軟土基坑中深層位移監(jiān)測技術(shù)及誤差的分析

雷元新，鄧 堅，黃勝文

（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院交通與土木建筑學(xué)院，廣東佛山528000；2.江門市江海區(qū)碧桂園房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，廣東江門529000）

在我國沿海軟土地區(qū)，以水泥攪拌樁或灌注樁為基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用[1]，深基坑開挖過程中，通過測斜儀系統(tǒng)監(jiān)測擋土結(jié)構(gòu)和土體的深層水平位移，保證施工穩(wěn)定。目前關(guān)于測斜管的應(yīng)用研究主要集中于測量誤差、誤差修正分析及數(shù)據(jù)處理方法[2-10]，而對于特定軟土基坑工程用測斜管進(jìn)行深層位移測試技術(shù)、埋設(shè)位置及誤差計算方法研究較少。本文針對軟土地區(qū)基坑工程深層位移變形監(jiān)測技術(shù)與誤差進(jìn)行了分析探討，為軟基場地基坑技護(hù)工程監(jiān)測提供了適宜性的建議。

1 軟基基坑深層位移監(jiān)測的技術(shù)原理與誤差推算

1.1 測斜儀的工作原理

測斜儀工作基于3個假設(shè)：

（1）測斜管底端（基準(zhǔn)點）固定不變；

（2）測斜管測試時的導(dǎo)向槽自上而下始終垂直于基坑；

（3）測斜管在量測過程中，不發(fā)生移動和扭曲變形，測斜管沿長度方向的兩對導(dǎo)槽始終構(gòu)成兩個正交平面；

活動式測斜探頭在測斜管內(nèi)自上而下逐漸滑動時，測斜儀是通過量測每一段測距L軸線和鉛垂線之間的傾角θ的變化量，來計算不同深度處水平位移如圖1～2所示。

1.2 測斜管不動點選取與測點水平位移的推算

通常情況下，測斜基點（零點）選取可參照測斜管長度來確定。測斜管埋設(shè)于支護(hù)樁內(nèi)，與設(shè)計支護(hù)樁等長，則樁底可視為不動點；且測斜管與支護(hù)樁的深層水平位移有較好的變形協(xié)調(diào)一致性，測斜數(shù)據(jù)無需修正。為綜合考慮管底位移、測斜管扭曲變形和初始讀數(shù)不為零因素等引起誤差，以管頂為基準(zhǔn)點，采用自上而下計算方法原理改進(jìn)[11]。即先確定測斜管頂端的絕對坐標(biāo)，通過孔口位移修正，自上而下求和各測點的位移。

圖1 監(jiān)測原理圖

圖2 位移累計示意圖

測斜管埋設(shè)于基坑邊軟土層中時，對其深層水平位移應(yīng)按以下3種情況進(jìn)行推算。

（1）非深厚軟土層時，測斜管底部嵌入穩(wěn)定的基巖中，此時管底可視為不動點；

（2）在深厚軟土層時，視土體軟弱程度，測斜管埋設(shè)長度為2～3倍的基坑開挖深度，即當(dāng)測斜管埋設(shè)足夠深時管底可以認(rèn)為是位移零點；各測點水平位移為

（3）軟基場地且測斜管埋設(shè)深度有限時，易出現(xiàn)測斜管兩端都有水平位移的情況，這就需要實測管口的水平位移，可以通過經(jīng)緯儀或其他儀器測出，再據(jù)此管口位移與測斜推算出深層各測點的絕對水平位移為

式（2）中：δi為第 i層各測量段的水平位移量；θi為第 i測量段管軸線與鉛垂線的夾角；L為沿導(dǎo)輪量測的步距，根據(jù)工程需要，一般取0.5 m；δ0為實測管口的水平位移；各點絕對位移則按圖3所示進(jìn)行累加后再加實測管口的水平位移。

圖3 自上而下位移計算原理示意圖

具體測試技術(shù)方法：在測斜管埋設(shè)安裝過程中，用羅盤儀對導(dǎo)向槽的初始偏移進(jìn)行量測，然后用經(jīng)緯儀確定孔口位置，即確定測斜管頂端坐標(biāo)；在基坑開挖過程中，利用扭角儀量測每測段導(dǎo)向槽的初始偏角，用來修正導(dǎo)向槽扭曲引起的誤差，也要用經(jīng)緯儀對孔口水平位移進(jìn)行量測。如圖3，基坑開挖前，各測點的修正位移為

式（3）中：θio為第i段軸線與鉛垂線初始夾角；αio為第i段導(dǎo)向槽初始偏角；Δδj0為自孔口向下偏離鉛錘方向的距離。

而對于基坑開挖后，各測點的修正水平位移為

式（4）中：δjk為第k次第i段軸線與鉛垂線初始夾角；αi為第i段導(dǎo)向槽偏角；Δδjk為第k次測點水平位移。

相比較（1）、（2）式，（3）、（4）式更能反映測斜管因管底位移、初始偏差以及扭曲變形帶來的影響，更適合對在軟土地基深層水平位移監(jiān)測值的計算。

1.3 支護(hù)樁內(nèi)測斜管埋設(shè)與其初始誤差

通常測斜管在支護(hù)樁內(nèi)是通過綁扎定位的，測斜管的兩對導(dǎo)槽理想位是與基坑位移測量面保持垂直和平行，如圖4所示。但在實際操作過程中，常造成測斜管內(nèi)槽相對于測量面有偏轉(zhuǎn)，或者鋼筋籠下放位置相對于測量面有偏轉(zhuǎn)，如不做“雙槽正反向”測量并在數(shù)據(jù)處理加以考慮，則由此所造成的系統(tǒng)誤差將不可避免，會導(dǎo)致位移風(fēng)險評判的降低。分析如下：

（1）測斜管內(nèi)槽相對于測量面有偏轉(zhuǎn)引起的誤差。如圖5所示，埋設(shè)在支護(hù)樁內(nèi)的測斜管變形與支護(hù)樁的變形相協(xié)同，位置1和位置2的真實位移相同，假設(shè)測斜管的一對凹槽相對于測量面有5°～10°的偏轉(zhuǎn)，如果以警戒值50 mm作為測量位移，則實際位移為50/（cos5°～cos10°）=（50.19～50.77）mm，測量結(jié)果與位置1相比，應(yīng)考慮（0.19～0.77）mm的誤差修正。

（2）鋼筋籠位置相對于測量面有偏轉(zhuǎn)引起的誤差。如圖6所示，鋼筋籠位置相對于測量面有5°～10°的安裝誤差的偏轉(zhuǎn)，而內(nèi)槽指向測量面，如果仍以警戒值50 mm作為測量位移，則實際位移為50/（cos10°～cos20°）=（50.77～53.21）mm，測量結(jié)果與位置 1 相比，需有（0.77～3.21）mm 的誤差修正。

（3）測斜管內(nèi)槽相對于測量面有偏轉(zhuǎn)，同時鋼筋籠位置相對于測量面有偏轉(zhuǎn)引起的誤差。如圖7所示，假設(shè)測斜管的一對凹槽相對于測量面有5°的偏轉(zhuǎn)，同時鋼筋籠位置相對于測量面有5°～10°的安裝誤差的偏轉(zhuǎn)，如果以警戒值50 mm作為實測位移，則真實位移為50/（cos15°～cos30°）=（51.76～57.74）mm，測量結(jié)果與位置1相比需有（1.76～7.74）mm的誤差修正。

圖4 調(diào)正測斜管方向

圖5 測斜管內(nèi)槽相對于測量面有偏轉(zhuǎn)

圖6 鋼筋籠位置相對于測量面有偏轉(zhuǎn)

圖7 內(nèi)槽相對于測量面和鋼筋籠位置都有偏轉(zhuǎn)

綜上所述，為保證施工過程中測量結(jié)果的精度，應(yīng)將測斜管放置于位置1，且在測斜儀被卡時能方便其回收。對于測斜管的綁扎，保持測斜管和鋼筋籠豎向順直，測斜管內(nèi)的一對凹槽垂直于測量面，在安裝好測斜管后，用粗砂或石粉將測斜管周圍填充密實。

2 實測結(jié)果與數(shù)值模擬的誤差分析

對于深厚軟土地基，測斜管埋設(shè)長度選取不確定，且受本身剛度、垂直度及安裝工藝影響；在基坑開挖過程中，測斜管底端不能保證始終固定不變，還因土體擾動測斜管受到土體其他不同方向的擠壓，會產(chǎn)生深層位移變形，甚至在復(fù)合力的作用下，測斜管還會發(fā)生很大扭曲變形。從而導(dǎo)致測量值與真實位移的不一致，尤其在軟基中的測斜數(shù)據(jù)應(yīng)給予修正。

2.1 現(xiàn)場監(jiān)測

某工程地點位于佛山市禪城區(qū)，基坑面積約為3.37萬m2，周長約為731 m，開挖深度約3.85～8.65 m?；臃秶譃橐粚拥叵率覅^(qū)域和二層地下室區(qū)域，一、二層地下室區(qū)域開挖高差約3.5 m。本基坑根據(jù)周邊情況及開挖設(shè)計側(cè)壁安全等級:雙排灌注樁區(qū)域基坑為一級，其余區(qū)段為二級。由于該地區(qū)是河流中下游長時間沖積形成的平原，沉積了松散的沉積物和淤泥質(zhì)土，是典型的淤泥質(zhì)軟土地區(qū)。

因施工需要，基坑開挖過程除在樁中布設(shè)測斜點CX7，在距離支護(hù)樁大約2 m的土體位置補設(shè)了測斜點CX7’，監(jiān)測點位如圖8a所示。并在2018年5～6月期間，對布置于基坑北側(cè)這兩個測點進(jìn)行觀測，監(jiān)測到的深層位移變化曲線如圖8b，兩測點相應(yīng)的位移變化清晰表明他們的變化趨勢是一致的，但監(jiān)測值的大小存在差異。

圖8 CX7和CX7’監(jiān)測點布置圖及測點深層位移變化曲線圖

從圖8中還可以看出：埋設(shè)于支護(hù)結(jié)構(gòu)中測斜管量測的水平位移會明顯大于相應(yīng)的埋設(shè)于土、軟弱土中測斜管測得的水平位移[12]；坑外土體要比支護(hù)樁位移小，且有滯后效應(yīng)。據(jù)此也可認(rèn)為被測樁、巖、土等介質(zhì)的彈性模量與其深層位移間存在相關(guān)性。

2.2 不同彈模介質(zhì)下的有限元模擬

為進(jìn)一步探究埋設(shè)于支護(hù)結(jié)構(gòu)和埋設(shè)土中測斜管量測結(jié)果所存在的差異及其規(guī)律，本文選取MIDAS-GTS有限元軟件進(jìn)行了基坑開挖模擬。土體本構(gòu)采用Mohr-Coulomb模型，支護(hù)樁和測斜管采用線彈性本構(gòu)模型，網(wǎng)格劃分為四面體單元，從網(wǎng)格中析取梁單元作為支護(hù)樁，植入式梁單元作為測斜管，目的是分析支護(hù)樁與土體、測斜管與土體、以及測斜管與混凝土樁之間的接觸應(yīng)力狀態(tài)，加強(qiáng)它們之間的耦合性。在基坑開挖深度為8 m情況下，該模型支護(hù)形式采用灌注樁支護(hù)，根據(jù)勘察報告資料，相關(guān)土層和結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表1～2所示。

表1 土層厚度及力學(xué)參數(shù)

表2 支護(hù)樁及測斜管力學(xué)參數(shù)

測斜管的彈性模量與土體和混凝土樁之間的彈性模量存在較大差異，淤泥土的彈性模量約為測斜管的0.94倍，而混凝土樁的彈性模量約為測斜管的7.2倍，基坑開挖過程中，測斜管和支護(hù)樁變形云圖如圖9所示。

通過數(shù)值模擬，從圖10中可以看出支護(hù)樁沿深度方向的水平位移變形基本上和用測斜感應(yīng)測得位移相似，埋設(shè)于支護(hù)結(jié)構(gòu)中測斜管量測結(jié)果大于埋設(shè)土中的測斜管的量測結(jié)果，且測斜管在基坑開挖過程中與土體的接觸為幾何非線性。深層位移與測斜管所處的介質(zhì)彈性模量有關(guān)，尤如本工程案例：由于淤泥質(zhì)土具有天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高特點，其彈性模量小，土較支護(hù)樁為介質(zhì)的彈性模量小，而測斜管剛度又比淤泥大的多，測斜管埋設(shè)在淤泥土體中，其周圍也不易均勻密實，對測斜管接觸約束不連續(xù)，所以對深層位移的感應(yīng)“呆滯”，對測斜精度影響較大。

圖9 測斜管與支護(hù)樁水平位移云圖

圖10 測斜管所處不同介質(zhì)彈性模量的深度位移圖

2.3 不同測距下的有限元模擬

一般對于埋設(shè)在基坑邊緣軟弱土體中的測斜管，其長度約為基坑開挖深度的2～3倍；對于埋設(shè)在支護(hù)結(jié)構(gòu)中的測斜管，其長度一般為基坑開挖深度的2倍左右。為探究開挖深度8 m的基坑其測斜管長度選取，以及埋設(shè)于基坑邊軟弱土體和支護(hù)樁位置的距離對結(jié)果造成的影響，分別設(shè)定測斜管長度為16 m和20 m（即測斜管長度為2倍和2.5倍的基坑開挖深度，在支護(hù)樁距離為1 m、2 m、3 m土體中埋設(shè)測斜管），布設(shè)位置分別如圖11～12所示，模擬基坑開挖過程中測斜管與支護(hù)樁變形特征的對比。

圖11 16 m測斜管與支護(hù)樁水平位移云圖

圖12 20 m測斜管與支護(hù)樁水平位移云圖

從圖13～14可以看出，最大樁頂位移相同但處于與支護(hù)樁不同間距下，測斜管感應(yīng)的位移變形與支護(hù)樁變形基本一致，測斜管的埋置距離支護(hù)樁越近，測斜管變形與支護(hù)樁變形越接近。增加測斜管埋設(shè)土體中的長度，大約埋深達(dá)18 m左右時，測斜管管底基本不會位移；若測斜管底部能嵌入穩(wěn)定的巖土中，則測斜管管底位移假設(shè)為零是合理的。而在深厚軟土層中，可通過增加測斜管長度來使管底位移為零，使位移量測結(jié)果更準(zhǔn)確；因此，建議對于埋設(shè)深厚軟弱土層中的測斜管長度，取為基坑開挖深度的2.5倍以上。

圖13 16 m長測斜管在不同測距下的位移深度圖

圖14 20 m長測斜管在不同測距下的位移深度圖

從表3可以看出，測斜管以正確方式埋設(shè)于支護(hù)樁的測斜真實最大位移為36 mm，但由于埋管偏差則會使實測結(jié)果失真，僅為29.94 mm；16 m長的測斜管距離支護(hù)樁1、2、3 m的情況下，支護(hù)樁的最大位移約為測斜管的1.05、1.28、1.44倍；而20 m長的測斜管距離支護(hù)樁1、2、3 m的情況下，支護(hù)樁的最大位移約為測斜管的1.03、1.38、1.71倍。由此可以認(rèn)為，當(dāng)測斜管埋設(shè)距離支護(hù)樁大于1 m時，測斜誤差很大；而在實際基坑放坡開挖時，常將測斜管埋設(shè)測斜管埋設(shè)距離支護(hù)樁大于1 m甚至大于2 m，由此造成的測量誤差會導(dǎo)致監(jiān)測嚴(yán)重失真。要讓測斜管的感應(yīng)與支護(hù)樁變形具有更好的協(xié)同性，應(yīng)將測斜管放置于支護(hù)樁內(nèi)，或者測斜管埋設(shè)于基坑邊土體與支護(hù)樁的距離小于1 m。

表3 測斜管在不同測距下與支護(hù)樁的最大位移對比

綜上所述，1）如果實際位移50 mm作為警戒值，測斜管埋設(shè)在支護(hù)樁內(nèi)，可能因測斜管內(nèi)槽相對于測量面偏轉(zhuǎn)和鋼筋籠相對測量面偏轉(zhuǎn)而引起系統(tǒng)誤差，實測位移誤差可能偏少了1.76～7.74 mm。2）從表3可知，若以正確方式將測斜管埋設(shè)在土體中，且距離支護(hù)樁不大于1 m時的測量結(jié)果為34～35 mm，建議最大位移量在實測值的基礎(chǔ)上作2～3 mm的增加修正。

3 結(jié)論

（1）軟土地區(qū)深基坑支護(hù)的深層位移監(jiān)測，應(yīng)正確、合理地布設(shè)測斜管和選取埋設(shè)長度，應(yīng)用本文介紹的測斜量測技術(shù)和計算方法，可有效解決測斜管布設(shè)初始偏差、管底位移以及扭曲變形帶來的影響，使測斜量測結(jié)果更加準(zhǔn)確。

（2）測斜管所埋設(shè)的（軟弱土）介質(zhì)彈性模量對測斜精度有一定的影響，并存在相關(guān)性。所埋設(shè)測量體與測斜管的彈性模量比越小，其感應(yīng)位移變形的滯后性就越明顯。

（3）測斜管埋設(shè)于基坑外軟弱土體中所量測深層位移較埋設(shè)在支護(hù)樁結(jié)構(gòu)的中所量測深層位移結(jié)果要小；且測斜管埋設(shè)距支護(hù)樁的間距應(yīng)該小于1 m，其測量誤差較小，并對誤差修正給出了建議值。

（4）埋設(shè)于基坑邊緣土體中測斜管與埋設(shè)于支護(hù)結(jié)構(gòu)的測斜管變形基本一致，對于軟土地區(qū)，可以適當(dāng)增長測斜管長度來使管底位移為零，使量測簡單和位移計算更加準(zhǔn)確。