市政工程培训课件：基坑监测技术

基坑监测技术主要内容主要内容l概述l常规监测项目l自动化监测概述概述l基坑工程在总体数量、开挖深度、平面尺寸等方面都得到高速的发展(紧、近、深、大)。l地质条件复杂。l基坑开挖过程中，基坑内外土体应力变化。l基坑周围的环境保护要求越来越高。l最近几年出现的一些基坑安全事故。概述概述l上海工程建设规范 基坑工程设计规程DGJ08-61-1997 地基基础设计规范DGJ08 11-1999 基坑工程施工监测规程DGTJ08-2001-2006 上海地铁基坑工程施工规程SZ-08-2000l对地铁、隧道和合流污水工程等大型构筑物安全保护区内的基坑，相关部门都颁布了有关文件确定其环境保护的标准和要求。l基坑监测应达到的目的：l 对基坑围护体系及周边环境安全进行有效监护 l 为信息化施工提供参数l 验证有关设计参数概述概述监测项目l按监测参数可分为：垂直位移、水平位移、倾斜、围护体系内力、深层侧向位移（测斜）、裂缝、地下水位、孔隙水压力、土压力、土体分层垂直位移等。围护体系内力监测一、监测项目一、监测项目l基坑工程围护体系内力监测包括支撑内力、锚杆拉力、围护墙内力、围檩内力、立柱内力等。l支撑内力、锚杆拉力为板式围护体系一、二级监测等级必测项目，三级监测等级选测项目。l围护墙内力、围檩内力为板式围护体系一级监测等级必测项目，二级监测等级选测项目。l立柱内力为板式围护体系一、二级监测等级选测项目，主要用于逆作法施工。围护体系内力监测二、二、仪器设备仪器设备1、监测传感器l常用监测传感器 钢弦式传感器l基本工作原理 钢弦式传感器利用钢弦的振动频率将物理量变为电量，再通过二次测量仪表(频率计)将频率的变化反映出来。围护体系内力监测二、二、仪器设备仪器设备钢弦式传感器物理计算公式：式中 P待测物理量；K与待测物理量相匹配的标定系数；测试频率（Hz）；初始频率（Hz）。220()iPK ffif0f围护体系内力监测二、二、仪器设备仪器设备2、测试仪器、测试仪器l频率仪。ZXY-2型频率读数仪围护体系内力监测二、二、仪器设备仪器设备钢筋计 埋入式应变计 表面应变计轴力计 孔隙水压力计 土压力盒围护体系内力监测三、传感器适用范围三、传感器适用范围l1、支撑内力l 1）钢筋混凝土支撑 钢筋计，通过钢筋与混凝土共同工作、变形协调条件反算支撑的轴力。l 2）钢支撑l 轴力计l 表面应变计 通过量测到的应变再计算支撑轴力。l2、围檩内力 钢筋混凝土围檩(钢筋计)钢围檩(表面应变计)围护体系内力监测三、传感器适用范围三、传感器适用范围l3、立柱内力 钢筋计，主要用于逆作法施工 l4、围护墙内力 钢筋计围护体系内力监测四、计算四、计算轴向受力：对钢筋混凝土杆件(钢筋与混凝土共同工作、变形协调条件)：NAE A()ccssNE AE A围护体系内力监测四、计算四、计算1、支撑轴力计算 钢筋混凝土支撑轴力计算:式中：支撑轴力(kN)；钢筋应力(kN/mm2)；钢筋计监测平均应力(kN/mm2)；第j个钢筋计标定系数（kN/Hz2）；ccscssEN(AA)EcjcssEs(AA)E cNsjsjk围护体系内力监测四、计算四、计算1、支撑轴力计算式中：第j个钢筋计监测频率(Hz)；第j个钢筋计安装后的初始频率(Hz)；第j个钢筋计截面积(mm2)；混凝土弹性模量(kN/mm2)；钢筋弹性模量(kN/mm2)；混凝土截面积(mm2)；AC=Ab-AS Ab支撑截面积(mm2)；钢筋总截面积(mm2)。jif0jfjsAcEsEcAsA围护体系内力监测四、计算四、计算1、支撑轴力计算 钢支撑轴力计算：轴力计：表面应变计：220()iNkff22011()njjijsjNkffE An围护体系内力监测四、计算四、计算2、围护墙内力计算 同钢筋混凝土支撑轴力计算3、立柱内力计算 同钢筋混凝土支撑轴力计算4、围檩内力计算 钢筋混凝土围檩同钢筋混凝土支撑轴力计算 钢围檩(表面应变计)同钢支撑轴力计算(表面应变计)深层侧向位移监测深层侧向位移监测(测斜测斜)一、监测内容一、监测内容l围护墙体和土体的深层侧向位移，一般用在地下连续墙、混凝土灌注桩、水泥土搅拌桩、型钢水泥土复合搅拌桩等围护形式上。l重力式、板式围护体系一、二级监测等级必测项目l重力式、板式围护体系三级监测等级选测项目 深层侧向位移监测深层侧向位移监测(测斜测斜)二、仪器设备二、仪器设备1、基本原理l通过摆锤受重力作用来测量探头轴线与铅垂线之间倾角 ，然后通过三角关系计算垂直位置各点的水平位移。l当土体产生位移时，埋入土体的测斜管随土体同步位移，测斜管的位移量即为土体的位移量。深层侧向位移监测深层侧向位移监测(测斜测斜)二、仪器设备二、仪器设备1、基本原理深层侧向位移监测深层侧向位移监测(测斜测斜)二、仪器设备二、仪器设备2、分类及特点 分类：按测头传感器不同，滑动电阻式、电阻应变片式、钢弦式及伺服加速度计式四种。较多采用的是电阻应变片式和伺服加速度计式测斜仪。特点：电阻应变片式测斜仪：优点是产品价格便宜；缺点是量程有限，耐用时间不长；伺服加速度计式测斜仪：优点是精度高、量程大和可靠性好；缺点是伺服加速度计抗震性能较差，当测头受到冲击或受到横向振动时，传感器容易损坏。深层侧向位移监测深层侧向位移监测(测斜测斜)二、仪器设备二、仪器设备3、测斜仪的组成1)探头：装有重力式测斜传感器。2)测读仪：测读仪是二次仪表，需和测头配套使用。3)电缆：连接探头和测读仪的电缆起向探头供给电源和给测读仪传递监测信号的作用，同时也起到收放探头和测量探头所在测点与孔口距离。4)测斜管：测斜管一般由塑料管或铝合金管制成。常用直径为5075mm，长度每节24m，测斜管内有两对相互垂直的纵向导槽。测量时，测头导轮在导槽内可上下自由滑动。深层侧向位移监测深层侧向位移监测(测斜测斜)二、仪器设备二、仪器设备 测斜管 测斜仪 深层侧向位移监测深层侧向位移监测(测斜测斜)三、测试方法三、测试方法l测斜管应在工程开挖前1530d埋设完毕，在开挖前的35天内复测23次。取其平均值作为初始值，开始正式测试工作。l每次测试时，将探头导轮对准与所测位移方向一致的槽口，缓缓放至管底。待探头与管内温度基本一致、显示仪读数稳定后开始监测。一般以管口作为确定测点位置的基准点，每次测试时管口基准点必须是同一位置，按探头电缆上的刻度分划，均速提升。l每隔500mm读数一次，并做记录。待探头提升至管口处。旋转180后，再按上述方法量测，以消除测斜仪自身的误差。深层侧向位移监测深层侧向位移监测(测斜测斜)四、测试数据处理四、测试数据处理l通常使用的活动式测斜仪采用带导轮的测斜探头，探头两对导轮间距500mm，以两对导轮之间的间距为一个测段。每一测段上、下导轮间相对水平偏差量可通过下式计算得到：l式中：上、下导轮间距；l 探头敏感轴与重力轴夹角。sin ll深层侧向位移监测深层侧向位移监测(测斜测斜)四、测试数据处理四、测试数据处理l 测段n相对于起始点的水平偏差量，由从起始点起连续测试得到 的累计而成，即l式中：起始测段的水平偏差量(mm)；l 测点n相对于起始点的水平偏差量(mm)。00sin nnniiiil0n深层侧向位移监测深层侧向位移监测(测斜测斜)四、测试数据处理四、测试数据处理l测斜管本次水平位移曲线:l测斜管累计水平位移曲线:以底部为起算点：以顶部为起算点：1 VjjnjnnX0jnnnX 00(sinsin)niil000(sinsin)nniiXXl深层侧向位移监测深层侧向位移监测(测斜测斜)四、测试数据处理四、测试数据处理l 实际计算：读数仪显示的数值一般已经是经计算转化而成的水 平量，因此只需按仪器使用说明书中告知的计算式计算即可，不同产家生产的测斜仪其计算公式各不相同。深层侧向位移监测深层侧向位移监测(测斜测斜)五、注意事项五、注意事项l测斜管中有一对槽口应自上而下始终垂直于基坑边线，若因施工原因致使槽口转向而不垂直于基坑边线，则须对两对槽口进行测试，然后在同一深度取矢量和。l测点间距应为0.5m，以使导轮位置能自始至终重合相连，而不宜取1.0m测点间距，导致测试结果偏离。地下水位监测地下水位监测一、监测内容一、监测内容l坑内、坑外水位监测。l监测目的：通过坑内水位观测可以检验降水方案的实际效果，如降水速率和降水深度；通过坑外水位观测可以控制基坑工程施工降水对周围地下水位下降的影响范围和程度，防止基坑工程施工中的水土流失；同时也可以了解围护墙的止水（隔水）效果。l坑外水位监测为基坑监测必测项目。地下水位监测地下水位监测二、仪器设备二、仪器设备l水位管(地下埋入材料)；l钢尺水位计(地表测试仪器)：由探头、钢尺电缆、接收系统、绕线架等部分组成；l管口水准测量：由水准仪、标尺、脚架、尺垫等组成。地下水位监测地下水位监测二、仪器设备二、仪器设备 水位管 水位计 水准仪 地下水位监测地下水位监测三、测试方法三、测试方法l先用水位计测出水位管内水面距管口的距离，然后用水准测量的方法测出水位管管口绝对高程，最后通过计算得到水位管内水面的绝对高程。地下水位监测地下水位监测四、测试数据计算四、测试数据计算l水位管内水面应以绝对高程表示：式中：水位管内水面绝对高程(m)；水位管管口绝对高程(m)；水位管内水面距管口的距离(m)。sssDHhsDsHsh地下水位监测地下水位监测四、测试数据计算四、测试数据计算l本次变化和累计水位变化 式中：第i次水位绝对高程(m)；第i-1次水位绝对高程(m)；水位初始绝对高程(m)；累计水位差(m)。1iiissshDD0issshDDisD1isD0sDsh土体分层垂直位移监测土体分层垂直位移监测一、监测内容一、监测内容l坑内、外土体深层垂直位移 坑内土体深层垂直位移亦称坑内土体回弹或坑底隆起。l基坑底部隆起原因：基坑在开挖后由于上部土体开挖卸载，深层土体应力释放向上隆起；另外，由于基坑内土体开挖后，支护内外的压力差使其底部产生侧向位移，导致靠近围护结构内侧的土体向上隆起，严重者产生塑性破坏。l土体分层垂直位移监测为重力式围护体系一、二级监测等级、板式围护体系一级监测等级选测项目。土体分层垂直位移监测土体分层垂直位移监测二、仪器设备二、仪器设备l埋入地下的材料部分 由沉降导管、底盖和沉降磁环等组成；l分层沉降仪(地面测试仪器)由测头、测量电缆、接收系统和绕线盘等组成；l管口水准测量 由水准仪、标尺、脚架、尺垫等组成。土体分层垂直位移监测土体分层垂直位移监测二、仪器设备二、仪器设备 沉降管与磁环 水准仪 分层沉降仪土体分层垂直位移监测土体分层垂直位移监测三、测试方法三、测试方法l先用水准仪测出沉降管的管口高程l然后将分层沉降仪的探头缓缓放入沉降管中，当接收仪发生蜂鸣时，就是磁环的位置。捕捉响第一声时测量电缆在管口处的深度尺寸。这样由上向下地测量到孔底，这称为进程测读。l回收测量电缆时，测头再次通过土层中的磁环，接收系统的蜂鸣器会再次发出蜂鸣声。此时读出测量电缆在管口处的深度尺寸，如此测量到孔口，称为回程测读。l磁环距管口深度取进、回程测读数平均数。土体分层垂直位移监测土体分层垂直位移监测四、测试数据计算四、测试数据计算l分层沉降标（磁环）位置以绝对高程表示：式中：分层沉降标（磁环）绝对高程(m)；沉降管管口绝对高程(m)；分层沉降标（磁环）距管口的距离(m)。cccDHhcDcHch土体分层垂直位移监测土体分层垂直位移监测四、测试数据计算四、测试数据计算l本次垂直位移量和累计垂直位移量：式中：第i次磁环绝对高程(m)；第i-1次磁环绝对高程(m)；磁环初始绝对高程(m)；本次垂直位移(mm)；累计垂直位移(mm)。1iiiccchDD0iccchDDicD1icD0cDichch孔隙水压力监测孔隙水压力监测一、监测内容一、监测内容l用于量测基坑工程坑外不同深度土的孔隙水压力 l监测目的l 由于饱和土受荷载后首先产生的是孔隙水压力的变化，随后才是颗粒的固结变形，孔隙水压力的变化是土体运动的前兆。l 结合土压力监测，可以进行土体有效应力分析，作为土体稳定计算的依据；不同深度孔隙水压力监测可以为围护墙后水、土压力分算提供设计依据。l孔隙水压力监测为重力式围护体系一、二级监测等级、板式围护体系一级监测等级选测项目。孔隙水压力监测孔隙水压力监测二、仪器设备二、仪器设备l孔隙水压力计 主要有钢弦式(常用形式)、气压式等几种孔压计 孔隙水压力计组成:滤头(由透水石、开孔钢管组成，主要起隔断土压的作用)；传感部分。l数显频率仪。孔隙水压力监测孔隙水压力监测三、测试方法三、测试方法l用数显频率仪测读、记录孔隙水压力计频率 四、测试数据计算四、测试数据计算 式中：孔隙水压力（kPa）；标定系数（kPa/Hz2）；测试频率（Hz）；初始频率（Hz）。220()iukffukif0f土压力监测土压力监测一、监测内容一、监测内容l主要用于量测围护结构内、外侧的土压力 l监测目的 结合孔隙水压力监测，可以进行土体有效应力分析，作为土体稳定计算的依据；不同深度土压力监测可以为围护墙后水、土压力分算提供设计依据。l土压力监测为板式围护体系一、二级监测等级选测项目。土压力监测土压力监测二、仪器设备二、仪器设备l土压力计（盒）主要有钢弦式(常用形式)、差动电阻式、电阻应变式等 土压力盒又有单膜和双膜两类，单膜一般用于测量界面土压力；双膜一般用于测量自由土体土压力。l数显频率仪。土压力监测土压力监测三、测试方法三、测试方法l用数显频率仪测读、记录土压力计频率 四、测试数据计算四、测试数据计算 式中：土压力（kPa）；标定系数（kPa/Hz2）；测试频率（Hz）；初始频率（Hz）。kif0f220()iPkffP自动化监测自动化监测一、监测内容一、监测内容l沉降、墙身应力、水/土压力和支撑轴力等二、仪器设备二、仪器设备1、墙身应力、水/土压力和支撑轴力 自动数据采集设备(如：澳大利亚Datataker公司生产的Geologger515型数据采集器)、常规仪器(如：钢筋应力计、轴力计、孔压计、土压计)、电脑、专门编制的数据采集和处理软件等。DT515型数据自动采集 数据采集器的现场安装 自动化监测自动化监测二、仪器设备二、仪器设备2、沉降监测(静力水准法)静立水准法：利用静止的液面传递高程的一种方法。设备：自动数据采集设备(如：澳大利亚Datataker公司生产的Geologger515型数据采集器)、静力水准自动沉降监测系统、电脑、专门编制的数据管理软件等。自动化监测自动化监测二、仪器设备二、仪器设备2、沉降监测l静力水准仪工作原理 “连通管”原理,即两端开口的U型管，两端的液位由于大气压力的作用而始终保持在同一高度。自动化监测自动化监测二、仪器设备二、仪器设备2、沉降监测l静力水准仪工作原理l 图a：水面在两管中处于同一刻度处，液位（水面）刻度“1”处。l 图b：若连通管中的右管（R）所处之处发生沉降，而左管（L）仍处在原位（高程未变），则会出现下述情况：1)左管中液位不变，液面仍在刻度“1”处。2)右管中的液位仍保持与左管在同一高度（这是“连通管”的特点，也是大气压力作用的结果），但由于右管整体向下（沉降），所以右管中液面所处的刻度发生变化，如变化到刻度“1.5”处。3)这时左右两管的高差H=L-R=1-1.5=-0.5刻度单位，负值表示右管所在之处变低，亦即发生了0.5刻度单位的沉降。l 图c：若右管所处之处上抬，H=1-0.5=0.5刻度单位，即发生了0.5刻度单位的上抬。自动化监测自动化监测二、仪器设备二、仪器设备2、沉降监测原始静立水准法的缺陷：l读数采用目视，由于水面的张力，玻璃管中液面是凹型的，在读数时有12mm的误差在所难免。l人工方法读数，方法较原始，读数工作量大，而且无法实现自动化监测。l设备虽然简单，但过于“原始”，不能适应规范使用的要求。自动化监测自动化监测二、仪器设备二、仪器设备2、沉降监测静力水准仪构造的特点：1)用整体的“罐”代替“玻璃管加直尺”的构造形式，使测量的单元成为一个功能独立的整体，便于运输和安装。2)在测量单元中引入“浮体”的构造部件，克服了液面凹形影响读数的弊端。3)用整体的“基准罐”取代基准管，并在基准罐中引入“恒液位补充”的功能。4)增加了连接基准罐和所有测量罐的空气管，真正实现连通管两端应处于同一大气压力的环境下的要求。自动化监测自动化监测二、仪器设备二、仪器设备2、沉降监测 静力水准系统示意图 自动化监测自动化监测二、仪器设备二、仪器设备2、沉降监测l静力水准仪实图 基准罐和储液罐 测量罐 自动化监测自动化监测二、仪器设备二、仪器设备2、沉降监测l自动采集系统框图 自动化监测自动化监测二、仪器设备二、仪器设备2、沉降监测l软件应用实例 自动化监测自动化监测二、仪器设备二、仪器设备2、沉降监测静力水准法的应用：用在特殊要求下的精密高程测量，如有爆炸危险、工程的内部、通道窄小(隧道)、光线昏暗、严重污染、超量辐射等无法进行人工测量的地方。谢谢 谢！谢！