CN109853578A - 一种具有实时监测预警功能的基坑结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有实时监测预警功能的基坑结构及其施工方法，包括基坑本体、支护结构、电阻预警系统和形状记忆合金丝，支护结构固定在基坑本体的侧部，且与侧部岩土体固定连接，基坑本体的下方为底部岩土体，电阻预警系统由电阻监测仪和报警器电连接组成，多个形状记忆合金丝中一部分均匀分布在侧部岩土体内、另一部分均匀分布在底部岩土体内；多个形状记忆合金丝的两端均通过导线与电阻监测仪连接，每个形状记忆合金丝上均缠绕多个金属环体，且各个金属环体之间的间距相同，每个金属环体分别被一个混凝土块包裹。本发明能对基坑结构实时监测及成本较低，一旦任意位置发生问题能及时准确定位，便于工作人员采取相应措施，阻止更大灾害的发生。

Description

一种具有实时监测预警功能的基坑结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种基坑及其施工方法，具体是一种具有实时监测预警功能的基坑结构及其施工方法。

背景技术

基坑是为进行建(构)筑物基础、地下建(构)筑物的施工所开挖的地面以下空间，也是指房屋建筑、市政工程或地下建筑物等施工时需要开挖的地坑。为保证基坑施工、主体地下结构安全和周围环境不受损害而采取的支护结构、降水和土方开挖与回填，包括勘察、设计、施工和监测等，统称为基坑工程。基坑工程发展是建筑基础设计的需要，是地下空间开发和土地利用的需要，是地铁、市政、管廊、交通工程等的需要。目前的基坑工程仍处于边实践边摸索阶段，尚缺乏成熟技术规范的指导，主要是用半经验半理论的方法解决问题，导致深基坑事故时有发生，从而制约了深基坑工程的发展，由于一般基坑工程的破坏都是有预兆的，因而进行严密的基坑监测非常重要，通过监测可及时了解围护体系的受力变形状况，对设计参数进行反分析，以调整施工参数，指导下步施工，遇异情可及时采取措施，因此，基坑监测是保证基坑工程安全可靠、经济合理的一个重要措施。

作为基坑监测的重要影响因素，其所进行的监测项目、监测点布置、监测方法等指标一直是工程技术领域中的三个关键。监测项目有仪器监测和巡视检查两方面，每一项内容具有非常重要的作用。基坑工程监测点的布置应最大程度地反映监测对象的内力和变形实际状态及其变化趋势，并应满足监控要求。监测方法主要通过专用的仪器或专人来监测变形、内力、土压力和水压力等力学参量，仪器监测主要利用仪器进行内力和变形监测，仪器质量的高低决定着基坑工程的安全，给出的监测数据比较安全可靠，而巡视检查是由专人主要通过结构的变形情况来综合给出判断，相对来说，人为因素较大。

由于场地地质条件、基坑方案、建筑结构本身的复杂性等，基坑施工引起周边建筑受损的原因和损坏形式是复杂多样的，但是这都不外乎是由于挡土支护结构或基坑地基的变形或破坏引起的。究其原因，一方面固然有设计和施工方面的原因，且是主要的，另一方面也是理论研究的滞后和不足，使得基坑工程设计要么太保守造成不必要的浪费，要么为了过分的节省而带来严重的安全隐患。由此可见，无论是实践的原因还是理论的因素，加强工程监测尤为重要，目前传统的基坑工程所采用的监测手段，都难以同时达到安全、准确、实时和低成本的特点。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种具有实时监测预警功能的基坑结构及其施工方法，具有结构简单，施工方便，能对基坑结构实时监测及成本较低，一旦任意位置发生问题能及时准确定位，便于工作人员采取相应措施，阻止更大灾害的发生。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有实时监测预警功能的基坑结构，包括基坑本体、支护结构、电阻预警系统和形状记忆合金丝，

所述支护结构固定在基坑本体的侧部，且与侧部岩土体固定连接，基坑本体的下方为底部岩土体，

所述电阻预警系统由电阻监测仪和报警器电连接组成，

所述形状记忆合金丝为多个，多个形状记忆合金丝中一部分均匀分布在侧部岩土体内、另一部分均匀分布在底部岩土体内；多个形状记忆合金丝的两端均通过导线与电阻监测仪连接，每个形状记忆合金丝上均缠绕多个金属环体，且各个金属环体之间的间距相同，每个金属环体分别被一个混凝土块包裹。

进一步，相邻形状记忆合金丝之间的间距不小于0.5m。

进一步，所述混凝土块的径向宽度为形状记忆合金丝直径的3～5倍。

进一步，所述形状记忆合金丝为镍钛合金。

进一步，所述多个金属环体之间的间距为1m。

一种具有实时监测预警功能的基坑结构的施工方法，具体步骤为：

1)金属环体的制作：利用已知金属材料制成环体，环体本身的直径为形状记忆合金丝直径的1～2倍，环体围成的内直径为形状记忆合金丝直径的3～4倍；

2)金属环体的装配：对形状记忆合金丝进行热处理，处理后使其处于马氏体状态，此时在形状记忆合金丝上每隔1m缠绕一个金属环体；

3)施工准备、基坑支护工程构建及地下水控制：开工前，做好技术、设备、运料、放样和核查的施工准备，然后开始进行基坑支护工程构建及地下水控制的施工，最后土方开挖后即为基坑；

4)形状记忆合金丝的置入：

(Ⅰ)定位：按预先设计的形状记忆合金丝的分布要求在基坑的周边位置进行施工放线，标记出各个钻孔位置，孔位允许偏差为±15mm；

(Ⅱ)钻孔：向侧部岩土体进行钻孔，钻孔方向与基坑边线相垂直；孔径是形状记忆合金丝的3倍至5倍；钻孔深度要确保离基坑边线较远的孔端位于稳定侧部岩土体范围内；

(Ⅲ)清孔：用高压风管将钻孔内的粉尘和杂物吹出；

(Ⅳ)放置形状记忆合金丝：在其中一个钻孔内置入形状记忆合金丝，施工过程中保持其连续性，不出现扭曲、折皱，并绷紧形状记忆合金丝使其受力拉直、拉紧，以保证其均匀、平整、位于钻孔的中心线上，同时采用定位器将其固定；之后，从下至上或从里到外，对形状记忆合金丝上的金属环体位置处灌注混凝土，形成混凝土块，当混凝土块的强度达到75％以上后，按照设计要求填孔至另一金属环体处，重复上述过程灌注混凝土完成另一混凝土块的制备，直至浇筑完成该形状记忆合金丝上所有的混凝土块；

(Ⅴ)重复步骤(Ⅳ)依次对各个钻孔内分别放置形状记忆合金丝，直至完成所有的钻孔浇注；

5)形成实时监测预警功能的基坑：将电阻监测仪与报警器连接，然后通过导线将每个形状记忆合金丝两端连接到电阻监测仪，完成实时监测预警功能的基坑建设。

与现有技术相比，本发明采用基坑本体、支护结构、电阻预警系统和形状记忆合金丝相结合方式，具有如下优点：

1、安全可靠

本发明除了支护工程、地下水控制和应(压)力监测等外，由于基坑结构增建了变形安全预警系统，只要某位置发生失稳或底部渗流变形，相应位置处形状记忆合金丝的电阻变化就会通过预警系统体现出来，如电阻值超过限值，系统就会给出报警信号，同时整个预警系统受温度、气候、场地等的影响小，保证了基坑结构的安全可靠。

2、实时性

本发明所采用的预警系统，主要是利用形状记忆合金丝的电阻随着其应变或状态的变化而变化来实现结构自监测目的，不需要对数据转换分析，一旦基坑某处出现险情，预警系统能够第一时间给出报警信息，同时通过监测可及时了解围护体系的受力变形的位置，对设计参数进行反分析，以调整施工参数，指导下步施工，遇异情可及时采取措施，并为在场工作人员赢得了足够的逃生时间。

3、准确性

基坑中置入的形状记忆合金丝犹如坐标点，为及时找到险情位置提供了准确定位，并且每根形状记忆合金丝犹如一个应变片一样紧贴岩土体，时刻测量着岩土体的变形情况，同时该发明也避免了常规测量仪器在测量数据过程中产生的误差。

4、耐久性

由于本发明所使用形状记忆合金丝具有较大的电阻率、回复力、变形和良好的耐腐蚀性、较好的塑性、较高的强度以及疲劳寿命长和电阻环境因素影响小等优点，使得形状记忆合金基坑工程的耐久性较高。

5、经济性

本发明预警系统主要利用形状记忆合金丝变形后，根据其电阻的变化来达到目的，相比常规的基坑形变监测或渗漏监测专用测量仪器，如位移计、沉降仪、水准测量仪、GPS测量以及测压管、渗压计等技术手段，成本要低得多，并且该发明施工工艺简单、操作方便。

6、适用范围广

将专用测量仪器监测用形状记忆合金丝来代替，显著地扩大了预警系统基坑的应用范围，使得此类预警系统不仅适用于各类基坑工程短期的变形监测，而且也适用于各类构(建)筑物长期的变形监测。

附图说明

图1是本发明的安装位置示意图；

图2是本发明的施工过程流程图；

图3是本发明中金属环体Ⅰ安装在形状记忆合金丝Ⅰ上的示意图；

图4是本发明中混凝土块Ⅰ的结构示意图；

图5是本发明的支护结构发生支护失稳时的结构示意图；

图6是本发明中形状记忆合金丝的形变—电阻值关系图。

图中：1、形状记忆合金丝，2、金属环体，3、混凝土块，4、导线，5、支护结构，6、电阻预警系统，7、底部岩土体，8、侧部岩土体。

具体实施方式

下面将对本发明做进一步说明。

如图所示，一种具有实时监测预警功能的基坑结构，包括基坑本体、支护结构5、电阻预警系统6和形状记忆合金丝1，

所述支护结构5固定在基坑本体的侧部，且与侧部岩土体8固定连接，基坑本体的下方为底部岩土体7，

所述电阻预警系统6由电阻监测仪和报警器电连接组成，

所述形状记忆合金丝1为多个，多个形状记忆合金丝1中一部分均匀分布在侧部岩土体8内、另一部分均匀分布在底部岩土体7内；多个形状记忆合金丝1的两端均通过导线4与电阻监测仪连接，每个形状记忆合金丝1上均缠绕多个金属环体2，且各个金属环体2之间的间距相同，每个金属环体2分别被一个混凝土块3包裹。

进一步，相邻形状记忆合金丝1之间的间距不小于0.5m。采用这种间距既能保证所需的监测覆盖密度，而且还能防止距离太近造成相邻的形状记忆合金丝1之间的短路情况；若设计要求必须距离较近，必要时对形状记忆合金丝1的表面做局部绝缘处理。

进一步，所述混凝土块3的径向宽度为形状记忆合金丝1直径的3～5倍。这样能增大混凝土块3与底部岩土体7或侧部岩土体8之间的接触面积，进而增大摩擦力，防止在底部岩土体7或侧部岩土体8发生形变时形状记忆合金丝1受外力脱出。

进一步，所述形状记忆合金丝1为镍钛合金。采用这种合金，因为其具有较大的电阻率、回复力和变形、较高的耐腐蚀性、较高的强度、较好的塑性等特性，此外还具有比重小、疲劳寿命长和环境因素影响小等优点。

进一步，所述多个金属环体2之间的间距为1m。

本具有实时监测预警功能的基坑结构的工作过程为：首先进行形变试验得出形状记忆合金丝1的形变量—电阻值关系(如图6所示)，并对各个形状记忆合金丝1所处的位置进行标记及编号，同时在电阻监测仪内设置形状记忆合金丝1的形变量阈值(即任一形状记忆合金丝1的形变量达到阈值后电阻监测仪会控制报警器发出预警提示音)，然后电阻预警系统6中的电阻监测仪实时测量各个形状记忆合金丝1的电阻值，当侧部岩土体8或支护结构5发生失稳(即基坑失稳)(如图5所示)或底部岩土体7发生渗流变形(即基坑底渗流变形)的事故时，此时距离该处最近的一个形状记忆合金丝1的受力形变量最大，从而导致该形状记忆合金丝1的电阻值变化最大，通过电阻监测仪得出变化最大的形状记忆合金丝1的编号及电阻值变化情况，然后根据已知的形变量—电阻值关系，能得出该形状记忆合金丝1各自的形变量，将得出的形变量与形变量阈值进行比较，若得出的值大于等于阈值，则电阻监测仪控制报警器发出预警提示音，同时将该形状记忆合金丝1所处的位置进行显示；工作人员根据提示音能及时知晓情况，然后根据该形状记忆合金丝所处的位置及其他形状记忆合金丝的电阻值变化情况能及时对相应位置采取施救措施，阻止更大灾害的发生。

一种具有实时监测预警功能的基坑结构的施工方法，具体步骤为：

1)金属环体2的制作：利用已知金属材料制成环体，环体本身的直径为形状记忆合金丝1直径的1～2倍，环体围成的内直径为形状记忆合金丝1直径的3～4倍；

2)金属环体2的装配：对形状记忆合金丝1进行热处理，处理后使其处于马氏体状态，此时在形状记忆合金丝1上每隔1m缠绕一个金属环体；

3)施工准备、基坑支护工程构建及地下水控制：开工前，做好技术、设备、运料、放样和核查的施工准备，然后开始进行基坑支护工程构建及地下水控制的施工，最后土方开挖后即为基坑；

4)形状记忆合金丝1的置入：

(Ⅰ)定位：按预先设计的形状记忆合金丝1的分布要求在基坑的周边位置进行施工放线，标记出各个钻孔位置，孔位允许偏差为±15mm；

(Ⅱ)钻孔：向侧部岩土体8进行钻孔，钻孔方向与基坑边线相垂直；孔径是形状记忆合金丝1的3倍至5倍；钻孔深度要确保离基坑边线较远的孔端位于稳定侧部岩土体范围内；

(Ⅲ)清孔：用高压风管将钻孔内的粉尘和杂物吹出；

(Ⅳ)放置形状记忆合金丝1：在其中一个钻孔内置入形状记忆合金丝1，施工过程中保持其连续性，不出现扭曲、折皱，并绷紧形状记忆合金丝1使其受力拉直、拉紧，以保证其均匀、平整、位于钻孔的中心线上，同时采用定位器将其固定；之后，从下至上或从里到外，对形状记忆合金丝1上的金属环体2位置处灌注混凝土，形成混凝土块3，当混凝土块3的强度达到75％以上后，按照设计要求填孔至另一金属环体2处，重复上述过程灌注混凝土完成另一混凝土块3的制备，直至浇筑完成该形状记忆合金丝1上所有的混凝土块3；

(Ⅴ)重复步骤(Ⅳ)依次对各个钻孔内分别放置形状记忆合金丝1，直至完成所有的钻孔浇注；

5)形成实时监测预警功能的基坑：将电阻监测仪与报警器连接，然后通过导线4将每个形状记忆合金丝1两端连接到电阻监测仪，完成实时监测预警功能的基坑建设。

本发明通过在传统的监测技术手段的基础上，把原来由专用测量仪器组成的监测手段改为形状记忆合金丝1来代替，借助于形状记忆合金本身具有的特点，即较大的电阻率、回复力和变形、较高的耐腐蚀性、较高的强度、较好的塑性等特性，此外还具有比重小、疲劳寿命长和环境因素影响小等优点，进而大大降低了预警系统在应用中的局限性，所以基坑工程的预警系统就不必依靠专用测量仪器来提供预警和定位，而是简单地通过形状记忆合金丝1来达到目的。同时，预警系统的报警控制就转化为对形状记忆合金丝1的状态处理，而状态的处理只需根据工程的需要对记忆合金构件进行一定的热-机械加工工序即可，这样对现场施工来说，其施工工艺和设备简单、操作方便、效果安全可靠。由此可见，本发明不仅提高了基坑工程的安全性、准确性、耐久性和适用范围，而且还表现在其施工工艺简单、可靠、投资和造价费用低等优点。因此，相对传统的施工工艺，本发明具有施工的安全性可靠，准确性高，造价成本低等优点，采用记忆合金进行结构重新设计，使预警系统的性能、适用性等得到很大的改善和提高。

Claims (6)

1.一种具有实时监测预警功能的基坑结构，其特征在于，包括基坑本体、支护结构、电阻预警系统和形状记忆合金丝，

所述支护结构固定在基坑本体的侧部，且与侧部岩土体固定连接，基坑本体的下方为底部岩土体，

所述电阻预警系统由电阻监测仪和报警器电连接组成，

所述形状记忆合金丝为多个，多个形状记忆合金丝中一部分均匀分布在侧部岩土体内、另一部分均匀分布在底部岩土体内；多个形状记忆合金丝的两端均通过导线与电阻监测仪连接，每个形状记忆合金丝上均缠绕多个金属环体，且各个金属环体之间的间距相同，每个金属环体分别被一个混凝土块包裹。

2.根据权利要求1所述的一种具有实时监测预警功能的基坑结构，其特征在于，相邻形状记忆合金丝之间的间距不小于0.5m。

3.根据权利要求1所述的一种具有实时监测预警功能的基坑结构，其特征在于，所述混凝土块的径向宽度为形状记忆合金丝直径的3～5倍。

4.根据权利要求1所述的一种具有实时监测预警功能的基坑结构，其特征在于，所述形状记忆合金丝为镍钛合金。

5.根据权利要求1所述的一种具有实时监测预警功能的基坑结构，其特征在于，所述多个金属环体之间的间距为1m。

6.一种根据权利要求1所述具有实时监测预警功能的基坑结构的施工方法，其特征在于，具体步骤为：

1)金属环体的制作：利用已知金属材料制成环体，环体本身的直径为形状记忆合金丝直径的1～2倍，环体围成的内直径为形状记忆合金丝直径的3～4倍；

2)金属环体的装配：对形状记忆合金丝进行热处理，处理后使其处于马氏体状态，此时在形状记忆合金丝上每隔1m缠绕一个金属环体；

3)施工准备、基坑支护工程构建及地下水控制：开工前，做好技术、设备、运料、放样和核查的施工准备，然后开始进行基坑支护工程构建及地下水控制的施工，最后土方开挖后即为基坑；

4)形状记忆合金丝的置入：

(Ⅰ)定位：按预先设计的形状记忆合金丝的分布要求在基坑的周边位置进行施工放线，标记出各个钻孔位置，孔位允许偏差为±15mm；

(Ⅱ)钻孔：向侧部岩土体进行钻孔，钻孔方向与基坑边线相垂直；孔径是形状记忆合金丝的3倍至5倍；钻孔深度要确保离基坑边线较远的孔端位于稳定侧部岩土体范围内；

(Ⅲ)清孔：用高压风管将钻孔内的粉尘和杂物吹出；

(Ⅳ)放置形状记忆合金丝：在其中一个钻孔内置入形状记忆合金丝，施工过程中保持其连续性，不出现扭曲、折皱，并绷紧形状记忆合金丝使其受力拉直、拉紧，以保证其均匀、平整、位于钻孔的中心线上，同时采用定位器将其固定；之后，从下至上或从里到外，对形状记忆合金丝上的金属环体位置处灌注混凝土，形成混凝土块，当混凝土块的强度达到75％以上后，按照设计要求填孔至另一金属环体处，重复上述过程灌注混凝土完成另一混凝土块的制备，直至浇筑完成该形状记忆合金丝上所有的混凝土块；

(Ⅴ)重复步骤(Ⅳ)依次对各个钻孔内分别放置形状记忆合金丝，直至完成所有的钻孔浇注；

5)形成实时监测预警功能的基坑：将电阻监测仪与报警器连接，然后通过导线将每个形状记忆合金丝两端连接到电阻监测仪，完成实时监测预警功能的基坑建设。