CN106436675B - 一种季节性冻土地区基坑侧壁水热过程的监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种季节性冻土地区基坑侧壁水热过程的监测方法，包括温度采集、应变数据采集和土压力数据采集。对基坑土体位移、水位等信息监测的同时，增加对基坑土体的温度、土压力、结构构件应变等信息的测量，完成对基坑水热过程的监测。本发明对冻土地区建筑物施工具有实质性指导意义，能有效提高建筑物的质量和安全性能，具有显著的经济和社会效益。
Description
技术领域
本发明属于建筑技术领域，季节性冻土地区基坑侧壁水热过程的监测方法。
背景技术
在我国，冻土的分布极为广泛，冻土面积约占全国总面积的75%，其中21.5％为多年冻土区，53.5％为季节冻土区。受气温的变化影响在其冻融过程中土体内水分迁移并相变直接影响着与之紧邻的建筑物和构筑物的稳定与安全，因此，在冻土地区进行水利工程、工业与民用建筑及交通运输工程的建设时，根据施工现场及运行使用时的实际环境状况，参考现有的冻土相关理论进行设计与施工是十分必要的；同时，加强冻土理论的研究也刻不容缓。本发明为季节性冻土地区基坑侧壁水热过程的监测提供一种方法，通过多种采集设备的测点布置，数值化实际环境中各种场效应。可为实际工程或冻土理论研究的信息及数据采集提供可靠方法。
发明内容
本发明的目的，是公开一种季节性冻土地区基坑侧壁水热过程的监测方法，可实现对基坑侧壁温度、应力、变形等信息的数据化，为进一步的研究及分析提供可靠的数据支持。
本方法所采用的技术方案是：
一种季节性冻土地区基坑侧壁水热过程的监测方法，包括下述步骤：
1.温度测点埋设与连接：
基坑开挖前，根据土层地质情况采用30钻机在桩后土体打一排竖向孔，孔深为超过基坑底面2倍标准冻深，孔径为5-10cm，竖向孔布设方向由基坑向外扩展，布设间距依此为20-22cm、48-52cm、90-110cm、后续布设间距均为90-110cm。
竖向孔温度测线方向由上向下方向扩展，探头布设间距为48-50cm。测点达到预定位置后，使用相同的细粒土回填并尽量达到原始密度。
基坑开挖完毕后，采用洛阳铲在基坑侧壁打水平孔，孔深为200-250cm，孔径为48-50mm，水平孔布设方向由上向下方向扩展，布设间距依次为48-51cm、48-51cm、90-110cm（后续仍为90-110cm），温度测线方向由基坑向外扩展，探头布设间距5-30cm。测点达到预定位置后，使用相同的细粒土回填并尽量达到原始密度。
在基坑中央同样布置一条温度测线:埋入坑底部分探头间距为10-20cm,空气中的探头间距为100-150cm,直到坑顶平面以上100-200cm。
按以上方式布置为1组，沿基坑边线，每隔200-300cm布设一组；按照基坑的阴阳面等各侧立面至少布设1组。
温度测线的红（VDD）、黑(GND)、蓝(DQ)导线分别接入相应采集模块通道的V+、V-、D端子上。采集模块电源可多模块串联至12V开关电源供电，信号传输端A+、B-分别接入RS485总线，再由485-232转换头转换，连接至电脑串口。设置温度传感器的采集间隔为0.5h~4h，气温明显变化的入冬到春季融化期后采集间隔取小值，夏、秋季节采集间隔取大值，以便采集到气温聚变期土体的温度场变化规律。
应变片节点处理与连接：
支护结构构件表面需先除污、除锈，用320目砂纸初步打磨平整再用800目或以上砂纸沿与应变片粘贴方向呈45°角方向交叉打磨；打磨完毕，用棉签蘸丙酮或无水乙醇单向清理直到棉签无污迹；用3H铅笔和钢尺在应变片贴片范围以外（贴片部位不划）划十字确定应变片的位置；用干净镊子轻轻取出应变片粘贴前用万用表检查（120Ω±0.5Ω），在粘贴区涂抹一层应变片粘合胶将应变片一端轻轻放到粘贴区，用聚四氟乙烯薄膜压盖住应变片，用大拇指从一端压到另一端不抬起手指来回按压几分钟，赶出多余的胶液和气泡；同时贴近应变片贴好应变片接线PCB板端子。待固结后，将膜回折180°轻轻撕下漏出一平整光滑面；用电烙铁将两根接线焊接到PCB板端子上，并将外延线焊接到端子上，要求焊点圆润光滑不能形成虚焊。线另一端分别接入相应应变仪通道的1、2端子上，并将该通道2、3端子短接。在应变片外表面3倍应变片宽带范围再涂覆一层粘合胶液固化后，再在同样范围内均匀涂抹一薄层AB胶再加一层柔性硅胶作为防水防潮层。除受力测试点所贴应变计外，在同一温度环境中的每组通道测试片应该布置不受力变形的温度补偿片以消除温度变化引起的误差。
应变计的布置主要为基坑支护体系（支护桩和系梁、支撑等）的关键受力部位。每一组测点沿桩身不同高度间隔20-100cm布置一测点，监测其变形与应力状态。腰梁或内支撑的受力敏感部位布置应变测点，一般腰梁在监测桩位置布置测点，内支撑在两端各布置至少一组测点。
应变计通过延长线在静态应变采集仪上采用单桥连接。
土压力盒埋设与连接：
测试目的：确定主动区、被动区土压力状态；
掌握冻结过程中土压力增长变化情况；
掌握支护体系变形后土压力释放情况。
土压力盒的布置同样需要考虑因阳光照射产生的阴面、阳面等因素，需要在四个方向分别设置测点，对于典型的阴面与阳面分别设置两组测点，另两面各设置一组测点。土压力盒的布设需要考虑到主动区、被动区、冻深影响范围等因素，考虑到冻土对支护体系的影响，将压力盒竖向打孔布置在支护桩后一定范围内，相邻测试孔间距20~100cm为宜，竖向相邻传感器的间距以30~150cm为宜，土压力敏感区布置应加密。埋设时应保证压力盒测试面面向土压力测试方向。
压力盒采用惠斯通全桥电路。埋设前先用万用表检查V+与V-、D+与D-之间的电阻是否为350Ω±0.5Ω。现场所用压力盒应采用直径较大的土压力传感器，以传感器直径是其周边土颗粒直径50倍以上为宜，故埋设时应以较细的砂土为宜。将压力盒的1/2/3/4端子分别依次连接到采集仪各通道的对应接线端，并断开包括补偿端的压力盒所有通道的短接片，将压力盒的屏蔽线连接到采集仪各通道的接地端子。土压力盒埋设时需将盒的测试面面向测试点，并回填密实。根据气候变化情况，设置土压力的采集间隔为0.5h~4h，气温明显变化的入冬到春季融化期后采集间隔稍小，以便采集到气温聚变期土体的压力变化规律。
应变仪连接
一号应变采集仪的输入端口通过RS485-232转换头接入电脑串口，扩展端口连接下二号采集仪的输入端口，二号采集仪的扩展端口接入三号采集仪的输入端口，按此方法依次将应变采集仪串联。
本发明对冻土地区建筑物施工具有实质性指导意义，能有效提高建筑物的质量和安全性能，具有显著的经济和社会效益。
附图说明
图1是基坑测点布置示意图。
图2是竖向孔温度测线示意图。即竖直方向温度探头示意图。
图3为水平孔温度测线布设置，即水平方向温度探头串联示意图。
图4为温度测孔布置示意图。
图5为多级温度采集模块连接示意图。
图6为应变片测点处理示意图。
图7为应变片与应变采集仪连接示意图。
图8为土压力盒与应变采集仪连接图。
图9为应变仪连接示意图。
附图标号说明
上述附图中标号1为基坑、2为测斜管、3为应变片、4为温度测头、5为土压力盒、6为竖向孔内设置的温度传感器测线，7为水平孔内设置的温度传感器测线，8为基坑外侧竖向探测孔、9为基坑内侧竖向探测孔、10为水平探测孔、11为搜博SM1200B-160温度采集模块、12为支护结构、13为应片粘合胶、14为应变片、15为保护层、16为导线，17为接线端子18为筑邦ZI-160 64通道静态电阻应变采集仪。
具体实施方式
一种季节性冻土地区基坑侧壁水热过程的监测方法包括下述步骤：
1.温度测点埋设与连接：
基坑1开挖前，根据土层地质情况采用30钻机在桩后土体打一排竖向孔，孔深为超过基坑底面2倍标准冻深，孔径为5cm，竖向孔布设方向由基坑1向外扩展，布设间距依此为20cm、50cm、100cm（后续仍为100cm），竖向孔温度测线方向由上向下方向扩展，探头布设间距为50cm。测点达到预定位置后，使用相同的细粒土回填并尽量达到原始密度。
基坑开挖完毕后，采用洛阳铲在基坑侧壁打水平孔，孔深为200cm，孔径为50mm，水平孔布设方向由上向下方向扩展，布设间距依次为50cm、50cm、100cm（后续仍为100cm），温度测线方向由基坑向外扩展，探头布设间距20cm。测点达到预定位置后，使用相同的细粒土回填并尽量达到原始密度。
按以上方式布置为1组，沿基坑边线，每隔200-300cm布设一组；按照基坑的阴阳面各侧立面至少布设1组。
温度测线的红（VDD）、黑(GND)、蓝(DQ)导线分别接入相应采集模块通道的V+、V-、D端子上。采集模块电源可多模块串联至12V开关电源供电，信号传输端A+、B-分别接入RS485总线，再由485-232转换头转换，连接至电脑串口。设置温度传感器的采集间隔为0.5h~4h，气温明显变化的入冬到春季融化期后采集间隔取小值，夏、秋季节采集间隔取大值，以便采集到气温聚变期土体的温度场变化规律。
应变片节点处理与连接：
支护结构构件表面需先除污、除锈，用320目砂纸初步打磨平整再用800目或以上砂纸沿与应变片3粘贴方向呈45°角方向交叉打磨；打磨完毕，用棉签蘸丙酮或无水乙醇单向清理直到棉签无污迹；用3H铅笔和钢尺在应变片贴片范围以外（贴片部位不划）划十字确定应变片的位置；用干净镊子轻轻取出应变片粘贴前用万用表检查（120Ω±0.5Ω），在粘贴区涂抹一层应变片粘合胶将应变片3一端轻轻放到粘贴区，用聚四氟乙烯薄膜压盖住应变片，用大拇指从一端压到另一端不抬起手指来回按压几分钟，赶出多余的胶液和气泡；同时贴近应变片贴好应变片接线PCB板端子。待固结后，将膜回折180°轻轻撕下漏出一平整光滑面；用电烙铁将两根接线焊接到PCB板端子上，并将外延线焊接到端子上，要求焊点圆润光滑不能形成虚焊。线另一端分别接入相应应变仪通道的1、2端子上，并将该通道2、3端子短接。在应变片外表面3倍应变片宽带范围再涂覆一层粘合胶液固化后，再在同样范围内均匀涂抹一薄层AB胶再加一层柔性硅胶作为防水防潮层。除受力测试点所贴应变计外，在同一温度环境中的每组通道测试片应该布置不受力变形的温度补偿片以消除温度变化引起的误差。
应变计的布置主要为基坑支护体系（支护桩和系梁、支撑等）的关键受力部位。每一组测点沿桩身不同高度间隔20-100cm布置一测点，监测其变形与应力状态。腰梁或内支撑的受力敏感部位布置应变测点，一般腰梁在监测桩位置布置测点，内支撑在两端各布置至少一组测点。
应变计通过延长线在静态应变采集仪上采用单桥连接。
应变数据采集：
采集设备选用筑邦ZI-160 64通道静态电阻应变采集仪，可多级模块串联，测点采用ZEMIC BE120-5AA低温应变片。将应变片粘贴至结构部件的表面，监测结构构件所受荷载。
土压力盒埋设与连接：
测试目的：确定主动区、被动区土压力状态；
掌握冻结过程中土压力增长变化情况；
掌握支护体系变形后土压力释放情况。
土压力盒的布置同样需要考虑因阳光照射产生的阴面、阳面等因素，需要在四个方向分别设置测点，对于典型的阴面与阳面分别设置两组测点，另两面各设置一组测点。土压力盒的布设需要考虑到主动区、被动区、冻深影响范围等因素，考虑到冻土对支护体系的影响，将压力盒竖向打孔布置在支护桩后一定范围内，相邻测试孔间距20~100cm为宜，竖向相邻传感器的间距以30~150cm为宜，土压力敏感区布置应加密。埋设时应保证压力盒测试面面向土压力测试方向。
土压力盒采用惠斯通全桥电路。埋设前先用万用表检查V+与V-、D+与D-之间的电阻是否为350Ω±0.5Ω。现场所用压力盒应采用直径较大的土压力传感器，以传感器直径是其周边土颗粒直径50倍以上为宜，故埋设时应以较细的砂土为宜。将压力盒的1/2/3/4端子分别依次连接到采集仪各通道的对应接线端，并断开包括补偿端的压力盒所有通道的短接片，将压力盒的屏蔽线连接到采集仪各通道的接地端子。土压力盒埋设时需将盒的测试面面向测试点，并回填密实。根据气候变化情况，设置土压力的采集间隔为0.5h~4h，气温明显变化的入冬到春季融化期后采集间隔稍小，以便采集到气温聚变期土体的压力变化规律。
应变仪连接
一号应变采集仪的输入端口通过RS485-232转换头接入电脑串口，扩展端口连接下二号采集仪的输入端口，二号采集仪的扩展端口接入三号采集仪的输入端口，按此方法依次将应变采集仪串联。
土压力数据采集：
采集设备选用筑邦ZI-160 64通道静态电阻应变采集仪，可多级模块串联，测点采用φ80cm土压力盒。将土压力盒埋深至桩后土体中，监测结构构件所受荷载。
Claims (3)
1.一种季节性冻土地区基坑侧壁水热过程的监测方法，其特征在于包括下述步骤：
1) 温度测点埋设与连接：
基坑开挖前，根据土层地质情况采用30钻机在桩后土体打一排竖向孔，孔深为超过基坑底面2倍标准冻深，孔径为5-10cm，竖向孔布设方向由基坑向外扩展，布设间距依此为20-22cm、48-52cm、90-110cm、后续布设间距均为 90-110cm；
竖向孔温度测线方向由上向下方向扩展，探头布设间距为48-50cm，测点达到预定位置后，使用相同的细粒土回填并尽量达到原始密度；
基坑开挖完毕后，采用洛阳铲在基坑侧壁打水平孔，孔深为200-250cm，孔径为48-50mm，水平孔布设方向由上向下方向扩展，布设间距依次为48-51cm、48-51cm、90-110cm以后孔距均为90-110cm，温度测线方向由基坑向外扩展，探头布设间距5-30cm；测点达到预定位置后，使用相同的细粒土回填并尽量达到原始密度；
按以上方式布置为1组，沿基坑边线，每隔200-300cm布设一组；按照基坑的阴阳面各侧立面至少布设1组；
温度测线的红、黑、蓝导线分别接入相应采集模块通道的V+、V-、D端子上；将采集模块电源串联至12V开关电源供电，信号传输端A+、B-分别接入RS485总线，再由485-232转换头转换，连接至电脑串口；设置温度传感器的采集间隔为0.5h〜4h；
2) 应变片节点处理与连接：
支护结构构件表面需先除污、除锈，用320目砂纸初步打磨平整再用800目或以上砂纸沿与应变片粘贴方向呈45°角方向交叉打磨；打磨完毕，将应变片一端轻轻放到粘贴区，用聚四氟乙烯薄膜压盖住应变片，同时贴近应变片贴好应变片接线PCB板端子上，用电烙铁将两根接线焊接到PCB板端子上，并将外延线焊接到端子上，线另一端分别接入相应应变仪通道的（1）、（2）端子上，并将该通道（2）、（3）端子短接，在应变片外表面3倍应变片宽带范围再涂覆一层粘合胶液固化后，再在同样范围内均匀涂抹一薄层AB胶再加一层柔性硅胶作为防水防潮层；
除受力测试点所贴应变计外，应变计的布置是每一组测点沿桩身不同高度间隔20-100cm布置一测点，腰梁在监测桩位置布置测点，内支撑在两端各布置至少一组测点；
3) 土压力盒埋设与连接：
测试目的：确定主动区、被动区土压力状态；
土压力盒的布置需要在四个方向分别设置测点，对于典型的阴面与阳面分别设置两组测点，另两面各设置一组测点；压力盒竖向打孔布置在支护桩后一定范围内，相邻测试孔间距20〜100cm，竖向相邻传感器的间距为30〜150cm；
将压力盒的1/2/3/4端子分别依次连接到采集仪各通道的对应接线端，并断开包括补偿端的压力盒所有通道的短接片，将压力盒的屏蔽线连接到采集仪各通道的接地端子；
土压力盒埋设时需将盒的测试面面向测试点，并回填密实，集间隔为0.5h〜4h;
4)应变仪连接：
一号应变采集仪的输入端口通过RS485-232转换头接入电脑串口，扩展端口连接二号应变采集仪的输入端口，二号应变采集仪的扩展端口接入三号应变采集仪的输入端口，按此方法依次将一号应变采集仪、二号应变采集仪、三号应变采集仪串联。
2.根据权利要求1所述的一种季节性冻土地区基坑侧壁水热过程的监测方法，其特征在于：所述钻机在桩后土体打一排竖向孔，孔径为5cm，竖向孔布设方向由基坑（1)向外扩展，布设间距依此为20cm、50cm、100cm、以后孔距均为100cm，探头布设间距为5cm，测点达到预定位置后，使用相同的细粒土回填并尽量达到原始密度；
基坑所述采用洛阳铲在基坑侧壁打水平孔，孔深为200cm，孔径为50mm，布设间距依次为50cm、100cm、探头布设间距为30cm。
3.根据权利要求1或2所述的一种季节性冻土地区基坑侧壁水热过程的监测方法，其特征在于：
一号应变采集仪、二号应变采集仪、三号应变采集仪选用筑邦ZI-160 64通道静态电阻应变采集仪，应变片采用ZEMIC BE120-5AA低温应变片，土压力盒采用φ80cm 土压力盒。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
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