基坑工程监测项目与监测方法培训讲义

6-2-11基坑工程监测6-2-11-1支护结构监测支护结构的设计，虽然根据地质勘探资料和使用要求进行了较详细的计算，但由于土层的复杂性和离散性，勘探提供的数据常难以代表土层的总体情况，土层取样时的扰动和试验误差亦会产生偏差；荷载和设计计算中的假定和简化会造成误差；挖土和支撑装拆等施工条件的改变，突发和偶然情况等随机困难等亦会造成误差。为此，支护结构设计计算的内力值与结构的实际工作状况往往难以准确的一致。所以，在基坑开挖与支护结构使用期间，对较重要的支护结构需要进行监测。通过对支护结构和周围环境的监测，能随时掌握土层和支护结构内力的变化情况，以及邻近建筑物、地下管线和道路的变形情况，将观测值与设计计算值进行对比和分析，随时采取必要的技术措施，以保证在不造成危害的条件下安全地进行施工。支护结构和周围环境的监测的重要性，正被越来越多的建设和施工单位所认识，它作为基坑开挖和支护结构工作期间的一项技术，已被列入支护结构设计。1．支护结构监测项目与监测方法基坑和支护结构的监测项目，根据支护结构的重要程度、周围环境的复杂性和施工的要求而定。要求严格则监测项目增多，否则可减之，表6-135所列之监测项目为重要的支护结构所需监测的项目，对其他支护结构可参照之增减。支护结构监测项目与监测方法表6-135监测对象监测项目监测方法备注支护结构围护墙侧压力、弯曲应力力、变形土压力计、孔隙水水压力计、测测斜仪、应变变计、钢筋计计、水准仪等等验证计算的荷载、内内力、变形时时需监测的项项目支撑（锚杆）轴力、弯曲应力应变计、钢筋计、传传感器验证计算的内力腰梁（围檩）轴力、弯曲应力应变计、钢筋计、传传感器验证计算的内力立柱沉降、抬起水准仪观测坑底隆起的项项目之一2．支护结构监测常用仪器及其应用支护结构的监测，主要分为应力监测与变形监测。应力监测主要用机械系统和电气系统的仪器；变形监测主要用机械系统、电气系统和光学系统的仪器。（1）变形监测仪器变形监测仪器除常用的经纬仪、水准仪外，主要是测斜仪。测斜仪是一种测量仪器轴线与沿垂线之间夹角的变化量，进行测量围护墙或土层各点水平位移的仪器（图6-196）。使用时，沿挡墙或土层深度方向埋设测斜管（导管），让测斜仪在测斜管内一定位置上滑动，就能测得该位置处的倾角，沿深度各个位置上滑动，就能测得围护墙或土层各标高位置处的水平位移。图6-196测斜仪1-敏感部件；2-壳体；3-导向轮；4-引出电缆测斜仪最常用者为伺服加速度式和电阻应变片式。伺服加速度式测斜仪精度较高，但造价亦高；电阻应变片式测斜仪造价较低，精度亦能满足工程的实际需要。BC型电阻应变片式测斜仪的性能如表6-136所示。BC型电阻应变片式测斜仪的性能表6-136规格BC-5BC-10尺寸参数连杆直径（mm）3636标距（mm）500500总长（mm）650650量程±5°±10°输出灵敏度（1//μν）≈±1000≈±1000率定常数（1/μμε）≈9"≈18"线性误差（FS）≤±1％≤±1％绝缘电阻（mΩ）≥100≥100测斜管可用工程塑料、聚乙烯塑料或铝质圆管。内壁有两个对互成90°的导槽，如图6-197所示。图6-197测斜管断面1-导向槽；2-管壁测斜管的埋设视测试目的而定。测试土层位移时，是在土层中预钻φ139的孔，再利用钻机向钻孔内逐节加长测斜管，直至所需深度，然后，在测斜管与钻孔之间的空隙中回填水泥和膨润土拌合的灰浆；测试支护结构挡墙的位移时，则需与围护墙紧贴固定。（2）应力监测仪器1）土压力观测仪器在支护结构使用阶段，有时需观测随着挖土过程的进行，作用于围护墙上土压力的变化情况，以便了解其与土压力设计值的区别，保证支护结构的安全。测量土压力主要采用埋设土压力计（亦称土压力盒）的方法。土压力计有液压式、气压平衡式、电气式（有差动电阻式、电阻应变式、电感式等）和钢弦式，其中应用较多的为钢弦式土压力计。钢弦式土压力计有单膜式、双膜式之分。单膜式者受接触介质的影响较大，由于使用前的标定要与实际土壤介质完全一致往往难以做到，故测量误差较大。所以目前使用较多的仍是双膜式的钢弦式土压力计。钢弦式双膜土压力计的工作原理是：当表面刚性板受到土压力作用后，通过传力轴将作用力传至弹性薄板，使之产生挠曲变形，同时也使嵌固在弹性薄板上的两根钢弦柱偏转、使钢弦应力发生变化，钢弦的自振频率也相应变化，利用钢弦频率仪中的激励装置使钢弦起振并接收其振荡频率，使用预先标定的压力-频率曲线，即可换算出土压力值。钢弦式双膜土压力计的构造如图6-218所示。图6-198钢弦式双膜土压力计的构造1-刚性板；2-弹性薄板；3-传力轴；4-弦夹；5-钢弦钢弦式土压力计的规格如表6-137所示。它同时配有SS-2型袖珍数字式频率接收仪。钢弦式土压力计的技术性能表6-137型号JXY-2LXXY-2（单膜式）JXY-4LXXY-4（双膜式）规格（N/mm22）0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.8，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0，6.00.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.8，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0，6.0，8.0主要技术指标零点漂移3~5Hz/3个个月3~5Hz/3个个月重复性＜0.5％FS＜0.5％FS得合误差＜2.5％FS＜2.5％FS温度-频率特性3~4Hz/100℃3~4Hz/100℃使用环境温度-10~＋50CC-10~＋50CC外形尺寸φ114mm×288mmφ114mm×355mm2）孔隙水压力计测量孔隙水压力用的孔隙水压力计，其形式、工作原理皆与土压力计相同，使用较多的亦为钢弦式孔隙水压力计。其技术性能如表6-138所示。钢弦式孔隙水压力计的技术性能表6-138型号JXS-1JXS-2量程0.1~1.0NN/mm2频带450Hz长期观测零点最大大漂移＜±1％FS滞后性＜±0.5％FS满负荷徐变＜-0.5％FS使用环境温度4~60℃温度-频率特性0.15Hz/℃℃封闭性能在使用量程内不泄泄漏外形尺寸φ60mm×1400mmφ60mm×2600mm孔隙水压力计宜用钻孔埋设，待钻孔至要求深度后，先在孔底填入部分干净的砂，将测头放入，再于测头周围填砂，最后用粘土将上部钻孔封闭。3）支撑内力测试支撑内力测试方法，常用的有下列几种：①压力传感器压力传感器有油压式、钢弦式、电阻应变片式等多种。多用于型钢或钢管支撑。使用时把压力传感器作为一个部件直接固定在钢支撑上即可。②电阻应变片亦多用于测量钢支撑的内力。选用能耐一定高温、性能良好的箔式应变片，将其贴于钢支撑表面，然后进行防水、防潮处理并做好保护装置，支撑受力后产生应变，由电阻应变仪测得其应变值进而可求得支撑的内力。应变片的温度补偿宜用单点补偿法。电阻应变仪宜用抗干扰、稳定性好的应变仪，如YJ-18型、YJD-17型等电阻应变仪。③千分表位移量测装置测量装置如图6-199所示。量测原理是：当支撑受力后产生变形，根据千分表测得的一定标距内支撑的变形量，和支撑材料的弹性模量等参数，即可算出支撑的内力。图6-199千分表量测装置1-钢支撑；2-千分表；3-标杆；4、5-支座；6-紧固螺丝④应力、应变传感器该法用于量测钢筋混凝土支撑系统中的内力。对一般以承受轴力为主的杆件，可在杆件混凝土中埋入混凝土计，以量测杆件的内力。对兼有轴力和弯矩的支撑杆件和围糠等，则需要同时埋入混凝土计和钢筋计，才能获得所需要的内力数据。为便于长期量测，多用钢弦式传感器，其技术性能如表6-139、表6-140所示。应力、应变传感器的埋设方法，钢筋计应直接与钢筋固定，可焊接或用接驳器连接。混凝土计则直接埋设在要测试的截面内。JXG-1型钢筋计的技术性能表6-139规格φ12φ14φ16φ18φ20φ22φ25φ28φ30φ32φ36最大外径（mm）φ32φ32φ32φ32φ34φ35φ38φ42φ44φ47φ55总长（mm）783783783785785785785795795795795最大拉力（kN）223040506080100120140160200最大压力（kN）11152025304050607080100最大拉应力（MPPa）200最大压应力（MPPa）100分辨率（％FS）≤0.2零漂（Hz/3个个月）3~5温度漂移（Hz//10℃）3~4使用环境温度（℃℃）－10~＋50JXH-2型混凝土应变计的技术性能表6-140规格（MPa）10203040等效弹性模量（MMPa）1.5×1043.0×1044.5×1046.0×104总应变（με）800~10000分辨率（％FS）≤0.2零漂（Hz/3个个月）3~5总长（mm）150最大外径（mm）φ35.68承压面积（mm22）1000温度漂移（Hz//10℃）3~4使用环境温度（℃℃）－10~＋506-2-11-2周围环境监测受基坑挖土等施工的影响，基坑周围的地层会发生不同程度的变形。如工程位于中心地区，基坑周围密布有建筑物、各种地下管线以及公共道路等市政设施，尤其是工程处在软弱复杂的地层时，因基坑挖土和地下结构施工而引起的地层变形，会对周围环境（建筑物、地下管线等）产生不利影响。因此在进行基坑支护结构监测的同时，还必须对周围的环境进行监测。监测的内容主要有：坑外地形的变形；临近建筑物的沉降和倾斜；地下管线的沉降和位移等。建筑物和地下管线等监测涉及到工程外部关系，应由具有测量资质的第三方承担，以使监测数据可靠而公正。测量的技术依据应遵循中华人民共和国现行的《城市测量规范》（GJJ8-85）、《建筑变形测量规程》（JGJ/T8-97）、《工程测量规范》（GB50026-93）等。1．坑外地层变形基坑工程对周围环境的影响范围大约有1~2倍的基坑开挖深度，因此监测测点就考虑在这个范围内进行布置。对地层变形监测的项目有：地表沉降、土层分层沉降和土体测斜以及地下水位变化等。（1）地表沉降地表沉降监测虽然不是直接对建筑物和地下管线进行测量，但它的测试方法简便，可以根据理论预估的沉降分布规律和经验，较全面地进行测点布置，以全面地了解基坑周围地层的变形情况。有利于建筑物和地下管线等进行监测分析。监测测点的埋设要求是，测点需穿过路面硬层，伸入原状土300mm左右，测点顶部做好保护，避免外力产生人为沉降。图6-200为地表沉降测点埋设示意图。量测仪器采用精密水准仪，以二等水准作为沉降观测的首级控制，高程系可联测城市或地区的高程系，也可以用假设的高程系。基准点应设在通视好，不受施工及其他外界因素影响的地方。基坑开挖前设点，并记录初读数。各测点观测应为闭合或附合路线，水准每站观测高差中误差M0为0.5mm，闭合差FW为mm（N为测站数）。图6-200地表沉降测点埋设示意1-盖板；2-20钢筋（打入原状土）地表沉降测点可以分为纵向和横向。纵向测点是在基坑附近，沿基坑延伸方向布置，测点之间的距离一般为10~20m；横向测点可以选在基坑边长的中央，垂直基坑方向布置，各测点布置间距为，离基坑越近，测点越密（取1m左右），远一些的地方测点可取2~4m，布置范围约3倍的基坑开挖深度。每次量测提供各测点本次沉降和累计沉降报表，并绘制纵向和横向的沉降曲线，必要时对沉降变化量大而快的测点绘制沉降速率曲线。（2）地下水位监测如果围护结构的截水帷幕质量没有完全达到止水要求，则在基坑内部降水和基坑挖土施工时，有可能使坑外的地下水渗漏到基坑内。渗水的后果会带走土层的颗粒，造成坑外水、土流失。这种水、土流失对周围环境的沉降危害较大。因此进行地下水位监测就是为了预报由于地下水位不正常下降而引起的地层沉陷。测点布置在需进行监测的建（构）筑物和地下管线附近。水位管埋设深度和透水头部位依据地质资料和工程需要确定，一般埋深10~20m左右，透水部位放在水位管下部。水位管可采用PVC管，在水位管透水头部位用手枪钻钻眼，外绑铝网或塑料滤网。埋设时，用钻机钻孔，钻至设计埋深，逐节放入PVC水位管，放完后，回填黄砂至透水头以上1m，再用膨润土泥丸封孔至孔口。水位管成孔垂直度要求小于5/10000埋设完成后，应进行24h降水试验，检验成孔的质量。测试仪器采用电测水位仪，仪器由探头、电缆盘和接收仪组成。仪器的探头沿水位管下放，当碰到水时，上部的接收仪会发生蜂鸣声，通过信号线的尺寸刻度，可直接测得地下水位距管的距离。2．临近建（构）筑物沉降和倾斜监测建筑物变形监测主要内容有3项：即建筑物的沉降监测；建筑物的倾斜监测和建筑物的裂缝监测。在实施监测工作和测点布置前，应先对基坑周围的建筑进行周密调查，再布置测点进行监测。（1）周围建筑物情况调查对建筑物的调查主要是了解地面建筑物的结构型式、基础型式、建筑层数和层高、平立面形状以及建筑物对不同沉降差的反应。各类建筑物对差异沉降的承受能力可参阅表6-141和表6-142的规定，确定相应的控制标准。对重要、特殊的建筑结构应作专门的调研，然后决定允许的变形控制标准。差异沉降和相应建筑物的反应表6-141建筑结构类型建筑物反应1．一般砖墙承重结构构，包括有内内框架的结构构：建筑物长长高比小于10；有圈粱；天然地基（条形基基础）达1/150分隔墙及承重砖墙墙发生相当多多的裂缝可能能发生结构性性破坏2．一般钢筋混凝土框框架结构达1/150发生严重变形达1/500开始出现裂缝3．高层刚性建筑（箱箱型基桩、桩桩基）达1/250可观察到建筑物倾倾斜4．有桥式行车的单层层排架结构的的厂房天然地地基或桩基达1/300桥式行车运转困难难，不调整轨轨面水平难运运行，分隔墙墙有裂缝5．有斜撑的框架结构构达1/600处于安全极限状态态6．对沉降差反应敏感感的机器基础础达1/850机器使用可能会发发生困难，处处于可运行的的极限状态注：1．框架结构有多种基础形式，包括：现浇单独基础，现浇条形基础，现浇片筏基础、现浇箱形基础，装配式单独基础，装配条形基础以及桩基。不同基础形式的框架对沉降差的反应也不同。上表只提出了一般框架结构对差异沉降的反应，因此对重要框架结构在差异沉降下的反应，还要仔细调研其基础形式和使用要求，以确定允许的差异沉降量。2．各种基础形式的高耸烟囱、化工塔罐、气柜、高炉、塔桅结构（如电视塔）、剧院、会场空旷结构等特别重要的建筑设施要做专门调研，以明确允许差异沉降值。3．内框架（特别是单排内框架）和底层框架（条形或单独基础）的多层砌体建筑结构，对不均匀沉降很敏感，亦应专门调研。建筑物的基础倾斜允许值表6-142建筑物类别允许倾斜多层和高层建筑的的整体倾斜H≤24m0.00424m＜H≤600m0.00360m＜H≤1000m0.0025H＞100m0.002高耸结构基础的倾倾斜H≤20m0.00820m＜H≤600m0.00660m＜H≤1000m0.005100m＜H≤1150m0.004150m＜H≤2200m0.003200m＜H≤2250m0.002在对周围建筑物进行调查时，还应对各个不同时期的建筑物裂缝进行现场踏勘；在基坑施工前，对老的裂缝进行统一编号、测绘、照相，对裂缝变化的日期、部位、长度、宽度等进行详细记录。（2）建筑物沉降监测1）根据周围建筑物的调查情况，确定测点布置部位和数量。房屋沉降量测点应布置在墙角、柱身（特别是代表独立基础及条形基础差异沉降的柱身）、外形突出部位和高低相差较多部位的两侧，测点间距的确定，要尽可能充分反映建筑物各部分的不均匀沉降。2）沉降观测点标志和埋设：①钢筋混凝土柱或砌体墙用钢凿在柱子±0.000标高以上100~500mm处凿洞，将直径20mm以上的钢筋或铆钉，制成弯钩形，平向插入洞内，再以1：2水泥砂浆填实。②钢柱将角钢的一端切成使脊背与柱面成50°~60°的倾斜角，将此端焊在钢柱上；或者将铆钉弯成钩形，将其一端焊在钢柱上。（3）建筑物沉降观测技术要求建筑物沉降观测的技术要求同地表沉降观测要求，使用的观测仪器一般也为精密水准仪，按二等水准标准。每次量测提交建筑物各测点本次沉降和累计沉降报表；对连在一线的建筑物沉降测点绘制沉降曲线；对沉降量变化大又快的测点，应绘制沉降速率曲线。（4）建筑物倾斜监测测定建筑物倾斜的方法有两类：一类是直接测定建筑物的倾斜；另一类是通过测量建筑物基础相对沉降的方法来确定建筑物倾斜。下面介绍建筑物倾斜直接观测的方法。在进行观测之前，首先要在进行倾斜观测的建筑物上设置上、下两点线或上、中、下三点标志，作为观测点，各点应位于同一垂直视准面内。如图6-201所示，M、N为观测点。如果建筑物发生倾斜，MN将由垂直线变为倾斜线。观测时，经纬仪的位置距离建筑物应大于建筑物的高度，瞄准上部观测点M，用正倒镜法向下投点得N'，如N'与N点不重合，则说明建筑物发生倾斜，以a表示N'、N之间的水平距离，a即建筑物的倾斜值。若以H表示其高度，则倾斜度为：图6-201倾斜观测i=a/H高层建筑物的倾斜观测，必须分别在互成垂直的两个方向上进行。通过倾斜观测得到的建筑物倾斜度，同建筑物基础倾斜允许值进行比较，比判别建筑物是否在安全范围内。（5）建筑物裂缝监测在基坑施工中，对已详细记录的老的裂缝进行追踪观测，及时掌握裂缝的变化情况，并同时注意在基坑施工中，有无新的裂缝产生，如发现新的裂缝，应及时进行编号、测绘、照相。裂缝观测方法用厚10mm，宽约50~80mm的石膏板（长度视裂缝大小而定），在裂缝两边固定牢固。当裂缝继续发展时，石膏板也随之开裂，从而观察裂缝继续发展的情况。3．临近地下管线沉降与位移监测城市的地下市政管线主要有：煤气管、上水管、电力电缆、电话电缆、雨水管和污水管等。地下管道根据其材性和接头构造可分为刚性管道和柔性管道。其中煤气管和上水管是刚性压力管道，是监测的重点，但电力电缆和重要的通讯电缆也不可忽视。（1）周围地下管线情况调查首先向有关部门索取基坑周围地下管线分布图，从中了解基坑周围地下管线的种类、走向和各种管线的管径、壁厚和埋设年代，以及各管线距基坑的距离。然后进行现场踏勘，根据地面的管线露头和必要的探挖，确认管线图提供的管线情况和埋深。必要时还需向有关部门了解管道的详细资料，如管子的材料结构、管节长度和接头构造等。（2）测点布置和埋设1）优先考虑煤气管和大口径上水管。它们是刚性压力管，对差异沉降较敏感，接头处是薄弱环节；2）根据预估的地表沉降曲线，对影响大的管线加密布点，影响小的管线兼顾；3）测点间距一般为10~15m。最好按每节管的长度布点，能真实反映管线（地基）沉降曲线；4）测点埋设方式有两种：直接测点和间接测点，直接测点是用抱箍把测点做在管线本身上；间接测点是将测点埋设在管线轴线相对应的地表。直接测点，具有能真实反映管线沉降和位移的优点，但这种测点埋设施工较困难，特别在城市干道下的管线难做直接测点。有时可以采取