深部位移监测方法及其应用

1深部位移监测方法及其应用深部位移监测方法广泛用于边坡、滑坡和城市深基坑监测中。本文主要通过这三个方面详细介绍深部位移监测方法。对于大部分实际工程（边坡、滑坡和城市基坑工程），深部位移监测一般均采用钻孔测斜仪。所以首先介绍钻孔测斜仪器的原理。1.钻孔测斜仪的原理在岩土工程领域，测斜仪主要用于测量土体运动，诸如：可能产生在不稳固边坡（滑坡）或挖方过程中周围的侧向运动等。也可用来监测堤坝、芯墙的稳定性，打桩或钻孔的布置和偏差，以及在回填、筑堤和地下储罐中土体的沉陷等。深部位移监测仪器采用活动式钻孔测斜仪。首先在监测位置钻探一定深度(至滑动面以下)的竖直孔，并且安设PVC测斜管，测斜管的底部一般嵌入稳定的地层3m～5m，测斜管内有沿坡体滑动方向、垂直坡体滑动方向的导向槽2组，测斜仪滑轮在导向槽内移动。滑动式测斜仪主要由五部分组成：滑动式探头（探测器）、便携式数据采集仪、数据传输电缆、内置导向槽测斜管、旋转式探测仪。其中测头的精度、数据采集仪的转换精度、数据处理的正确性、测斜管的质量以及使用中的问题往往会决定测斜仪精度的主要因素。岩土体内部位移的测量、计算方法分为正序和倒序，即从地面向深处计算或者从深处向地面计算。一般情况下，倒序计算时需将测管深入至不变的基础处，如基岩；正序时，测协管管口处的方位，需要使用经纬仪等仪器对不同时间的确切位置进行确定，以便对测试结果进行修正。所有这些场合，通常要安装一根测斜管，将其安装在地下的钻孔内、或将管浇筑在混凝土结构中、也可将管埋在筑堤等之中。该测斜管有四个槽口，用于固定便携式测斜仪探头的滑轮。探头连在和读数仪相连的电缆的一端，用于观测与测斜管相关联的竖直（或水平）倾斜量，并以这种方式测量由土体运动所引起的任何倾斜量的变化。为了获得安装了测斜管的土体周围一个全面的观测报告，必须沿测斜管进行一系列倾斜测量。常规的测斜仪探头有两组滑轮，距离相隔0.5米，将探头放到测斜管底部并开始读数。探头每提升0.5米进行读数，直到到达测斜管的顶部，这组读数被称为A+读数（正测）。把探头从套管中取出，旋转180°。重新放入测斜管中，方法同上，又可得到另一组数据A-，读数（反测）数据处理时，将上述两组读数（A+、A-）相结合（用一组数据减去另一组数据），以此来消除倾角传感器零漂的影响。测斜仪探头在竖直位置时读数产生零漂偏差，理想的偏差应是零，而实际上在使用探头时，由于传感器的偏差、滑轮的磨损、或者因下落以及和测斜管底部相碰太厉害对传感器的冲击所导致有一零漂。下次的测斜管观测数据，当与原始的观测数据相比较时，就可知测斜管的倾斜量变化和这些变化所引起的位置变化。倾斜量变化分析的最好方式是通过计算上部滑轮相对于下部滑轮组所产生的倾角（θ）与观测读数间距（L）的水平偏移。在测斜仪各位置处，两组读数（A+、A-），相减就可得出Sinθ，把这个值乘以读数间距（L）和相应的系数，就得到一个以工程单位输出的水平偏移。在数据处理的同时，应进行数据可靠性的分析，通常的分析方法是“查和”，即将两组读数（A+，A-）相加，相加后的由倾斜引起的那部分读数被抵消，只留下一个等于测斜仪传感器零偏移两倍的一个值，当查和值为常量时，说明测量的数据具有较高的可靠性。侧斜仪是一种可精确测量沿垂直方向土层或围护结构内部水平位移的工程测量仪。当测斜管深埋于稳定土层中或围护桩（墙）体内时，则各点位移可根据2测读点间的倾角和距离换算出来。测斜仪测试原理如图4.2所示，深层水平位移采用测斜仪施测。测量时放入带有导轮的伺服加速度式测斜仪沿导槽滑动，由于测斜仪能反应出测管与重力线之间的倾角，因而能测出测斜仪所在位置测管在土体作用下的倾斜度θi，换算成该位置测斜仪上下导轮间（或分段长度）的位置偏差Δd：iLdsin（4-1）式中，L——量测点的分段长度（一般为0.5m）。自下而上累加可知各点处的水平位置：iLdsin（4-2）与初值相减即为各点本次量测的水平位移。2.边坡工程深部位移监测已在大量的边坡或滑坡稳定性状态监测中得到广泛应用，其监测往往在边坡坡体开挖完全后开展的，若边坡处于稳定，深部位移监测特征曲线就没有明显位移反应，当边坡处于不稳定状态时，深部位移监测特征曲线有向坡面侧变形反应或出现滑面等变形的位移突变特征。而实际上，边坡变形是贯穿于边坡开挖和卸荷整个过程中，对于坡体变形的演化以及边坡后期稳定性状态一般都取决于坡体开挖卸荷产生变形的进一步发展，因此边坡的深部位移监测方法可以反映边坡坡体开挖过程中变形信息的深部位移监测特征曲线，分析边坡稳定度，是评估边坡稳定性和加固策略实用可靠的方式。对于不稳定边坡在开挖过程，在宏观外表上边坡往往出现局部的变形迹象，诸如裂缝、坍塌或滑坡等，其监测曲线则反映坡体内部变形状况，监测曲线上的错动与滑动带的出现预示着坡体逐渐趋向不稳定状态，即稳定度逐渐降低。1.2监测布控、监测孔安装及监测要求监测孔布控:在边坡开挖之前，坡顶红线外距离坡面3～5m左右位置监测孔，监测孔布置3～5个断面左右，最高主断面必须布置一个监测孔。监测孔测读设备电缆测头导管回填钻孔导槽导轮原准线位移Lsin总位移测读间距3安装要求:(1)钻孔成孔尺度为直径D90mm，监测管直径D77mm;(2)深度为嵌入中风化岩层5m左右为标准，监测孔孔口必须采取固定保护措施;(3)为了保证测试及时性和准确性，保证测斜管与岩土体变形协调，不采用填沙方式填注灌浆孔壁与监测管之间空隙，采用水泥浆体胶结处理。坡体深部位移监测要求:(1)为了保证位移监测能反映岩土变形特征，初始测试在灌浆与孔壁岩土体胶结完成后，一般为1周左右;(2)坡体在未开挖前，连续监测一定周期，达到监测孔没有变形反应为止，即保证灌浆与孔壁岩土体胶结完全，或降雨过程所引起的暂时性变形信息;(3)开挖过程连续监测，特别是没形成一级边坡，需要及时监测，考察坡体的开挖过程中深部位移变形特征。3.滑坡深部水平位移监测滑坡是斜坡上岩土体在重力作用为主下，由于种种原因改变坡体内一定部位的软弱带（面）中的应力状态，或因其他物理、化学作用降低其强度，以及因地震或其他作用破坏其结构，该带在应力大于强度下产生剪切破坏，带以上岩土体失稳而作整体或几大块沿之向下和向前滑动的现象。滑坡发生的突变力学过程，其实质是滑带塑性区的发育和发展的过程，不论受何种地形、坡体结构的影响，滑坡从孕育到发生是有阶段性的，各个阶段变形特征存在较大差异[1]。因此建立合理的滑坡监测体系，对了解滑坡不同发展阶段的变形特征及受控因素具有非常重要的意义。对于大规模滑坡病害往往一次难以根治，需分期、分阶段逐步实施，监测工作意义更加重大。深部位移监测是滑坡监测体系中重要的一环，主要监测内容为沿着竖直钻孔进行位移矢量剖面的量测，可以分析轴向应变分布中的突出峰值和差动的侧向位移，查明位移场中不连续点的位置，从而对滑坡进行准确的分级、分块、分层，在验证勘察成果指导防治工程的实施和效果检验方面极为有效，且与地表监测、结构物应力监测等项目共同构成了施工安全保证体系。用于判断滑面或者软弱带位置的典型数据处理曲线如图1，通过对两条曲线的综合对比分析来确定拐点是否为滑面或软弱带。3工程应用综合分析深部位移监测技术在多处滑坡治理中的应用性质，可将其大致划分为以下几类：3.1第一类，滑坡勘测期间的监测这类滑坡的监测主要以确定滑动面的位置、提高勘察精度、指导设计为主。对于碎石土边坡，由于滑面及滑床均为碎块石，若干钻孔从地表下几米至三十几米深均为块石，单纯通过地质上钻孔岩芯的鉴定和分析无法确定滑面位置，而滑动面判定不准，不是造成浪费，就是造成工程的失败。为准确揭示滑动面位置，勘察过程中采用了深孔测斜，监测出滑面位置对应钻孔深度的岩芯为块石土，通过深孔测斜准确的确定了滑面位置，提高了勘察的精度，为设计提供了依据。3.2第二类，防治工程期间的安全监测4这类监测主要目的是保障施工过程的安全。滑坡经历了施工前期小扰动、施工中大扰动与主体工程完工三个主要阶段，滑坡变形范围波动较大。监测可以达到安全预报与预警的目的，为施工安全服务效果良好。用于保证施工安全的监测工作极为必要，通常辅以地表位移观测、裂缝观测、深部位移观测、结构物应力观测等。深部位移观测可以很好的量测出滑坡深部的微变形，与其他观测手段相比较而言更加直接、及时。施工中的安全监测宜适量布置测孔，由于施工扰动往往会造成滑坡局部或浅表层的加速变形，测管极易遭到破坏，可选择有代表性的断面布置两个钻孔即可，还应重点结合其他监测手段辅助进行安全预报工作。3.3第三类，治理后效果评价由于治理工程发挥作用，深孔曲线图上不再有大的位移变化。除结构物的应力变化长期观测外，深部位移监测也是评价工程治理效果的一项重要手段。综合类似工程经验，选择最不利断面加设工后测孔，能够降低施工破坏风险，较之结构物的应力观测更加易于操作，宜作为后评价的主要手段。3.4第四类，对大型古滑坡的监测由于滑坡本身的性质极为复杂，新近有活动的多个小滑坡均发育在古滑坡体上，勘探工作者对古滑坡的定性问题多有争议，且项目区处于口岸位置，若发生滑动势必带来巨大的损失，所以在古滑坡勘察阶段同时进行了深孔位移监测，用以辅助钻探工作，为准确判定滑面层数、位置及滑坡的稳定性提供资料。当古滑坡稳定时，主要表现为位移曲线变化平缓，基本无突变。若（古）滑坡处于蠕动挤压变形或速滑阶段。对于大型、复杂的（古）滑坡或交通位置重要的滑坡，因投资等问题暂不进行治理的，勘察阶段宜配套采用深部位移监测技术，可以准确判定滑面层位以及滑坡体的稳定性状态。4.深部位移监测技术在城市深基坑监测中的应用随着我国城市化进程的加快,城市地铁建设在不断的反战,伴随而来的便是大量的城市深基坑的开挖。城市中的深基坑由于其所处地理位置的特殊性,在基坑周围往往有大量的城市基础设施以及已经建成的房屋建筑。因此,对于城市中的深基坑的位移变形控制必然会有更高的要求,做好基坑位移的精确监测就成了当务之急。而数字式垂直测斜仪的使用则可以有效的解决这一难题。4.2城市地铁基坑测斜测点埋设沿本站主体长边方向每阳角处及中部，短边中部的钻孔桩桩身内埋设测斜管。测斜管拼装时应注意导槽对接，埋设时将测斜管两端封闭并牢固绑扎在钢筋笼背土面一侧，同钢筋笼一同放入成孔内，同时注意测斜管的导向槽应垂直于基坑面，灌注混凝土。测斜管长应为桩长加冠梁高并露出冠梁10㎝。注意在钢筋笼放入孔内砼浇注前一定要校正测斜管的方向。4.3深部水平位移曲线分析得到水平位移曲线后，应结合施工情况、土方开挖情况、周围堆载、车辆荷载，钢支撑轴力综合分析。对于下一步施工具有一定的指导意义。5.其它仪器监测1.滑动式水平测斜仪存在问题1.需要消耗大量人力，且遇到刮风下雨天气对于边坡测读人员而言危险系数增加。2.无法连续进行监测，由于数据断续采集,数据采集效率低,难以捕捉到灾害来临前和发生时的重要信息,给监测控制和预测预报带来困难。3.在实际监测中，经常会碰到pvc管被堵情况，无法继续监测。54.由于是移动式监测,测斜管设计是内带四方导槽,钻孔倾斜仪装有滑轮,依靠滑轮在导槽内上下滑动进行测量。在实施监测过程中测斜管受到孔壁侧向岩土层推力作用产生变形或剪断,钻孔倾斜仪无法下到测点位置进行测量,因而中断监测,使监测钻孔报废。自动化通信监测方法的产生2.1无线数传模块方法即数传电台方法(图4～6),据传送的距离选用不同功率0.5～35W电台,不同工作频段,具有TTL、RS232、RS485半双工多种电平接口,可实现透明数据传输,无需改变原有通信程序及连接方法,在移动通讯网达不到山区选择该种方法把信号传送到移动通讯能达到地区,然后再通过无线上网传送信号。2.无线网数据传输方法中联信通科技有限公司推出CDMA/GPRS无线网卡(DTU)产品设备,可进行数据通讯,GPRS通信是基于IP地址的数据分组通信网络,监测中心计算主机配置地址,各个数据采集点采用GPRS模块和该主机进行通信。2.3卫星遥测方法采用通信卫星系统组网进行遥测可实现自动化监测。以上3种方法中,第1种和第2种方法成本低,第3种方法成本高,一