软土基坑中深层位移监测技术及误差的分析

2019-11-29雷元新黄胜文

佛山科学技术学院学报（自然科学版） 2019年5期

雷元新，邓坚，黄胜文

（1.佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，广东佛山528000；2.江门市江海区碧桂园房地产开发有限公司，广东江门529000）

在我国沿海软土地区，以水泥搅拌桩或灌注桩为基坑的支护结构得到了广泛应用[1]，深基坑开挖过程中，通过测斜仪系统监测挡土结构和土体的深层水平位移，保证施工稳定。目前关于测斜管的应用研究主要集中于测量误差、误差修正分析及数据处理方法[2-10]，而对于特定软土基坑工程用测斜管进行深层位移测试技术、埋设位置及误差计算方法研究较少。本文针对软土地区基坑工程深层位移变形监测技术与误差进行了分析探讨，为软基场地基坑技护工程监测提供了适宜性的建议。

1 软基基坑深层位移监测的技术原理与误差推算

1.1 测斜仪的工作原理

测斜仪工作基于3个假设：

（1）测斜管底端（基准点）固定不变；

（2）测斜管测试时的导向槽自上而下始终垂直于基坑；

（3）测斜管在量测过程中，不发生移动和扭曲变形，测斜管沿长度方向的两对导槽始终构成两个正交平面；

活动式测斜探头在测斜管内自上而下逐渐滑动时，测斜仪是通过量测每一段测距L轴线和铅垂线之间的倾角θ的变化量，来计算不同深度处水平位移如图1～2所示。

1.2 测斜管不动点选取与测点水平位移的推算

通常情况下，测斜基点（零点）选取可参照测斜管长度来确定。测斜管埋设于支护桩内，与设计支护桩等长，则桩底可视为不动点；且测斜管与支护桩的深层水平位移有较好的变形协调一致性，测斜数据无需修正。为综合考虑管底位移、测斜管扭曲变形和初始读数不为零因素等引起误差，以管顶为基准点，采用自上而下计算方法原理改进[11]。即先确定测斜管顶端的绝对坐标，通过孔口位移修正，自上而下求和各测点的位移。

图1 监测原理图

图2 位移累计示意图

测斜管埋设于基坑边软土层中时，对其深层水平位移应按以下3种情况进行推算。

（1）非深厚软土层时，测斜管底部嵌入稳定的基岩中，此时管底可视为不动点；

（2）在深厚软土层时，视土体软弱程度，测斜管埋设长度为2～3倍的基坑开挖深度，即当测斜管埋设足够深时管底可以认为是位移零点；各测点水平位移为

（3）软基场地且测斜管埋设深度有限时，易出现测斜管两端都有水平位移的情况，这就需要实测管口的水平位移，可以通过经纬仪或其他仪器测出，再据此管口位移与测斜推算出深层各测点的绝对水平位移为

式（2）中：δi为第 i层各测量段的水平位移量；θi为第 i测量段管轴线与铅垂线的夹角；L为沿导轮量测的步距，根据工程需要，一般取0.5 m；δ0为实测管口的水平位移；各点绝对位移则按图3所示进行累加后再加实测管口的水平位移。

图3 自上而下位移计算原理示意图

具体测试技术方法：在测斜管埋设安装过程中，用罗盘仪对导向槽的初始偏移进行量测，然后用经纬仪确定孔口位置，即确定测斜管顶端坐标；在基坑开挖过程中，利用扭角仪量测每测段导向槽的初始偏角，用来修正导向槽扭曲引起的误差，也要用经纬仪对孔口水平位移进行量测。如图3，基坑开挖前，各测点的修正位移为

式（3）中：θio为第i段轴线与铅垂线初始夹角；αio为第i段导向槽初始偏角；Δδj0为自孔口向下偏离铅锤方向的距离。

而对于基坑开挖后，各测点的修正水平位移为

式（4）中：δjk为第k次第i段轴线与铅垂线初始夹角；αi为第i段导向槽偏角；Δδjk为第k次测点水平位移。

相比较（1）、（2）式，（3）、（4）式更能反映测斜管因管底位移、初始偏差以及扭曲变形带来的影响，更适合对在软土地基深层水平位移监测值的计算。

1.3 支护桩内测斜管埋设与其初始误差

通常测斜管在支护桩内是通过绑扎定位的，测斜管的两对导槽理想位是与基坑位移测量面保持垂直和平行，如图4所示。但在实际操作过程中，常造成测斜管内槽相对于测量面有偏转，或者钢筋笼下放位置相对于测量面有偏转，如不做“双槽正反向”测量并在数据处理加以考虑，则由此所造成的系统误差将不可避免，会导致位移风险评判的降低。分析如下：

（1）测斜管内槽相对于测量面有偏转引起的误差。如图5所示，埋设在支护桩内的测斜管变形与支护桩的变形相协同，位置1和位置2的真实位移相同，假设测斜管的一对凹槽相对于测量面有5°～10°的偏转，如果以警戒值50 mm作为测量位移，则实际位移为50/（cos5°～cos10°）=（50.19～50.77）mm，测量结果与位置1相比，应考虑（0.19～0.77）mm的误差修正。

（2）钢筋笼位置相对于测量面有偏转引起的误差。如图6所示，钢筋笼位置相对于测量面有5°～10°的安装误差的偏转，而内槽指向测量面，如果仍以警戒值50 mm作为测量位移，则实际位移为50/（cos10°～cos20°）=（50.77～53.21）mm，测量结果与位置 1 相比，需有（0.77～3.21）mm 的误差修正。

（3）测斜管内槽相对于测量面有偏转，同时钢筋笼位置相对于测量面有偏转引起的误差。如图7所示，假设测斜管的一对凹槽相对于测量面有5°的偏转，同时钢筋笼位置相对于测量面有5°～10°的安装误差的偏转，如果以警戒值50 mm作为实测位移，则真实位移为50/（cos15°～cos30°）=（51.76～57.74）mm，测量结果与位置1相比需有（1.76～7.74）mm的误差修正。

图4 调正测斜管方向

图5 测斜管内槽相对于测量面有偏转

图6 钢筋笼位置相对于测量面有偏转

图7 内槽相对于测量面和钢筋笼位置都有偏转

综上所述，为保证施工过程中测量结果的精度，应将测斜管放置于位置1，且在测斜仪被卡时能方便其回收。对于测斜管的绑扎，保持测斜管和钢筋笼竖向顺直，测斜管内的一对凹槽垂直于测量面，在安装好测斜管后，用粗砂或石粉将测斜管周围填充密实。

2 实测结果与数值模拟的误差分析

对于深厚软土地基，测斜管埋设长度选取不确定，且受本身刚度、垂直度及安装工艺影响；在基坑开挖过程中，测斜管底端不能保证始终固定不变，还因土体扰动测斜管受到土体其他不同方向的挤压，会产生深层位移变形，甚至在复合力的作用下，测斜管还会发生很大扭曲变形。从而导致测量值与真实位移的不一致，尤其在软基中的测斜数据应给予修正。

2.1 现场监测

某工程地点位于佛山市禅城区，基坑面积约为3.37万m2，周长约为731 m，开挖深度约3.85～8.65 m。基坑范围分为一层地下室区域和二层地下室区域，一、二层地下室区域开挖高差约3.5 m。本基坑根据周边情况及开挖设计侧壁安全等级:双排灌注桩区域基坑为一级，其余区段为二级。由于该地区是河流中下游长时间冲积形成的平原，沉积了松散的沉积物和淤泥质土，是典型的淤泥质软土地区。

因施工需要，基坑开挖过程除在桩中布设测斜点CX7，在距离支护桩大约2 m的土体位置补设了测斜点CX7’，监测点位如图8a所示。并在2018年5～6月期间，对布置于基坑北侧这两个测点进行观测，监测到的深层位移变化曲线如图8b，两测点相应的位移变化清晰表明他们的变化趋势是一致的，但监测值的大小存在差异。

图8 CX7和CX7’监测点布置图及测点深层位移变化曲线图

从图8中还可以看出：埋设于支护结构中测斜管量测的水平位移会明显大于相应的埋设于土、软弱土中测斜管测得的水平位移[12]；坑外土体要比支护桩位移小，且有滞后效应。据此也可认为被测桩、岩、土等介质的弹性模量与其深层位移间存在相关性。

2.2 不同弹模介质下的有限元模拟

为进一步探究埋设于支护结构和埋设土中测斜管量测结果所存在的差异及其规律，本文选取MIDAS-GTS有限元软件进行了基坑开挖模拟。土体本构采用Mohr-Coulomb模型，支护桩和测斜管采用线弹性本构模型，网格划分为四面体单元，从网格中析取梁单元作为支护桩，植入式梁单元作为测斜管，目的是分析支护桩与土体、测斜管与土体、以及测斜管与混凝土桩之间的接触应力状态，加强它们之间的耦合性。在基坑开挖深度为8 m情况下，该模型支护形式采用灌注桩支护，根据勘察报告资料，相关土层和结构参数如下表1～2所示。

表1 土层厚度及力学参数

表2 支护桩及测斜管力学参数

测斜管的弹性模量与土体和混凝土桩之间的弹性模量存在较大差异，淤泥土的弹性模量约为测斜管的0.94倍，而混凝土桩的弹性模量约为测斜管的7.2倍，基坑开挖过程中，测斜管和支护桩变形云图如图9所示。

通过数值模拟，从图10中可以看出支护桩沿深度方向的水平位移变形基本上和用测斜感应测得位移相似，埋设于支护结构中测斜管量测结果大于埋设土中的测斜管的量测结果，且测斜管在基坑开挖过程中与土体的接触为几何非线性。深层位移与测斜管所处的介质弹性模量有关，尤如本工程案例：由于淤泥质土具有天然含水量高、孔隙比大、压缩性高特点，其弹性模量小，土较支护桩为介质的弹性模量小，而测斜管刚度又比淤泥大的多，测斜管埋设在淤泥土体中，其周围也不易均匀密实，对测斜管接触约束不连续，所以对深层位移的感应“呆滞”，对测斜精度影响较大。

图9 测斜管与支护桩水平位移云图

图10 测斜管所处不同介质弹性模量的深度位移图

2.3 不同测距下的有限元模拟

一般对于埋设在基坑边缘软弱土体中的测斜管，其长度约为基坑开挖深度的2～3倍；对于埋设在支护结构中的测斜管，其长度一般为基坑开挖深度的2倍左右。为探究开挖深度8 m的基坑其测斜管长度选取，以及埋设于基坑边软弱土体和支护桩位置的距离对结果造成的影响，分别设定测斜管长度为16 m和20 m（即测斜管长度为2倍和2.5倍的基坑开挖深度，在支护桩距离为1 m、2 m、3 m土体中埋设测斜管），布设位置分别如图11～12所示，模拟基坑开挖过程中测斜管与支护桩变形特征的对比。

图11 16 m测斜管与支护桩水平位移云图

图12 20 m测斜管与支护桩水平位移云图

从图13～14可以看出，最大桩顶位移相同但处于与支护桩不同间距下，测斜管感应的位移变形与支护桩变形基本一致，测斜管的埋置距离支护桩越近，测斜管变形与支护桩变形越接近。增加测斜管埋设土体中的长度，大约埋深达18 m左右时，测斜管管底基本不会位移；若测斜管底部能嵌入稳定的岩土中，则测斜管管底位移假设为零是合理的。而在深厚软土层中，可通过增加测斜管长度来使管底位移为零，使位移量测结果更准确；因此，建议对于埋设深厚软弱土层中的测斜管长度，取为基坑开挖深度的2.5倍以上。

图13 16 m长测斜管在不同测距下的位移深度图

图14 20 m长测斜管在不同测距下的位移深度图

从表3可以看出，测斜管以正确方式埋设于支护桩的测斜真实最大位移为36 mm，但由于埋管偏差则会使实测结果失真，仅为29.94 mm；16 m长的测斜管距离支护桩1、2、3 m的情况下，支护桩的最大位移约为测斜管的1.05、1.28、1.44倍；而20 m长的测斜管距离支护桩1、2、3 m的情况下，支护桩的最大位移约为测斜管的1.03、1.38、1.71倍。由此可以认为，当测斜管埋设距离支护桩大于1 m时，测斜误差很大；而在实际基坑放坡开挖时，常将测斜管埋设测斜管埋设距离支护桩大于1 m甚至大于2 m，由此造成的测量误差会导致监测严重失真。要让测斜管的感应与支护桩变形具有更好的协同性，应将测斜管放置于支护桩内，或者测斜管埋设于基坑边土体与支护桩的距离小于1 m。

表3 测斜管在不同测距下与支护桩的最大位移对比

综上所述，1）如果实际位移50 mm作为警戒值，测斜管埋设在支护桩内，可能因测斜管内槽相对于测量面偏转和钢筋笼相对测量面偏转而引起系统误差，实测位移误差可能偏少了1.76～7.74 mm。2）从表3可知，若以正确方式将测斜管埋设在土体中，且距离支护桩不大于1 m时的测量结果为34～35 mm，建议最大位移量在实测值的基础上作2～3 mm的增加修正。