基坑水平位移觀測的幾點分析

梁偉才

【摘要】基坑的變形觀測，隨著社會對地下發展空間的需求，基坑支護的技術要求和巖土設計研究的要求而不斷發展成熟，扮演著越來越重要的角色。由于基坑變形觀測數據具有的重要作用，人們對基坑變形觀測的認識又上了一個新臺階。如何才能如實地、客觀地基坑變形數據觀測記錄下來，自然地成為基坑變形觀測很重要的一個環節。科學的分析，觀測方法的選取又是觀測到真實變形數據的前提。本文從力學和數學，分別地、邏輯性地對當前的基坑變形觀測工作作簡單探討，結合實際工作，對基坑水平位移觀測中應注意的問題加以闡釋。

【關鍵詞】前期分析;力學平衡;數學分析;坐標;變形數據

1?現狀及存在問題

基坑，是指為構建筑物打基礎和地下室施工所開挖的地面以下的空間。再寫隨著社會的進步，建設工程以及各種高層建筑物、地下室、人防工程等的需要，基坑的應用將會越來越廣，對基坑的技術要求也越來越高。

基坑監測，是指在基坑施工及使用期限內，對建筑基坑及周邊環境實施的檢查、監控工作。目前，基坑監測主要包括：支護結構、相關自然環境、施工工況、地下水狀況、基坑底部及周圍土體、周圍建（構）筑物、周圍地下管線及地下設施、周圍重要的道路、其他應監測的對象。實際監測工作中，許多監測項目都需要結合儀器觀測和現場巡視的反復跟蹤方式來采集基坑最真實、最客觀的變形數據。同時需要在儀器觀測和現場巡視等工作中不斷分析、不斷排除誤差，以達到采集高質量數據的目的。

客觀、真實的變形數據不但可以及時了解基坑的變形情況，為施工提供參考及指導性意見，可以驗證基坑設計可行性、科學性，還可以為巖土力學、結構力學等多門學科的研究提供寶貴的原始數據。為了追求更真實、客觀的變形數據，測量工作者以及巖土工程、結構工程等工作者想法設法尋找更加科學和實用的變形監測方法。由于變形監測的發展歷史比較短，各種基坑的情況也不一樣，變形監測的方法也要具體問題具體分析了。而現階段人們對基坑變形觀測工作似乎缺乏必要的分析，對這方面工作是任務式的，缺少深層次的研究。

2?對基坑變形觀測的前期分析

基坑水平位移的監測是一項比較具有代表性的變形監測工作，同時也是考驗測量工作者對變形觀測分析能力的一個重要指標。那么，水平位移的變形觀測需要分析什么，如何分析呢？下面我們以常見的基坑支護型式為例，對基坑水平位移變形觀測方法的選取作一個簡單的探討。

我們知道，基坑的形狀是各不相同的，要如實的把變形數據采集準確，首先要做的，就是要明確該基坑將會怎樣發生位移。這是基坑水平位移觀測的前提分析。而我們實際工作中遇到比較多、比較簡單而又常見的基坑支護型式，是矩形形狀的基坑。下面我們以矩形基坑為例作一個簡單的力學分析（如圖所示）：

圖a：基坑開挖前狀態?????????????????????圖b：基坑開挖后狀態

圖a表示，基坑開挖前，基坑及外界沒有土石方的分離，基坑里外相互作用力大小相等方向相反，基坑所受合力為0，基坑處于靜止狀態，理論上不會發生位移。

圖b表示，基坑開挖后，以基坑邊線為臨界面，基坑里面與外面分離，基坑里外相互作用力當中缺少了由里向外的作用力，此時合力方向垂直于基坑邊向里，理論上基坑邊緣處會發生垂直基坑邊向里的位移。

通過對基坑進行力學平衡原理的分析，我們發現基坑水平位移的變化方向是沿垂直于基坑邊線向里的。現實工作中很多測量工作者往往忽略這一工作，但這個前期分析相當重要，它將直接關乎到觀測數據的質量。弄清這個方向，對于將要進行的水平位移觀測有一個比較明確的指導性方向：把沿垂直于基坑邊線向里這個方向上的位移量觀測、記錄并表達出來。

a·基坑外面

圖c：基坑水平位移的實際方向

在我們明確了基坑監測需要采集哪一個方向的變化量之后，才能在后面的測量工作中找準方向。如圖c所示，我們要觀測的位移，即監測點a，發生水平位移移動到a′時，垂直于基坑變形的位移。

從圖中我們可以看出，基坑開挖之后，水平位移不一定是純碎的垂直基坑邊向里，還有其他方向的外力作用，使基坑支護部分的發生的實際位移并非純碎的垂直于基坑變形。通過比較兩點坐標，我們發現，從a點發生位移到達a′時，兩點坐標既有X增量ΔX，又有Y增量ΔY，通過計算，我們得知兩點發生的位移為：

ΔS=

即

ΔS=

而我們要的，是沿著垂直于基坑變形這一方向的位移。要計算這樣的位移，我們很自然會想到利用三角函數和位移的正交分解，但這樣的計算過程比較繁雜，這里就不進行討論了。

3方法的選取及確定

那么，我們可以用什么方法將繁雜的計算過程簡化呢？通過建立跟矩形基坑邊垂直（或平行）的獨立的直角坐標系，采用坐標觀測法，可以大大簡化上面所述的計算過程。

通過坐標法建立的坐標系，利用矩形基坑的特有優勢，單獨對水平位移的X、Y坐標進行分析，計算X、Y坐標的增量ΔX和ΔY，便可直觀、快捷地計算出發生于沿垂直基坑邊線方向上的位移。通過分析這種方法觀測到的數據，我們不難發現：與垂直于基坑邊線方向的位移相比，其他方向的位移是考驗忽略不計的，也就是說，其他方向的位移趨向于無窮小。

4?案例分析

明確了水平位移觀測應該做的前期分析，選取了合適的方法之后，我們就可以開展觀測工作了。那么，這種方法是否真的湊效呢？東莞市中國電子松山湖研發中心基坑監測和東莞市錦裕源儀器科技有限公司智能震動分析及動平衡系統項目基坑監測均按照這樣的思路進行了前期分析和通過分析確定的觀測方法。讓我們看看這些變形觀測項目是怎樣進行分析和確定方法的選取的，觀測數據的真實性又是如何。

東莞市中國電子松山湖研發中心基坑監測工程監測平面布置圖如下：

中國電子松山湖研發中心基坑監測平面布置圖

變形觀測之前，先對該基坑作前期分析：受力、變形趨勢分析，因為這基坑呈矩形，所以基坑支護會發生垂直于基坑邊線向里的位移。現場調查之后，得知施工現場通視條件比較好，最終確定選用坐標觀測法并以基坑南面和北面邊線為Y軸的平行線，東面和西面為X軸的平行線，確定獨立坐標系。在此基礎上，把基準點坐標確定后記錄并保存好作為初始觀測數據。值得注意的是，由于變形觀測采用獨立坐標系，坐標由測量工作者自定，所以為了確保計算方便，測量工作者一般要把坐標定的大一點，以免出現負數。我們以抽樣檢查的方式，抽取所觀測到的基坑南面上的一組數據連續5次觀測記錄為標本如下：

表1：中國電子松山湖研發中心水平位移觀測記錄表（樣本）

WY18

X坐標（mm）

Y坐標（mm）

ΔX（mm）

ΔY（mm）

一次數據

35.3642

108.5382

—

—

二次數據

35.3646

108.5382

0.4

0

三次數據

35.3652

108.5381

0.4

-0.1

四次數據

35.3660

108.5383

0.8

0.2

五次數據

35.3665

108.5382

0.5

-0.1

WY20

一次數據

35.3238

68.3617

—

—

二次數據

35.3244

68.3615

0.6

-0.2

三次數據

35.3249

68.3616

0.5

0.1

四次數據

35.3253

68.3616

0.4

0

五次數據

35.3260

68.3618

0.7

0.2

通過數據，我們可以看出，此數據Y坐標增量ΔY基本上是不變的，X坐標增量ΔX符合前期對基坑變形趨勢的分析，準確地表達了基坑在施工過程中的變形情況。

東莞市錦裕源儀器科技有限公司智能震動分析及動平衡系統項目基坑支護形狀如下：

智能震動分析及動平衡系統項目基坑監測平面布置圖

我們作觀測前期分析：此基坑為矩形基坑，基坑支護在土石方開挖期間，由于力的平衡遭到破壞，基坑支護必然會沿垂直于基坑邊線向里面發生位移。通過變形觀測，對所觀測數據作抽樣檢查，樣本數據如下：

表2：智能震動分析及動平衡系統項目基坑監測水平位移觀測記錄表（樣本）

WY02

X坐標（mm）

Y坐標（mm）

ΔX（mm）

ΔY（mm）

一次數據

22.3315

42.3315

—

—

二次數據

22.3318

42.3316

0.3

0.1

三次數據

22.3319

42.3314

0.1

-0.2

四次數據

22.3326

42.3315

0.7

0.1

五次數據

22.3329

42.3315

0.3

0

WY03

一次數據

22.1925

62.2679

—

—

二次數據

22.1926

62.2677

0.1

-0.2

三次數據

22.1931

62.2678

0.5

0.1

四次數據

22.1932

62.2680

0.1

0.2

五次數據

22.1935

62.2679

0.3

-0.1

從樣本數據看，基坑南面觀測點坐標Y增量ΔY基本上為0，觀測點坐標X增量ΔX的變化符合前期分析，變形數據與基坑變形相符，同樣驗證了基坑變形觀測的前期分析。

此外，東莞市長安客天下大廈基坑監測、中山市寶麗西區棕櫚彩虹花園一期B地塊基坑監測、中山市雋峰花園基坑監測等基坑監測工程，均做了必要的前期分析，選取了合適的觀測方法，各項觀測數據都很好的驗證了這些分析方法。

5?結語

由于工程實際中，基坑的形式多種多樣，因此，對各種變形監測的要求以及應該采用的方法也不能一概而論，坐標觀測法對于矩形基坑比較實用，但并不是每個基坑都呈矩形，有很多基坑形狀是不規則的，需要綜合分析結合多種觀測方法才能很好的把基坑的變形數據真實、客觀的觀測和表達出來。