CN104452836A - 一种深基坑支护结构的稳定性检测预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于工程设计领域，涉及基坑工程支护结构的稳定性监测预警方法。一种深基坑支护结构的稳定性检测预警方法，包括以下步骤：步骤一：深基坑工程支护结构的初步设计；步骤二：深基坑工程支护结构变形与土压力监测；步骤三：确定基坑开挖引起的位移动力失稳风险参数；步骤四：确定基坑开挖支护结构耦合监测预警值；步骤五：根据基坑耦合监测预警值，对基坑开挖过程中基坑支护结构的稳定性进行分析与评估。本发明的方法，改变了传统位移时序预测法仅仅选取滑坡位移或位移速率作为监测和评价参数的思路，将开挖基坑加卸载所产生的动力荷载的变化值与基坑位移或位移速率进行同步监测与计算，并给出了具体的耦合监测预警值。

Description

一种深基坑支护结构的稳定性检测预警方法

技术领域

本发明属于工程设计领域，涉及基坑工程支护结构的稳定性监测预警方法。

背景技术

随着国民经济建设的飞速发展与土地资源的相对紧缺，各种用途的地下空间已在世界各地得到广泛的开发与利用，随之也产生了大量的深基坑工程，且基坑向着开挖面积大，开挖深度深，周围环境更复杂的趋势发展。因此，对基坑支护工程的稳定性要求也越来越高。目前，深基坑支护结构稳定性的分析与评价中，常采用的方法为定值设计法，即用抗力效应与荷载效应的比值作为安全系数来评价基坑支护结构的稳定性。但该方法忽略了计算所用参数的随机性、计算模式的不确定性等，因而计算所得的安全系数本身也具有或然性，并不能真正反映支护结构的稳定与安全程度。

目前，深基坑工程常采用的支护形式有挖(钻)孔灌注桩、深层搅拌桩、钢筋混凝土桩等刚性桩与锚杆或土钉结合，可以有效地对深基坑工程进行支护与加固。然而不容回避的事实是，由于基坑工程和地下工程施工环境的复杂性和不确定性，往往决定了基坑受周围土压力、水压力及其他不确定荷载影响较大，深基坑工程和地下工程施工过程中往往会引起支护结构内力和位移以及基坑内外土体变形而发生种种意外，严重威胁基坑内施工人员和施工机械的生命财产安全。因此，如何将支护结构与坑内外的信息化施工的监测系统配合起来，形成一套完整的深基坑支护技术，真正意义上的对深基坑工程支护结构的稳定性做到准确的预警，是深基坑支护工程亟待解决的问题。

深基坑工程和地下工程施工过程中常采用监测的技术手段，随时掌握土体和支护结构的内力变化情况，了解临近建筑物、构筑物的变形情况。利用监测数据与设计预估值进行对比分析，以判断施工工艺和施工参数是否需要修改，优化下一步施工参数,为施工过程及其影响提供及时的反馈信息，达到信息化施工管理。在该信息化施工过程中监测预警是建筑基坑工程实施监测的重中之重，是预防基坑工程事故发生、确保基坑及周边环境安全的重要措施。监测报警值是监测工作的实施前提，是对基坑工程正常、异常和危险三种状态进行判断的重要依据。基 坑工程监测项目的监测报警值的确定是一个十分严肃、复杂的课题，建立一个定量化的报警指标体系对于基坑工程的安全监控意义重大。目前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变化量和变化速率值共同控制。但是由于设计理论的不尽完善以及基坑工程的地质、环境差异性及复杂性，人们的认知能力和经验还十分不足，目前基坑监测报警值仍采用单一监测因素(位移、内力等)报警估计范围值，不能对多监测影响因素进行有机耦合分析，针对不同类别的深基坑工程没有一个确定的判别数值，在实际工程中往往操作不便，且常常导致深基坑工程稳定性或失稳预警的误判和错判，增大其稳定性或失稳预警的风险。

针对上述基坑支护结构监测预警问题，本发明拟建立一种利用位移和土压力多因素耦合监测，来综合分析与评价深基坑工程支护结构稳定性的检测预警方法。即根据基坑施工过程中支护结构的位移变化值和侧向土动力的变化值，提出并运用位移动力失稳风险参数对基坑支护结构稳定性进行检测预警。

发明内容

为了克服目前现有深基坑工程检测预警方法的不足，本发明提出了位移动力失稳风险参数来评价基坑支护结构的稳定性。该参数是基坑变形和开挖动力增载耦合的基坑位移动力评价参数，所以它既能反映基坑的位移变形特点，又能刻画基坑的下滑动力变化规律。本专利对基坑开挖过程进行耦合实时监测，进而根据监测数据确定位移动力失稳风险参数，根据弹塑性理论和损伤力学基本原理及基坑工程极限平衡安全系数的定义，确定了位移动力失稳风险参数的耦合监测预警值，并运用耦合监测预警值对基坑的稳定性做出判别与评价。

本发明采用的技术方案是：一种深基坑支护结构的稳定性检测预警方法，包括以下步骤：

步骤一：深基坑工程支护结构的初步设计；

步骤二：深基坑工程支护结构变形与土压力监测；

步骤三：确定基坑开挖引起的位移动力失稳风险参数；

步骤四：确定基坑开挖支护结构耦合监测预警值；

步骤五：根据基坑耦合监测预警值，对基坑开挖过程中基坑支护结构的稳定性进行分析与评估。

所述步骤二，根据步骤一中确定的基坑支护结构形式，在打入刚性支护桩的同时，按照基坑监测设计规范布置位移监测点和土压力监测点，完成基坑支护结构的监测：包括基坑开挖引起的侧向动力增载量和基坑开挖引起位移量的监测。

1、监测基坑开挖引起的侧向动力增载量

根据基坑工程的位置、规模和支护形式及《建筑基坑工程监测技术规范》GB50497‐2009，在打入刚性桩的同时埋设土压力监测点。土压力监测点在基坑四周每边均不宜少于2个。土压力的监测采用土压力盒进行监测，土压力盒的垂直间距D宜为2～5m，一般情况下每层土层应至少布置1个土压力盒,并宜布置土层中部。土压力盒受力面与所监测的土压力方向垂直并紧贴被监测对象。土压力盒埋设以后应立即进行检查测试，基坑开挖前应至少经过1周时间的监测并取得稳定初始值。在基坑工程和地下工程施工过程中通过数据采集处理器进行初处理并传输到自动采集装置，最终将监测数据进行人工初步分析。

2、监测基坑开挖引起位移量

在能反映基坑变形特点的基坑顶部沿基坑周边冠梁顶部按间隔布设若干变形监测点。基坑变形监测基准点选在监测基坑开挖面以外3倍开挖深度的稳定无变形区域，变形监测基准点和变形监测点共同形成开挖面的变形监测控制网；在变形监测基准点和变形监测点分别对应设置无线监测设备，根据变形监测点分布情况，在基坑坡体上选取至少三个变形监测点作为分析目标，基坑开挖前测试基坑开挖水平位移的初始值，以后每开挖一层进行一次有效的测量，并将无线监测设备收集到的监测位移变形量记录下来，进行初步的统计和分析。

步骤三所述基坑开挖引起的位移动力失稳风险参数的确定方法是：将基坑开挖动力增载位移响应率定义为基坑开挖所引起的位移量或位移速率变化值与相应的由开挖引起的侧向动力加载增量之比，即：

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{\ΔS}}{\mathrm{\ΔP}}---\left(1\right)$

根据基坑开挖动力增量位移响应率的定义及特点，将基坑开挖位移动力失稳风险参数定义为基坑开挖任意监测时间段的位移动力增载响应率λ_t与初始弹性阶段基坑位移动力增载响应率λ₀之比，即：

${\mathrm{\η}}_t=\frac{{\mathrm{\λ}}_t}{{\mathrm{\λ}}_0}---\left(2\right)$

其中：Δs_t为任意监测t时间段基坑开挖所引起的水平位移量，Δp_t为任意监测t时间段基坑开挖所引起的侧向动力加载增量；Δs₀为初始开挖监测时间段所引起的水平位移量，Δp₀为初始开挖时间段所引起的侧向动力加载增量。

步骤四所述基坑开挖支护结构耦合监测预警值的确定方法为：根据损伤力学的基本原理及损伤变量与基坑支护稳定性系数的关系，确定基坑位移动力失稳风险参数η_t与基坑支护结构稳定性系数F_t的定量关系如下：

${\mathrm{\η}}_t=\frac{F_t}{F_t-1}---\left(3\right)$

根据《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012，基坑支护安全系数K根据基坑的安全等级一、二、三级分别取1.4、1.3、1.2，开挖过程中最不利工况下将安全系数K乘以0.9；由式(3)确定基坑支护结构耦合监测预警值为η_cr：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{cr}}=\frac{K}{K-1}---\left(4\right)$

η_cr为运用基坑安全系数所确定的基坑耦合监测预警值。

步骤五所述根据基坑耦合监测预警值，对基坑开挖过程中基坑支护结构的稳定性进行分析与评估如下：当基坑支护稳定性系数F_t大于安全系数K时，位移动力失稳风险参数小于耦合监测预警值η_t<η_cr，说明该基坑处于稳定阶段；当基坑稳定性系数F_t小于安全系数K时，位移动力失稳风险参数大于耦合监测预警值η_t>η_cr，说明基坑处于不稳定阶段。

本发明的深基坑支护结构的稳定性检测预警方法基本原理与依据如下：

根据损伤力学基本原理，损伤过程与损伤程度可以运用损伤变量(D_t)来描述与刻画。由损伤变量的定义，令土体损伤变量为D_t,在土体中,对研究的损伤 过程比较敏感,且易于测量的是变形模量,设岩土体初始弹模为E₀，发生损伤后变形模量为E_t，则据J.Dufailly(1988)的实验结果，可以得出：

$D_t=1-\frac{E_t}{E_0}---\left(5\right)$

根据弹性力学和损伤力学的基本原理，位移动力失稳风险参数η_t是材料任意变形阶段内的动力增载位移响应率与其初始变形阶段内的动力增载位移响应率之比，即

${\mathrm{\&eta;}}_t=\frac{{\mathrm{\&Delta;\&epsiv;}}_t}{{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_t}/\frac{{\mathrm{\&Delta;\&epsiv;}}_0}{{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_0}=\frac{E_0}{E_t}---\left(6\right)$

根据公式(6)可知，位移动力失稳风险参数η_t的倒数ξ_t为：

${\mathrm{\&xi;}}_t=\frac{1}{{\mathrm{\&eta;}}_t}=\frac{{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_t}{{\mathrm{\&Delta;\&epsiv;}}_t}/\frac{{\mathrm{\&Delta;\&sigma;}}_0}{{\mathrm{\&Delta;\&epsiv;}}_0}=\frac{E_t}{E_0}---\left(7\right)$

其中：Δσ_t为从损伤开始到t时刻的应力增量，Δε_t为相应应力增量作用下材料发生的应变增量。由位移动力失稳风险参数η_t的倒数ξ_t可知，当材料未发生损伤时，其ξ_t等于1；当材料完全损伤时，其ξ_t等于0；当材料部分损伤时，其ξ_t为(0，1)。

本发明根据损伤变量的定义(式(5))及其变形模量E_t与位移动力失稳风险参数η_t的关系，将损伤变量(D_t)定义为基坑位移动力失稳风险参数倒数ξ_t的变化与初始位移动力失稳风险参数倒数ξ₀的比值，即

$D_t=\frac{{\mathrm{\&xi;}}_0-{\mathrm{\&xi;}}_t}{{\mathrm{\&xi;}}_0}=1-\frac{{\mathrm{\&xi;}}_t}{{\mathrm{\&xi;}}_0}---\left(8\right)$

其中，ξ₀为基坑弹性稳定状态时其变形模量增量比，其值为1，故损伤模量可以表示为：

D_t＝1-ξ_t      (9) 

综合分析式(7)和式(8)，当基坑处于弹性稳定状态时，E_t＝E₀， ξ_t＝ξ₀＝1,D_t＝0，当基坑处于完全损伤破坏状态时，E_t＝0，ξ_t＝0，D_t＝1。表明式(8)和式(9)在描述和评价材料损伤变形规律时具有等效性，运用位移动力失稳风险参数η_t倒数ξ_t来定义损伤变量是可行的和有效的，从而可运用位移动力失稳风险参数η_t对任何变形阶段的基坑稳定性进行分析与评价。

根据式(6)和式(9)可确定其位移动力失稳风险参数与损伤变量存在以下关系：

${\mathrm{\&eta;}}_t=\frac{1}{1-D_t}---\left(10\right)$

从式(10)可以看出，当D_t＝0时，η_t＝1，此时基坑坡体未受损伤，基坑处于稳定状态；当D_t→1时，η_t→0，此时基坑坡体完全损伤破坏，基坑处于失稳状态。

在基坑工程中，目前公认的是把基坑的稳定性系数作为基坑稳定性的评判标准，用基坑实际稳定系数来判别基坑是否稳定和稳定程度。安全系数定义为极限损伤与容许最大损伤之比，即：式中D_cr为容许最大损伤，极限损伤D_lim取1。而在整个损伤直至破坏的过程中，损伤变量D_t逐渐趋近于D_cr，因此安全系数可写为：

$K=\frac{1}{D_{\mathrm{cr}}}---\left(11\right)$

根据式(12)和式(13)，可以确定基坑支护结构耦合监测预警值与基坑安全系数的定量关系：

${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{cr}}=\frac{K}{K-1}---\left(12\right)$

本发明的一种深基坑支护结构的稳定性检测预警方法的有益效果是：该方法改变了传统位移时序预测法仅仅选取滑坡位移或位移速率作为监测和评价参数的思路，将开挖基坑加卸载所产生的动力荷载的变化值与基坑位移或位移速率进行同步监测与计算，并给出了具体的耦合监测预警值。

附图说明

图1本发明的一种深基坑支护结构的稳定性检测预警方法的工艺流程示意图；

图2开挖基坑及监测设备布置简图；

图3基坑开挖过程中位移动力失稳风险参数/预警值—时间折线图；

图中：1、土压力盒；2、支护桩；3、测斜仪；4、自动收集装置；5、测斜管；6、位移监测点；7、锚杆；8、冠梁。

具体实施方式

为了更好的阐述本发明的一种深基坑支护结构的稳定性检测预警方法，下面结合图1的工艺流程图，以某深基坑工程为实施例进一步的详细说明。该基坑工程于2009年7月10日以90°等倾角垂直开挖，到2009年12月5日完成开挖，开挖深度为18米，按照既定基坑设计方案，采用钻孔灌注桩和锚杆联合支护。每层开挖深度为2m，开挖至第六层时由于暴雨天气导致基坑局部出现不稳定，及时做出了方案的调整。该基坑工程于2009年7月10日开始对基坑进行位移进行变形和土压力的耦合监测，并对其监测数据进行分析处理，直到基坑开挖结束。其具体实施方案步骤操作与过程如下：

步骤一：深基坑工程支护结构的初步设计

根据该深基坑工程特点和现场调查研究，广泛查阅临近基坑开挖资料，综合考虑基坑与周围建筑物和地下管网的关系、场地工程地质条件等因素，在“安全、经济、方便施工”的原则下，对多种围护结构方案进行比较最终选定钢筋混凝土灌注桩和锚杆联合支护结构如图2所示。根据拟建建筑物对深基坑的要求确定基坑的开挖深度为18m，开挖角度为90°直立开挖，支护桩顶部用1.0m*2.0m*0.6m冠梁连接。

步骤二：深基坑工程支护结构监测

根据步骤一中确定的基坑支护形式和开挖深度，在进行钢筋混凝土灌注桩施工的同时，按照基坑监测设计规范布置位移监测点和土压力监测点，完成基坑支护结构的监测。

1、监测基坑开挖引起的侧向动力增载量

根据基坑工程的位置、规模和支护形式及《建筑基坑工程监测技术规范》 GB50497‐2009，在钻孔灌注桩施工的同时埋设土压力监测点，且基坑每边布置4个，间距为8m。土压力的监测采用土压力盒进行监测，根据基坑支护影响范围内岩土体的土层性质将土压力盒的垂直间距D＝3m。土压力盒受力面与所监测的土压力方向垂直并紧贴被监测对象。土压力盒埋设以后应立即进行检查测试，在基坑开挖前经过1周时间的监测并取得稳定初始值，每开挖一层作为一个监测周期，每层开挖深度为2m。在基坑工程施工过程中通过数据采集处理器进行初处理并传输到自动采集装置，最终将监测数据见表一，进行人工初步分析。

表一 前三层开挖中各监测点侧向动力增载量平均值

监测时间(/层)	侧向动力增载量平均值(KN/m)
		1	18.43
2	20.2
		3	23.5
4	28.3
		5	29.6
6	49.8

2、监测基坑开挖引起位移量

基坑顶部水平位移监测点沿基坑周边冠梁顶部设置，间距约为8米，基坑每边布设4个监测点，保证与土压力监测点一一对应。基坑变形监测基准点选在监测基坑开挖面以外3倍开挖深度的稳定无变形区域，变形监测基准点和变形监测点共同形成开挖面的变形监测控制网；在变形监测基准点和变形监测点分别对应安装无线监测设备。在基坑开挖前测试基坑开挖水平位移的初始值，以后每开挖一层进行一次有效的测量，并将无线监测设备收集到的监测位移变形量记录下来，进行初步的统计和分析，见表二。

表二 前三层开挖中各监测点位移变化量平均值

监测时间(/层)	位移变化量平均值(mm)
		1	20
2	38.3
		3	50.2
4	80.3

5	96.2
		6	203.2

步骤三：确定基坑开挖引起的位移动力失稳风险参数

根据步骤二中所监测的基坑开挖过程中位移量的变化和侧向动力加载增量可以得出，该深基坑初始开挖动力增载位移响应率为：

${\mathrm{\&lambda;}}_0=\frac{\mathrm{\&Delta;}{S}_0}{\mathrm{\&Delta;}{P}_0}=\frac{20}{18.34}=1.09$

任意开挖时间段的位移动力增载响应率分别为：1.09,1.90，2.14,2.84，3.25,4.08。

因此基坑开挖位移动力失稳风险参数计算结果如下：

${\mathrm{\&eta;}}_1=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_1}{{\mathrm{\&lambda;}}_0}=\frac{1.90}{1.09}=1.75$

${\mathrm{\&eta;}}_2=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_2}{{\mathrm{\&lambda;}}_0}=\frac{2.14}{1.09}=1.97$

${\mathrm{\&eta;}}_3=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_3}{{\mathrm{\&lambda;}}_0}=\frac{2.84}{1.09}=2.61$

${\mathrm{\&eta;}}_4=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_4}{{\mathrm{\&lambda;}}_0}=\frac{3.25}{1.09}=2.99$

${\mathrm{\&eta;}}_5=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_5}{{\mathrm{\&lambda;}}_0}=\frac{4.08}{1.09}=3.76$

步骤四：确定基坑开挖支护结构耦合监测预警值

根据损伤力学的基本原理及损伤变量与基坑支护稳定性系数的关系(具体推导见发明内容部分原理)，确定基坑位移动力风险参数η_t与基坑支护结构稳定性系数F_t的定量关系如下：

${\mathrm{\&eta;}}_t=\frac{F_t}{F_t-1}---\left(3\right)$

根据《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012，基坑支护安全系数K根据该 深基坑的安全等级为一级取1.3，由式(7)确定基坑支护结构耦合监测预警值为η_cr：

${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{cr}}=\frac{K}{K-1}=\frac{1.4}{1.4-1}=3.50$

η_cr为运用基坑安全系数所确定的基坑耦合监测预警值。根据基坑耦合监测预警值和步骤三种确定的位移动力风险参数值绘出相应的折线图，见图3，并对基坑开挖过程中基坑支护结构的稳定性进行分析与评估如下：基坑前五层开挖其位移动力失稳风险参数η_t均小于耦合监测预警值η_t＝3.5，说明该深基坑一直处于稳定性状态，不需对其做出预警判别，按既定施工设计方案继续开挖下一层。由于降雨的原因，当基坑开挖到第六层时，基坑的位移动力风险参数η_t＝3.76大于耦合监测预警值3.50，此时应对基坑做出预警判断，并及时采取相应的补救措施。

Claims (5)

1.一种深基坑支护结构的稳定性检测预警方法，包括以下步骤：

步骤一：深基坑工程支护结构的初步设计；

步骤二：深基坑工程支护结构变形与土压力监测；

步骤三：确定基坑开挖引起的位移动力失稳风险参数；

步骤四：确定基坑开挖支护结构耦合监测预警值；

步骤五：根据基坑耦合监测预警值，对基坑开挖过程中基坑支护结构的稳定性进行分析与评估。

2.根据权利要求1所述的深基坑支护结构的稳定性检测预警方法，其特征在于：步骤二，根据步骤一中确定的基坑支护结构形式，在打入刚性支护桩的同时，按照基坑监测设计规范布置位移监测点和土压力监测点，完成基坑支护结构的监测：包括基坑开挖引起的侧向动力增载量和基坑开挖引起位移量的监测。

3.根据权利要求1或2所述的深基坑支护结构的稳定性检测预警方法，其特征在于：步骤三所述基坑开挖引起的位移动力失稳风险参数的确定方法是：将基坑开挖动力增载位移响应率定义为基坑开挖所引起的位移量或位移速率变化值与相应的由开挖引起的侧向动力加载增量之比，即：

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{\mathrm{\&Delta;S}}{\mathrm{\&Delta;P}}---\left(1\right)$

根据基坑开挖动力增量位移响应率的定义及特点，将基坑开挖位移动力失稳风险参数定义为基坑开挖任意监测时间段的位移动力增载响应率λ_t与初始弹性阶段基坑位移动力增载响应率λ₀之比，即：

${\mathrm{\&eta;}}_t=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_t}{{\mathrm{\&lambda;}}_0}---\left(2\right)$

其中： Δs_t为任意监测t时间段基坑开挖所引起的水平位移量，Δp_t为任意监测t时间段基坑开挖所引起的侧向动力加载增量；Δs₀为初始开挖监测时间段所引起的水平位移量，Δp₀为初始开挖时间段所引起的侧向动力加载增量。

4.根据权利要求3所述的深基坑支护结构的稳定性检测预警方法，其特征在于：步骤四所述基坑开挖支护结构耦合监测预警值的确定方法为：根据损伤力学的基本原理及损伤变量与基坑支护稳定性系数的关系，确定基坑位移动力失稳风险参数η_t与基坑支护结构稳定性系数F_t的定量关系如下：

${\mathrm{\&eta;}}_t=\frac{F_t}{F_t-1}---\left(3\right)$

根据《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012，基坑支护安全系数K根据基坑的安全等级一、二、三级分别取1.4、1.3、1.2，开挖过程中最不利工况下将安全系数K乘以0.9；由式(3)确定基坑支护结构耦合监测预警值为η_cr：

${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{cr}}=\frac{K}{K-1}---\left(4\right)$

η_cr为运用基坑安全系数所确定的基坑耦合监测预警值。

5.根据权利要求4所述的深基坑支护结构的稳定性检测预警方法，其特征在于：步骤五所述根据基坑耦合监测预警值，对基坑开挖过程中基坑支护结构的稳定性进行分析与评估如下：当基坑支护稳定性系数F_t大于安全系数K时，位移动力失稳风险参数小于耦合监测预警值η_t<η_cr，说明该基坑处于稳定阶段；当基坑稳定性系数F_t小于安全系数K时，位移动力失稳风险参数大于耦合监测预警值η_t>η_cr，说明基坑处于不稳定阶段。