CN104501766A - 深基坑开挖边坡垂直位移矢量角监测参数与预警方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

深基坑开挖边坡垂直位移矢量角监测参数与预警方法

技术领域

本发明涉及固定建筑物技术领域，尤其涉及深基坑参数检测和预警，具体的说涉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

随着我国社会经济的飞速发展与不可再生土地资源的限制，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、失稳因素多等特点以及向超深度、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。

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以及相应的本构关系，而且所建立的模型和参数是无时间因素的静态评价模型，所以，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。

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。

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

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以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。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

(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；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(θ)；

(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；

(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(θ)_ki与[V(θ)_k]进行比较，可对基坑边坡稳定性进行动态监测与评价。

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。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以及失稳预警。

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：

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＝0.5～1m，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。

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，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。

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。

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：

$V{\left(\mathrm{\θ}\right)}_{\mathrm{ki}}=\arctan \frac{D_{\mathrm{yki}}}{D_{\mathrm{xki}}}---\left(1\right)$

或 $V{\left(\mathrm{\θ}\right)}_{\mathrm{ki}}=\arctan \frac{v_{\mathrm{yki}}}{v_{\mathrm{yki}}}---\left(2\right)$

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(θ)_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。D_yki为开挖到第i层时，第k个监测点的累积垂直位移量；D_xki为开挖到第i层时，第k个监测点的累积水平位移量；v_yki为开挖到第i层时，第k个监测点的垂直位移速率；v_xki为开挖到第i层时，第k个监测点的水平位移速率。

进一步地，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σ_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σ_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：

$\stackrel{\‾}{V{\left(\mathrm{\θ}\right)}_k}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}V{\left(\mathrm{\θ}\right)}_{\mathrm{ki}}---\left(3\right)$

${\mathrm{\σ}}_k=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[V{\left(\mathrm{\θ}\right)}_{\mathrm{ki}}-\stackrel{\‾}{V{\left(\mathrm{\θ}\right)}_k}]}^2}---\left(4\right)$

$\left[V{\left(\mathrm{\θ}\right)}_k\right]=\stackrel{\‾}{V{\left(\mathrm{\θ}\right)}_k}-{\mathrm{N\σ}}_k,(N=-\mathrm{1,1,2})---\left(5\right)$

其中，为k监测点处垂直位移矢量角的平均值，σ_k为k监测点处垂直位移矢量角的均方差，[V(θ)_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——时间折线图。

进一步地，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；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。

下面结合弹塑性力学的基本原理，对本发明的理论依据做进一步的描述。包括以下分析步骤：

1)根据建筑基坑边坡坡体与结构特征及《建筑变形测量规范》JGJ 8的有关规定，取单位宽度及长度为3倍坡体开挖深度的坡体为研究对象，设基坑等倾角开挖，则坡体处于平面应力场条件下，且应力场均匀变化，即各应力分量之间在基坑开挖过程中始终保持固定的比例不变：σ_x:σ_y＝1:B，其中B为比例常数。

在坡体的线弹性变形范围内，根据弹性力学中平面问题的物理方程：

$\left.\begin{array}{c}{\mathrm{\ξ}}_x=\frac{1}{E}({\mathrm{\σ}}_x-{\mathrm{\μ\σ}}_y)\\ {\mathrm{\ξ}}_y=\frac{1}{E}({\mathrm{\σ}}_y-{\mathrm{\μ\σ}}_x)\end{array}\right\}---\left(6\right)$

将σ_x:σ_y＝1:B即σ_y＝Bσ_x带入式(6)得：

$\left.\begin{array}{c}{\mathrm{\ξ}}_x=\frac{1-\mathrm{B\μ}}{E}{\mathrm{\σ}}_x\\ {\mathrm{\ξ}}_y=\frac{B-\mathrm{\μ}}{E}{\mathrm{\σ}}_x\end{array}\right\}---\left(7\right)$

则 $\frac{{\mathrm{\ξ}}_y}{{\mathrm{\ξ}}_x}=\frac{B-\mathrm{\μ}}{1-\mathrm{B\μ}}---\left(8\right)$

令任意时刻，坡体开挖深度为H，则研究对象的长度L＝3H，此时坡体水平、垂直方向的变形量分别为：

D_x＝ξ_xL＝3ξ_xH          (9)

D_y＝ξ_yH          (10)

根据垂直位移矢量角的定义得：

$V\left(\mathrm{\θ}\right)=\arctan \frac{D_y}{D_x}=\arctan \frac{{\mathrm{\ξ}}_y}{3{\mathrm{\ξ}}_x}=\arctan \frac{1}{3}\frac{{\mathrm{\ξ}}_y}{{\mathrm{\ξ}}_x}=\arctan \frac{B-\mathrm{\μ}}{3(1-\mathrm{B\μ})}---\left(11\right)$

在这个基坑开挖过程中，坡体的垂直位移矢量角大小只与坡体的泊松比和应力比例常数B有关。对于弹性状态和应力比例常数B为定值的基坑边坡，其坡体泊松比始终保持不变，因此，弹性稳定变形状态下其坡体的垂直位移矢量角是一个相对稳定的常量。

2)设均匀各向同性体建筑基坑边坡倾角为(θ)。以平行坡面和垂直坡面方向建立(X′-Y′)直角坐标系，以水平和竖直方向建立(X-Y)直角坐标系。当边坡处入不稳定塑性变形阶段时，其坡体内某点的有效主应力(σ′₁)与X'轴的夹角(α)；通过该点的两条滑移特征线(β_-和β₊)，与有效主应力(σ′₁)夹角每个特征线通过该点的位移速率分量 其合成速率量(和)。

根据塑性力学分析原理，利用有效应力，设坡体塑性主应变率和与塑性屈服函数f(σ′₁,σ′₂,σ′₃)切线斜率成正比，则

其中：c'为有效黏聚力，为有效内摩擦角。

根据塑性流动规则，将上式对σ′₁，σ′₂，σ′₃求导，可得：

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_2=0---\left(14\right)$

式中：λ为一确定比例系数。

由式(13)和式(15)可得到平均主应变率和最大剪应变率分别为：

$\frac{{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_1-{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_3}{2}=\frac{\mathrm{\λ}}{2}---\left(17\right)$

从式(16)和式(17)消去λ，可得边坡变形连续方程为

由上式可以看出，如果则塑性坡体必出现体积增大。根据主应力轴和主位移速率轴相协调的原则，可知：

$\frac{2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}}{{\mathrm{\σ}}_x^{\′}-{\mathrm{\σ}}_y^{\′}}=\frac{2{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_{\mathrm{xy}}}{{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_x-{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_y}=\tan 2\mathrm{\α}---\left(19\right)$

令U和V分别为坡体在X和Y方向的位移速率分量，且压缩变形速率为正，为此可定义变形速率如下：

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_x=-\frac{\∂U}{\∂x}---\left(20\right)$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_y=-\frac{\∂V}{\∂y}---\left(21\right)$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_{\mathrm{xy}}=-\frac{1}{2}(\frac{\∂V}{\∂x}+\frac{\∂U}{\∂y})---\left(22\right)$

利用变形速率转换方程，可知：

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_x=\left(\frac{{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_1+{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_3}{2}\right)+\left(\frac{{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_1-{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_3}{2}\right)\cos 2\mathrm{\α}---\left(23\right)$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_y=\left(\frac{{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_1+{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_3}{2}\right)-\left(\frac{{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_1-{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_3}{2}\right)\cos 2\mathrm{\α}---\left(24\right)$

综合上式可得：

根据式(25)和式(26)及坡体变形连续条件，可得塑性变形阶段边坡垂直位移矢量角为：

根据库伦破坏准则，当坡体由压缩弹性变形进入塑性变形时，随着坡体塑性区扩展与增大及应力的调整，其有效主应力σ′₁与X′轴的夹角α将逐渐降低或增大并趋于45°-φ/2，这个塑性稳定性降低过程必引起坡体垂直位移矢量角的增大；当坡体塑性区扩展并完全贯通时，其坡体滑带的α值将等于45°-φ/2，此时由公式(27)可以看出边坡的垂直位移矢量角将趋近无穷大。该结果表明坡体出现塑性滑移面时，其深部屈服部位塑性垂直位移矢量角将出现突变，这种突变必然会引起边坡垂直位移矢量角的突变。

上述分析和计算结果表明：

在边坡均匀应力变化条件下，该位移矢量角参数的大小和变化仅与边坡稳定性状态及变形性质有关，而与动力和环境因素等变化无关，即边坡处于稳定阶段时，其变形性质应为压缩弹性变形，此阶段其位移矢量角特征值应为常数或接近常数，而不会因在此阶段内的下滑动力大小及其变化而有任何变化；

当边坡由稳定变形进入弹塑性非稳定变形，即滑坡由等速变形转入加速变形时，垂直位移矢量角特征值将会随其变形性质的改变而变化，逐渐增大或减小，其位移矢量角特征值不再是不变的常量，其增大或减小幅度或变化速率与坡体性质和滑带塑性区发展的规模有关；

当边坡进入整体滑移时，其滑带塑性破坏区完全贯通，其位移矢量角特征值将会出现突变，其位移矢量角特征参数在刻画和评价边坡的稳定性中更具有其本质性和稳定性，是边坡稳定性状态及其演化规律的确定性和本质性的位移动力学参数，边坡位移量或位移速率的增大和突变只是其稳定性降低与失稳的必要条件，而不是充分条件，只有当边坡垂直位移矢量角出现连续增大和突变时才表明边坡稳定性降低或即将整体失稳；

因此，垂直位移矢量角是边坡稳定性评价与预测的一个不可替代位移预测将开挖基坑边坡坡面上的垂直位移与水平位移值进行了有机耦合，并依此提出了运用边坡垂直位移矢量角参数实时测定基坑边坡稳定性的新方法。

该理论方法解决了传统基坑“监测报警值”的单维度位移预测方法无法定量描述边坡变形机理且无稳定统一失稳判据等问题，并且所采用明确的判据确切表达出边坡不同开挖阶段的稳定性状态，为基坑边坡预测预报和预警治理提供了有效依据。

本发明对处于开挖基坑边坡动态稳定性进行实时监测，将有利于全程掌握边坡实际稳定性演化规律，必要时加强支护加固措施，减少人员伤亡和经济损失。因此本专利提出的运用垂直位移矢量角参数实时测定基坑边坡稳定性的方法，在基坑边坡的预测预报及边坡灾害防治中都具有重要的实际应用价值。

附图说明

图1本发明的工艺流程示意图；

图2开挖基坑边坡监测点和基准点的直角开挖布置简图；

图3开挖基坑边坡监测点和基准点的等倾角布置简图；

图4开挖基坑边坡监测点和基准点的开挖正视图布置简图；

图5开挖基坑边坡变形监测及数据收集处理设备示意图；

图6倾角为θ的匀质边坡塑性变形速率示意图；

图7首层开挖A监测点垂直位移矢量角/异常判据—时间折线图；

图8首层开挖B监测点垂直位移矢量角/异常判据—时间折线图；

图9底层开挖A,B监测点垂直位移矢量角/异常判据—时间折线图；

图中：01-坡面；02-位移监测点；03-位移监测基准点；04-观测站；05-自动全站仪；06-远程监控中心；07-坡体；08-基坑边坡倾角θ；09-10-(X′-Y′)平行坡面和垂直坡面的直角坐标系；11-12-(X-Y)水平和竖直方向的直角坐标系；13-坡体内某点的有效主应力σ′₁；14-有效主应力σ′₁与X'轴的夹角α；15-滑移特征线β_-；16-滑移特征线β₊；17-滑移特征线β_-与有效主应力σ′₁夹角；18-滑移特征线β₊与有效主应力σ′₁夹角；19、20、21、22-每个特征线通过该坡体内某点的位移速率分量23-合成速率量24-合成速率量)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

某基坑于2010年6月28日以90°等倾角分层开挖，预计到2010年9月28日前完成开挖，开挖深度为15米，按照开挖设计方案采用土钉支护。于2010年6月28日开始对基坑变形进行监测。以该开挖基坑为例，本发明的具体实施步骤如下：

第一步：基坑开挖边坡表面位移监测点及基准点的选取

根据《建筑基坑监测技术规范》(GB50497-2009)的要求及开挖基坑的实际尺寸，在基坑坡顶周边、周边中部及阳角处等内力及变形关键特征点上布置监测点，监测点距离开挖面为D＝0.5m，监测点水平间距取15m，长边布置11个监测点，短边布置3个监测点。根据国家现行标准《建筑变形测量规范》GJ 8的有关规定将位移监测基准点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，并设置有强制对中的观测墩。对监测点和基准点分别采用红油漆三角符号标识并做编号，形成控制网。

第二步：监测设备的布置与安装

在深基坑附近通视良好的位置设置一个便于观测的观测站并架设TC 2003高精度自动全站仪，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，有效测得基坑边坡水平位移和垂直位移。

第三步：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

自基坑分层开挖之日即2010年6月28日起，前两层开挖时，每开挖一层监测3次，从第三层开挖开始，每完成一层开挖监测1次，选取最可能发生变形的A,B监测点为研究对象，并运用TC 2003高精度自动全站仪对其进行实时监测。本实施例采用位移变化量建立评价模型，故记录监测周期的位移变化。首先在首层开挖完成后，运用监测数据(表1)进行基坑边坡稳定性评价。

表1 首层开挖中监测点的位移监测数据一览表  单位：mm

第四步：基坑开挖边坡垂直位移矢量角参数及其序列的确定

由表(1)及公式(1)计算相应监测时刻垂直位移矢量角值，见表(2)。

表2 首层开挖中监测点的垂直位移矢量角一览表  单位：°

监测时间/层	1/3层	2/3层	1层
				A	-19.32	-19.34	-19.27
B	-21.75	-21.72	-21.81

第五步：基坑开挖垂直位移矢量角参数稳定性预警判据的确定

由表(2)并结合公式(3)(4)(5)，计算得出首层开挖过程中A,B监测点的垂直位移矢量角异常判据值见表(3)。

表3 首层开挖中监测点垂直位移矢量角序列均值、均方差及异常判据  单位：°

根据计算数据绘制首层开挖监测点垂直位移矢量角/异常判据—时间折线图(图7、8)；

第六步：基坑开挖边坡动态稳定性的评价与失稳的监测预警

由图7、8知首层开挖过程中，AB监测点的垂直位移矢量角波动不大，基本上为定值；且均满足则判定该开挖阶段边坡处于稳定变形时期，可根据施工设计方案继续开挖下一层，并循环步骤三、四、五、六。若出现垂直位移矢量角有突变现象，且超过预警判据值，则对开挖基坑提出预警，及时采取相应的补救措施。

经计算，前5层开挖均顺利完成，第6层开挖时监测数据如表4(重复步骤三)：

表4 前6层开挖中监测点的位移监测数据一览表  单位：mm

其垂直位移矢量角如表5(重复步骤四)：

表5 前6层开挖中监测点的垂直位移矢量角一览表  单位：°

监测时间/层	1/3层	2/3层	1层	4/3层	5/3层
						A	-19.69	-19.80	-19.69	-19.61	-19.80
B	-21.80	-21.31	-21.80	-22.78	-22.29
						监测时间/层	2层	3层	4层	5层	6层
A	-20.30	-20.30	-19.79	-19.89	-33.02
						B	-21.80	-22.29	-23.27	-21.80	-37.95

其垂直位移矢量角异常判据如表6，其折线图如图9(重复步骤五)：

表6 前6层开挖中监测点垂直位移矢量角序列均值、均方差及异常判据  单位：°

基坑边坡动态稳定性的评价与失稳的监测预警(重复步骤六)：

由图9知：前5层开挖过程中，A,B监测点的垂直位移矢量角波动不大，基本上为定值，且均满足但在第6层开挖过程中却出现垂直位移矢量角突变现象，且超出异常判据则判定该开挖阶段坡体即将整体滑移，此时应对开挖基坑提出安全预警，及时采取相应的补救措施。

Claims (7)

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；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(θ)；

(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；

(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(θ)^ki与[V(θ)^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＝0.5～1m，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：

${V\left(\mathrm{\θ}\right)}_{\mathrm{ki}}=\arctan \frac{D_{\mathrm{yki}}}{D_{\mathrm{xku}}}---\left(1\right)$

或    ${V\left(\mathrm{\θ}\right)}_{\mathrm{ki}}=\arctan \frac{v_{\mathrm{yki}}}{v_{\mathrm{yki}}}---\left(2\right)$

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(θ)_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。D_yki为开挖到第i层时，第k个监测点的累积垂直位移量；D_xki为开挖到第i层时，第k个监测点的累积水平位移量；v_yki为开挖到第i层时，第k个监测点的垂直位移速率；v_xki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σk；

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σ_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：

$\stackrel{\‾}{{V\left(\mathrm{\θ}\right)}_k}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V\left(\mathrm{\θ}\right)}_{\mathrm{ki}}---\left(3\right)$

${\mathrm{\σ}}_k=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[V{\left(\mathrm{\θ}\right)}_{\mathrm{ki}}-\stackrel{\‾}{{V\left(\mathrm{\θ}\right)}_k}]}^2}---\left(4\right)$

$\left[V{\left(\mathrm{\θ}\right)}_k\right]=\stackrel{\‾}{{V\left(\mathrm{\θ}\right)}_k}-{\mathrm{N\σ}}_k,(N=-\mathrm{1,1,2})$

其中，为k监测点处垂直位移矢量角的平均值，σk为k监测点处垂直位移矢量角的均方差，[V(θ)_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——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；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。