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岩土研究院

深基坑施工监测的知识梳理和分享

357 2021-01-04 13:04:37


第一部分:概述

1.基坑监测必要性

在基坑工程实践中常常发现,与设计预估值相比,实际工程的工作状态往往存在一定的差异性,主要体现在以下几个方面:

(1)地层性质存在着相当的变异性和离散性。

(2)对基坑支护结构进行设计和变形预估时,对土层和支护结构本身所作的结构模型、计算假定,以及参数选用等,与实际状况相比存在着一定的近似性和相对误差。

(3)基坑开挖和施筑过程中,随着土层开挖标高变化和支撑体系的设置与拆除,支护结构的受力处于经常性的动态变化状况。

2.基坑监测目的

(1)为施工开展提供及时的反馈信息

根据监测分析结果调整施工参数,现场施工管理和技术人员可根据监测数据和成果判别工程是否安全。

(2)作为设计与施工的重要补充手段

设计计算中未曾考虑的各种复杂因素,都可以通过对现场监测结果分析加以局部修改和完善。

(3)作为施工开挖方案修改的依据

根据工程施工的结果来判断和鉴别原设计方案是否安全和适当,必要时还需对原开挖方案进行局部的调整和修改。

(4)保证基坑支护结构和相邻建筑物的安全

只有对基坑支护结构、基坑周围的土体和相邻的建筑物进行全面、系统的监测,才能对基坑工程的安全性和对周围环境的影响程度有全面的了解,以确保工程的顺利进行。

(5)积累经验以提高基坑工程的设计和施工水平

基坑现场监测不仅确保了本基坑工程的安全,在某种意义上也是1:1 的实体试验,所取得的数据是结构和土层在工程施工过程中真实反应,是各种复杂因素影响和作用下基坑系统的综合体现,因而也为该领域的科学和技术发展积累了第一手资料。

3.基坑监测要求

(1)监测工作必须是有计划的,应制订详细的基坑监测方案;

(2)监测数据必须可靠真实;

(3)监测数据必须及时上报;

(4)尽量减少埋设的监测元件对结构正常受力的影响,并注意埋设监测元件的回填土与岩土介质的匹配;

(5)应采纳多种方法、施行多项内容的监测方案,以便监测结果可以互相印证、互相检验;

(6)对重要的监测项目,应按照工程具体要求预先设定预警值和报警制度。

第二部分:基坑监测内容及方法

1.基坑监测内容

基坑监测内容示意图

2.基坑监测方法

(1)肉眼巡视

用肉眼对桩顶圈梁、邻近建筑物、邻近地面的裂缝、塌陷以及支护结构工作失常、流土、渗漏或局部管涌等不良现象的发生和发展进行记录、检查和分析。

(2)围护桩、墙顶水平位移和沉降监测围护桩墙顶水平位移和垂直沉降是基坑工程中最直接、最重要的内容。

(3)桩墙深层挠曲

桩墙深层挠曲就是测量围护桩墙在不同深度上的点的水平位移,通常采用测斜仪测量。

1.测斜仪构造

测斜仪由测斜管、测斜探头和数字式测读仪三部分组成,见图2-2和图2-3。

图2-2 测斜管

图2-4 测斜仪测斜原理图

图2-5在预定位置钻孔埋设或在支护桩内绑扎、固定

2.测斜管埋设

测斜管的埋设有钻孔埋设、绑扎埋设。测斜管埋设的技术要求:

a、埋入测斜管时,应保持垂直;

b、测斜管有两对方向相互垂直的定向槽,其中一对须与基坑边线垂直;

d、选择测斜管中的不动点作为测量基准点。

(4)土体分层沉降测试

土体分层沉降是指离地面不同深度处土层内的点的沉降或隆起,通常用磁性分层沉降仪量测。

1.仪器与原理

磁性分层沉降仪由对磁性材料敏感的探头、埋设于土层中的分层沉降管和钢环、带刻度标尺的导线以及电感探测装置组成,见图2-6和图2-7。

2.分层沉降仪埋设

埋 设 时 应 注 意 :钻 孔 ( 一 般90mm),将沉降管按设计深度埋入孔中,用内径大于沉降管的塑料管将沉降环分别压入孔内待测各点深度位置,回填中砂加水密实

图2-8分层沉降标安装示意图

(5)基坑回弹测量

基坑回弹测量是基坑开挖对坑底的土层的卸荷过程中引起基坑底面及坑外一定范围内土体的回弹或隆起。基坑回弹监测可采用回弹监测标和深层沉降标两种

1.回弹标

回弹沉降标如图,埋设方法如下:

a.钻孔至基坑设计标高以下200mm,将回弹标旋入钻杆下端,顺钻至孔底将回弹标尾部压入土中;

b.放入辅助测杆,用辅助测杆上的测头进行水准测量,确定回弹标顶面标高;

c.监测完毕后,将辅助测杆、保护管提出地面,用素土回填钻孔。

图2-9 回弹监测标

2.深层沉降标

深层沉降标由一个三卡锚头、一根内管和一根外管组成,如右图,埋设方法如下:

a.用钻机在预定位置钻孔,孔底标高略高于欲测量土层的标高约一个锚头长度;

b.将装配好的深层沉降标慢慢放入钻孔内,并逐步加长,直到孔底;

c.在孔口临时固定外管,将内管压下约150mm,此时锚头上的三个卡子会向外弹,卡在土层里;

d.顺时针旋转外管,使外管与锚头分离;

e.固定外管,将外管与钻孔之间的空隙填实,做好测点的保护装置。

图2-10深层沉降标

(6)水土压力监测

桩墙侧向水土压力的监测通常是在桩墙迎土面埋设土压力传感器,通过相应的接收仪器来读取所需的数据。

1.土压力盒

常用的土压力传感器有钢弦式和电阻式两大类,如图2-11、

2-12所示。对应于钢弦式和电阻式两种传感器的接收装置分别为频率仪和电阻应变仪。

其中钢弦式土压力盒耐久性好,能适合各种复杂环境,因而尽管其精度相对较差,但在目前工程实践中应用日趋广泛,大有逐步取代电阻式土压力传感器的趋势.

2.土压力盒的埋设

土压力盒的埋设方法有挂布法、顶入法、弹入法和钻孔法。

a.挂布法

挂布法的基本原理是将土压力传感器按监测方案设定的的布设位置,首先安装在预先制备的维尼龙或帆布挂帘上,然后将维尼龙或帆布平铺在钢筋定表面并与钢筋笼绑扎固定。挂布法的特点是方法可靠,埋设元件成活串高,缺点在于所需材料和工作量大,由于大面积铺设很可能改变量测档段或核体的摩擦效应,影响结构受力

b.弹入法

弹入法的关键在于必须保证弹入法装置具备足够的量程,保证压力盒抵达槽壁土层,同时需与施工单位密切配合,在限位插销拔除方面做到万无一失。

图 2-14 弹入法土压力盒埋设

c.顶入法

顶入法有气顶和液压顶两种方法,基本原理是将土压力盒安装在小型千斤顶端头,将千斤顶水平固

定在钢筋笼对应于土压力量测的位置。顶入法埋设土压力盒如图2-15,顶入法操作简便,效果理想,但需将千斤项埋入桩墙,加上气、液压驱动管道,投入成本较高。

d.钻孔法

对于因受施工条件或结构形式限制,只能在成桩或成墙之后埋设压力盒的情况,通常采用在场后或桩后钻孔、沉放和回填的方式埋设。钻孔法埋设测试元件工程适应性强,特别适用于预制式排桩结构。由于钻孔回填砂石的固结需要一定的时间,因而传感器前期数据偏小。另外,考虑钻孔位置与桩墙之间不可能直接密贴,需要保持一段距离,因而测得的数据与桩墙作用荷载相比具有一定近似性,这是钻孔法不及上述挂布法、顶入法和弹入法之处。钻孔法适用于土层中 。

图 2-15顶入法土压力盒埋设

3.孔隙水压力测试

孔隙水压力量测结果可用于固结计算及有限应力法的稳定性分析,在打桩、堆载预压法地基加固的施工速度控制、基坑开挖、沉井下沉图 2-16孔隙水压计和降水等引起的地表沉降的控制中具有十分重要的作用。孔隙水压力探头分钢弦式、电阻式和气动式三种类型,探头由金属壳体和透水石组成。埋设方法有压入法和钻孔法。

(7)支挡结构内力监测

采用钢筋混凝土材料制作的围护支挡构件,其内力或轴力通常是在钢筋混凝土中埋设钢筋计,通过测定构件受力钢筋的应力或应变,然后根据钢筋与混凝土共同作用、变形协调条件计算得到。

1.钢筋计类型

钢筋计有钢弦式和电阻应变式两种,二次仪表分别用频率计和电阻应变仪.

2.钢筋计布置

两种钢筋计的安装方法不相同,轴力和弯矩等的计算方法也略有不同,钢弦式钢筋计与结构主筋轴心对焊,是与受力主筋串联连接的,由频率计算得到的是钢筋的应力值;而电阻式应变钢筋计是与主筋平行绑扎或点焊在箍筋上,应变仪测得的是混凝土内部该点的应变,传感元件伸出两边的钢筋的长度应不小于钢筋计长度的35倍。两种钢筋计的布置见图2-20和图2-21。

图2-20钢筋应力计布置                           图2-21钢筋应变计布置

3.钢筋应力监测注意事项

a.做好钢筋计传感器和信号线的防水处理;

b.钢筋计的信号线需用金属屏蔽线,减少外界因素对信号的干扰;

c.钢筋计与信号线的编号必须一一对应;

d.钢筋计对焊必须保证焊接质量,若绑扎应牢固;

e.钢筋计安装好后,浇筑混凝土前和基坑开挖前各测一次初始值;

f.考虑温度补偿。

图2-22安装好钢弦式钢筋计

(8) 锚杆试验和监测

1.锚杆试验

锚杆试验分为基本试验、验收试验和蠕变试验三种,用于试验的锚杆应与工程锚杆相同。

2.锚杆监测

在基坑开挖过程中,锚杆要在受力状态下工作数月,为了检查锚杆在整个施工期间是否按设计预定的方式起作用,有必要选择一定数量的锚杆作长期监测,锚杆监测一般仅监测锚杆拉力的变化。

(9)地下水位监测

地下水位监测可采用钢尺或钢尺水位计。钢尺水位计的工作原理是在已埋设好的水管中放入水位计测头,当侧头接触到水位时,启动讯响器,此时读取测量钢尺与管顶的距离,根据管顶高程即可计算地下水位的高程。对于地下水位比较高的水位观测井,也可用干的钢尺直接插入水位观测井中测量。

图2-24 水位管

(10)相邻环境监测

1.相邻建筑物变形监测

建筑物的变形观测可以分为沉降观测、倾斜观测和裂缝观测。监测前必须收集和掌握以下资料,即:

a.建筑物结构和基础设计资料,如基础类型、基础尺寸和埋深、结构物平面布置及其与基坑围护的相对位置等;

b.地质勘探资料,包括土层分布及各土层的物理力学性质、地下水分布等;

c.基坑工程的围护体系、施工计划、地基处理情况和坑内外降水方案等。

2.相邻地下管线监测

相邻地下管线的监测内容包括垂直沉陷水平位移两部分。其测点布置和监测频率应在对管线状况进行充分调查的基础上确定;调查内容包括:

A.管线埋置深度和埋设年代,管线种类,管线走向,管线与基坑的相对位置等。

B.管线所在道路的地面人流与交通状况,以便制定适合的测点埋没和测试方案。

C.基坑围护结构的支护施工和土方开挖过程,采用土力学与地基基础的有关公式预估地下管线的最大沉降,为量测数据分析提供依据。

目前地下管线监测主要采用间接测点和直接测点两种形式。间接测点又称监护测点,常设在管线轴线相对应的地表,或管线的井盖上,由于测点与管线本身存在介质,因而测试精度较差,但可避免破土开挖,在人员与交通密集区域,或设防标准较低的场合有所采用。直接接测点是通过埋设一些装置直接测读管线的沉陷。常用方案有:抱箍式和套筒式。

第三部分:监测方案设计

1.监测方案的原则、步骤和内容

(1)监测方案制定的原则

监测方案规定了监测工作预期目标、拟采用的技术路线和方法、工作内容和开展计划,以及所需的经费投入等,其制定必须建立在对工程场地地质条件和相邻环境,包括地下管线和地表构筑物分布状况,以及主体建筑物桩基和地下室详尽的调查和掌握基础之上,同时还需与工程建设单位、施工单位、监理单位、设计单位,以及管线主管单位和道路监察部门充分地协商。

(2)监测方案制定的主要步骤

a.收集和阅读有关场地地质条件、结构构造和周围环境的有关材料;

b.现场踏勘。重点掌握地下管线走向,与围护结构的对应关系,以及相邻构筑物状况;

c.拟定监测方案初稿,提交工程建设单位等讨论审定;

d.监测方案在实施过程中可以根据实际施工情况适当予以调整与充实,但大的原则一般不能变更,特别是埋设元件的种类和数量、测试频率和报表数量等应严格按商定的方案实施。

3)监测方案设计的主要内容

尽管各个工程的监测重点有所差异,但就监测方案涉及的范围而言,一般应包括以下几项内容:

a.工程概况;

b.监测目的;

c.监测内容的确定;

d.监测方法(元件埋设、监测仪器、测试频率)

e.施测部位和测点布置的确定;

f.监测周期、预警值及报警制度等实施计划的制定;

g.监测成果提交(当日报表、监测总结报告)

2.监测内容和方法的确定

监测方案的制定应满足如下要求:

a.确保基坑工程的安全和质量,对基坑周围的环境进行有效的保护;

b.检验设计所采取的各种假设和参数的正确性,并为改进设计、提高工程整体水平提供依据。

对于具体一个基坑工程,可以根据具体情况、有侧重地选择其中的一部分进行监测,可参照表1实施。

表1 基坑监测项目选择

3.施测位置和测点布置原则

(1)桩墙顶水平位移和沉降

桩墙顶水平位移和垂直沉降是基坑工程中最直接、最重要的观测内容。

测点一般布置在与桩墙刚性连接的围护结构钢筋混凝土圈梁表面上。测点的间距一般取为6~12m,可以等距离布设,亦可根据现场通视条件、地面堆裁等具体情况随机布置。

对于水平位移变化剧烈的区域,测点可以适当加密。测点宜设置在水平支撑的中间。同一测点可以兼作水平位移和垂直沉降观测使用。

(2)桩墙深层挠曲

考虑到埋设的难度和量测工作员较大的状况,测点一般均布置在围护

结构的各边跨跨中。对于个别大于50m的边长,可以考虑增加l~2个测点。

管长一般取为与桩墙长度一致,并延伸至地表。

( 3)结构内力

对于设置内支撑的基坑工程,一般可选择典型支撑进行轴力变化监测,以便掌握支撑系统的受力状况。测点的布置主要由平面、立面和断面三方面因素所决定。平面指设置于同一标高内量测杆件的选择原则上应参照设计方案中支撑内力计算结果,选择轴力最大的杆件进行监测。立面指基坑竖直方向不同标高处支撑监测的选择,应对各道支撑都进行监测。

断面应布设在支撑的跨中部位,对监测轴力的重要支撑,宜同时监测其两端和中部的沉降和位移。采用土层锚杆的围护体系,每道土层锚杆中都必须选择两根以上受力对具有代表性的锚杆进行监测。

(4)土体分层沉降和水土压力测点布设

a.应紧邻围护桩墙布设,土压力盒应尽量在施工围护桩墙时埋设在土体与围护桩墙的接触面上;

b.主要布设在:

最大弯矩和反弯点的位置;

水土压力最大位置;

变截面或配筋率改变的位置;

结构内支撑或拉锚所在的位置;

土体分层沉降还应在各土层的分界面布设测点;

d.孔隙水压力一般布设在土层中部

(5)土体回弹

回弹测点宜按下列要求在有代表性的位置和方向线上布设:

a.在基坑中央和距坑底边缘1/4坑底宽度处及特征变形点必须布置,方形、圆形基坑可按单向对称布点,矩形基坑可按纵横向布点,复合矩形基坑可多向布点,地质情况复杂时应适当增加点数;

b.基坑外的观测点,应在所选择坑内方向线上的一定距离布设,这个距离一般为基坑深度的1.5~2.0倍;

c.当所选点遇到地下管线或其他建筑物时,可将观测点移到与之对应方向线的空位上;

d.在基坑外相对稳定或不受施工影响的地点,选设工作水准点,以及为寻找标志用的定位点

(6)坑外地下水位监测井的布设

布设在止水帷幕外,井深在常年水位以下4~5m即可。

(7)环境监测

环境监测应包含基坑开挖3倍深度以内的范围,建筑物以沉降监测为主,测点应布设在墙角、柱身、门边等外形凸出部位。

总之,在测点布设时应尽量将桩墙挠曲、支撑轴力和围护结构内力、土体分层沉降和水土压力等测点布置在相近的范围内,形成若干系统监测断面,以便监测结果相互对照,相互检验。

4.监测频率

表 2基坑监测频率

5.监测预警值

表 3基坑及支护结构监测报警值

表 4 建筑基坑工程周边环境监测报警值

第四部分:监测结果处理

1.监测报表

基坑工程现场监测的报表一般形式有当日报表、周报表和月报表。

当日报表提交的时间应当越快越好,这样才能适应工程施工的快节奏,真正做到信息化施工。当日报表提交单位应包括施工、建设、监理、围护结构设计、管线与道路监察等,列入市、区重大工程的,应亦向政府管理部门重大工程办公室等提交。

2.监测数据处理

(1)测量误差

测量值与真值之间的差叫做测量误差,它由使用仪器、测量方法、周围环境、人的技术熟练程度和人的感官条件等的技术水平和客观条件的限制所引起的,在测量过程中不可能完全消除,误差分为随机误差、系统误差和粗大误差。

(2)可疑数据的舍弃

在多次测量试验中,有时会遇到有个别测量值和其他多数测量值相差较大的情况,这些个别数据就是所谓的可疑数据。对于可疑数据的删除,可以利用正态分布来决定取舍,也可按推荐的试验值舍弃标准进行舍弃。

3.监测曲线

在监测过程中除了要及时出各类型的报表、绘制测点布置位置平面和剖面图外,还要及时整理各项监测项目的汇总表和以下曲线:

各监测项目时程曲线

各监测项目的速率时程曲线

各监测项目在各种不同工况和特殊日期变化发展的形象(如围护墙顶、建筑物和管线的水平位移和沉降用平面图,深层侧向位移、深层沉降、围护墙内力、不同深度的孔隙水压力和土压力可用剖面图)。

4.稳定性判断

基坑工程稳定判别推则是将现场监测成果直接为工程施工和管理服务的重要组成部分。进行地下开挖会对相邻环境产生一定程度的影响,而取代被开挖土层以取得重新平衡的围护结构也必然受力并发生变形,问题在于影响的程度和受力与变形的状态是否保持在允许的范围之内。稳定判别准则就是设定一个定量化指标系统,在其包容的范围之内认为工程是安全的,否则则认为工程是非稳定或危险的。

5.监测报告

在工程结束时应提交完整的监测报告,监测报告是监测工作的回顾和总结,监测报告主要包括如下几个部分:

a.工程概况;

b.监测项目和各测点的平面布置和立面布置图;

c.所采取的仪器设备和监测方法;

d.监测数据处理方法和监测结果汇总表和有关汇总和分析曲线;

e.对监测结果的评价;

第五部分:工程实例

宝安区沙井河片区排涝工程泵站基坑施工监测

1 工程概况

沙井河片区位于深圳市宝安区的西北部,该片区两条主要河道沙井河、排涝河流经宝安区松岗街道、沙井街道辖区注入茅洲河。在沙井河口集中建大泵站抽排,消减降低河道洪水位,创造低水位以便于涝区自流排水,从而解决河道沿线低洼区受淹问题。

图5-1 排涝工程效果图

泵站基坑尺寸约为220m×68m,开挖深度为5.5m~17m(绝对高程-2.5m~-14.5m)。大部分坑底高程高于-7.8m,局部坑底高程低于-10.0m。基坑支护方案为:上部填土层放坡开挖,挂网喷砼支护;下部淤泥层直立开挖,钻孔桩+预应力锚索(局部钢管支撑)和水泥土挡墙支护;

图5-2 建设场地原始地貌

泵站基坑淤泥层底高程一般为-11.04m~-11.83m,淤泥层厚度为11.2~12.6m,砂层底面高程为-20.47m~-22.63m,砂层厚度为9~11m

建设场地典型地质钻孔图

2 监测项目

监测项目:

1.地下水位观测

2.支护结构变形观测

3.钢支撑轴力监测

4.孔隙水压力监测

5.锚索应力监测

6.边坡沉降及水平位移观测

图5-4 泵站基坑监测仪器布置图

图5-5基坑现场图

3 监测结果分析

图5-6 基坑开挖深度曲线

基坑的大面积开挖从4月底开始,在7月开挖深度较深,开始实施基坑降水开挖。

图5-7 基坑支护桩顶竖向位移曲线

基坑降水开始对桩顶竖向位移影响较大,到10月之后桩顶竖向位移稳定

图5-8 基坑支护桩顶水平位移曲线

基坑支护桩顶位移除B11(217#桩)外,其余观测点的位移均为超过警戒值

图5-9 基坑锚索应力监测

48号桩锚索和67号桩锚索超过预警值

图5-10基坑采取反压措施

对锚索和边桩水平位移超过预警值的部位采取反压措施,取得了较好的工程效果

4 监测结论

(1)垂直位移:边桩垂直位移主要受到基坑降水的影响,受基坑开挖的影响较小。

(2)水平位移:个别边桩桩顶(217#)水平位移达到预警值,但基坑整体支护结构稳定,能满足施工要求。

(3)锚索拉力:根据监测数据显示除48号桩锚索外,其他锚索拉力稳定,对48号桩采取反压措施后,该锚索拉力稳定。

(4)对基坑采取反压措施取得了较好的工程效果。