建筑物基坑監測及其數據分析方法探討

葉永鋒

摘 要:在大型工程建設中,往往需要進行基坑開挖。由于基坑內外壓力的變化,引起土體的變形,對鄰近建筑物造成影響。因此,需要對基坑及鄰近建筑物進行變形監測,本文基于筆者多年從事基坑變形監測的相關工作經驗,以天津市某基坑開挖對建筑物影響的監測為例,介紹了監測方案,并對不同的數據處理模型進行對比研究,得出對于本項目變形監測中精度較高的數學模型。

關鍵詞:基坑變形監測數據處理精度

中圖分類號:P2 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)05(c)-0047-02

1 引言

變形監測在建筑物勘測、施工、運營等階段都起著至關重要的作用,它是一種掌握基坑形變規律,同時對周邊環境影響進行評價的重要手段。保證開挖基坑本身的安全,并且不妨礙鄰近建筑的安全使用是我國城市中開挖建筑物基坑時必須遵守的一個規定。而在這一施工過程中,諸如土體變形、基坑周圍荷載增加、地下水位的下降等不確定因素都容易引起周邊環境的變化,也連帶影響著其他建筑的安全。通過采用變形監測方法,分析施工過程中的一些形變規律,預測其周圍建筑物的變化趨勢,對基坑和周邊建筑物同時進行監控,是保證建筑物安全運營的重要途徑。本文以天津曹妃甸某基坑的監測為例,在獲得監測數據后,比較基于監測觀測量的預報值與實際沉降量,從而確定模型的有效性。

2 工程概況

本文研究的基坑位于天津曹妃甸某碼頭。在該基坑開挖施工的同時,其內外土體勢必形成由靜態向動態的轉變,直接導致了基坑土體的變形,甚至會對鄰近建筑物造成或多或少的影響。此次變形監測的目的就是最終確保周圍這些建筑物的安全,監測基坑的開挖對鄰近建筑物造成的影響,監測鄰近建筑物的變形情況,基于監測數據控制開挖基坑的進度來保證工程的安全。

2.1 基準點和監測點布設方案

2010年5月13日開始布點對該基坑進行監測,前后共計觀測23次。在基坑上布設變形監測點時,為了實現全面檢測,必須平面位置上做到對稱,并突出其重點。5號、4號、3號樓的沉降監測是這次監測的重點。布設5個監測基點 (BM1、ZB3、ZB4、ZB1、ZB2),布設9個水平位移監測點(皆為基坑邊監測點,編號為JC1、JC2、JC3、JC4、JC5、JC6、JC7、JC8、JC9,間距約為20 m,距基坑邊線約20cm),布設16個沉降監測點(編號為3D-1、3D-2、4D-1、4D-2、5D-1,其中11個水平位移監測點同時作為沉降監測點,另外有5個建筑物沉降觀測點)。初始數據的觀測選在5月16日,共進行了兩次獨立觀測,初始數據可以選用兩次觀測的平均值,在得到初始數據的基礎上,聯測所有基點。與基坑施工同步,要保證每3到4天進行一次重復觀測,一旦某些觀測點的沉降量出現異常,則應該加密觀測所有觀測點。

Leica DNA03數字水準儀是本次沉降監測測量所用工具,選擇距離基坑200m以外比較牢固的建筑物(6號樓)上某點作為控制點(BM1),選取在距離基坑200m以外比較牢固的建筑物(4號樓)上作為另一控制點(BM2)。水準尺為與DNA03配套的Leica編碼標尺。在觀測之前應該檢驗水準儀和水準尺。(如圖1)

2.2 建筑物沉降觀測數據計算及分析

如圖1所示,共對3號樓、4號樓,5號樓布設了5個監測點,選擇BM1為起點,該點高程為10m。觀測流程必須形成一個閉合環,因此可以設置為由BM1到5D-1到3D-1到3D-2到4D-1到4D-2再回到BM1,每次觀測結束后利用(路線距離)來檢查記錄的計算數據,同時也查看精度是否合乎要求,其次,各沉降觀測點的高可以通過調整高差閉合差來進行推算,如果發現有超限的,應當立即返工。經計算得出全長閉合差為0.21mm,路線長為870.3m,閉合差限差為±4=±3.8mm,由此可以得出結論,初次觀測完全符合二等水準測量的要求。由于觀測數據較多,本文取前10期建筑物沉降觀測數據分析研究:(1)計算各觀測點本次沉降量:Δh=本次觀測得到的高程Hi－上次觀測得到的高程Hi-1;(2)計算累計沉降量:ΔH=ΣΔh(3)計算沉降速率:ν=沉降量/觀測天數,有觀測數據繪制建筑物監測點沉降觀測曲線圖,各點沉降量如圖2所示:

根據觀測數據成果計算各觀測點的累積沉降量即:(如表1)

對沉降觀測數據進行分析,可以發現,其中最大的變化是4D-1(-0.96mm)和3D-1(-0.94mm),而大部分房角沉降觀測點變化很少,但監測點的累積變化量小于警戒值,已有支護結構能維持基坑邊坡的穩定,目前基坑處于穩定狀態。

3 對建筑物的監測點的數據分析

3.1 線性回歸模型分析預測

基于5號樓,3號樓和4號樓這三個建筑物的沉降觀測數據,可以進行線性回歸分析,參數選擇為沉降量和觀測天數。

依次可求得各觀測點沉降量y與監測天數x的線性回歸方程及相關系數(如表2)

從表2可以看出,點5D-1的線性關系相對其他幾個點最不明顯,而點4D-1的線性關系相對其他幾個點最為顯著。

根據回歸方程對各點數據進行回歸,可獲得相關的統計數字,如置信度、回歸值、F檢驗值等,并對相關系數進行顯著性檢驗。得出各點實測累積值和回歸分析值,如表5所示(如表3)

將實測累積沉降值與回歸分析沉降值繪制成圖:(如圖4)

分析圖4可以看出,兩條分析曲線總的走勢是基本一致的,但這兩個值一般存在一定差異,通過此線性回歸即可進行沉降觀測的變形預測,預報未來建筑物的安全。由圖4可以看出,其中累積沉降的回歸分析值并不能準確地反映其沉降量,其和實際的累積沉降存在一定差異,但在點與點之間的沉降差異方面卻能做到很好地反映:(1)從表3中可知,點4D-1和點3D-1沉降較為均勻,而其余三點沉降發生不均勻變化;(2)通過回歸分析可發現點點4D-1和3D-11兩個點沉降最快,而5D-1點則因為離基坑較遠,沉降較少。根據它們這種累積沉降不同,我們可以分析后期建筑物的傾斜情況,從而更好的控制,并作好一定的防御措施。

3.2 灰色等時距模型分析預測

根據建筑物監測點情況,對點4D-2、4D-1、5D-1、3D-1、3D-2的沉降累計值進行建模預測。用～表示,建立MGM(1,5)模型。觀測資料以3d為一個周期,由于此次觀測數據并非等時距觀測,故需要先把這些觀測數據內插為以3d為一周期的數據。得到擬合值之后再內插回原始天數的擬合值。

選取前7個周期建模,后4個周期可以用來檢驗預測值的準確性。生成一次累加序列,即可求得一次累加序列的預測值,再求得各變形監測點的灰色等時距模型的擬合值,并繪出各監測數據點變形量的擬合值、實測值對比圖,如圖5所示:

由圖5中的數據可以發現前6期的實測值和擬合值之間的差距很小,而從第7期以后兩者之間就略有差距。

4 結語

本文闡述了變形監測的方案設計與數據處理的方法,該研究基于筆者在天津曹妃甸某深基坑沉降變形監測的實踐為工程背景,并根據不同的數據處理模型對變形趨勢的預測預報的有效性進行了對比分析。結果表明,采用線性回歸預測模型對監測數據進行處理分析能夠簡單、快速、準確地得到深基坑沉降變形狀況以及對周邊建筑物的影響,并對下一次沉降量進行預報,能為驗證基坑開挖及保證周邊建筑物的安全,提供必要的數據和評價資料。

參考文獻

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