浅谈两种基坑水平位移监测方法分析与验证

 

 

(福建省建筑科学研究院福建 福州 350025)

 

  要:在本次研究工作中,首先介绍了几种常用的水平位移监测方法,阐明了基本原理和工作背景;接着对两种方法相互之间做了比较,进行了理论精度分析。在此基础上通过工程实例验证比较了两方法的实测精度,在验证的基础上得出了在工程应用中的优劣势以及范围分析结论。

关键词基坑;水平位移;监测方法;观测

中图分类号:TU75            文献标识码:A

 

概述

 

近年来,随着城市高层建筑和地铁工程的建设发展,城市地下空间利用越来越多,大量基坑挖工作往往在建筑物和地下管线密布的市区进行如基坑挖过程中土体变形过大,就会对周边构筑物和地下管网线的正常使用状态造成影响,甚至破坏其结构或设施。深基坑施工过程中,为确保工程安全有序,必须全面的掌握基坑周围土体变形和基坑支护结构条件,全方位监测相邻的建构筑物、管网线和土体的在基坑开挖中的状况。

由于基坑尤其是深基坑边缘不仅自身存在位移,还会使得基坑周围地层、周边建筑物的地基产生沉降和倾斜。为了监视基坑施工的安全,为基坑支护方案的选取、变更以及调整提供基础资料,必须对基坑进行位移观测尤其在地质条件较差的情况下,在深基坑施工时应加强对特定方向( 一般与边坡成垂直方向) 的坡体或支护结构的水平位移进行监测。

 

单站改正法

 

 

图1单站改正法观测

2.1 单站改正法原理

 

受测区地形和施工环境的影响通常基坑水平位移观测所用的视准线法往往无法满足条件,而其他方法无法达到观测精度要求。单站改正法的基准点布设不受地形影响,仪器架设在位移监测点,灵活多变,可通过仪器一次设站完成数个位移测点的监测,计算简便,大大减少了作业量

单站改正法观测如图所示,设MN是基坑水平位移观测的基准>基坑开挖前,在A点架设仪器后视M将其作为初始的零方向依次观测A到M,B,C和N的初始方向角度,以及距离SMA,SAB,SAC以及SNA。重复观测方向角∠MAN∠MAB和∠NAC角度变化值,记为ΔβaΔβbΔβc

设站点A的横向位移下式:

               ΔA=             (1

假设A点不动,求得B和C两点的横向位移ΔB`Δc`

                 ΔB`=                   2)

                 ΔC`=                     3)

计算当A点移动,随之引起的 B和C两点水平位移的改正ϕBϕC各监测点的横向位移与其改正数之和即为水平位移量。

以求B点改正数为例设ΔA点A在两次观测之间的位移量,a和a`为∠MAB观测角,对于ΔABM和ΔA`BM

a+Δβ=a`+Δb,Δb= Δβ=

由于A点移动导致B点位移的改正值:

DB=

B点水平位移为:

ΔB=ΔB`+ DB=,C点的水平位移同

对于任意一点K,KA=×Ki2=i为各个监测点的编号。经过简化,可得ΔA=KA×Δi= Ki1×+ Ki2×,式中ΔA设站点的水平位移Δi任一点的水平位移值。

2.单站改正法的精度分析

对于大型基坑的水平位移观测按照相关规范一般都按一级基坑监测精度要求来进行为了提高精度,除了选用高精度的仪器之外,还可以设置具有强制归和强制对中装置的观测墩和棱镜对中误差和偏心误差控制在0.1mm以内,基本可以忽略不计根据误差传播定律,转换成中误差方式的误差公式可以表达为:

mA=

mB=

式中mAmB水平位移中误差,ma,mb测角中误差。

 

小角

 

3.1 小角法原理

 

苏京平(2010提出小角法是水平位移监测中常用的方法,其基本原理是通过测定基准线方向与观测点的视线方向之间的微小角度从而计算观测点相对于基准线的偏离值,根据偏离值在各观测周期中的变化确定位移量。由于所需测定的位移通常很细微,因此对位移的观测精度要求很高,需要采取各种提高观测精度的措施,观测过程中需要对各作业环节严格把握,哪怕仅仅是一个小环节的失误,都可能导致最终监测精度不能满足要求。所以在使用这个方法的时候,监测人眼要引起足够重视。小角法是目前较为普遍应用的一种方法,也容易在观测过程中疏忽大意,影响监测工作的进行,因此,有必要对此方法进行详细分析和讨论

 

3.2 小角法的精度分析

 

小角法首先要进行基准线的设置。小角法需要稳定不变的基准线作为测量平面位移的基准,基准点发生位移将直接导致监测数据偏差。理想的基准线稳定性的检验图形是在基准线两端的延长线上设立校核基准点,限于现场条件,可采用各种行之有效的方法,如后方交会法(反演小角法属于此类)、三角测量法等。

图2

如图2为小角法监测示意图,A、B为基准点。

计算公式为:d=α/ρ×D式中ρ为常数206265;d为工作基点到监测点的距离;α为监测点相对于工作基线间的夹角也称为方位角)

观测中误差

依据这一原理,在监测工作中采用在监测主体边坡的延长线上,建立一个工作基点,选定另一工作基点作为零方向。取得水平位移点相对于工作基线的偏移角度Β,再根据观测点和工作基点之间的距离D,换算出偏移量d即可。再将历次计算所得d值加以比对即可得各监测点的水平位移情况。为了提高观测精度,初测一般要多测几个测回。这种方法的优点在于:布点简单、快速; 观测方法简捷、快速,降低了观测误差; 观测时间短、处理数据速度快,提高了监测效率。

从图2中可以看出,小角法测定的水平位移(偏离值d的变化量)具有单一方向性,并且此方向为基准线的垂直方向。其他方向的位移无法测出。由此可见,设计基准线的方向必须垂直于可预见的水平位移方向,否则,所测定的位移量将失真。通常基准线按临近而平行于待测建筑边线布置,而观测点则应布设在基准线方向上,各测点偏离基准线的角度不应超过30" 。上述规定目的在于有效发挥小角度法测量的优势:即在观测时不转动仪器照准部,而只用全站仪(经纬仪)的微动机构照准读数。实践证明,这样可以有效提高测角精度。

 

4 单站改正法与小角法的精度比较

 

单站改正法是在小角法的基础上改进,现场条件较差的情况下使用此方法也能保证精度。为了做对比,首先比较这两个方法的设站精度,为了便于比较,测站点定在两个基准点连线的中点,为了便于计算,令X=D,同时将两者的中误差公式相减得出

                   

因此,测小角法测量的站点的精度较低。XSP-A/3,测小角法的精度高于单站测站法的精度;当XSP-A/3,测小角法的精度低于单站测站法的精度。由分析可知,单站改正法特别适用于观测点多,点距远,变形方向一致的位移变形测量。

 

5 观测方法应用与验证

 

为了验证上述几种观测方法的精度,选取某大型基坑作为实验场地,分别采用单站改正,小角自由设站法进行设站观测,并对这几种方法的精度进行了分析和验证。

 

5.1 单站改正

 

本次实验中仅检验点P的水平位移量及精度观测数据

APB1 = 179°07'41″,∠APB2 = 179°07'23

SPA=15.651m,SPA=15.484m

计算得出ΔP=0.68mm,则mΔP=0.23m

 

5.2 小角法

 

全站仪测出:SPA=14.370m

α1 = 2°54’55″、α2 = 2°55’15

根据公式算出水平位移量Δd=1.39mm

观测中误差

其中D= SPA=14.370ρ=206265”,mα=6”

则得出mΔd=0.59mm

从两种测量方法得出的计算结果中可知,室内检验测量的结果与理论分析一致:单站改正法的优势比较明显,水平位移量小,监测精度高;小角法其次,如果考虑成本、工期等,单站改正法不如测小角法简单方便;前方交会法不仅操作繁琐,精度也不如测小角法高。

 

 

通过上述实验,可以基坑水平位移监测方法以下小结:

1 如果仪器的测角角度不高,在环境允许的情况下,用单站改正法代替测小角法,可以获得比较良好的果。

站改正法可以看作是对测角法的改进,比小角法更能保证精度,且单站改正收现场环境影响也较可适用于较复杂的场地情况

总的说来进行基坑水平位移监测工作中,根据施工现场和测量设备的情况进行观测方法的选择,提高精度为首要目标,灵活选择和应用各种观测手段。使得观测结果可信,精度达到要求,基坑施工过程中起到切实的保障作用。

 

参考文献

 

[1]刘国彬,王卫东.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[2]边占利.深基坑工程监测和控制[J].岩土工程界,2001,4(07).

[3]林泽耿.自由设站法监测基坑水平位移[J].广州建筑,2003(02)

[4]吴华平.基坑变形监测方法及误差分析[J].建筑安全,2008(09)

[5]黄北华.单站改正法在位移测量中的应用[J].浙江水利科技,1999(增刊)

[6]李大勇,张土乔,龚晓南.深基坑开挖引起临近地下管线的位移分析[J].工业建筑199929(11),36-41.

 

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