建筑基坑工程监测的原理与方法

摘 要：目前基坑工程中的监测内容是根据已颁布的规范规程的原则,由工程设计人员确定具体指标,缺乏科学性和可靠性.文章结合现有规范体系,对当前建筑基坑工程中常见的监测项目原理和方法进行了系统的归纳和论述.对基坑工程的设计和施工人员确定合理的检测项目和方法提供依据.

关 键 词：基坑工程支护监测土压力

1.引言

基坑工程是基础工程和地下工程施工中的一个古老的传统课题.放坡开挖和简易木桩围护可以追溯到远古时代.人类的土木工程活动促进了基坑工程的发展,上世纪60年始在奥斯陆和墨西哥城软粘土深基坑中使用了仪器进行监测.经过近些年的理论研究和工程实践,人们逐渐认识到基坑工程监测既是实现信息化施工、避免事故发生的有效措施,又是完善、发展设计理论、设计方法和提高施工水平的重要手段.通过对基坑工程施工进行严密监测可以为施工及时提供反馈信息,为基坑周围环境进行及时有效的保护提供依据,将监测结果反馈设计,通过对监测结果同设计预估值的比较、分析,检验设计理论的正确性,并且可以为今后的优化设计提供依据.从监测内容角度分类,基坑工程施工监测主要分为基坑工程支护结构检测和基坑工程周边环境监测两部分.每一部分又涉及到多个不同的监测内容.

2.建筑基坑工程支护结构监测的原理与方法

2.1围护墙(坡)顶水平位移

通过进行围护墙(坡)顶水平位移监测,可以掌握围护墙(坡)体在基坑施工过程中的平面变形情况,用于同设计比较,分析对周围环境的影响.另外,围护墙顶水平位移数值可以作为墙体深层水平位移的基准值.

围护墙(坡)顶水平位移一般使用经纬仪进行监测,监测方法可采用准直线法、控制线偏离法、小角度法及交会法等.通过监测数据,可以绘制出围护墙(坡)顶水平位移实测曲线和某测点水平位移变化速率曲线,从而对基坑安全性进行分析.

2.2围护墙(坡)顶竖向位移

围护墙(坡)顶竖向位移也是反应基坑安全的一个指标,特别是当支护形式为放坡、土钉墙、水泥上墙时更为重要.

围护墙(坡)顶竖向位移一般使用精密水准仪进行量测.此方法是先布设相对固定的水准网,定期联测水准网,解算各水准点的高程,再由这些高程点来控制竖向位移监测点的高程,通过将各点的历次高程值进行比较,即可计算竖向位移监测点的位移量.

2.3围护墙体深层水平位移

支护结构在基坑挖土后,基坑内外的水土压力平衡要依靠围护墙体和支撑系统.围护墙体在基坑外侧水上压力作用下,会发生变形.

围护墙体深层不同深度上各点的水平位移,可使用活动式测斜仪过对围护墙体的测斜监测来实现.在需要进行监测的部位埋设与活动式测斜仪配套的测斜管,把测斜仪的一组导向轮沿测斜管导向滑槽放入管中,一直滑到管底,每隔一定距离向上拉线读数,测定测斜仪与垂直线之间的倾角变化,即可得出不同深度部位的水平位移.

2.4围护墙体内力

对围护墙体内力监测主要是针对围护墙体的弯矩监测,通过测试围护墙体内的主筋受力来分析支护结构承受的弯矩,以防止围护墙体因强度不足而导致支护结构破坏.

钢筋的受力监测可使用振弦式钢筋测力计,把振弦式钢筋计与结构主筋轴心对焊,就可以通过频率接受仪接收传感器受力后的自振频率,从而得出钢筋的受力.

2.5立柱位移

立柱位移分为竖向位移和水平位移,一般情况下立柱位移仅监测竖向位移.在影响立柱竖向位移的所有因素中,基坑坑底隆起与竖向荷载是两个主要因素.立柱竖向位移幅值太大,可能增大基坑支护结构的侧向位移,加剧基坑坑底土体隆起,从而进一步增加立柱的竖向位移.这样导致恶性循环,对基坑安全和周边环境保护造成不利影响.另外,立柱竖向位移的不均匀,引起支撑系统各点在垂直面上与平面上的差异位移,最终引起支撑产生较大的次应力.立柱竖向位移监测可采用精密水准仪进行,监测方法与围护墙(坡)顶竖向位移的方法相同.

2.6支撑内力或变形

支撑按其材料可分为钢筋混凝土支撑和钢支撑两大类.这两类支撑在进行支撑内力监测时,应根据各自的受力特点及构件的构造情况,选取适当的测试变量,埋设与测试变量相应的振弦式传感器进行变量测试,以达到监测目的.由于支撑基本上为受压构件,在内力监测中通常以轴力为主,但弯曲变形或侧向变形过大可能引起支撑失稳,因此有时还需对支撑的竖向位移和水平位移进行监测.

对钢筋混凝土支撑轴力监测可选取轴力较大、部位又较重要的截面进行,可通过安装振弦式钢筋测力计在支撑截面的主筋上,钢筋计与支撑主筋对焊,用频率仪接收传感器受力后的自振频率,得出主筋的受力或应变值,再根据平截面假定确定钢筋混凝土支撑轴力.

对钢支撑轴力监测的传感器选用应视钢支撑结构端部的构造情况来定,如对于钢支撑端部为活络接头,两端接头计算简图为铰接时可使用振弦式反力计安装在端头,通过频率接收仪测得反力计在某一荷载时的自振频率,然后计算出支撑轴力值；对于钢支撑端部与围擦焊接,且有水平八字撑的构造,用反力计时,安装比较困难而且可能同钢支撑结构设计计算时的计算简图有差别,可用振弦式表面应变计作为钢支撑轴力监测的传感器.

2.7坑底隆起和土层分层竖向位移

基坑的挖土过程,对基坑底下的土体是卸荷的过程.随着基坑内土体的开挖,坑底下层的土压力随之减少,引起坑内土体隆起.另外,由于基坑内土体的开挖,使坑内外的土体形成压力差,坑外土体通过围护墙体底往坑内涌挤,严重时会产生坑底隆起现象,使坑外的土体涌入基坑,造成涌土.进行基坑坑底隆起监测就是为及早发现问题,采取工程措施.坑底隆起可采用分层沉降仪或深层沉降标的高程变化测定.由于基坑内挖土、降水以及运输等种种原因的影响,基坑内坑底隆起监测点难以存活,因此应特别做好测点保护工作.

土层分层竖向位移监测是为了掌握上层中不同深度处的土体的变形情况,同时可以对坑外的土体通过围护墙体底部涌入基坑的不利情况提供预警信息.土层分层竖向位移监测可结合预估地表沉降曲线,在地表沉降较大的部位埋设分层沉降管,然后采用电感测探仪进行量测.

2.8土压力、孔隙水压力

水上压力的分布规律是支护结构设计的关键技术问题,因此对围护墙体内外侧的水上压力进行监测能全面分析和掌握支护结构的受力情况.

目前土压力理论计算值同实际土压力值还存在一定差异.围护墙体土压力监测是为了了解作用于围护墙上上压力以及判断基坑的稳定性.土压力监测可采用振弦式上压力计.在进行实测土压力与计算土压力比较分析时,应结合墙体的测斜变形和支撑轴力等一起考虑.

孔隙水压力监测可使用振弦式孔隙水压力计或气压式孔隙水压力计,适用于量测不同深度处土中的孔隙水压力.振弦式孔隙水压力计用频率仪测试其频率变化量,然后换算出孔隙水压力,气压式孔隙水压力计可直接测读孔隙水压力值.

2.9锚杆拉力

锚杆拉力监测可校核实测拉力与设计计算拉力的差别,发现基坑施工过程中支护结构的异常情况,及时采取相应措施,避免发生基坑安全事故.锚杆拉力监测可采用锚杆应力计进行,其安装方法与钢支撑反力计基本相同,但仅观测拉力的变化.

3.建筑基坑工程周边环境的监测原理与方法

3.1基坑周边地表竖向位移

基坑周边地表竖向位移的测试方法简便易行,可以根据理论预估的沉降分布规律和经验,较全面地进行测点布置,以全面地了解基坑周围地层的变形情况,有利于对建筑物和地下管线等进行监测分析.

进行基坑周边地表竖向位移监测时,可先设置纵向和横向的地表沉降测点,然后采用精密水准仪量测,量测方法与围护墙(坡)顶竖向位移的方法相同.通过多次量测可提供各测点本次沉降和累计沉降报表,并可绘制纵向和横向沉降曲线,必要时可对沉降变化量大而快的测点绘制沉降速率曲线.

3.2周边建(构)筑物变形和地下管线变形

受基坑挖土等施工的影响,基坑周边的地层会发生不同程度的变形,地层的变形会对周边建(构)筑物、地下管线等产生不利影响.因此在进行基坑支护结构监测的同时,必须对周边建(构)筑物、地下管线的变形进行监测.

周边建(构)筑物变形监测包括竖向位移监测、水平位移监测、倾斜监测及裂缝监测.竖向位移监测通过在建(构)筑物上设置的沉降观测点标志,使用精密水准仪进行量测,量测方法与围护墙(坡)顶竖向位移的方法相同；水平位移监测可用精密经纬仪量测,量测方法与围护墙(坡)顶水平位移的方法相同；

倾斜监测可采用经纬仪直接测定建(构)筑物的倾斜,也可采用测量建(构)筑物基础相对沉降的方法得到建(构)筑物的倾斜,裂缝监测可采用石膏板标志、白铁片标志及金属棒标志等方法.

基坑施工过程中,土体开挖、降低地下水位等会引起周边地层变形,&# 20174;而会影响到地层中地下管线的安全.特别是供气管、水管及通讯光缆等,一旦因变形受到破坏,常常会造成较为严重的后果.为确保地下管线的正常工作,在进行基坑工程施工时必须对周边地下管线进行变形监测.地下管线的竖向位移可用精密水准仪量测；水平位移可用精密经纬仪量测.地下管线的监测方法可采用直接测量法,即开挖布点,直接对地下管线进行竖向位移观测,也可采用间接测量法,即通过监测其周围土体的竖向位移情况间接反映管线的变形.

3.3地下水位

地下水是影响基坑安全的一个重要因素.如果支护结构的止水帷幕质量没有完全达到要求,则在基坑内部降水和基坑挖土施工时,有可能使坑外的地下水渗漏到基坑内.渗水的后果是会带走土层的颗粒,造成坑外水、土流失.这种水、土流失对周围环境的沉降危害较大.

进行地下水位监测,可先根据地质资料和工程需要确定水位管的埋设深度和透水头部位,埋设好水位管后用电测水位仪进行水位量测,然后根据每次测试的地下水位高程即可制作本次和累计变化量成果表及绘制地下水位变化量曲线图.

4.结论

基坑工程位于力学性质相当复杂的土层中,在基坑支护结构进行设计和预估时,设计人员采用的模型往往对地层和支护结构做了较多的简化和假定,而围护体系所承担的水土压力等荷载有很大的不确定性,另外基坑施工过程中,由于时间、空间的延迟及自然条件的影响,这样对结构内力计算以及结构和土体变形的预估与工程实际情况可能有较大的差异.

开展基坑工程监测工作有助于实现信息化施工,能对基坑工程的安全性和对周边环境的影响程度提供有力的数据,以确保工程安全顺利进行,可在出现异常情况时及时反馈,采取必要的应急措施.同时基坑工程施工监测也是验证设计计算及反馈设计积累经验的有效途径.

作者简介：

吴笑非,工程师,唐山市海港住宅和城乡建设局,主要从事工程建设质量管理工作