CN109138003A - 一种基于对边测距的土体深层水平位移监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于对边测距的土体深层水平位移监测方法，属于深层水平位移监测领域，包括S1，在基坑周围任一P点自由安置全站仪，通过观测任意两个已知基准点C1、C2，得到自由设站点P点的坐标；S2，在监测断面上，设置各深层水平位移监测点；S3，利用全站仪观测基坑的每一个监测断面SC1上的所有监测点SC1‑i，得到P点到其它基准点C1、C2和监测点SC1的水平距离和水平盘度度数，计算得到基准点C2到所有监测点SC1‑i的水平距离；S4，计算监测点相对于基准点的水平位移量及水平位移累积变形量；S5，计算监测点水平距离在基坑边坡方向上的分量。本发明无需钻孔、施工方便且观测数据能够真实反映支护结构的深层水平位移变化量，监测的变形量更加直观。

Description

一种基于对边测距的土体深层水平位移监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于对边测距的土体深层水平位移监测方法，属于深层水平位移监测技术领域。

背景技术

基坑边坡深层水平位移分为支护墙(桩)深层水平位移和土体深层水平位移，其常规的监测均是采用在墙(桩)体或土体中预埋测斜管，通过钻孔测斜仪观测竖直方向上各深度处的水平位移的方法。支护桩内的测斜管是与支护桩的灌注施工一起完成的，测斜管与桩体之间无任何空隙，其测斜管的变形完全代表支护桩的变形，各深度处的水平位移量代表支护结构在竖直方向上各深度的水平位移。而对于通过钻孔埋设的支护墙或土体内的测斜管，测斜管与墙体或土体之间有一定间隙，如基坑边坡土体的深层水平位移监测点的设置通常采用埋设测斜管的方法，测斜管的埋设步骤为：钻机就位(准备钻孔)—钻机钻孔—钻孔洗井(同时进行测斜管连接)—测斜管连接并下放测斜管—测斜管定位—确定测斜的方向和垂直度—在测斜管与钻孔孔壁之间回填沙砾或石硝—振捣沙砾或石硝—测斜管与周围土体结合密实(固定测斜管)—测斜管固定后，即测斜管设置完成。

测斜管设置完成后，采用钻孔测斜进行深层水平位移监测，如图1和图2所示，这种观测方法是通过测斜仪观测测斜管在竖直方向上每0.5m处的水平位移量，由于测斜管与钻孔孔壁之间存在许多空隙，尽管之间用沙砾或石硝回填，但受施工方法或施工条件限制，其测斜管与土体之间的空隙很难回填密实，测斜管的变形与支护边坡的变形不完全一致，测斜仪观测的深层水平位移数据不能完全反映基坑土体边坡的变形量。另外，采用测斜管需要钻孔，施工不便。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于对边测距的土体深层水平位移监测方法，无需钻孔、施工方便且观测数据能够真实反映支护结构的深层水平位移变化量，监测的变形量更加直观。

本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种基于对边测距的土体深层水平位移监测方法，包括如下步骤：

S1，在基坑周围任意一点P点自由安置全站仪，通过观测任意两个已知基准点C1(x_C1,y_C1)、C2(x_C2,y_C2)，计算得到自由设站点P点的坐标P(x_P,y_P)；

S2，在SC1监测断面上，设置各深层水平位移监测点；

S3，利用全站仪观测完基准点C1、C2后，紧接着观测基坑的每一个监测断面SC1 上的所有监测点SC1-i，得到P点到其它基准点C1、C2和监测点SC1的水平距离和水平盘度度数，根据余弦定理计算得到基准点C2到所有监测点SC1-i的水平距离；

S4，计算监测点相对于基准点的水平位移变形量及水平位移累积变形量；

S5，计算监测点水平距离在基坑边坡方向上的分量。

优选的，所述步骤S1中，在P点安置全站仪，观测任意两基准点C1、C2，利用后方交会的方法计算P点的坐标，具体为：

由已知基准点C1和C2的坐标(x_C1,y_C1)、(x_C2,y_C2)，从而得到：

其中：

则C1P边的方位角α_C1P为：

则自由设站点P的坐标为：

x_P＝x_C1+D₁·cosα_c1p (3)

y_P＝y_C1+D₁·sinα_C1P (4)

则：自由设站点P到C1点的方位角α_PC1为：α_PC1＝α_C1P±180°。

优选的，所述步骤S2中，在SC1监测断面上，沿竖直方向每隔0.5m设置一个监测点，形成监测断面，通过全站仪坐标测量并计算与已知点之间的水平距离，然后通过距离收敛法来监测基坑土体边坡某一断面上沿竖直方向每0.5m处的水平位移量，更真实监测出基坑土体边坡的深层水平位移值。

优选的，步骤S2中，在监测点布置时，采用反射片或微型棱镜作为监测标志。本发明采用反射片或微型棱镜代替传统的测斜管，无需钻孔，且通过全站仪观测监测标志的变形量，即可得到相应的深层水平位移变形量。

优选的，对边测量是利用全站仪测量至任意两点的水平距离D和水平角度β的功能，解算现场观测点之间水平距离、高差和方位角，步骤S3中，在自由设站点P上安置全站仪，观测完两个基准点C1、C2后，紧接着观测基坑边坡深层水平位移监测断面SC1上的所有监测点SC1-1、SC1-2、SC1-3、SC1-4、SC1-5、SC1-6等(以下以SC1为例说明)，或者说是以相同的精度观测全站仪到基准点C1、C2和深层水平位移监测点SC1 的水平距离D₁、D₂、D_SC1和水平盘度读数β_C1、β_C2、β_SC1；

根据余弦定理得到基准点C2到监测点SC1的水平距离D_C2SC1：

基准点C2到监测点SC1的方位角为α_C2SC1，

α_C2SC1＝α_C1C2-(β+α₂)+180° (6)

其中：

将全站仪的起始读数设置为β_C1，即全站仪瞄准基准点C1时水平盘度读数设置为β_C1，则：

γ＝β_C2-β_C1

γ₁＝β_SC1-β_C2

将全站仪的起始读数设置为0°00′00″，则β_C1＝0°00′00″，则：

γ＝β_C2

γ₁＝β_SC1-β_C2

其中β_C1、β_C2、β_W1均为全站仪对基准点C1、C2和深层水平位移监测点SC1的水平盘度读数，而γ和γ₁为水平盘读数差，即水平角值；

由式(5)、(6)可知，自由设站对基准点和深层水平位移监测点进行对边距离测量时，所观测的基准点到监测点的水平距离和方位角与自由设站点的坐标(x_p,y_p)和起始方位角(水平盘度起始读数β_C1)无关；无论是自由设站还是任意设站，只要在一测回中对基准点和所有的监测点进行连续观测，所观测的基准点至监测点之间的水平距离就与自由设站点坐标和起始方位角(水平盘度起始读数)无关，因此，自由设站的对中误差、起始数据误差和后视精度误差均对对边测距没有影响，提高了基准点至监测点之间水平距离的观测精度，达到提高基坑水平位移的监测精度。

采用同样的方法，对基坑边坡深层水平位移监测断面SC1上所有的监测点SC1-i进行对边距离测量，求得基坑边坡监测断面上所有监测点与基准点C2的水平距离。

进一步优选的，所述步骤S4中，由步骤S3得到基准点C2到各监测点SC1的每期水平距离观测值D_C2SC1和基准点C2到SC1的方位角，则：基准点与监测点之间水平距离的变化量即水平距离的收敛值Δd_C2SC1，就是基坑边坡深层水平位移各监测点相对基准点的水平位移量，即：

其中：为第n期的水平距离观测值，第n+1期的水平距离观测值；

如果每一期的水平距离观测值均与第一期比较，则每一期的收敛值Δd_C2SC1即为基坑边坡深层水平位移各监测点相对基准点的累积水平位移变形量，即为基坑边坡深层水平位移各监测点的累积变形量，即深层水平位移监测值，

进一步优选的，如果建立以基坑南北方向的边坡为x轴，东西方向的边坡为y轴的施工坐标系统，则南北方向的基坑边坡(即基坑的东西边坡)深层水平位移监测点的水平距离在垂直基坑方向上的分量为Δy_C2W13；东西方向的基坑边坡(即基坑的南北边坡)深层水平位移监测点的水平距离在垂直基坑方向上的分量为Δx_C2W13；

步骤S5中，根据基准点C2到深层水平位移监测点SC1的水平距离D_C2SC1和方位角α_C2SC1，计算基准点至各监测点之间的坐标差Δx_C2SC1和Δy_C2SC1，则坐标差Δx_C2SC1为 D_C2SC1在x轴方向上的水平距离分量，Δy_C2SC1为D_C2SC1在y轴方向上的水平距离分量，即：

Δx_C2SC1＝D_C2SC1·cosα_C2SC1 (9)

Δy_C2SC1＝D_C2SC1·sinα_C2SC1 (10)

dΔx_C2SC1为x轴方向上的水平分量的收敛值，即为x轴方向上的水平位移量，dΔy_C2SC1为 y轴方向上的水平收敛值，即为y轴方向上的水平位移量，则：

基坑监测点在x轴和y轴方向上的水平位移累积变化量为：

本发明的有益效果为：

1)本发明的基于对边测距的土体深层水平位移监测方法，在基准点与监测点之间的水平距离测量时，只要在一测回中对基准点和所有的监测点进行连续观测，所观测的基准点至监测点之间的水平距离与自由设站点坐标和起始方位角(水平盘度起始读数)无关，因此，自由设站的对中误差、起始数据误差和后视精度误差均对对边测距没有影响，提高了基准点至监测点之间水平距离的观测精度。

2)本发明无需进行钻孔，设置测斜管等操作，施工方便，并且观测数据能够真实反映支护结构的深层水平位移变化量。

附图说明

图1为现有技术中测斜管的安装方法示意图一；

图2为现有技术中测斜管的安装方法示意图二；

图3为本发明的一种基于对边测距的土体深层水平位移监测方法的对边距离测量的原理图；

图4为基坑土体边坡深层水平位移监测点布设示意图；

图5为某一基坑深层水平位移监测点布设实物图；

图6为各深层水平位移监测点坐标测量示意图；

图7为实施例2中各监测点的观测示意图；

图8为实施例2中采用本发明的得到的当次水平位移量及累积水平位移变形量的变形曲线；

图9为采用测斜仪得到的水平位移变形曲线。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

如图1所示，一种基于对边测距的土体深层水平位移监测方法，包括如下步骤：

S1，如图3所示，在P点安置全站仪，观测任意两基准点C1、C2，利用后方交会的方法计算P点的坐标，具体为：

由已知基准点C1和C2的坐标(x_C1,y_C1)、(x_C2,y_C2)，从而得到：

其中：

则C1P边的方位角α_C1P为：

则自由设站点P的坐标为：

x_P＝x_C1+D₁·cosα_c1p (3)

y_P＝y_C1+D₁·sinα_C1P (4)

则：自由设站点P到C1点的方位角α_PC1为：α_PC1＝α_C1P±180°；

S2，在SC1监测断面上，沿竖直方向每隔0.5m设置一个监测点，形成监测断面如图4和图5所示，采用反射片作为监测标志；

S3，在自由设站点P上安置全站仪，观测完两个基准点C1、C2后，紧接着观测基坑边坡深层水平位移监测断面SC1上的所有监测点SC1-1、SC1-2、SC1-3、SC1-4、 SC1-5、SC1-6等(以下以SC1为例说明)，或者说是以相同的精度观测全站仪到基准点C1、C2和深层水平位移监测点SC1的水平距离D₁、D₂、D_SC1和水平盘度读数β_C1、β_C2、β_SC1，如图6所示；

根据余弦定理得到基准点C2到监测点SC1的水平距离D_C2SC1：

基准点C2到监测点SC1的方位角为α_C2SC1，

α_C2SC1＝α_C1C2-(β+α₂)+180° (6)

其中：

将全站仪的起始读数设置为β_C1，即全站仪瞄准基准点C1时水平盘度读数设置为β_C1，则：

γ＝β_C2-β_C1

γ₁＝β_SC1-β_C2

将全站仪的起始读数设置为0°00′00″，则β_C1＝0°00′00″，则：

γ＝β_C2

γ₁＝β_SC1-β_C2

其中β_C1、β_C2、β_W1均为全站仪对基准点C1、C2和深层水平位移监测点SC1的水平盘度读数，而γ和γ₁为水平盘读数差，即水平角值；

采用同样的方法，对基坑边坡深层水平位移监测断面SC1上所有的监测点SC1-i进行对边距离测量，求得基坑边坡监测断面上所有监测点与基准点C2的水平距离。

S4，由步骤S3得到基准点C2到各监测点SC1的每期水平距离观测值D_C2SC1和基准点C2到SC1的方位角，则：基准点与监测点之间水平距离的变化量即水平距离的收敛值Δd_C2SC1，就是基坑边坡深层水平位移各监测点相对基准点的水平位移量，即：

其中：为第n期的水平距离观测值，第n+1期的水平距离观测值；

如果每一期的水平距离观测值均与第一期比较，则每一期的收敛值Δd_C2SC1即为基坑边坡深层水平位移各监测点相对基准点的累积水平位移量，即为基坑边坡深层水平位移各监测点的累积变形量，即深层水平位移监测值，

S5，建立以基坑南北方向的边坡为x轴，东西方向的边坡为y轴的施工坐标系统，则南北方向的基坑边坡(即基坑的东西边坡)深层水平位移监测点的水平距离在垂直基坑方向上的分量为Δy_C2W13；东西方向的基坑边坡(即基坑的南北边坡)深层水平位移监测点的水平距离在垂直基坑方向上的分量为Δx_C2W13；

步骤S5中，根据基准点C2到深层水平位移监测点SC1的水平距离D_C2SC1和方位角α_C2SC1，计算基准点至各监测点之间的坐标差Δx_C2SC1和Δy_C2SC1，则坐标差Δx_C2SC1为 D_C2SC1在x轴方向上的水平距离分量，Δy_C2SC1为D_C2SC1在y轴方向上的水平距离分量，即：

Δx_C2SC1＝D_C2SC1·cosα_C2SC1 (9)

Δy_C2SC1＝D_C2SC1·sinα_C2SC1 (10)

dΔx_C2SC1为x轴方向上的水平分量的收敛值，即为x轴方向上的水平位移量，dΔy_C2SC1为 y轴方向上的水平收敛值，即为y轴方向上的水平位移量，则：

基坑监测点在x轴和y轴方向上的水平位移累积变化量为：

以上为深层水平位移单个监测点的深层水平位移监测方法，以相同的方法观测基坑边坡深层水平位移监测断面SC1上所有的监测点SC1-1、SC1-2、SC1-3、SC1-4、 SC1-5、SC1-6等，即可得到基坑边坡深层水平位移一个监测断面上所有监测点水平距离收敛值dΔx_C2SC1或dΔy_C2SC1，将其沿竖直方向排列，则形成本监测断面上的单期的深层水平位移监测变形曲线。

实施例2：

如图7所示，为某一基坑的布点方式，其监测方法如实施例1所示，采用反射片作为监测标记，监测点的布置与深层水平位移(测斜)点相对应，要基坑坡壁的竖直断面上从坡顶开始始每0.5米设置一个监测点，形成一个监测断面，通过观测每一个断面上所有监测点相对应基坑外的一个基准点C2的水平距离，通过水平距离的变化量(水平距离收敛值)，来监测基坑坡壁的水平位移；

以与实施例1同样的方法观测并计算每一个监测断面上的所有监测点水平距离收敛值dΔx_C2SC1或dΔy_C2SC1，将其沿竖直方向排列，则形成本监测断面上的单期的深层水平位移变形曲线，如图8所示的当次水平位移变形量；

以同样的方法观测并计算一个深层水平位移断面上所有监测点的水平距离累积收敛值或并沿竖直方向排列，则形成基坑边坡深层水平位移监测断面的累积深层水平位移变形曲线，如图8所示的累积水平位移变形量，该监测断面上的当次深层水平位移量和累积深层水平位移量监测数据，如表1所示：

表1：基坑土体边坡SC1号断面深层水平位移监测(全站仪)成果表(mm)

如图9所示，为同一基坑断面采用测斜仪实测得到的当次和累积水平位移变形曲线。

由表1可知道，本发明的观测数据的精度能达到亚毫米级，而采用极坐标法的观测精度只有毫米级，本发明的计算精度高于常规极坐标法。

常规的极坐标法的观测数据变化比较大，变形量不规则，数据离散性宽，不易找到变形规律，从监测数据可知，本发明的方法观测精度高，数据连续性较好，累积变形量较明显。由于本发明的方法不受自由没站点的安置精度、测量误差的、起始数据的影响，大大减少了每期的监测数据不确定性，使每期的观测精度基本一致，达到了同精度影响原则。

通过对钻孔测斜仪和本发明对深层水平位移监测方法的比较可知，本发明的深层水平位移观测方法比较简单，变形量比较直观。尤其是相对于支护墙和土体中的钻孔测斜观测，本发明的观测数据真实反映了支护结构的深层水平位移变化量，采用安置反射片或微型棱镜的方式，不用钻孔和安装测斜管，施工方便，经济合理。而从选取的典型断面水平位移值可以看到，计算结果与图9中实测数据随深度的变化曲线规律一致，支护结构最大水平位移值出现在基坑顶向下1/3处，支护结构位移曲线整体呈现中间大，两头小的变化规律。用全站仪观测的基坑土体边坡水平位移与实测值接近，并且更能真实的反映基坑土体边坡的水平位移变形规律。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于对边测距的土体深层水平位移监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，在基坑周围任意一点P点自由安置全站仪，通过观测任意两个已知基准点C1(x_C1,y_C1)、C2(x_C2,y_C2)，计算得到自由设站点P点的坐标P(x_P,y_P)；

S2，在SC1监测断面上，设置各深层水平位移监测点；

S3，利用全站仪观测完基准点C1、C2后，紧接着观测基坑的每一个监测断面SC1上的所有监测点SC1-i，得到P点到其它基准点C1、C2和监测点SC1的水平距离和水平盘度度数，计算得到基准点C2到所有监测点SC1-i的水平距离；

S4，计算监测点相对于基准点的水平位移变形量及水平位移累积变形量；

S5，计算监测点水平距离在基坑边坡方向上的分量。

2.根据权利要求1所述的基于对边测距的土体深层水平位移监测方法，其特征在于，所述步骤S1中，在P点安置全站仪，观测任意两基准点C1、C2，利用后方交会的方法计算P点的坐标，具体为：

由已知基准点C1和C2的坐标(x_C1,y_C1)、(x_C2,y_C2)，从而得到：

其中：

则C1P边的方位角α_C1P为：

则自由设站点P的坐标为：

x_P＝x_C1+D₁·cosα_c1p (3)

y_P＝y_C1+D₁·sinα_C1P (4)

则：自由设站点P到C1点的方位角α_PC1为：α_PC1＝α_C1P±180°。

3.根据权利要求2所述的基于对边测距的土体深层水平位移监测方法，其特征在于，所述步骤S2中，在SC1监测断面上，沿竖直方向每隔0.5m设置一个监测点，形成监测断面。

4.根据权利要求3所述的基于对边测距的土体深层水平位移监测方法，其特征在于，步骤S2中，在监测点布置时，采用反射片或微型棱镜作为监测标志。

5.根据权利要求3所述的基于对边测距的土体深层水平位移监测方法，其特征在于，所述步骤S3中，全站仪观测完两个基准点C1、C2后，紧接着观测基坑边坡深层水平位移监测断面SC1上的所有监测点，以相同的精度观测全站仪到基准点C1、C2和深层水平位移监测点SC1的水平距离D₁、D₂、D_SC1和水平盘度读数β_C1、β_C2、β_SC1，根据余弦定理得到基准点C2到监测点SC1的水平距离D_C2SC1：

基准点C2到监测点SC1的方位角为α_C2SC1，

α_C2SC1＝α_C1C2-(β+α₂)+180° (6)

其中：

将全站仪的起始读数设置为β_C1，即全站仪瞄准基准点C1时水平盘度读数设置为β_C1，则：

γ＝β_C2-β_C1

γ₁＝β_SC1-β_C2

将全站仪的起始读数设置为0°00′00″，则β_C1＝0°00′00″，则：

γ＝β_C2

γ₁＝β_SC1-β_C2

其中β_C1、β_C2、β_W1均为全站仪对基准点C1、C2和深层水平位移监测点SC1的水平盘度读数，而γ和γ₁为水平盘读数差，即水平角值；

采用同样的方法，对基坑边坡深层水平位移监测断面SC1上所有的监测点SC1-i进行对边距离测量，求得基坑边坡监测断面上所有监测点与基准点C2的水平距离。

6.根据权利要求5所述的基于对边测距的土体深层水平位移监测方法，其特征在于，所述步骤S4中，由步骤S3得到基准点C2到各监测点SC1的每期水平距离观测值D_C2SC1和基准点C2到SC1的方位角，则：基准点与监测点之间水平距离的变化量即水平距离的收敛值Δd_C2SC1，就是基坑边坡深层水平位移各监测点相对基准点的水平位移量，即：

其中：为第n期的水平距离观测值，第n+1期的水平距离观测值；

如果每一期的水平距离观测值均与第一期比较，则每一期的收敛值Δd_C2SC1即为基坑边坡深层水平位移各监测点相对基准点的累积水平位移变形量，即为基坑边坡深层水平位移各监测点的累积变形量，即深层水平位移监测值，

7.根据权利要求6所述的基于对边测距的土体深层水平位移监测方法，其特征在于，所述步骤S5中，根据基准点C2到深层水平位移监测点SC1的水平距离D_C2SC1和方位角α_C2SC1，计算基准点至各监测点之间的坐标差Δx_C2SC1和Δy_C2SC1，则坐标差Δx_C2SC1为D_C2SC1在x轴方向上的水平距离分量，Δy_C2SC1为D_C2SC1在y轴方向上的水平距离分量，即：

Δx_C2SC1＝D_C2SC1·cosα_C2SC1 (9)

Δy_C2SC1＝D_C2SC1·sinα_C2SC1 (10)

dΔx_C2SC1为x轴方向上的水平分量的收敛值，即为x轴方向上的水平位移量，dΔy_C2SC1为y轴方向上的水平收敛值，即为y轴方向上的水平位移量，则：

基坑监测点在x轴和y轴方向上的水平位移累积变化量为：