时域反射测试技术在基坑变形监测中的应用

董俊平，曹平，王军

(1.广东省水利水电第三工程局，广东东莞 5237102； 2.中南大学，湖南长沙 410083)

时域反射测试技术在基坑变形监测中的应用

董俊平1∗，曹平2，王军2

(1.广东省水利水电第三工程局，广东东莞 5237102； 2.中南大学，湖南长沙 410083)

基坑位移的测量工作是工程建设和工后的一项重点工作，见于基坑深部位移监测的复杂性，采用时域反射测试技术在基坑监测方面的应用。通过工程算例的计算结果与监测数据对比表明:时域反射技术能够得到基坑土体深部剪切位移的分布和潜在滑动面的位置，这为工程实践提供了可资用的指导。

基坑工程；时域反射测试技术；变形测量；工程计算

1 引 言

基坑是房屋建筑和市政工程结构的基础，是地下建筑物施工过程中开挖形成的土体构筑物，具有技术难度高、投资大、管理复杂等特点，是整个工程建设的重点项目。其结构物的稳定性对施工进度和工程应用有重要的影响，因此在基坑施工过程和施工后使用过程中对其结构的变形、应力等关键量进行监测是一项十分必要的工作[1]。基坑工程的主要的监测项目有:基坑顶部位移的水平位移、坑壁围护结构的深部位移、支护结构的应力、坑顶及周边的沉降、水位监测等，其中位移监测是重中之重。

目前，基坑工程的位移监测大都使用水准仪和全站仪进行表层位移和沉降观测，使用测斜仪进行深部位移监测。很明显前者监测手段受人为和环境因素影响较大，并且测量范围极其有限。后者是通过埋设测斜管能对基坑深部做出位移监测，但其精度跟埋管位置很相关。而时域反射测试技术是利用电磁波动传输原理，充分发挥坑体介质材料的本身特性，能对基坑的深部位移做出精确的测量，已在工程实践中得到了大量的应用[2]。为此，本文依据常规工程监测技术和工程计算理论，并结合现代时域反射测试技术来探讨时域反射测试技术在基坑位移测量中的合理性和可行性。

2 时域反射测试技术原理

时域反射测量技术是使用阶跃信号发生仪和示波器，在被测的传输线上发送一个快速的上升线，再在特定的点上用示波器观察反射电压波形。根据反射回波的时间可以判断阻抗不连续点距接收端的距离，根据反射回来的幅度可以判断相应点的阻抗变化，因此线路的阻抗是影响信号线完整性的一个最关键的因素。这种技术可以测出传输线的特性阻抗，并显示出每个阻抗不连续点的位置和特性(阻抗、感抗和容抗)。所有这些信息都是在示波器上实时显示。相对于其他技术，时域反射技术能够给出更多的关于系统宽带相应的信息[3]。

时域反射法是岩土工程监测领域发展起来的一种新的检测技术。它以方便、快捷、经济、数字化及远程控制等优点而受到广泛关注。本文对时域反射技术的基本原理及其在岩土工程中的应用做了较为全面的介绍，并结合室内试验成果进行分析，对了解时域反射技术促进其在国内岩土工程领域的广泛应用具有一定的意义[4]。

图1 时域反射测试系统的组成

时域反射测试是以电波发生器激发的电磁波在同轴电缆中传播、反射及透射。如果测试电波信号为V1，反射信号为V2，其关系式为[5]:

根据线性传输理论，可得:

结合式(1)和式(2)得:

式中:Ra为变形后电缆的阻抗，Rb为变形前电缆的阻抗，ρ为反射系数。

3 时域反射测试技术在基坑工程中的应用

3.1 工程概况

本基坑工程位于广东省境内，拟建一栋高层建筑，设计基坑开挖深度12 m，基坑安全等级为一级。施工场地地形平坦，主要地层为第四系土层，属洪冲积粘土层，分布深度在15 m左右，下伏中风化砂岩，岩基面起伏较大。通过钻探资料显示裂隙稍发育，岩芯较完整，质地坚硬，节长5 cm～45 cm，RQD＝60%～95%，Ⅴ级。岩土层的物理力学参数如表1所示。

岩土层物理力学参数 表1

该基坑工程呈规则矩形，为简化分析只取1/4范围进行时域反射技术应用和工程计算，计算范围和支护如图2所示。

图2 基坑计算范围

3.2 基坑工程监测布置

根据本基坑工程特点、周边环境状况、地层及水文地质情况，按照《建筑基坑支护技术规程》的要求[6]，布置监测方案:基坑边坡土体顶部的水平位移、竖向位移测点通常应沿基坑周边每隔10 m～20 m设一点，为了节约成本和监测数据的代表性及精确性，在每边的中部和端部边缘位置布置观测点，本监测系统共布置5个监测孔(考虑到基坑工程的对称性)，每孔深为20 m，并在远离基坑处(大于5倍的基坑开挖深度)设基准点，且数量不应少于2点，对基准点要按其稳定程度定时测量其位移和沉降，此方案通过常规的位移监测和水准测量可以得到较好的效果[7]。然而，大量资料显示，基坑支护的整体破坏很多都是深部土体发生剪切而导致，深部位移的测量目前主要是运用深孔测斜技术得到，该技术在复杂的岩土层中很难获得理想的结果，时域反射技术作为一种精密的测试技术，适用性好，测试结果准确，能完全满足工程建设的需要，时域反射测量的布置如图3所示。

图3 时域反射技术基坑深部位移监测图

3.3 时域反射技术监测结果分析

文中采用RVVP型号同轴电缆，在坑壁测孔中发出电信号，再根据该测孔中电缆接收信号与位移关系的特点，来完成坑体深部位移测量过程，其位移关系为:当剪切位移较小时，呈现出滑动面处的反射系数变化为零；当剪切位移达到一定的限值，反射系数开始增大，同剪切位移增长近似成正比关系，剪切位移的测试结果可以通过两条直线拟合得到，在该坐标系统中以剪切位移为自变量，反射系数的变化为因变量，以反射系数变化的拐点为分段的间断点，具体测试结果如图4所示，RVVP电缆反射特性表如表2所示。

图4 RVVP电缆剪切位移与反射系数的关系图

RVVP电缆反射特性表 表2

3.4 工程计算

通过上述时域反射测量技术可以获得基坑深部位移的剪切位移数值和坑体整体滑动面的位置，为了验证时域反射技术测试结果的可靠性和可行性，对该基坑典型断面进行了工程计算，包括剪切位移、垂直位移、水平位移和塑性区的计算，具体结果如图5～图8所示(鉴于该基坑工程的几何形状和荷载具有对称性，为节省篇幅仅对图2中左侧坑壁进行了计算)。

图5 水平位移分布(单位/m)

图6 垂直位移分布(单位/m)

图7 剪应变率分布

从图5和图6的位移云图中可以看到，基坑的最大位移达到1.5 cm，已超过规范规定的限值，基坑有出现整体滑动的可能，同时从图8的塑性区分布图中也可以看到从坡脚到坡顶存在即将贯通的塑性区，这充分说明该基坑边坡具有失稳的趋势，这与时域反射测量结果较吻合，因此及时进行监测和防护工作很关键。

图8 塑性区分布(绿色和红色网格)

4 结 论

本文介绍了时域反射技术的原理，针对该测试技术在基坑深部位移监测中的应用，获得了基坑深部剪切位移的数值及潜在滑动面的位置，并结合工程计算结果比较得到，时域反射技术用于土体工程的监测是可行的、有效的。

[1] 刘建航，侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社，1997

[2] 刘红军，张庚成，刘涛.土岩组合地层基坑工程变形监测分析[J].岩土工程学报，2010，32(S2):550～553

[3] 张青，史彦新.TDR滑坡监测技术的研究[J].中国地质灾害与防治学报，2001，6(2):64～66

[4] 陈云敏，陈赟，陈仁朋等.滑坡监测TDR技术的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23(16):2748～2755

[5] 朱健.TDR技术在边坡监测中的应用[J].城市勘测，2009，(1):151～153

[6] JGJ120－99.建筑基坑支护技术规程[S].

[7] 林杭，曹平，李江腾等.边坡临界失稳状态的判定标注[J].煤炭学报，2008(6):643～647

Application of Excavation Deformation Based on Time Domain Reflector

Dong JunPing1，Cao Ping2，Wang Jun2
(1.The Guangdong No.3 Water Conservancy and Hydro－electric Engineering Board；Dongguan 523710，China；2.Central South University，Changsha 410083，China)

It is key process for pit foundation to be gained deformation during the whole engineering construction. The time domain reflector is applied for deep displacement，which is taking on complicated and difficult fact.Comparisons between the calculated datum and testing datum show the deep shear displacement and location of sliding face are obtained by time domain reflector，it can serve as engineering projects.

Pit foundation；time domain reflector；deformation measurement；calculation

1672－8262(2010)03－164－03

P631

B

2011—01—01

董俊平(1971—)，男，工程师，主要从事岩土工程监测、检测及工程测量的工作。

国家自然科学基金资助项目(10972238)，高等学校博士学科点专项科研基金(20060533071)