深基坑開挖邊坡垂直位移矢量角監測參數與預警方法
【專利摘要】本發明的目的在于提出一種基于基坑坡頂水平位移和垂直位移同時監測的邊坡穩定性檢測與安全預警方法，本發明包括以下步驟：基坑開挖邊坡位移監測點及基準點的選取；位移監測設備的布置與安裝；基坑開挖邊坡表層位移實時監測及其監測數據的實時處理；基坑開挖邊坡垂直位移矢量角參數及其序列的確定；基坑開挖垂直位移矢量角參數穩定性預警判據的確定；基坑開挖邊坡動態穩定性的評價與失穩的監測預警。本發明提出了將基坑開挖邊坡水平位移與垂直位移進行耦合，以此將基坑邊坡表層位移矢量與水平面的夾角定義為垂直位移矢量角，實現了對基坑邊坡動態穩定性的評價與實時監測預報以及失穩預警。
【專利說明】深基坑開挖邊坡垂直位移矢量角監測參數與預譬方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及固定建筑物【技術領域】，尤其設及深基坑參數檢測和預警，具體的說設 及一種深基坑開挖邊坡垂直位移矢量角監測參數與預警方法。
【背景技術】
[0002] 隨著我國社會經濟的飛速發展與不可再生±地資源的限制，開發和利用地下空間 已成為必然趨勢，伴隨而來的是深基坑工程大量涌現，它具有變形大、突發性強、危害性嚴 重、失穩因素多等特點W及向超深度、超大面積、超復雜周圍環境發展的趨勢，且在我國工 程建設事故中占有相當大的比例。因此，對建筑基坑工程安全性的要求也越來越高。
[0003] 目前，在基坑工程穩定性的分析與評價中，常采用的方法為極限平衡法、有限元分 析法和基坑監測預警方法。由于極限平衡法只引入靜力平衡條件和材料剪切破壞的"摩 爾-庫侖"準則，回避了變形協調關系W及相應的本構關系，而且所建立的模型和參數是無 時間因素的靜態評價模型，所W，該類方法建模的局限給基坑邊坡的準確動態監測預警與 評價常常會帶來極大的困難；有限元分析法在基坑工程中的應用大多是基于連續介質理論 基礎上解決小變形問題的數值模擬，對于大變形及離散介質的模擬具有一定的局限性，使 得結果不能更真實的反映實際情況，而造成預測結果的不準確性；對于基坑監測預警方法， 建筑基坑工程監測技術規范中規定基坑工程監測報警值應由監測項目的累計位移量和位 移變化速率值共同控制。
[0004] 然而，眾所周知，基坑邊坡位移矢量場的自由度為水平方向X和垂直方向Y兩個方 向且是由其大小和方向兩個因素共同決定，而位移量或位移速率只是描述位移矢量場大小 變化的量化評價參數，但該參數根本反映不了邊坡位移矢量場方向性的變化規律，且在降 雨或其他外動力作用下其基坑工程累計位移量和位移變化速率值會不斷發生加速階梯狀 振蕩型變化，而邊坡相應階段的穩定性未必真正降低。
[0005] 因此，目前基坑監測預警方法采用單維度位移報警值作為安全報警判據，必會引 起預警結果的多解性和或然性，使基坑邊坡穩定性評價結果存在極大風險。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于克服上述基坑監測預警方法的不足，提出一種基于基坑坡頂水 平位移和垂直位移同時監測的邊坡穩定性檢測與安全預警方法，該基坑邊坡穩定性評價方 法不僅可克服靜態極限力學評價法無法檢測和分析邊坡穩定性隨時間的變化規律的局限 及有限元分析法無法解決大變形問題及離散介質的數值模擬，同時又可克服傳統基坑監測 預警方法無明確的定量穩定性與失穩判據W及無法檢測和判定其變形性質等弊端的深基 坑開挖邊坡垂直位移矢量角監測參數與預警方法。
[0007] 為了達到上述目的，本發明包括W下步驟：
[000引 （1)基坑開挖邊坡位移監測點及基準點的選取；即：對待測定基坑開挖邊坡，分析 和確定其開挖速率、開挖深度、邊坡體尺寸和分布范圍的特征，并在基坑邊坡坡頂適當位置 布設坡層位移監測點及基準點，保證變形監測點與基準點共同形成邊坡坡面位移監測控制 網；
[0009] (2)位移監測設備的布置與安裝；
[0010] (3)基坑開挖邊坡表層位移實時監測及其監測數據的實時處理；
[0011] (4)基坑開挖邊坡垂直位移矢量角參數及其序列的確定；即；邊坡垂直位移矢量 角是一種邊坡整體垂直位移方向協調性的評價參數，為邊坡位移矢量與水平面的夾角，數 值上等于垂直位移量與水平位移量或垂直位移速率與水平位移速率之比值的反正切值 V(0)；
[0012] (5)基坑開挖垂直位移矢量角參數穩定性預警判據的確定；即：根據邊坡垂直位 移矢量角評價參數的穩定性演化規律和數理統計均方差基本理論，分析和評價其是否存在 失穩異常突變，即運用垂直位移矢量角時間序列的均值表示滑坡的穩定性趨勢統計參數， 運用垂直位移矢量角時間序列的均方差代表邊坡非穩定性演變統計評價參數，將垂直位移 矢量角時間序列均值與±1或2倍均方差之差作為邊坡垂直位移矢量角的整體失穩判據；
[0013] (6)基坑開挖邊坡動態穩定性的評價與失穩的監測預警；即；將基坑開挖邊坡的 垂直位移矢量角作為邊坡穩定性的評價與監測預警參數，對基坑邊坡穩定性進行監測與評 價，即通過對任意監測周期的v( 0 )ki與[v( 0) J進行比較，可對基坑邊坡穩定性進行動態 監測與評價。
[0014] 本發明克服了現有基坑監測預警方法的不足，提出了將基坑開挖邊坡水平位移與 垂直位移進行禪合，W此將基坑邊坡表層位移矢量與水平面的夾角定義為垂直位移矢量 角。開挖過程中對基坑變形位移量進行實時監測，確定垂直位移矢量角隨開挖深度增加的 變化規律。根據彈塑性力學基本原理，研究和確定了基坑邊坡的垂直位移矢量角在不同穩 定性演化階段的變化規律，并運用數理統計理論的均方差基本原理建立了基坑穩定性演化 與失穩異常判據。通過對不同開挖階段垂直位移矢量角值與異常判據的對比分析，實現對 基坑邊坡動態穩定性的評價與實時監測預報W及失穩預警。
[0015] 進一步地，步驟（1)基坑開挖邊坡位移監測點及基準點的選取具體步驟：
[0016] 1)基坑位移監測點的布置：
[0017] 監測點布置在基坑坡頂周邊中部、陽角處、內力和變形關鍵特征點上，監測點距離 開挖面為D = 0. 5?Im，監測點水平間距不宜大于20m，每邊監測點數目不宜少于3個，保 證監測點與變形體固結為一體，采用油漆S角符號標識并做編號；
[001引。基準點的布置：
[0019] 至少布置3個穩定、可靠的點作為基準點，位移監測基準點的埋設在基坑開挖深 度3倍范圍W外不受施工影響的穩定區域，或利用已有穩定的施工控制點，不埋設在低珪 積水、濕陷、凍脹、脹縮等影響范圍內；基準點該設置有強制對中的觀測壞，采用精密的光學 對中裝置，對中誤差不宜大于0. 5mm。
[0020] 進一步地，步驟（2)的位移監測設備的布置與安裝為；位移監測設備選用TC2003 高精度自動全站儀，在深基坑附近通視良好的位置，自由設置一個便于觀測的觀測站并架 設自動全站儀，隨意設置測站點的空間坐標和方位角，W角度和距離同步測量的極坐標分 析為基礎，結合儀器高精度數據智能采集分析能力，對監測目標進行自動識別定位。
[0021] 進一步地，步驟（3)的基坑開挖邊坡表層位移實時監測及其監測數據的實時處 理：基坑的變形監測從基坑工程開挖開始，直到地下工程完成為止，基坑分層開挖正式開 始，運用TC2003高精度自動全站儀對監測點進行實時位移監測，每個監測周期作為一個統 計分析周期，利用全站儀內置程序自動分析處理監測數據W及遠程監控，利用光纖專網或 3G/GPS/GPRS公網進行數據遠程傳輸至分析站或分析客戶端，通過對各監測點的周期性觀 測和數據采集，得到建筑基坑開挖過程中各變形觀測點的位移變化數據信息，此過程中，對 監測儀器、設備的進行維護保養，確保固定人員監測和整理成果，W減少監測誤差包括水平 位移和垂直位移速率及位移累積變化量；
[0022] 在此監測過程中分為四種監測情況：
[0023] 1)前兩層開挖時，每開挖一層監測3次位移量，從第=層開挖開始，每完成一層開 挖監測1次位移量；
[0024] 2)監測期間出現監測數據變化較大或者速率加快，勘察未發現的不良地質，周邊 大量積水、長時間連續降雨突發，較大沉降、不均勻沉降的有關現象，可根據情況縮短監測 周期；
[0025] 3)施工期間因故停工超過S個月，在停工、復工前進行監測；
[0026] 4)外界發生劇烈變化時及時監測，監測期間定期檢查基準點的穩定性，保證基準 點始終處于穩定狀態。
[0027] 進一步地，步驟（4)的基坑開挖邊坡垂直位移矢量角參數及其序列的確定還包括 開挖層次數值序列為：
【權利要求】
1. 一種深基坑開挖邊坡垂直位移矢量角監測參數與預警方法，其特征在于，包括以下 步驟： (1) 基坑開挖邊坡位移監測點及基準點的選取；即：對待測定基坑開挖邊坡，分析和確 定其開挖速率、開挖深度、邊坡體尺寸和分布范圍的特征，并在基坑邊坡坡頂適當位置布設 坡層位移監測點及基準點，保證變形監測點與基準點共同形成邊坡坡面位移監測控制網； (2) 位移監測設備的布置與安裝； (3) 基坑開挖邊坡表層位移實時監測及其監測數據的實時處理； (4) 基坑開挖邊坡垂直位移矢量角參數及其序列的確定；S卩：邊坡垂直位移矢量角是 一種邊坡整體垂直位移方向協調性的評價參數，為邊坡位移矢量與水平面的夾角，數值上 等于垂直位移量與水平位移量或垂直位移速率與水平位移速率之比值的反正切值V( 0 ); (5) 基坑開挖垂直位移矢量角參數穩定性預警判據的確定；S卩：根據邊坡垂直位移矢 量角評價參數的穩定性演化規律和數理統計均方差基本理論，分析和評價其是否存在失穩 異常突變，即運用垂直位移矢量角時間序列的均值表示滑坡的穩定性趨勢統計參數，運用 垂直位移矢量角時間序列的均方差代表邊坡非穩定性演變統計評價參數，將垂直位移矢量 角時間序列均值與±1或2倍均方差之差作為邊坡垂直位移矢量角的整體失穩判據； (6) 基坑開挖邊坡動態穩定性的評價與失穩的監測預警；S卩：將基坑開挖邊坡的垂直 位移矢量角作為邊坡穩定性的評價與監測預警參數，對基坑邊坡穩定性進行監測與評價， 即通過對任意監測周期的V( 0產與[V( 0 )k]進行比較，可對基坑邊坡穩定性進行動態監 測與評價。
2. 根據權利要求1所述的深基坑開挖邊坡垂直位移矢量角監測參數與預警方法，其特 征在于，步驟（1)基坑開挖邊坡位移監測點及基準點的選取具體步驟： 1) 基坑位移監測點的布置： 監測點布置在基坑坡頂周邊中部、陽角處、內力和變形關鍵特征點上，監測點距離開挖 面為D= 〇. 5?lm，監測點水平間距不宜大于20m，每邊監測點數目不宜少于3個，保證監 測點與變形體固結為一體，采用油漆三角符號標識并做編號； 2) 基準點的布置： 至少布置3個穩定、可靠的點作為基準點，位移監測基準點的埋設在基坑開挖深度3倍 范圍以外不受施工影響的穩定區域，或利用已有穩定的施工控制點，不埋設在低洼積水、濕 陷、凍脹、脹縮等影響范圍內；基準點該設置有強制對中的觀測墩，采用精密的光學對中裝 置，對中誤差不宜大于0. 5mm。
3. 根據權利要求1所述的深基坑開挖邊坡垂直位移矢量角監測參數與預警方法，其特 征在于，步驟（2)的位移監測設備的布置與安裝為：位移監測設備選用TC2003高精度自動 全站儀，在深基坑附近通視良好的位置，自由設置一個便于觀測的觀測站并架設自動全站 儀，隨意設置測站點的空間坐標和方位角，以角度和距離同步測量的極坐標分析為基礎，結 合儀器高精度數據智能采集分析能力，對監測目標進行自動識別定位。
4. 根據權利要求1所述的深基坑開挖邊坡垂直位移矢量角監測參數與預警方法，其特 征在于，步驟（3)的基坑開挖邊坡表層位移實時監測及其監測數據的實時處理：基坑的變 形監測從基坑工程開挖開始，直到地下工程完成為止，基坑分層開挖正式開始，運用TC2003 高精度自動全站儀對監測點進行實時位移監測，每個監測周期作為一個統計分析周期，利 用全站儀內置程序自動分析處理監測數據以及遠程監控，利用光纖專網或3G/GPS/GPRS公 網進行數據遠程傳輸至分析站或分析客戶端，通過對各監測點的周期性觀測和數據采集， 得到建筑基坑開挖過程中各變形觀測點的位移變化數據信息，此過程中，對監測儀器、設備 的進行維護保養，確保固定人員監測和整理成果，以減少監測誤差包括水平位移和垂直位 移速率及位移累積變化量； 在此監測過程中分為四種監測情況： 1) 前兩層開挖時，每開挖一層監測3次位移量，從第三層開挖開始，每完成一層開挖監 測1次位移量； 2) 監測期間出現監測數據變化較大或者速率加快，勘察未發現的不良地質，周邊大 量積水、長時間連續降雨突發，較大沉降、不均勻沉降的有關現象，可根據情況縮短監測周 期； 3) 施工期間因故停工超過三個月，在停工、復工前進行監測； 4) 外界發生劇烈變化時及時監測，監測期間定期檢查基準點的穩定性，保證基準點始 終處于穩定狀態。
5. 根據權利要求1所述的深基坑開挖邊坡垂直位移矢量角監測參數與預警方法，其特 征在于，步驟（4)的基坑開挖邊坡垂直位移矢量角參數及其序列的確定還包括開挖層次數 值序列為：
其中，i(i= 1/3, 2/3, 1，4/3, 5/3, 2, 3, 4, 5…n)表示監測周期對應的開挖層序列；k(k=1，2, 3,…n)表示監測點編號；V( 0 )ki為開挖到第i層時，第k個監測點所對應的垂直位 移矢量角。Dyki為開挖到第i層時，第k個監測點的累積垂直位移量；Dxki為開挖到第i層 時，第k個監測點的累積水平位移量；Vyki為開挖到第i層時，第k個監測點的垂直位移速 率；Vxki為開挖到第i層時，第k個監測點的水平位移速率。
6. 根據權利要求1所述的深基坑開挖邊坡垂直位移矢量角監測參數與預警方法，其特 征在于，步驟（5)的基坑開挖垂直位移矢量角參數穩定性預警判據的確定： 1) 求得某監測點各個監測周期所對應的垂直位移矢量角； 2) 統計垂直位移矢量角的平均值并計算其對應的均方差〇k; 3) 根據所求得的垂直位移矢量角波動情況，以此序列求得的均值^!減去±1或2 倍〇k作為邊坡開挖各階段對應的垂直位移矢量角均方差異常判據，其計算如下：
其中，V(0)k為k監測點處垂直位移矢量角的平均值，0k為k監測點處垂直位移矢量 角的均方差，[v( 0 )k]為k監測點處垂直位移矢量角判據，根據計算數據繪制垂直位移矢量 角/異常判據一一時間折線圖。
7.根據權利要求1所述的深基坑開挖邊坡垂直位移矢量角監測參數與預警方法，其 特征在于，步驟（6)基坑開挖邊坡動態穩定性的評價與失穩的監測預警：根據垂直位移 矢量角階段性演化規律并結合公式（5)認為：當JZ(O)A-cnt<K(6?)a',<K(外(+m， 則判定建筑基坑邊坡處于穩定變形狀態，可繼續按施工設計方案開挖；當 V{O)k-2<Jk<V{0)u<V{0)k-(Jk，則判定建筑基坑邊坡處于不穩定變形狀態，及時采 出相應加固與治理措施；7(0)〃 <^I_-2<TA_，則判定建筑基坑邊坡處于即將整體滑移 階段，此時發出邊坡穩定性與失穩預警。
【文檔編號】G01B21/22GK104501766SQ201410822114
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月25日 優先權日:2014年12月25日
【發明者】賀可強, 陳洪翠, 臧翠萍 申請人:青島理工大學