CN108517872B - 一种基坑变形的测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种基坑变形测量方法，包括在基坑变形测量点处靠近基坑侧壁的基坑内并排布置竖直拉伸状态的钢丝一和钢丝二，钢丝一和钢丝二底端固定于基坑底部，钢丝一顶端与基坑侧壁上边缘处固定连接，钢丝二顶端通过弹簧基坑侧壁上边缘处固定连接；通过倾角传感器测量钢丝一的偏转角度θ，通过位移传感器测量弹簧的伸缩量d得到钢丝二顶端的竖向位移量Yb＝d，通过钢丝一的偏转角度θ和钢丝二顶端的竖向位移Yb计算基坑变形测量点的水平位移X、竖向位移Y和综合位移L。该基坑测量方法可高效、精确稳定、监测基坑的变形情况。

Description

一种基坑变形的测量方法
技术领域
本发明涉及一种可实时监测基坑变形的测量方法，属于基坑变形测量领域。
背景技术
随着城市化进程的不断推进，现代城市的空间利用率越来越高，城市的拥堵现象越来越严重，城市地下空间的开发利用成为城市发展的必然趋势。地下停车场、地下商场和地下隧道等大量的地下空间利用出现了必不可少的地下深基坑的开挖现象。
基坑开挖后使土体的水平支撑力减小，基坑开挖的降水引起地下水位降低与坑外水位不平衡，产生水压差较大，使土中自重应力增大等诸多因素均可能导致周边重要建筑物及地面下沉、出现侧向变形、倾斜、位移，甚至开裂，影响重要建筑物和人员、施工安全；此外，考虑到现有基坑支护设计方法以及地质条件，支护方案不能完全保证基坑工程的绝对安全。因此，监测基坑施工对周边重要建筑物和人员以及基坑工程本身的安全是十分必要的。
目前基坑监测大部分使用的方法为全站仪坐标变化法。全站仪坐标变化法是在基坑施工影响外的任意稳定牢固的地方设置几个差分基准点，在差分基准点和变形监测点上安装永久性反射棱镜。根据基坑的形状任意设一测站用方向观测各点的三维坐标。采用多次观测的数据经差分和平差后，作为以后变形监测数据处理的基准。按每天一个或几个周期进行水平位移和垂直位移三维方向观测；从第二次观测开始，每次测站不要求和上一次重合，但必须利用差分基准点测量出本次测量的测站三维坐标。尔后，测量计算出该次各监测点坐标值。差分平差计算出每一监测点在水平位移两个方向的变形值和沉降方向变形值，即三维方向的变形值。再按不同基坑边缘形状，将3维方向的位移值中的，值换算成基坑边缘法线方向水平位移值和垂直沉降值。
基坑监测对数据精度和监测频率的要求都较高，全站仪坐标变化法虽然操作简单，但是由于是人工操作，需要工作人员每天一个或几个周期进行观测，劳动量十分大，不能实现实时测量，且易产生测量误差。而且，全站仪坐标变化法只能测量基坑的水平位移，无法测量基坑的竖向沉降，而基坑的竖向沉降也是十分重要的安全指标。在现代化的城市建设中，这些缺点带来了深基坑施工的安全隐患，由于这些检测系统的不完善已经造成了很多工程事故。因此，研究、设计出一种高效、精确稳定、实时的基坑变形监测技术成为本领域技术人员迫切需要解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基坑变形测量方法。该测量方法均可高效、精确稳定、监测基坑的变形情况。
本发明实现其发明目的提供了一种基坑变形测量方法，包括在基坑变形测量点处靠近基坑侧壁的基坑内并排布置竖直拉伸状态的钢丝一和钢丝二，钢丝一和钢丝二底端固定于基坑底部，钢丝一顶端与基坑侧壁上边缘处固定连接，钢丝二顶端通过弹簧基坑侧壁上边缘处固定连接；通过倾角传感器测量钢丝一的偏转角度θ，通过位移传感器测量弹簧的伸缩量d得到钢丝二顶端的竖向位移量Yb＝d，通过钢丝一的偏转角度θ和钢丝二顶端的竖向位移Yb计算基坑变形测量点的水平位移X、竖向位移Y和综合位移L。
进一步，本发明所述通过钢丝一的偏转角度θ和钢丝二顶端的竖向位移Yb计算基坑变形测量点的水平位移X、竖向位移Y和综合位移L的一种具体方法是：
如果角度值θ≠0，位移值Yb≥0，则判定基坑仅发生水平位移X，X＝h*tanθ，其中，h为初始基坑深度；
如果角度值θ＝0，位移值Yb≠0，则判定基坑仅发生竖向位移Y，Y＝Yb；
如果角度值θ≠0，位移值Yb＜0，则判定基坑既发生了水平位移X，又发生了竖向位移Y，水平位移X＝s*tanθ，竖向位移Y＝Yb，综合位移L＝h2+s2-2h*s*cosθ，其中，h为初始基坑深度，s为基坑变形后钢丝二的长度，s＝h-Yb。
进一步，本发明所述通过钢丝一的偏转角度θ和钢丝二的竖向位移Yb计算基坑变形测量点的水平位移X、竖向位移Y和综合位移L的另一种具体方法是：
如果角度值θ≠0，位移值Yb≥0，则判定基坑仅发生水平位移X，X＝2πh*θ/360°，其中，h为初始基坑深度；
如果角度值θ＝0，位移值Yb≠0，则判定基坑仅发生竖向位移Y，Y＝Yb；
如果角度值θ≠0，位移值Yb＜0，则判定基坑既发生了水平位移X，又发生了竖向位移Y，水平位移X＝2πs*θ/360°，竖向位移Y＝Yb，综合位移L＝h2+s2-2h*s*cosθ，其中，h为初始基坑深度，s为基坑变形后钢丝二的长度，s＝h-Yb。
进一步，本发明所述倾角传感器安装于靠近钢丝顶端的钢丝一侧壁位置处。
这样，可以更精确地测量方式地偏转角度。
进一步，本发明所述弹簧的弹性系数为0.5～2N/mm。
经实验，选用弹性系数为0.5～2N/mm的弹簧既可以保证初始状态时弹簧和钢丝可充分预紧，基坑发生竖向位移(基坑沉降)时，钢丝和弹簧整体在竖直方向的变形会集中在弹簧部分，可以通过位移传感器测量弹簧的伸缩量，得到基坑的竖向位移。
进一步，本发明所述位移传感器测量弹簧伸缩量的具体方式是：位移传感器与弹簧并联，位移传感器一端与钢丝二顶端相连，另一端与基坑侧壁上边缘处固定连接。这样，就可以实现位移传感器的两个测量端分别与弹簧两端固定，以实现测量弹簧伸缩量的目的。
进一步，本发明所述位移传感器为磁致伸缩位移传感器、拉杆式直线位移传感器和电容式位移传感器中的一种。
磁致伸缩传感器拥有高精度，能承受高温、高压和强振动；无磨损运行，稳定性好。拉杆式直线位移传感器，体积小，安装方便，输出信号多样化，精度高，响应速度快。电容式线性位移传感器，结构简单、耐高温、耐辐射、分辨率高、动态响应特性好，成本低廉。经实验，上述三种位移传感器应用于本测量系统中用于对竖向位移的测量测量结果精确，安装方便，适配性强。
进一步，本发明所述钢丝一和钢丝二之间相距1-2cm。这样的距离并排布置既可以保证钢丝一与钢丝二不相互影响，又保证了两根钢丝体现的是基坑同一测量点的变形量，使得倾角传感器和位移传感器测得的数据可以配合使用，在基坑既存在水平位移，又存在沉降时计算基坑的水平位移、竖向位移和综合位移。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、该测量方法可代替现有全站仪等测量方法，检测精度高，成本低，且大大降低了工作人员的工作强度，节省了人力成本，通过倾角传感器测量可将数据直观展示给检测人员，对检测人员没有专业要求；且可开发形成远程自动监控，无需工作人员到现场监测。
二、该测量方法在基坑变形测量点处靠近基坑侧壁的基坑内并排布置竖直拉伸状态的钢丝一和钢丝二，钢丝一与钢丝二互不影响，倾角传感器可精准测量钢丝一的偏转角度，位移传感器可精确测量钢丝二顶端的竖向位移，通过钢丝一的偏转角度和钢丝二顶端的竖向位移配合，该测量方法通过钢丝一与钢丝二的配合，倾角传感器和位移传感器的配合，可实时测得水平、竖直和倾斜三种位移量，并可根据测量数据，判定位移类型以及位移数据，综合判定基坑在各个方向的变形量。
附图说明
图1为本发明实施例钢丝一与钢丝二的布置位置示意图。
图2为本发明实施例钢丝一与倾角传感器的布置示意图。
图3为本发明实施例钢丝二、弹簧与位移传感器的的布置示意图。
图4为本发明实施例通过弧长公式计算基坑水平位移X的原理示意图。
图5为本发明实施例通过正弦公式计算基坑水平位移X的原理示意图。
图6为本发明实施例测量基坑竖向位移Y的原理示意图。
图7为本发明实施例通过弧长公式计算基坑水平位移X和竖向位移Y的原理示意图。
图8为本发明实施例通过正弦公式计算基坑水平位移X和竖向位移Y的原理示意图。
图9为本发明实施例测量基坑综合位移L的原理示意图。
图中，6表示上固定板，7表示下固定板，M表示基坑侧壁。
具体实施方式
实施例
一种基坑变形测量方法，包括在基坑变形测量点处靠近基坑侧壁的基坑内并排布置竖直拉伸状态的钢丝一1和钢丝二2，钢丝一1和钢丝二2之间相距1-2cm，图1为钢丝一1与钢丝二2的布置位置示意图；钢丝一1和钢丝二2底端固定于基坑底部，钢丝一1顶端与基坑侧壁上边缘处固定连接，钢丝二2顶端通过弹簧3基坑侧壁上边缘处固定连接；通过倾角传感器4测量钢丝一1的偏转角度θ，通过位移传感器5测量弹簧3的伸缩量d得到钢丝二2顶端的竖向位移量Yb＝d，通过钢丝一1的偏转角度θ和钢丝二2顶端的竖向位移Yb计算基坑变形测量点的水平位移X、竖向位移Y和综合位移L。
本例通过钢丝一1的偏转角度θ和钢丝二2顶端的竖向位移Yb计算基坑变形测量点的水平位移X、竖向位移Y和综合位移L的具体方法有两种：
其中一种方法是：
如果角度值θ≠0，位移值Yb≥0，则判定基坑仅发生水平位移X，X＝h*tanθ，其中，h为初始基坑深度；
如果角度值θ＝0，位移值Yb≠0，则判定基坑仅发生竖向位移Y，Y＝Yb；
如果角度值θ≠0，位移值Yb＜0，则判定基坑既发生了水平位移X，又发生了竖向位移Y，水平位移X＝s*tanθ，竖向位移Y＝Yb，综合位移L＝h2+s2-2h*s*cosθ，其中，h为初始基坑深度，s为基坑变形后钢丝二2的长度，s＝h-Yb。
另一种方法是：
如果角度值θ≠0，位移值Yb≥0，则判定基坑仅发生水平位移X，X＝2πh*θ/360°，其中，h为初始基坑深度；
如果角度值θ＝0，位移值Yb≠0，则判定基坑仅发生竖向位移Y，Y＝Yb；
如果角度值θ≠0，位移值Yb＜0，则判定基坑既发生了水平位移X，又发生了竖向位移Y，水平位移X＝2πs*θ/360°，竖向位移Y＝Yb，综合位移L＝h2+s2-2h*s*cosθ，其中，h为初始基坑深度，s为基坑变形后钢丝二2的长度，s＝h-Yb。
本例中所述倾角传感器4安装于靠近钢丝顶端的钢丝一1侧壁位置处，图2为钢丝一1与倾角传感器4的布置示意图。本例中为了实现钢丝一1、钢丝二2、弹簧3和位移传感器5的固定，基坑侧壁上边缘处设置有垂直于基坑侧壁的上固定板6，钢丝一1顶端与上固定板6的下表面固定链接。
本例中所述弹簧3的弹性系数为0.5～2N/mm。本例中弹簧3尺寸为：外径8mm，长度30mm，弹簧丝粗1mm。
本例中所述位移传感器5测量弹簧3伸缩量的具体方式是：位移传感器5与弹簧3并联，位移传感器5一端与钢丝二2顶端相连，另一端与基坑侧壁上边缘处固定连接。图3为钢丝二2、弹簧3与位移传感器5的的布置示意图。钢丝二2顶端设置有下固定板7，位移传感器5和弹簧3一端与上固定板6的下表面连接，另一端与下固定板7的上表面连接，位移传感器5与弹簧3平行且并联连接。
本例中所述位移传感器5为磁致伸缩位移传感器、拉杆式直线位移传感器和电容式位移传感器中的一种。
图4-图9为上述两种测量方法测量基坑的水平位移X、竖向位移Y和综合位移L的原理示意图。初始状态时钢丝一1顶端固定于基坑侧壁上边缘p点处，钢丝一1底部固定于o点，此时op＝h，h为基坑的初始深度。初始状态时钢丝二2顶端通过弹簧3固定于基坑侧壁上边缘e点处，钢丝二2底部固定于f点，此时ef＝h，h为基坑的初始深度。
如果角度值θ≠0，位移值Yb≥0，则判定基坑仅发生水平位移X，图4和图5为基坑仅发生水平位移X时上述测量方法测量基坑水平位移X的原理示意图。如图所示，当基坑发生水平位移时，基坑侧壁上边缘会带动钢丝一1顶端发生水平位移，钢丝一1顶端移动到q点，而钢丝一1底端固定，所以钢丝一1会发生相对于竖直方向的偏转，倾角传感器4显示的角度即为偏转角度θ。由于水平位移量与初始基坑深度h相比十分微小，所以可通过弧长公式X＝2πh*θ/360°近似求得水平位移，如图4所示。由于水平位移量与初始基坑深度h相比十分微小，也可以通过正弦公式X＝h*tanθ近似求得水平位移，如图5所示。
如果角度值θ＝0，位移值Yb≠0，则判定基坑仅发生竖向位移Y，图6为基坑仅发生竖向位移Y时上述测量方法测量基坑竖向位移Y的原理示意图。如图所示，基坑发生竖向位移(基坑沉降)时，钢丝二2顶端移动到g点，钢丝二2和弹簧3整体在竖直方向的变形会集中在弹簧3部分，所以通过位移传感器5测量弹簧3的伸缩量，可得到基坑的竖向位移。如图6所示，通过位移传感器5测量弹簧3的伸缩量，可得到钢丝二2顶端的竖向位移，也即基坑的竖向位移Y，Y＝Yb＝d；d为位移传感器5的测量值。
如果角度值θ≠0，位移值Yb＜0，则判定基坑既发生了水平位移X，又发生了竖向位移Y，结合倾角传感器4测得的钢丝一的偏转角度θ、位移传感器5测得的钢丝二顶端的竖向位移Yb，计算基坑的水平位移X、竖向位移Y和综合位移L。
钢丝二2顶端的竖向位移Yb近似为位移传感器5测得的弹簧伸缩量d，即忽略钢丝二2的偏转，基坑变形后钢丝二2的长度近似为基坑变形后的深度，基坑的竖向位移Y＝Yb≈d。结合通过钢丝二得到的基坑的竖向位移量，通过钢丝一分析基坑的水平位移X和综合位移L，如图7所示，通过弧长公式计算基坑的水平位移X，X＝2πs*θ/360°，s为基坑变形后钢丝一1的长度(近似为基坑变形后的钢丝二2的长度)，s＝h-Yb；同时，也可以通过正弦公式X＝s*tanθ近似求得基坑水平位移X，如图8所示。
基坑的综合位移L测量如图9所示，通过余弦公式，综合位移L＝h2+s2-2h*s*cosθ，其中，h为初始基坑深度，s为基坑变形后钢丝一1的长度(近似为基坑变形后的钢丝二2的长度)，s＝h-d。
经计算，采用精度为0.01°的倾角传感器，当基坑深度为15米时，上述测量方法在水平位移上的测量精度为2.5mm左右。工程中15米基坑所需检测的预警值为3mm，因此，本测量方法完全符合基坑测量要求。竖向位移的测量精度取决于位移传感器，可根据需要选用。

Claims (6)

1.一种基坑变形测量方法，包括在基坑变形测量点处靠近基坑侧壁的基坑内并排布置竖直拉伸状态的钢丝一(1)和钢丝二(2)，钢丝一(1)和钢丝二(2)底端固定于基坑底部，钢丝一(1)顶端与基坑侧壁上边缘处固定连接，钢丝二(2)顶端通过弹簧(3)基坑侧壁上边缘处固定连接；通过倾角传感器(4)测量钢丝一(1)的偏转角度θ，通过位移传感器(5)测量弹簧(3)的伸缩量d得到钢丝二(2)顶端的竖向位移量Yb＝d，通过钢丝一(2)的偏转角度θ和钢丝二(2)顶端的竖向位移Yb计算基坑变形测量点的水平位移X、竖向位移Y和综合位移L，具体方法是：
如果角度值θ≠0，位移值Yb≥0，则判定基坑仅发生水平位移X，X＝h*tanθ，其中，h为初始基坑深度；
如果角度值θ＝0，位移值Yb≠0，则判定基坑仅发生竖向位移Y，Y＝Yb；
如果角度值θ≠0，位移值Yb＜0，则判定基坑既发生了水平位移X，又发生了竖向位移Y，水平位移X＝s*tanθ，竖向位移Y＝Yb，综合位移L＝h2+s2-2h*s*cosθ，其中，h为初始基坑深度，s为基坑变形后钢丝二(2)的长度，s＝h-Yb；
所述弹簧(3)的弹性系数为0.5～2N/mm。
2.一种基坑变形测量方法，包括在基坑变形测量点处靠近基坑侧壁的基坑内并排布置竖直拉伸状态的钢丝一(1)和钢丝二(2)，钢丝一(1)和钢丝二(2)底端固定于基坑底部，钢丝一(1)顶端与基坑侧壁上边缘处固定连接，钢丝二(2)顶端通过弹簧(3)基坑侧壁上边缘处固定连接；通过倾角传感器(4)测量钢丝一(1)的偏转角度θ，通过位移传感器(5)测量弹簧(3)的伸缩量d得到钢丝二(2)顶端的竖向位移量Yb＝d，通过钢丝一(2)的偏转角度θ和钢丝二(2)顶端的竖向位移Yb计算基坑变形测量点的水平位移X、竖向位移Y和综合位移L，具体方法是：
如果角度值θ≠0，位移值Yb≥0，则判定基坑仅发生水平位移X，X＝2πh*θ/360°，其中，h为初始基坑深度；
如果角度值θ＝0，位移值Yb≠0，则判定基坑仅发生竖向位移Y，Y＝Yb；
如果角度值θ≠0，位移值Yb＜0，则判定基坑既发生了水平位移X，又发生了竖向位移Y，水平位移X＝2πs*θ/360°，竖向位移Y＝Yb，综合位移L＝h2+s2-2h*s*cosθ，其中，h为初始基坑深度，s为基坑变形后钢丝二(2)的长度，s＝h-Yb；
所述弹簧(3)的弹性系数为0.5～2N/mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种基坑变形测量方法，其特征在于：所述倾角传感器(4)安装于靠近钢丝顶端的钢丝一(1)侧壁位置处。
4.根据权利要求1或2所述的一种基坑变形测量方法，其特征在于：所述位移传感器(5)测量弹簧(3)伸缩量的具体方式是：位移传感器(5)与弹簧(3)并联，位移传感器(5)一端与钢丝二(2)顶端相连，另一端与基坑侧壁上边缘处固定连接。
5.根据权利要求1或2所述的一种基坑变形测量方法，其特征在于：所述位移传感器(5)为磁致伸缩位移传感器、拉杆式直线位移传感器和电容式位移传感器中的一种。
6.根据权利要求1或2所述的一种基坑变形测量方法，其特征在于：所述钢丝一(1)和钢丝二(2)之间相距1-2cm。
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