（岩土工程专业论文）深基坑变形预测模型研究及工程应用.pdf

摘要 随着社会经济和城市建设的飞速发展，深基坑工程的变形预测已 成为岩土工程领域的重要研究课题之一。本文以深基坑工程为研究对 象，针对目前深基坑工程现场监测和变形预测中存在的一些难点问 题，通过引入灰色g m ( 1 ，1 ) 模型法、卯神经网络模型法及灰色系统一 卯神经网络组合模型法对深基坑工程施工过程中的变形预测技术进 行了较为深入的研究，本文主要研究内容如下： ( 1 ) 全面总结了基坑工程的安全监测系统的现状，指出了目前深基 坑工程监测中存在的问题及不足，在此基础上，结合监测技术 的最新研究成果、监测仪器的发展状况和工程经验，对深基坑 的监测方法和技术进行了较为系统的完善和补充。 ( 2 ) 引入灰色理论，结合深基坑工程的特点，建立了改进的深基坑 灰色g m ( 1 ，1 ) 预测模型。工程算例表明所建立的模型具有所需样 本数据少、预测精度较高、计算简单等优点。 ( 3 ) 基于灰色系统理论，选取监测点进行关联度分析研究取得较好 的预测效果，可应用到安全监测中来预测相关监测点的变形趋 势，达到节约经济成本和工作时间的目的。 ( 4 ) 引入并建立了比灰色g m ( 1 ，1 ) 模型预测精度更高的深基坑即神 经网络模型，提高和扩展了深基坑变形模型的容错能力和自适 应学习功能。 ( 5 ) 结合灰色g m ( 1 ，1 ) 模型和即神经网络模型各自的优点，建立了深 基坑灰色系统一卯神经网络组合模型，并通过编制m a t l a b 程序对模型进了求解，从而使得其在面对“少样本 、“贫数 据 的数据序列时也获得了较高的预测精度。 ( 6 ) 利用所建立的变形预测模型对广州地铁三号线燕塘站深基坑工 程在开挖过程中基坑围护结构及周边土体的变形进行了预测， 通过与现场实测结果的对比研究，表明本文所建立的模型具有 较高的可靠性和适用性。 关键词基坑变形预测，灰色模型，神经网络模型，组合模型 i l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名： 。日期：譬乙年月卫日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 储虢烨聊虢 日期：群年月丑日 中南大学硕士学位论文第章绪论 1 1 引言 第一章绪论 2 0 世纪8 0 年代以来，我国基础工程建设发展迅速i j 】【2 】，伴随着大型市政设施 的施工及大量地下空间的开发【3 1 ，基坑工程【4 】【5 】数量急剧增加，并向超深、超大 方向发展，技术上也有了长足的进步。上世纪7 0 年代末以前，国内只在少数大 型工程项目中存在开挖深度l o m 以上的基坑工程，且处在较少或没有相邻建筑 和地下结构区。到1 9 9 6 年，1 0 层以上的高层建筑累计已达l 亿多平方米，多层 建筑都有1 3 层地下室，基坑开挖深度通常为6 - - - 1 5 m 。进入2 l 世纪后出现了 更多的超高层建筑和大型的地下工程，特别是北京、上海、广州等城市的地铁工 程的全面开展带来了超深基坑工程。 基坑工程与岩土工程学科 6 】一样，是实用性、经验性极强的学科，是随着工 程实践不断提高的科学。然而由于基坑设计理论 7 1 不尽完善、施工的不可预见性、 地层性质变异性大，周边环境的错综复杂，深基坑施工所造成的基坑坍塌、建筑 物或道路开裂、管线爆裂等事故【8 】【9 】屡有发生，造成了巨大的经济损失、引起了 严重的社会后果。在国务院颁布的建设工程安全生产管理条例中，列出了建 设工程七大危险性较大的分部分项工程，基坑工程占了其中的两项：( 1 ) 基坑支 护与降水工程；( 2 ) 土方开挖工程，可见基坑安全己成为工程建设领域影响安全 生产的一个重要方面。唐业清教授【l o 】曾对全国1 6 0 余项深基坑事故进行了细致 的调查分析。从这些事故分析中得出一个重要结论：基坑工程事故大多与监测不 力或险情预报不准确有关。换言之，如果基坑工程监测】与险情预报准确而及时， 并采取相应的应急措施，就可以防止重大事故的发生，或者可以将事故所造成的 损失减少到最小。经过近些年的理论研究和工程实践，人们逐渐认识到基坑工程 监测既是实现信息化施7 - 1 2 , 1 、避免事故发生的有效措施，又是完善、发展设计 理论、设计方法和提高施工水平的重要手段。通过对基坑工程施工进行严密监测 可以为施工及时提供反馈信息；为基坑周围环境进行及时有效的保护提供依据； 将监测结果反馈设计，通过对监测结果同设计预估值的比较、分析，检验设计理 论的正确性，并且可以为今后的优化设计提供依据。迄今为止，我国颁布了建 筑地基基础设计规范g b s 0 0 0 7 - - 2 0 0 2 、建筑边坡工程技术规范g b 5 0 3 3 0 - - 2 0 0 2 、建筑基坑支护技术规程j g j l 2 0 - - 9 9 、建筑基坑工程技术规范y b 9 2 5 8 - - 9 7 等国家规范、规程及行业标准；上海、广东、浙江、湖北等地也根据当地 中南大学硕士学位论文 第章绪论 实际情况颁布了相应的地方标准。这些规范、规程及行业标准、地方标准中都有 涉及基坑工程的条文，指导着基坑工程的设计、施工及监测。 1 2 深基坑监测技术研究现状 国外2 0 世纪4 0 年代t e r z a g h i t l 3 】和p e e k 等人，提出了预估挖方稳定程度和 支撑荷载大小的总应力法，这一理论原理经过多次改进和修正一直沿用至今。5 0 年代j u n e m i m 和e i d e 给出了深基坑坑底隆起的分析方法。从6 0 年代开始在挪威 首都奥斯陆和墨西哥首都墨西哥城软粘土深基坑中使用了仪器进行监测。经过近 3 0 年的发展，国外2 0 世纪9 0 年代已出现了监测电脑数据采集系统，实现了监测 自动化。我国的深基坑的全方位监测于2 0 世纪9 0 年代才起步。在深基坑研究方 面，国外主要侧重予支护设计和施工技术的研究，缺乏对监测分析、信息反馈及 预测预报的自动化研究。安全监测工作的蓬勃开展在国内外带动了一大批监测仪 器研制生产部门的发展，一些先进的监测仪器在工程中得以应用。如g e o k o n 仪 器主要用于大坝、隧道、边坡、桥梁等工业民用结构的安全监控，在我国三峡、 小浪底工程水利工程中已有应用；s l o p ei n d i l e t o r 公司已可提供可用于岩土及结 构位移，应力监测的传感器及一些相应的数据处理软件；我国北京、武汉、南京 等地也有监测仪器研制生产单位l l 4 。 近2 0 年来取得了长足的进步【1 5 】，特别是在信息化施工和基坑的时空效应研 究规律方面取得了高水平的研究成果，侯学渊和刘建航参考新奥法隧道施工面时 空效应理论和上海大量软土基坑实践而提出的时空效应法，即计算和控制基坑结 构变形及基坑周边土层位移的方法，在工程实践中取得了显著的技术经济效果。 蒋洪胜、刘国彬对考虑时空效应的支护结构支撑轴力实测结果进行分析研究，通 过对采用时空效应法旅工的地铁车站深基坑开挖全过程支撑轴力及相应工况的 跟踪一记录，以及相应的检测数据资料的全面分析，探讨了应用时空效应进行基 坑开挖的规律分析。吴兴龙、朱碧堂指出在基坑设计中充分考虑时空效应，随挖 随支，约束土体变形产生，可以减小土体强度的衰减，增加支护结构的稳定性和 安全性，并结合上海三角地广场工程基坑工程实例论证了文中深基坑开挖过程中 的时空效应规律。随着国内深基坑工程的不断开展，基坑事故也屡有发生，对工 程施工过程控制研究的文献逐渐增多。吴京生针对深基坑工程存在的问题，分析 事故原因，同时对深基坑支护结构的选型和信息化施工作了介绍，并对基坑工程 的研究课题和展望提出看法。马海龙、张永利以某污水泵站深基坑工程为例，剖 析了深基坑工程失事的原因，提出了基坑工程设计施工中存在的亟待解决的问 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 题。陈向东、杨茂忠详细介绍了信息化施工的基本概念、基本方法和应用管理程 序，并介绍了信息化施工在深基坑开挖施工中支护结构动态设计施工管理；徐杨 青详细论述了深基坑工程的优化设计原理，提出了根据场地水文、工程地质条件、 基坑特点、基坑周边环境特点选择支护方案的方法，对被动区土体加固方法、地 下水处理、合理开挖施工顺序和信息化施工进行优化设计【1 5 1 0 6 】。 近年来，由于动态设计及信息化施工技术的提出，国内外学者对建筑基坑监 测技术进行了更深入的研究，具体表现在两方耐1 7 1 ： ( 1 ) 监测方法及仪器本身的进步 随着测量技术和传感器及自动控制技术的发展，监测技术亦不断向自动化和 高精度方向发展。在测量监测领域，如果是在开阔的地区且测点密度不是很大，静 态g p s 已经可以满足m m 级的变形监测要求。而深基坑施工监测时监测点一般 较多，则可使用新一代高精度智能全站仪，对多个测点进行自动定时监测，得到 测点的实时三维变形数据。另外，传感器制造技术也在不断发展，新一代的传感 器将更坚固、可靠、稳定和高精度。围护墙的深部位移可以使用固定倾斜传感器， 安装于测斜管内，进行墙体深部的水平位移自动监测，而支撑轴力、上压力、孔 隙水压力测试通常采用的振弦式测力传感器己经是较为成熟的产品，通过电缆线 将这些传感器接入控制模块便可实现自动控制。在国外，支撑轴力的测力传感器 甚至直接和加力设备合二为一，在主控机上可以直接看到支撑实时的受力情况并 可以随时调整其受力情况。同时，地下水位和土体分层沉降测试等监测项目也可 以采用带相应传感器探头的自动测控仪器。当然，自动监测技术的实施还离不开 自动控制技术，需要强大的网络通讯系统及控制软件做后盾，还需要有优秀的切 合现场需要的数据分析软件。 ( 2 ) 监测内容的不断完善，分析方法的不断提高 监测内容现已包括围护墙( 坡) 顶水平位移、围护墙( 坡) 项竖向位移、围护墙 体深层水平位移、围护墙体内力、支撑内力或变形、立柱位移、锚杆拉力、坑底 隆起、土层分层竖向位移、围护墙前后土压力、孔隙水压力、地下水位、基坑周 边地表竖向位移、周边建( 构) 筑物变形以及地下管线变形掣瞄j 。 对于需研究的基坑工程监测技术，现行规范体系尚存在着以下问题【例：( 1 ) 现行规范规程的技术内容更多的是针对基坑工程设计和施工，与基坑工程监测技 术有关的规定很少而且大多只是原则性的，监测内容、监测仪器及精度要求、监 测频率、数据报表等都较为随意，缺乏具体明确的技术要求。( 2 ) 对于同一内容 的监测技术要求，各规范规程也不尽相同，缺乏统一的标准。其中，涉及基坑工 程监测项目的内容较多，而对基坑工程监测报警值的确定还缺乏统一的定量化指 标和判别准则，限制和消弱了对可能出现的险情提出警报。( 3 ) 建筑基坑支护 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 技术规程j g j l 2 0 - - 9 9 及建筑基坑工程技术规范y b 9 2 5 8 - - 9 7 颁布己经将近 十年，在这段时间内基坑工程监测技术又有了很大的发展。目前基坑工程中的监 测技术指标是根据已颁布的规范规程的原则，由工程设计人员确定具体指标，缺 乏科学性和可靠性。工程建设中监测行为的不规范，技术指标及技术要求的缺陷， 使得监测成果的可靠性大大降低，给基坑工程的安全性留下了重大的隐患。鉴于 此，对基坑工程监测技术进行系统地研究有其必要性【2 0 1 。 2 0 0 4 年，山东省建设厅颁布了山东省工程建设标准建筑基坑工程监测技 术规范d b j l 4 - - 0 2 4 - - 2 0 0 4 ，在我国首次对监测项目、测点布置、监测方法及 精度要求、监测频度、监测报警、数据处理与信息反馈作了系统而具体的规定， 取得了显著的社会、经济和环境效益。2 0 0 6 年，上海市也颁布了工程建设规范 基坑工程施工监测规程d g t j 0 8 - - 2 0 0 1 - - 2 0 0 6 ，提出了监测等级的概念，并 针对不同的监测项目给出了具体的监测报警值，为监测工作的开展提供了可操作 性强的技术指标。各地基坑工程监测技术标准的颁布，一方面说明了基坑工程施 工监测的重要性，另一方面也标志着基坑工程监测技术正日趋成熟。所以，对基 坑工程监测技术进行系统地研究有其可行性。 虽然，基坑监测技术在近年取得了迅速的发展，但还存在一些问题： ( 1 ) 国内监测仪器和传感器通常难以满足实际工程对稳定性和耐久性的需求， 而国外进口监测仪器和传感器的价格比较昂贵，低价竞争导致各单位对仪器和技 术的资金投入减少，不利于监测技术的提高。 ( 2 ) 绝大部分地区基坑工程的施工监测技术方案尚无统一的可操作性强的技术 规定，监测内容、监测仪器、监测精度、监测频率以及数据报表等都较为随意， 急需规范。 ( 3 ) 警戒值的确定还缺乏统一的定量化指标和判别准则，限制和削弱了对可能 出现的险情提出警报。 因此，应加强深基坑工程的监测分析，总结工程经验，以指导今后的施工。 1 。3 深基坑变形预测技术研究现状 深基坑变形预测一直是深基坑工程的一个重点研究课题。随着工程经验的累 计，各种经验方法也越来越多，基于经验的理论公式法计算变形一直广泛应用于 深基坑工程支护设计。但是由于岩土工程复杂多变的特性，这些方法的结果经常 与实际观测结果有较大出入，因此基于有限元法的二维、三维深基坑变形预测分 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 析也越来越广泛的应用。在给定有效的计算参数时，有限元法的分析结果较为接 近实际，因此对于大型复杂的地下工程，一般均采用了有限元等数值分析方法。 但是，由于岩土体是个多相、非均质、各向异性、变形是高度非线性的复杂地质 体，致使输入给有限元计算模型的参数无法准确测量，有的甚至是没有明确的物 理含义。如果认为输入参数、边界条件、几何方程、平衡方程是基本符合实际的， 那么对计算结果影响最大的是岩体本构模型，但岩体本构模型的给定本身就带有 相对程度的盲目性。因此，“参数给不准和“模型给不准”使得有限元法无法 对岩土工程问题进行准确的数值模拟。 在认识到基坑开挖的时空效应及理论与数值模拟方法的缺陷后，各种系统分 析方法开始应用于基坑开挖的变形预测【2 1 1 。特别是近年来，由于动态设计及信 息化施工技术的提出，国内外学者对深基坑预测预报技术进行了更深入的研究 现在常用的深基坑预测预报【2 2 】分析方法有：神经网络【2 3 】预测预报方法、实时建 模时序分析预测预报法、模糊数掣2 4 】预测预报分析法及灰色系统预测预报法。 灰色系统是邓聚龙幽教授1 9 8 2 年提出的，引入岩土工程领域后，在基坑、边坡、 大坝等的变形预测中己有不少成功的例子。但该方法具有其特定的使用条件： 灰色系统模型建模的前提是数据序列为光滑的离散函数，其关系可用一个初等函 数来表达；灰色系统模型仅描述一个随时间按指数规律单调增长或衰减的过 程。倪立峰【2 6 】根据基坑变形的特点，提出应用动态递归神经网络实时建模预报， 并采用一种改进的在线学习算法，较好的描述基坑动态特性。贺可强l z7 j 根据深 基坑变形的基本特征，用神经网络建立了深基坑变形的实时预报模型，编制了用 于预报的神经网络程序。曹红林【2 8 】将小波神经网络应用于深基坑周围地表沉降 的预测，提出了一种有效的预测方法，并构造了预测沉降的小波神经网络模型。 张伟丽【2 9 】根据灰色系统理论，建立了基坑变形的g m 预测模型，根据现场位移 观测值对后续施工中的变形值进行预测。荣延样【3 0 】利用灰关联分析研究基坑边 坡位移数列与基坑周围边公寓位移数列之间的关系，并将二者迭加生成一新的位 移数列，而后利用灰色预测模型分别对以上三个数列进行预测。钟正雄p l 】针对 基坑变形的特点，提出了在基坑变形预测中应用实时建模预报时间序列的分析方 法。赵海剥3 2 】提出了非线性变形动态趋势曲线，可对基坑开挖每一阶段的变形 采用函数形式定量地表示，并通过具体的工程算例进行了验证，该曲线改进了以 往仅凭经验难以预测的特点。邓跃进【3 3 】介绍了地质北方气候突发因素等不同影 响因素与位移量的模糊近似推论，在此基础上应用模糊人工神经网络进行位移量 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 预报。杨林德聊】通过将现场信息采集，优化反分析支护位移和安全性监测建立 了动态预报技术，提出了分析理论和方法。w o i f 提出了依据单变量建立李亚普 诺夫指数谱的方法。部分学者将分维数理论引入基坑变形预测中，黄宏伟依据基 坑开挖过程中的变形实测资料，分析了基坑系统吸引子维数，并得出了基坑系统 在演化发展过程中并不遵循固定动态模式的结论。此外，随机介质理论也应用于 基坑变形预测，如阳军生等将挤压式盾构施工隧道引起的地表移动视为一随机过 程，应用随机介质理论对所引起的地表移动和变形进行了分析【3 5 1 。 虽然变形预测技术在基坑工程领域内己有所发展，但是与其他学科相比，还 只能算是处于起步阶段，缺乏系统性、全面性与实用性，因此，有必要进一步探 讨各种变形预测方法在深基坑变形预测中的实用性。 1 4 本文的主要研究内容及方法 针对深基坑变形预测技术，本文将引入灰色g m ( 1 ，1 ) 模型、即神经网络模 型及灰色系统一即神经网络组合模型，结合工程实际，开展以下几项内容研究： ( 1 ) 对深基坑安全监测系统进行了比较全面的研究，结合监测技术的最新研究 成果、监测仪器的发展状况和工程经验，对深基坑的监测方法和技术进行 了较为系统的完善和补充。 ( 2 ) 改进研究灰色系统预测模型、b p 神经网络预测模型和灰色系统- - b p 神经 网络组合预测模型，探讨各自的适用条件和预测精度，使各预测模型更具 有工程适用性，并利用m a t l a b 平台实现。 ( 3 ) 利用改进后的预测模型，结合具体工程实例，进行模型预测结果与实测结 果的比较研究，验证预测模型的可靠性和适用性。 6 中南大学硕士学位论文第二章深基坑变形监测技术研究 第二章深基坑变形监测技术研究 2 1 基坑监测目的 基坑施工过程中监测目的【3 6 】【3 7 】主要有： ( 1 ) 根据监测结果，发现可能发生危险的先兆，判断工程的安全性，防 止工程破坏事故和环境事故的发生，采取必要的工程措施。 ( 2 )以施工监测结果指导现场施工，进行信息化反馈优化设计，使设计 达到优质安全、经济合理、施工快捷。 ( 3 ) 将现场监测结果与理论预测值比较，用反分析法求得更准确的设计 参数，修正理论公式，以指导下阶段的施工或其它工程的设计施工。 2 2 基坑监测项目 每个基坑工程都必须监测，但监测项目的选择既关系到基坑工程的安全， 也关系到工程的经济成本f 3 8 1 1 3 9 1 。任意增加监测项目是对工程费用的浪费，但盲 目减少监测项目则可能因小失大，造成严重的后果。表2 1 在上述理念下，结 合目前国内的监测技术水平和工程应用现状提出的监测项目参考意见【柏】【4 l 】。 表2 - 1 现场监测项目 基坑施工安全等级 序号 现场监测项目 一级二级三级 l 自然环境( 雨水、气温、洪水等) a 2 边坡土体顶部的水平位移 3边坡土体顶部的垂直位移 o 4 围护结构的水平位移 aa 5 围护结构的垂直位移 o 6基坑周围地表沉降 o 7基坑周围地表裂缝 o 8围护结构的应力应变 o o 7 中南大学硕士学位论文第二章深基坑变形监测技术研究 9 围护结构的裂缝 o 1 0 支撑与锚杆的应力和轴力 o “ 基坑底部回弹或隆起 o 1 2地下水位 o 1 3 墙背土体侧压力 o 1 4 墙背土体孔隙水压力 o 1 5周围建( 构) 筑物的沉降 1 6 周围建( 构) 筑物的水平位移 o 1 7周围建( 构) 筑物的倾斜 o 1 8周围建( 构) 筑物的裂缝 o 1 9 周围重要设施的变位与破损 2 0基坑周围地面的超载情况 2 1 基坑渗、漏水状况 a 基 坑 工 程 注：一必测项目；o _ 一宜测项目；一可不测项目 2 3 基坑监测方法 深基坑工程的监测工作【4 2 1 1 4 3 j 包括：支护结构的监测和周围环境的监测。支 护结构需监测顶部的位移、倾斜、主钢筋应力、土压力、孔隙水压力、压顶梁、 腰梁及内支撑轴力、应变、立柱的沉降与隆起、锚杆的锚固力等。周围环境需 监测开挖影响范围内的建筑物、地下管线和土体的沉降、倾斜、水平位移，以 及地下水位等。根据前期开挖中监测到的应力、变形数据与设计中支护结构受 力和变形进行比较，对原设计进行评价，判断基坑在目前开挖工况下的安全状 况，并通过反分析，预测下一步工况下支护结构的变形和稳定状况，为优化设 计提供可靠的信息，并对后续开挖及支护方案提出建议，对施工过程中可能发 生的险情报警，确保基坑工程的安全。信息化施工【删【4 5 】流程图如图2 1 所示。 支护设计 监测方案 围护结 构施工 布测点 初读数 土方开挖h 优化设计卜叫支护加i 司r 1 后续施工 定期监测 监测数据 分析预测 图2 1 信息化施工流程图 险情预报卜叫加密监测 中南大学硕士学位论文第二章深基坑变形监测技术研究 ( 1 ) 支护结构的监测 支护结构桩墙顶位移监测 支护结构桩墙顶位移常用经纬仪和全站仪监测。其原理为：应用水平角全 圆方向观测法，测出各点水平角度，然后计算出各点水平位移。其特点是测试 简单，费用低，数据量适用。 经纬仪其水平方向测量- - n 回方向中误差不 超过士2 ”，精度完全满足工程要求。在桩墙顶冠梁上布置测点，其位置和数量 根据基坑侧壁安全等级及周围建筑物和地下管线可能受影响的程度而定。对于 重要基坑，一般沿地下连续墙或桩顶每隔1 0 - 15 m 布置一个测点。在现场建立 的半永久性测站要求妥善保护，不动基准点设在便于观测、不受施工影响的场 地，且基准点宜做成深埋式。基坑开挖期间，每隔2 - - 3 d 监测一次，位移速率 达到5 - - - 1 0 m m d 时，每天监测1 - - - 2 次。 支护结构倾斜监测 支护结构沿基坑深度方向的水平位移常用测斜仪监测，也可采用全站仪观 测。在桩身或地下连续墙中埋设侧斜管，测斜管底端插入桩墙底以下，使用测 斜仪由底到顶逐段测量管的斜率，从而得到整个支护结构体水平位移曲线。 测斜仪按传感元件的不同分为滑动电阻式、电阻应变式、钢弦式及伺候加 速度计式等四种。其中伺候加速度式测斜仪测量范围大，灵敏度高，价格贵； 电阻应变式测斜仪技术指标可满足一般工程要求，价格适用。从工程中使用情 况看，美国产g k 系列测斜仪精度高，自动采集数据，仪器耐用性好。 使用测斜仪必须事先埋设测斜管，测斜管可绑扎在钢筋笼上，与钢筋笼同 时下放安装，也可在灌注桩或连续墙施工完成后，钻孔埋设测斜管，测斜管下 放到孔底后沿管外壁注浆。埋管时要求内壁的两对导槽口对接准确平滑，以保 证探头导轮在导槽中畅通无阻；每次测量时应严格固定测点位置，否则每次测 量时位置不同，带来相当大的误差。测斜管沿基坑周边一般每隔1 5 - - 2 0 m 布置 一根，基坑周边有重要建筑物和地下管线时应加密测点。基坑开挖期间布置一 根，每隔3 , - 一5 d 观测一次，位移速率较大，且成增长趋势时，监测频率应加密 到1 次天，及时提供支护结构水平位移时间的变化曲线，必要时尽快报警。 支护结构应力监测 用钢筋应力计或混凝土应变计沿桩身钢筋、冠梁和腰梁中较大应力断面处 监测主钢筋应力或混凝土应变，对监测应力和设计值进行比较，判断桩身、冠 梁、腰梁内应力是否超过设计值。 由于混凝土应变力计在测试过程中，应变计导线自接上仪器后，在整个测 试过程中不允许拆卸，以免引起接触电阻的变化，而现场往往受到施工干扰， 因此，混凝土应变计较少使用。 9 中南大学硕士学位论文第二章深基坑变形监测技术研究 对基坑面积大，测试桩位分散，测试周期长的工程，可采用钢弦式钢筋计。 其优点为：测试方便简单，抗干扰能力强，性能较稳定。其特点为：须焊接连 接或套简连接，电缆保护困难，价格较贵。 钢筋计比较合理的安装位置应根据支护设计弯矩包络图确定。布置间距2 3 m 为宜。钢筋计焊接可采用绑条焊或对接焊，但应符合钢筋焊接规范。接头处 清渣后逐个进行外观检查，要求焊缝表面平整，不得有缺陷，接头尺寸偏差不 允许超过规范规定值j 在焊接过程中，为避免热传导使钢筋计零漂增加，必须 采用流水冷却方法。 在焊接钢筋计和吊装钢筋笼时，应避免造成钢筋计较大的初始应力。焊接 时由于不对中，或钢筋笼吊装时挤压，都会给钢筋计施加较大的初始应力，给 监测带来不利影响。当初始应力为数值较大的拉应力或压应力时，都会使测量 范围变小。同时初始应力过大时，钢筋桩测试初期或测试过程中可能失效。 支撑结构应力监测 对于钢支撑，在支撑施加应力前，将钢筋应力计焊接在钢管外壁，对于混 凝土支撑，在钢筋笼绑扎时，将钢筋计焊接在主钢筋上，随基坑开挖，量测支 撑轴力的变化。钢筋计应布置在主支撑梁端头附近。基坑开挖期间，每隔3 , - - , 5 天监测一次，支护结构变形速率较大时，每隔l - - 2 天监测一次，当量测应力超 过设计值时，应及时报警。 锚杆锚固力监测 人工挖孔排桩加预应力锚杆在广州地区广泛使用，这类锚杆一般采用多束 钢绞线。锚杆张拉时所产生的预应力，由于张拉工艺和材料特性等原因，产生 预应力损失。根据大量工程监测数据统计，锚头锁定时预应力损失为1 0 - - 3 0 左右。为保证锚杆张拉时达到设计的预应力值，必须进行超张拉，通过在锚头 位置安装锚固力传感器，测定锚杆锁定时的锚固力及开挖过程中锚固力的变化， 从而确定锚杆是否处于正常工作状态及是否达到了极限破坏状态。 测力计有电阻应变计式，也有钢弦式，一般采用钢弦式测力计。 土压力测试 挡土桩侧土压力采用沿挡土桩侧壁土体中埋设土压力传感器进行测试。可 采用钢弦式或电阻应变式压力盒，测点布置密度可沿土体深度每隔2 - - 3 m 布置 一个土压力盒。在埋设主动土压力部位的压力盒时，其敏感膜应对准桩后，并 应施加较大的初压力，否则可能测不到主动土压力变化的全过程，甚至测不到 数据。在埋设被动侧土压力盒时，其敏感膜面应对准桩前，注意不要施加较大 的初压力，否则，后期土压力值超量程。敏感面所接触的土壤应平整密实，最 好用细砂或细土填平压实。 1 0 中南大学硕士学位论文第二章深基坑变形监测技术研究 在开挖过程中，实测土压力应在静止土压力和朗金极限土压力之间变化。 若实测值趋于极限主动土压力值，则挡土桩侧主动土体可能达到极限破坏平衡 状态。 土体孔隙水压力测试 土体孔隙水压力采用振弦式孔隙水压力计测试，用数字式钢弦频率接收仪 测读数据。孔隙水压力计沿深度方向每隔2 - - - 3 m 埋设一个，可隔5 - - - - l o d 测试 一次。孔隙水压力计不能埋在止水帷幕中，必须埋在土层中，钻孔埋设时，应 采用中、细砂充填，不能采用注浆封孔。， ( 2 ) 周围环境监测 邻近建筑物的沉降观测 在深基坑开挖过程中，为了掌握邻近建筑物的沉降情况，应进行沉降观测。 在被观测建筑物的首层柱上设置测点，在开挖影响范围外的建筑物柱上埋设基 准点或通过钻孔至基岩内设置深埋式基准点。基准点个数为2 - - 3 个。测点分布 间距以1 5 - - - - 2 0 m 为宜。采用精密水准仪，测出观测点的高程，再计算沉降量。 在基坑开挖期间，一般每隔5 7 d 观测一次，沉降速率较大，相邻柱基之间的 差异沉降超过地基规范规定的稳定标准时，应每天观测一次，基坑有坍塌危险 时，应连续2 4 h 观测。 邻近道路和地下管线的沉降观测 邻近道路和地下管线的沉降观测方法也是采用精密水准仪观测。测点布置 应根据管线的材料、管节的长度、接头的方式而定。对于承插式和法兰式接头 一般需在接头处布置沉降观测点，测点直接固定在管道上。观测频率同邻近建 筑物沉降观测一致。 边坡土体的位移和沉降观测 边坡土体位移采用测斜仪监测。在土体中埋设测斜管，在基坑开挖前，测 试2 - 3 次作初读数，开挖过程中，监测频率与挡土桩一致。对土体深层部分埋 设分层沉降标。通过对土体位移和沉降监测，可及时掌握基坑边坡的稳定性， 当边坡潜在滑裂面出现险情预兆时应及时作出报警。 地下水位测试 地下水位采用电极传感器进行监测。水位观测孔钻孔深度必须达到隔水层， 钻孔中应安装带滤网的硬塑料管。一般情况下，每隔3 - 5 d 观测一次。当发现 基坑侧壁明显渗漏或沿基坑底产生管涌时，每天观测l 2 次。地下水位的变化 对基坑支护结构的稳定性有很大影响，暴雨或地表水强补给引起的地下水位快 速上升，对支护结构产生的土压力将增加较大，严重时将导致支护结构破坏。 地下水位明显下降，可能在开挖面以上发生渗漏，也可能在坑底发生渗流。 中南大学硕士学位论文第二章深基坑变形监测技术研究 裂缝观察 经验表明，每天进行肉眼巡视观察是非常重要的，巡视内容包括支护桩墙、 支撑梁、腰梁结构及邻近地面、道路、建筑物的裂缝、沉陷发生和发展情况， 裂缝的快速增多的纵深发展往往是事故发生的预兆。一旦发生裂缝，应在裂缝， 应在裂缝两侧作出标记，定期量测裂缝的宽度发展变化。 上述监测项目中，支护结构的水平位移、邻近建筑物及地下管线的沉降等 是必不可少的，其余项目可根据基坑工程安全等级、场地的地质条件及周围环 境状况等作出合理的选择。 2 4 基坑监测数据处理 深基坑支护工程对监测仪器和元件的精度都有较高的要求，所有项目的监 测都能满足工程的需要，因此，在现场测试完成之后，室内数据处理及结果分 析要及时，用图表方式定量分析，对开挖过程中出现的危险信号及时报警，并 提出相应的处理措施【1 9 】【4 6 】【4 7 】。监测结果的分析包括以下几个方面： ( 1 ) 支护结构的水平位移分析，包括位移速率和累计位移量的计算，绘制 位移随时间变化曲线及位移随深度变化曲线，对引起位移速率增大的原因如开 挖深度、超挖现象、支撑不及时、暴雨、积水、渗漏、管涌等进行分析。 ( 2 ) 沉降及沉降速率的分析，土体沉降主要有支护结构水平位移和地下水 位降低导致土体固结引起的。经验表明，由支护结构水平位移引起相邻地面的 最大沉降与水平位移之比在o 6 5 1 0 0 之间，而沉降发生的时间比水平位移发 生的时间滞后一周左右。而含水沙层和淤泥等高压缩性土层中地下水位降低会 引起地面较大范围和幅度的沉降，有时地下水位降低引起的沉降要比支护结构 侧向位移引起的土体沉降要大得多。邻近建筑物和地下管线的沉降观测结果要 与有关规范中的沉降值相比较，判断支护结构是否已趋于稳定或是否有继续发 展的趋势。 ( 3 ) 支撑轴力及锚固力分析，绘制支撑力、锚固力随时间变化曲线，对支 撑力及锚固力值变化较大时，应分析变化原因，并与设计值比较判断支护结构 是否有失稳的可能性。 ( 4 ) 地下水位分析，当基坑场地中高压缩性土层和强透水沙层的厚度较大 时，基坑外建筑物特别是天然基础的建筑物在水位大幅下降后2 - 3 d 内就会发 生裂缝，严重时危及结构安全。地下水位的快速上升，说明支护结构止水效果 好，连续几天暴雨引起水位上升应给予重视，水位上升导致支护结构侧壁土压 1 2 中南大学硕士学位论文 第二章深基坑变形监测技术研究 力增加，土体抗剪强度降低，可能导致锚杆失效和支护结构失稳。 ( 5 ) 各项监测结果的综合分析和相互比较，用各项监测结果与设计公款进 行对比，判断设计、施工方案的合理性，当监测信息限时支护结构出现险情时， 应及时加固；当显示安全性很高时，可适当调整支撑密度和刚度，降低工程造 价。 ( 6 ) 根据监测资料分析基坑开挖对周围环境的影响，通过反分析，推算岩 土体的力学参数，对原设计进行校验计算，预测后续开挖及支护的位移和受力 状况，进行险情分析和预报，提出处理措施。 2 5 基坑监测报警标准 基坑监测可以捕捉到开挖各工况的信息。如果加强监测，对于事故的险情 是可以做出预报【4 8 】的。经过实践的总结，提出对下列情况之一应进行报警： ( 1 ) 支护结构水平位移速率连续几天急剧增大，如达到5 0 1 0 o m m d ， 并且不趋于收敛时。 ( 2 ) 支护结构水平位移累计值超过设计容许值，如安全等级为一、二、三 级的基坑，支护结构水平位移值分别达到3 0 、5 0 、l o o m m 时，或最大位移与开 挖深度的比值达到0 2 5 - - - 0 7 0 ，周边有重要的建( 构) 筑物和地下管线时取 小值。 ( 3 ) 桩墙主钢筋应力、支撑轴力、锚杆锚固力等实测值超过设计容许值。 ( 4 ) 临近地面及建筑物的沉降超过设计容许值。如地面最大沉降与开挖深 度的比值达到0 4 - - 0 7 ，地面裂缝急剧发展。建筑物的不均匀沉降达到有关 规范的沉降限值，如砌体承重结构和多层框架结构基础的局部倾斜达到0 2 0 3 ，高层建筑基础倾斜达到o 1 5 - 0 4 ，高层取低值。 ( 5 ) 煤气管、水管等设施的变形超过设计容许值，采用承插式接头的铸铁 水管、钢筋混凝土水管两个接头之间的倾斜值达到0 8 ；采用焊接接头的钢水 管两个接头之间的倾斜值达到1 ；煤气管局部倾斜达到0 4 时。 ( 6 ) 肉眼巡视发现的各种危险现象，如压顶梁、支撑梁上出项裂缝，临近 地面及建筑物的裂缝宽度和数量不断扩大，基坑胜投和管涌等。 险情预报的关键在于对监测数据及时分析处理，做出各种图表和曲线，并 结合必要的复合计算，做出合理的分析和判断1 4 圳。 1 3 中南大学硕士学位论文 第二章深基坑变形监测技术研究 2 6 基坑监测方案设计的原则与内容 2 6 1 方案设计的原则 由于监测方案对基坑设计、施工和运行都起着相当重要的作用，因此基坑 监测方案应综合分析各种有关资料和信息进行设计。方案设计的原则3 0 】【4 0 】【5 0 】 如下： ( 1 ) 可靠性原则 可靠性原则是监测设计中所要考虑的最重要原则。为此，必须做n - 系统 需采用可靠的仪器设备；应在监测期间内保护好测点。 ( 2 ) 多层次原则 在监测对象上以位移为主，但也考虑其他物理量监测。 在监测方法上以仪器监测为主，并辅以目测巡视的方法。 在监测仪器选型上以机测式仪器为主，并辅以电测式仪器。 为保证监测的可靠性，监测系统应采用多种原理不同的方法和仪器。 考虑分别在地表、基坑土体内部及邻近受影响建筑物与设施内布点， 以形成具有一定的测点覆盖率的监测网。 ( 3 ) 重点监测关键区原则 将易出问题而且一旦出问题将会造成很大损失的部位列为关键区进行重 点监测，并尽早实施。 ( 4 ) 方便实用原则 为减少监测与旌工之间的相互干扰，监测系统的安装和测读应尽可能地做 到方便实用。 ( 5 ) 经济合理原则 在系统设计时应尽可能选用实用而价廉的仪器，以降低监测费用。 ( 6 ) 以位移为主的原则 变形监测是基础监测的主要手段，也是变形破坏的基本依据。 ( 7 ) 整体控制原则 保证监测系统对整个基础的覆盖。 ( 8 ) 遵照工程需要原则 监测系统的布置要充分考虑工程的特点和工程建筑对基础的要求。 1 4 中南大学硕士学位论文第二章深基坑变形监测技术研究 2 6 2 方案设计的内容 由于基坑监测不仅仅是一个简单的信息采集过程，而是集信息采集及预测 于一体的完整的系统，因此，在施工前应制定严密的监测方案。一般来讲，监 测方案设计应包括下述几个方面【3 5 】【5 l 】： ( 1 ) 确定监测目的 根据场地工程地质和水文地质情况、基坑工程围护体系设计及周围环境情 况确定监测目的，监测目的主要有以下三类： 通过监测成果分析预估基坑工程围护体系本身的安全度，保证施工过程 中围护体系的安全。 通过监测成果分析预估基坑工程开挖对相邻建( 构) 筑物的影响，确保 相邻建( 构) 筑物和各种市政设施的安全和正常工作。 通过监测成果分析检验围护体系设计计算理论和方法的可靠性，为进一 步改进设计计算方法提供依据。 不同基坑的监测目的应有所侧重。当用于预估相邻建( 构) 筑物和各种市 政设施的影响，要逐个分析周围建( 构) 筑物和各种市政设施的具体情况，如 建筑物和市政设施的重要性，可能受影响程度、抗位移能力等，确定监测重点。 ( 2 ) 在制定基坑监测方案时应根据监测目的和方案设计原则合理选择现场 测试的监测项目。 ( 3 ) 确定测点布置和监测频率 根据监测目的确定各项监测项目的测点数量和布置方式。根据基坑开挖进 度确定监测频率，原则上在开挖初期可几天测一次，随着开挖深度发展，提高 监测频率，必要时可一天测数次。 ( 4 ) 建立监测成果反馈制度 应及时将监测成果报告给现场监理、设计和施工单位。达到或超过监测项 目报瞥值应及时研究、及时处理，以确保基坑工程安全顺利施工。 ( 5 ) 制定监测点的保护措施 由于基坑开挖施工现场条件复杂，测试点极易受到破坏，因此，所有测点 务必做得牢固，配上醒目标志，并与施工方密切配合，以确保其安全。 ( 6 ) 监测方案设计应密切配合施工组织计划 监测方案是旌工组织设计的一个重要内容，它只有符合施工组织的总体计 划安排才有可能得以顺利实施， 1 5 中南大学硕士学位论文第二章深基坑变形监测技术研究 2 7 平面监测系统与沉降监测系统的布设 在基坑变形监测中，坑周土体位移变化、基坑支护结构变形及周边相邻建 筑物的沉降是必测项目。故建筑基坑平面监测系统及沉降监测系统的布设非常 重要【3 8 】【4 6 】【5 2 】。在平面监测及沉降监测具体操作上一般应做到以下几点：即固定 观测路线、固定测站、固定立尺点、固定操作员、固定前后司尺员。这样做是 使每次观测的数相同，不考虑数的配置，尽量减少误差。 2 7 1 基坑支护结构变形监测网的设置 变形监测网布置应根据周边环境和支护结构情况综合考虑，要求所布设控 制网的点位在施工期间，既要建筑物在建n + o m 高度之前，能够j 顷利观测到支 护结构所设的观测点；又要考虑到观测网的图形强度；还要兼顾测网控制点的 相对稳定性。在城市建筑稠密区，场地十分狭窄，造成控制点的选择较为困难。 根据经验，一般控制点应选在较安静地区既避开人踩、车轧、建筑材料堆放的 地方，又要远离基坑、通视良好、保证仪器操作时的安全。在一个场地中一般 布置4 个以上控制点。具体埋设方法是：挖深为1 5 m 左右( 见到老土层) ，直径 为1 m 左右的浅井，底部整实，用直径与测量仪器固定螺旋相同的钢材，上部呈 螺旋状( 与仪器能够联接上) ，下部焊成十字形，直接灌入混凝土内，以便于观 测。混凝土桩露出地面约1 3 m 左右，上部直径0 1m 左右，顶部设保护盖， 避免螺旋被碰动及生锈。建造观测墩的目的是使仪器强制对中，减少仪器对中 误差。 2 7 2 基坑支护结构监测点的设置 监测点的设置应根据基坑支护结构的形状、材料、设计思路和施工方法以 及工程地质情况来确定。一般在支护结构圈梁顶，选在变形最敏感的区段，视 基坑大小每边至少布置3 个监测点。目的是监测支护结构圈梁顶部的水平位移 和垂直位移( 沉降) 。支护结构基坑内侧设置一些监测点，其设置方法视孔隙水 压力、土体旁侧压力及周围环境( 邻近堆置重物处，基础下有暗滨处) ，在对基 坑支护结构产生压力较大位置( 邻近堆置重物处，基础下有暗滨处) 周围的砼 支撑柱上设置，其目的是：监测土体旁侧压力及水头压力等使支撑柱产生倾斜 位移。 1 6 中南大学硕士学位论文第二章深基坑变形监测技术研究 2 7 3 沉降监测网的设置 控制网一般应由三个以上水准点组成，布置原则要考虑以下几个方面： ( 1 ) 较远地离开基坑，一般至少在距基坑5 0 m 以外，尽可能的避免因基 坑开挖，拟建筑物加荷而引起的控制点沉降。 ( 2 ) 控制点要牢固可靠，尽可能避免因基坑自身沉降或车轧、行人碰撞而 引起的点位沉降。 ( 3 ) 观测路线设计合理，控制点间距适中，便于监测点观测路线的选择。 点位具体位置选在较安静且通视良好保证安全的地方，建造方法一种是挖深1 5 m ( 至老土层) ，直径1 0 m 左右的浅井，底部整实，用直径2 0m m ，长约3 0 0 m m 的钢材上部车成半圆形，下部焊成十字架，十字架长约4 0 0r n l t l ，然后投入井内， 再灌注混凝土，让钢材高出水泥面约1 0 m m 左右，顶部要砌筑保护盖；另一种 方法是选择在较牢固的建筑物上，在其墙上距地面约o 5m 处打一孔，将造好 的观测标志牢固的安装在孔内，再用混凝土加以固定。标志用7 0 m m ，长约3 0 m m 的不锈钢材料，露出的头部车成球形，以便于放水准尺。 2 7 4 沉降监测点的设置 沉降监测点的设置除前面所述的在基坑支护结构项部设置以外，还应在建 筑物四周角处、大转弯处、沉降缝、主楼桩型不同的两侧、地质条件有变化的 明显区段内设置，间距一般1 0 - 一1 5 m 。观测点布设在桩基的主钢梁上。观测点 标志用2 0 m m ，长2 0 0 m m 圆钢，外接圆球制造而成，并对设置点加以保护。 对周围建筑物沉降监测点的位置，应根据其建筑结构、高度、地质条件以 及距离基坑的远近程度加以考虑，一般建在距地面约0 3m 高的建筑物桩体上， 标志与上述拟建建筑物所设标志相同。 2 8 本章小结 本章对基坑工程的变形监测技术进行了研究完善，使基坑监测工作更具科 学性和适用性，主要工作有： ( 1 ) 全面总结了基坑安全监测目的、监测项目的选择和监测方案设计原则。 ( 2 ) 研究了基坑监测数据的处理和监测系统的布设方法。 ( 3 ) 完善了监测方法和方案设计的内容。 1 7 中南大学硕士学位论文第三章深基坑变形预测模型研究 第三章深基坑变形预测模型研究 3 1 灰色系统理论 3 1 1 灰色系统理论的基本概念 在现实生活中，由于事物本身的复杂性和人们知识的局限性，人们只能把 握研究对象的部分信息所呈现的大致范围，而不是其全部信息或确切信息。 灰色系统理论【2 2 1 【5 3 】以“部分信息已知，部分信息未知”的“小样本、贫信息” 不确定性系统为研究对象，主要通过对“部分”已知信息的生成