深基坑开挖边坡垂直位移矢量角监测参数与预警方法
【专利摘要】本发明的目的在于提出一种基于基坑坡顶水平位移和垂直位移同时监测的边坡稳定性检测与安全预警方法，本发明包括以下步骤：基坑开挖边坡位移监测点及基准点的选取；位移监测设备的布置与安装；基坑开挖边坡表层位移实时监测及其监测数据的实时处理；基坑开挖边坡垂直位移矢量角参数及其序列的确定；基坑开挖垂直位移矢量角参数稳定性预警判据的确定；基坑开挖边坡动态稳定性的评价与失稳的监测预警。本发明提出了将基坑开挖边坡水平位移与垂直位移进行耦合，以此将基坑边坡表层位移矢量与水平面的夹角定义为垂直位移矢量角，实现了对基坑边坡动态稳定性的评价与实时监测预报以及失稳预警。
【专利说明】深基坑开挖边坡垂直位移矢量角监测参数与预譬方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及固定建筑物【技术领域】，尤其设及深基坑参数检测和预警，具体的说设 及一种深基坑开挖边坡垂直位移矢量角监测参数与预警方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国社会经济的飞速发展与不可再生±地资源的限制，开发和利用地下空间 已成为必然趋势，伴随而来的是深基坑工程大量涌现，它具有变形大、突发性强、危害性严 重、失稳因素多等特点W及向超深度、超大面积、超复杂周围环境发展的趋势，且在我国工 程建设事故中占有相当大的比例。因此，对建筑基坑工程安全性的要求也越来越高。
[0003] 目前，在基坑工程稳定性的分析与评价中，常采用的方法为极限平衡法、有限元分 析法和基坑监测预警方法。由于极限平衡法只引入静力平衡条件和材料剪切破坏的"摩 尔-库仑"准则，回避了变形协调关系W及相应的本构关系，而且所建立的模型和参数是无 时间因素的静态评价模型，所W，该类方法建模的局限给基坑边坡的准确动态监测预警与 评价常常会带来极大的困难；有限元分析法在基坑工程中的应用大多是基于连续介质理论 基础上解决小变形问题的数值模拟，对于大变形及离散介质的模拟具有一定的局限性，使 得结果不能更真实的反映实际情况，而造成预测结果的不准确性；对于基坑监测预警方法， 建筑基坑工程监测技术规范中规定基坑工程监测报警值应由监测项目的累计位移量和位 移变化速率值共同控制。
[0004] 然而，众所周知，基坑边坡位移矢量场的自由度为水平方向X和垂直方向Y两个方 向且是由其大小和方向两个因素共同决定，而位移量或位移速率只是描述位移矢量场大小 变化的量化评价参数，但该参数根本反映不了边坡位移矢量场方向性的变化规律，且在降 雨或其他外动力作用下其基坑工程累计位移量和位移变化速率值会不断发生加速阶梯状 振荡型变化，而边坡相应阶段的稳定性未必真正降低。
[0005] 因此，目前基坑监测预警方法采用单维度位移报警值作为安全报警判据，必会引 起预警结果的多解性和或然性，使基坑边坡稳定性评价结果存在极大风险。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服上述基坑监测预警方法的不足，提出一种基于基坑坡顶水 平位移和垂直位移同时监测的边坡稳定性检测与安全预警方法，该基坑边坡稳定性评价方 法不仅可克服静态极限力学评价法无法检测和分析边坡稳定性随时间的变化规律的局限 及有限元分析法无法解决大变形问题及离散介质的数值模拟，同时又可克服传统基坑监测 预警方法无明确的定量稳定性与失稳判据W及无法检测和判定其变形性质等弊端的深基 坑开挖边坡垂直位移矢量角监测参数与预警方法。
[0007] 为了达到上述目的，本发明包括W下步骤：
[000引 （1)基坑开挖边坡位移监测点及基准点的选取；即：对待测定基坑开挖边坡，分析 和确定其开挖速率、开挖深度、边坡体尺寸和分布范围的特征，并在基坑边坡坡顶适当位置 布设坡层位移监测点及基准点，保证变形监测点与基准点共同形成边坡坡面位移监测控制 网；
[0009] (2)位移监测设备的布置与安装；
[0010] (3)基坑开挖边坡表层位移实时监测及其监测数据的实时处理；
[0011] (4)基坑开挖边坡垂直位移矢量角参数及其序列的确定；即；边坡垂直位移矢量 角是一种边坡整体垂直位移方向协调性的评价参数，为边坡位移矢量与水平面的夹角，数 值上等于垂直位移量与水平位移量或垂直位移速率与水平位移速率之比值的反正切值 V(0)；
[0012] (5)基坑开挖垂直位移矢量角参数稳定性预警判据的确定；即：根据边坡垂直位 移矢量角评价参数的稳定性演化规律和数理统计均方差基本理论，分析和评价其是否存在 失稳异常突变，即运用垂直位移矢量角时间序列的均值表示滑坡的稳定性趋势统计参数， 运用垂直位移矢量角时间序列的均方差代表边坡非稳定性演变统计评价参数，将垂直位移 矢量角时间序列均值与±1或2倍均方差之差作为边坡垂直位移矢量角的整体失稳判据；
[0013] (6)基坑开挖边坡动态稳定性的评价与失稳的监测预警；即；将基坑开挖边坡的 垂直位移矢量角作为边坡稳定性的评价与监测预警参数，对基坑边坡稳定性进行监测与评 价，即通过对任意监测周期的v( 0 )ki与[v( 0) J进行比较，可对基坑边坡稳定性进行动态 监测与评价。
[0014] 本发明克服了现有基坑监测预警方法的不足，提出了将基坑开挖边坡水平位移与 垂直位移进行禪合，W此将基坑边坡表层位移矢量与水平面的夹角定义为垂直位移矢量 角。开挖过程中对基坑变形位移量进行实时监测，确定垂直位移矢量角随开挖深度增加的 变化规律。根据弹塑性力学基本原理，研究和确定了基坑边坡的垂直位移矢量角在不同稳 定性演化阶段的变化规律，并运用数理统计理论的均方差基本原理建立了基坑稳定性演化 与失稳异常判据。通过对不同开挖阶段垂直位移矢量角值与异常判据的对比分析，实现对 基坑边坡动态稳定性的评价与实时监测预报W及失稳预警。
[0015] 进一步地，步骤（1)基坑开挖边坡位移监测点及基准点的选取具体步骤：
[0016] 1)基坑位移监测点的布置：
[0017] 监测点布置在基坑坡顶周边中部、阳角处、内力和变形关键特征点上，监测点距离 开挖面为D = 0. 5?Im，监测点水平间距不宜大于20m，每边监测点数目不宜少于3个，保 证监测点与变形体固结为一体，采用油漆S角符号标识并做编号；
[001引。基准点的布置：
[0019] 至少布置3个稳定、可靠的点作为基准点，位移监测基准点的埋设在基坑开挖深 度3倍范围W外不受施工影响的稳定区域，或利用已有稳定的施工控制点，不埋设在低珪 积水、湿陷、冻胀、胀缩等影响范围内；基准点该设置有强制对中的观测壞，采用精密的光学 对中装置，对中误差不宜大于0. 5mm。
[0020] 进一步地，步骤（2)的位移监测设备的布置与安装为；位移监测设备选用TC2003 高精度自动全站仪，在深基坑附近通视良好的位置，自由设置一个便于观测的观测站并架 设自动全站仪，随意设置测站点的空间坐标和方位角，W角度和距离同步测量的极坐标分 析为基础，结合仪器高精度数据智能采集分析能力，对监测目标进行自动识别定位。
[0021] 进一步地，步骤（3)的基坑开挖边坡表层位移实时监测及其监测数据的实时处 理：基坑的变形监测从基坑工程开挖开始，直到地下工程完成为止，基坑分层开挖正式开 始，运用TC2003高精度自动全站仪对监测点进行实时位移监测，每个监测周期作为一个统 计分析周期，利用全站仪内置程序自动分析处理监测数据W及远程监控，利用光纤专网或 3G/GPS/GPRS公网进行数据远程传输至分析站或分析客户端，通过对各监测点的周期性观 测和数据采集，得到建筑基坑开挖过程中各变形观测点的位移变化数据信息，此过程中，对 监测仪器、设备的进行维护保养，确保固定人员监测和整理成果，W减少监测误差包括水平 位移和垂直位移速率及位移累积变化量；
[0022] 在此监测过程中分为四种监测情况：
[0023] 1)前两层开挖时，每开挖一层监测3次位移量，从第=层开挖开始，每完成一层开 挖监测1次位移量；
[0024] 2)监测期间出现监测数据变化较大或者速率加快，勘察未发现的不良地质，周边 大量积水、长时间连续降雨突发，较大沉降、不均匀沉降的有关现象，可根据情况缩短监测 周期；
[0025] 3)施工期间因故停工超过S个月，在停工、复工前进行监测；
[0026] 4)外界发生剧烈变化时及时监测，监测期间定期检查基准点的稳定性，保证基准 点始终处于稳定状态。
[0027] 进一步地，步骤（4)的基坑开挖边坡垂直位移矢量角参数及其序列的确定还包括 开挖层次数值序列为：
【权利要求】
1. 一种深基坑开挖边坡垂直位移矢量角监测参数与预警方法，其特征在于，包括以下 步骤： (1) 基坑开挖边坡位移监测点及基准点的选取；即：对待测定基坑开挖边坡，分析和确 定其开挖速率、开挖深度、边坡体尺寸和分布范围的特征，并在基坑边坡坡顶适当位置布设 坡层位移监测点及基准点，保证变形监测点与基准点共同形成边坡坡面位移监测控制网； (2) 位移监测设备的布置与安装； (3) 基坑开挖边坡表层位移实时监测及其监测数据的实时处理； (4) 基坑开挖边坡垂直位移矢量角参数及其序列的确定；S卩：边坡垂直位移矢量角是 一种边坡整体垂直位移方向协调性的评价参数，为边坡位移矢量与水平面的夹角，数值上 等于垂直位移量与水平位移量或垂直位移速率与水平位移速率之比值的反正切值V( 0 ); (5) 基坑开挖垂直位移矢量角参数稳定性预警判据的确定；S卩：根据边坡垂直位移矢 量角评价参数的稳定性演化规律和数理统计均方差基本理论，分析和评价其是否存在失稳 异常突变，即运用垂直位移矢量角时间序列的均值表示滑坡的稳定性趋势统计参数，运用 垂直位移矢量角时间序列的均方差代表边坡非稳定性演变统计评价参数，将垂直位移矢量 角时间序列均值与±1或2倍均方差之差作为边坡垂直位移矢量角的整体失稳判据； (6) 基坑开挖边坡动态稳定性的评价与失稳的监测预警；S卩：将基坑开挖边坡的垂直 位移矢量角作为边坡稳定性的评价与监测预警参数，对基坑边坡稳定性进行监测与评价， 即通过对任意监测周期的V( 0产与[V( 0 )k]进行比较，可对基坑边坡稳定性进行动态监 测与评价。
2. 根据权利要求1所述的深基坑开挖边坡垂直位移矢量角监测参数与预警方法，其特 征在于，步骤（1)基坑开挖边坡位移监测点及基准点的选取具体步骤： 1) 基坑位移监测点的布置： 监测点布置在基坑坡顶周边中部、阳角处、内力和变形关键特征点上，监测点距离开挖 面为D= 〇. 5?lm，监测点水平间距不宜大于20m，每边监测点数目不宜少于3个，保证监 测点与变形体固结为一体，采用油漆三角符号标识并做编号； 2) 基准点的布置： 至少布置3个稳定、可靠的点作为基准点，位移监测基准点的埋设在基坑开挖深度3倍 范围以外不受施工影响的稳定区域，或利用已有稳定的施工控制点，不埋设在低洼积水、湿 陷、冻胀、胀缩等影响范围内；基准点该设置有强制对中的观测墩，采用精密的光学对中装 置，对中误差不宜大于0. 5mm。
3. 根据权利要求1所述的深基坑开挖边坡垂直位移矢量角监测参数与预警方法，其特 征在于，步骤（2)的位移监测设备的布置与安装为：位移监测设备选用TC2003高精度自动 全站仪，在深基坑附近通视良好的位置，自由设置一个便于观测的观测站并架设自动全站 仪，随意设置测站点的空间坐标和方位角，以角度和距离同步测量的极坐标分析为基础，结 合仪器高精度数据智能采集分析能力，对监测目标进行自动识别定位。
4. 根据权利要求1所述的深基坑开挖边坡垂直位移矢量角监测参数与预警方法，其特 征在于，步骤（3)的基坑开挖边坡表层位移实时监测及其监测数据的实时处理：基坑的变 形监测从基坑工程开挖开始，直到地下工程完成为止，基坑分层开挖正式开始，运用TC2003 高精度自动全站仪对监测点进行实时位移监测，每个监测周期作为一个统计分析周期，利 用全站仪内置程序自动分析处理监测数据以及远程监控，利用光纤专网或3G/GPS/GPRS公 网进行数据远程传输至分析站或分析客户端，通过对各监测点的周期性观测和数据采集， 得到建筑基坑开挖过程中各变形观测点的位移变化数据信息，此过程中，对监测仪器、设备 的进行维护保养，确保固定人员监测和整理成果，以减少监测误差包括水平位移和垂直位 移速率及位移累积变化量； 在此监测过程中分为四种监测情况： 1) 前两层开挖时，每开挖一层监测3次位移量，从第三层开挖开始，每完成一层开挖监 测1次位移量； 2) 监测期间出现监测数据变化较大或者速率加快，勘察未发现的不良地质，周边大 量积水、长时间连续降雨突发，较大沉降、不均匀沉降的有关现象，可根据情况缩短监测周 期； 3) 施工期间因故停工超过三个月，在停工、复工前进行监测； 4) 外界发生剧烈变化时及时监测，监测期间定期检查基准点的稳定性，保证基准点始 终处于稳定状态。
5. 根据权利要求1所述的深基坑开挖边坡垂直位移矢量角监测参数与预警方法，其特 征在于，步骤（4)的基坑开挖边坡垂直位移矢量角参数及其序列的确定还包括开挖层次数 值序列为：
其中，i(i= 1/3, 2/3, 1，4/3, 5/3, 2, 3, 4, 5…n)表示监测周期对应的开挖层序列；k(k=1，2, 3,…n)表示监测点编号；V( 0 )ki为开挖到第i层时，第k个监测点所对应的垂直位 移矢量角。Dyki为开挖到第i层时，第k个监测点的累积垂直位移量；Dxki为开挖到第i层 时，第k个监测点的累积水平位移量；Vyki为开挖到第i层时，第k个监测点的垂直位移速 率；Vxki为开挖到第i层时，第k个监测点的水平位移速率。
6. 根据权利要求1所述的深基坑开挖边坡垂直位移矢量角监测参数与预警方法，其特 征在于，步骤（5)的基坑开挖垂直位移矢量角参数稳定性预警判据的确定： 1) 求得某监测点各个监测周期所对应的垂直位移矢量角； 2) 统计垂直位移矢量角的平均值并计算其对应的均方差〇k; 3) 根据所求得的垂直位移矢量角波动情况，以此序列求得的均值^!减去±1或2 倍〇k作为边坡开挖各阶段对应的垂直位移矢量角均方差异常判据，其计算如下：
其中，V(0)k为k监测点处垂直位移矢量角的平均值，0k为k监测点处垂直位移矢量 角的均方差，[v( 0 )k]为k监测点处垂直位移矢量角判据，根据计算数据绘制垂直位移矢量 角/异常判据一一时间折线图。
7.根据权利要求1所述的深基坑开挖边坡垂直位移矢量角监测参数与预警方法，其 特征在于，步骤（6)基坑开挖边坡动态稳定性的评价与失稳的监测预警：根据垂直位移 矢量角阶段性演化规律并结合公式（5)认为：当JZ(O)A-cnt<K(6?)a',<K(外(+m， 则判定建筑基坑边坡处于稳定变形状态，可继续按施工设计方案开挖；当 V{O)k-2<Jk<V{0)u<V{0)k-(Jk，则判定建筑基坑边坡处于不稳定变形状态，及时采 出相应加固与治理措施；7(0)〃 <^I_-2<TA_，则判定建筑基坑边坡处于即将整体滑移 阶段，此时发出边坡稳定性与失稳预警。
【文档编号】G01B21/22GK104501766SQ201410822114
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月25日 优先权日:2014年12月25日
【发明者】贺可强, 陈洪翠, 臧翠萍 申请人:青岛理工大学