倍基坑深的距基坑边的位置,但必须在建筑物所产生的压力影响范围以外。

2、基坑支护围护结构顶部水平位移、沉降观测点的布置

观测点埋设时应注意观测点与被观测对象的牢靠结合,使得观测点的变化能真正反映观测对象的变化特征。

西面靠2~5层的住宅楼群位置的水平位移观测点布设在搅拌桩顶部位置、沉降观测点布设在紧挨水平位移观测点附近的地面上(搅拌桩边上);其他位置的水平位移、沉降观测点设在基坑支护围护结构顶 部边线部位,观测标志拟采用Ф16膨胀螺栓安装在基坑支护围护结构顶部上,顶端位置磨成半球状。根据现场平面尺寸及测量规范要求,本方案按设计要求布设 9个水平位移、沉降观测点,它们的编号为BX1-BX9。 (详见《基坑监测平面图》 )

3、基坑周围房屋的沉降观测点的布设

按设计要求布设40个基坑周围房屋沉降观测点其布点,它们的编 FW1-FW40。位置详见《基坑监测平面图》。

4、基坑周边地下水位观测孔的布设

按设计要求在基坑东、南、西、西、北层各布设1个水位观测孔, 编号为 SW1~SW42,采用油压 XY-100 型钻机成孔,孔深约11 米,并下塑料套管及滤管成井以便观测。位置详见《基坑监测平面图》。

四. 监测内容[2]

1 位移监测

位移监测包括水平位移监测和侧向位移监测两种。其位移速率的观测在拟定监测计划时把观测位移的时间间隔作为一参量即可。位移监测是保证基坑安全最主要的安全监测项目。

1.1 水平位移监测

水平位移监测可提供基坑边壁的水平变形量、变形速率和变形分布信息,进而可分析基坑边壁的稳定性。水平位移监测可采用精密经纬仪或全站仪进行测量。

由经纬仪的视准面形成基准面的基准线法,称为视准线法。视准线法分为距离变化法和角度变化法,利用全站仪测定观测点的坐标称为坐标变化法。对于某些工程周边拐角过多使用前两种方法观测显然较为繁琐,此时采用全站仪观测各点的坐标就具有极大的优越性。相对于人工三角网观测而言,采用全站仪具有精度高、测量和数据处理快的优点。

目前测地型GPS已在基坑监测中获得应用。中关村科贸中心工程基坑施工阶段采用测地型GPS对基点进行监测,实践证明使用该方法不仅避开了常规方法对工地条件的限制,还可提高工作效率和工作精度,保证工程质量。

1.2 侧向位移监测

侧向水平位移监测可提供不同深度土体内倾斜位移的分布情况,对掌握基坑的安全状况十分重要。侧向水平位移监测采用石英挠性加速度计为敏感元件的滑动式测斜仪,可将倾角以电压形式输出,进而测定被测物体变形量的大小。测斜仪常用的是伺服加速度计式和电阻应变式两种,据对比试验,伺服加速度计式测斜仪的精度较高、且稳定性好;但是该种测斜仪价格较贵。

2 压力监测

压力监测包括基坑内外土压力和孔隙水压力的监测。通过监测可以掌握基坑开挖过程中压力的变化规律,及时发现影响基坑稳定的因素,以采取相应的保证稳定措施。

基坑开挖支护工程现场土压力和孔隙水压力观测在我国已进行多年,积累了丰富的经验,也促进了各类传感器的发展。目前国内常用的压力传感器根据其工作原理分为钢弦式、差动电阻式、电阻应变片式和电感调频式等等。其中钢弦式压力传感器长期稳定性高,对绝缘性要求较低,较适用于作土压力和孔隙水压力的长期监测。但无论是哪种型号的压力传感器,在埋设前必须进行稳定性、防水密封性、压力标定、温度标定等检验工作。

3 基坑支护结构内力监测

3.1 支护结构主受力钢筋的应力监测

在基坑支护结构中有代表性位置的钢筋混凝土支护桩和地下连续墙的主受力钢筋上,宜布设钢筋应力计,以监测支护结构在基坑开挖过程中的应力变化。测点的布置应考虑如下几个因素:计算的最大弯矩所在位置和反弯点的位置,各土层的分界面,结构变截面或配筋率改变截面位置,结构内支撑或拉锚所在位置,等等。

基坑开挖工程的监测一般都要几个月的工期,宜采用振弦式钢筋应力计。振弦式应力传感器采用非电量电测技术,其输出是振弦的自振频率信号,因此具有抗干扰能力强受温度影响小、零飘小、受电参数影响小、对绝缘要求低、性能稳定可靠、寿命长等特点,适应在恶劣环境中长期、远距离进行观测。

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