基坑变形监测及变形机理与规律分析研究

【关键词】基坑;变形监测;变形机理;规律分析 

　　1 前言 

　　在经济高速发展的大背景下，在建筑工程当中出现了越来越多的高层建筑，由此也使得建筑的基坑逐渐朝着深开挖、工作面较窄的方向发展。目前，基坑工程的设计、施工和监测被称为保证基坑工程质量安全的三大基本要素，其中基坑工程的监测包含基坑的变形监测、地下水动态检测和应力检测。由于在基坑的开挖过程中，开挖深度越深，土体原有的平衡被破坏的越严重，因此在土的应力发生变化之后，其支护结构也发生变形，这就容易导致建筑的周边地面产生不均匀沉降的现象，并且在这些现象周而复始、相互影响的作用下，严重威胁着整个工程的施工顺利进行，以及周围临近建筑和基础设施的安全。除此之外，建筑基坑的变形与周围的环境、天气情况、基坑的开挖深度以及开挖方法等诸多因素有关，因此只有对其进行变形监测，才能够实时发现基坑在开挖过程中发生的变化，及时对造成的危险进行预防，避免工程事故的发生。鉴于此，基坑的变形监测是基坑工程开挖过程中不可或缺的重要步骤，加强对于基坑的变形监测研究十分重要。 

　　2 基坑的变形监测 

　　2.1 基坑变形监测的重要作用 

　　在改革开放之前，我国建筑的基坑都比较浅，因此基坑技术并没有得到发展，但是近年来，随着高层建筑的不断涌现，深基坑的数量不断增加，因此对于深基坑的变形监测也得到了施工人员的高度重视。尤其是在大型的建筑工程中，很难单纯的从理论上对基坑的数据进行分析预测，只有将理论、经验和检测相互结合，才能够保证工程的顺利实施。因此，开展基坑变形的现场检测具有非常重要的意义，具体分析如下：首先，基坑的变形监测为工程的实施提供了实时的动态信息。由于基坑在开挖过程中常常受到周边环境、天气等因素的影响，其变化无规律可循，所以容易对周围的建筑物和基础设施造成一定的伤害，一旦危险发生则可能会造成不可挽回的损失。鉴于此，这就需要对施工现场的情况进行实时的检测，从而掌握基坑的动态信息，从而为施工单位进行施工的安排提供了方便。其次，有利于施工单位掌握基坑的变形程度。依据检测过程中所得到的数据，施工单位可以根据基坑开挖对于周围建筑物和基础设施所造成的影响，通过分析变形的程度，及时采取相应的措施，从而保证施工的进度。最后，基坑变形的监测能够及时发现工程事故发生的预兆，通过及时研究监测得到的数据，在事故发生之及时前，及时改进施工方案和采取相应的补救措施。 

　　2.2 基坑变形监测的具体实施措施 

　　在基坑的变形监测过程中，主要是对基坑的围护结构墙体、周围环境和地下水位情况进行监测，从而找到影响基坑变形的主要影响因素。目前，在上海国际华城办公综合楼的三期工程中，其基坑呈现多边形，南北宽60米，东西长约47米（北）和87米（南），开挖深度约为7.95到8.95米，并且采用明挖法施工。因此，对基坑进行变形监测的主要措施如下： 

　　2.2.1 布置监测点和埋设仪器 

　　一般来说，监测点主要布置在能够基坑开挖的影响区域，稍微大于基坑的两倍深度。所以在确定监测点之前，要对基坑的地质情况和基本围护方案有一个详细的了解，然后在再根据理论和经验设置布设点的位置和密度。从原则上讲，一般监测点的埋设要在开挖工程进行之前完成，并保证具有一定的稳定性，其中应该直接将对沉降和位移进行监测的观测点放置到被监测的物体上。其次，由于在基坑开挖之前需要对基坑内的水位进行降低，这个时候就会引起周围的地下水朝着基坑的位置汇集，就可能导致基坑范围内的塌方，所以加强对于地下水位的监测十分重要。鉴于此，在埋设测斜管装置的之后，将其埋设在比较容易引起塌方的地方，并沿着平行于围护结构的20到30厘米处进行布设。其中在水平测量的过程中，主要应用全站仪，具体公式如下： 

　　监测点坐标与观测角度和距离之间的关系函数为： 

　　其中，D为测站点到观测点之间的距离;β为基线方向与观测方向的夹角;X、Y为观测地点的坐标。 

　　由误差传播定律可以得出观测点坐标的误差： 

　　由上式可以得出2个独立直接观测点的点位误差： 

　　一般来说，测量水平位移监测的误差在3～6毫米之间，所以这时选用的基准点位置是比较恰当的。 

　　之后，在运用钻孔的方法来埋设水位管时，具体埋设方法如下图所示：一般来说，钻孔的直径为100mm，当完成钻孔之后，便进行泥浆的清除工作，然后将直径为50mm的水位管放入孔内，在孔的四周内填入砂，距上部4米的地方用粘土填回，并用盖子封好。 

　　2.2.2 确定和调整监测的频率 

　　基坑工程的监测频率是反映监测项目的变化的重要依据，并且要本着不遗漏的原则。一般来说，当对基坑的水平位移进行观测的时候，需要在开挖之前测量一个初始数值，然后根据工程对其进行调整，实行不同的监测方案，通常情况下，在开挖过程中要缩短监测的间隔时间，开挖之后就要延长间隔时间，一旦水平位移和沉降出现异常情况，则需要适时的增加监测时间。与此同时，还可以在水平位移监测的过程中同步进行对垂直位移、地下水位的检测。 

　　2.2.3 在施工期间进行巡查 

　　在基坑的施工过程中，要保证每天都有专门的检测人员进行巡查，主要包括对于支护结构、施工状况、周围环境和监测设施的巡视与检查。一旦发现基坑的周围环境发生了变化，就需要及时更改监测方案，加强对于基坑变形的检测时间，根据监测到的数据进行分析，研究是否会导致危险的发生。除此之外，一旦监测设施遭到了破坏，就可能中断信息的监测过程，从而使基坑发生不可修复的负面影响，所以，在巡查过程中要加强监测点的观察，一旦发生破坏，及时与施工单位沟通，通过采取相应的补救措施来保证监测点的正常工作，其具体流程图如下所示： 　　4 基坑变形的原因和机理 

　　在基坑的开挖过程中常常会受到土体开挖、土体降水等因素的影响，从而导致基坑发生变形。当前基坑的变形主要包含围护墙体的变形、基坑周围底层的位移和坑底的隆起等现象。围护墙体的变形有水平方向变形和垂直方向变形两种，一般在基坑开挖之后，基坑的内侧失去了原有的压力，从而导致墙体的受到全部或者部分土压力，进而产生变形。关于基坑周围底层的位移，主要是由于在土体开挖之后失去了荷载，受到围护墙体两侧压力差的作用，就导致基坑内部的发生水平的位移。和基坑周围底层的位移不同，坑底隆起是土体卸荷之后发生的垂直方向变化，一般在浅层的基坑开挖中，当开挖结束后很快停止，但是随着开挖深度的增加，受到土体内外压差的作用，坑底的土壤向上隆起，当到达一定极限时，则可能导致周围底层的沉陷，致使基坑失稳。 

　　基坑变形的规律分析 

　　通过上述对基坑变形监测的实施措施和变形机理的分析，我们可以初步得到基坑的变形规律，具体如下：首先，在基坑开挖的过程中，对于周边的管线设施和建筑物的影响比较大，，容易引起地表发生沉降现象。与此同时，在减缓地下工程的实施进度的时候，其沉降的趋势也有所稳定。 其次，基坑的开挖使得起到围护作用的墙体会朝着基坑发生内向位移，并且位移的程度会随着开挖深度的增加而不断进行，一般最大的位移处于距离开挖面0.5到1米的地方。与此同时，在基坑开挖深度不断增加的基础上，支撑轴力会持续增加，但是增加的幅度会不断减少，等到开挖完成之后，支撑轴力会保持在一个数值上。这时，随着地下工程实施过程的进行，围护结构墙体的移动会趋于平缓的状态，一直到稳定的数值就不在变化，也就是最大变形位置。最后一点，通常情况下，如果在基坑的开挖过程中具有很好的止水效果，那么地下水位就不会发生很大的波动，由此基坑的开挖程度会对地下水位的影响很小，从而也可以说明地下水位并不是导致基坑变形的最主要因素。 

　　结束语 

　　综上所述，基坑的变形监测工作直接影响着整个建筑工程的施工安全，也成为保证基坑工程质量的基本要素。所以，当前加强对于建筑基坑的变形检测势在必行，通过分析基坑变形的原因与机理，掌握基坑变形的规律，从而在基坑工程出现重大事故之前及时做好变形监测工作，将这些安全事故消灭在萌芽之中，进而保障人们的生命财产安全。 

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