基坑水平位移观测的几点分析

【摘要】基坑的变形观测，随着社会对地下发展空间的需求，基坑支护的技术要求和岩土设计研究的要求而不断发展成熟，扮演着越来越重要的角色。由于基坑变形观测数据具有的重要作用，人们对基坑变形观测的认识又上了一个新台阶。如何才能如实地、客观地基坑变形数据观测记录下来，自然地成为基坑变形观测很重要的一个环节。科学的分析，观测方法的选取又是观测到真实变形数据的前提。本文从力学和数学，分别地、逻辑性地对当前的基坑变形观测工作作简单探讨，结合实际工作，对基坑水平位移观测中应注意的问题加以阐释。

【关键词】前期分析;力学平衡;数学分析;坐标;变形数据

1 现状及存在问题

基坑，是指为构建筑物打基础和地下室施工所开挖的地面以下的空间。再写随着社会的进步，建设工程以及各种高层建筑物、地下室、人防工程等的需要，基坑的应用将会越来越广，对基坑的技术要求也越来越高。

基坑监测，是指在基坑施工及使用期限内，对建筑基坑及周边环境实施的检查、监控工作。目前，基坑监测主要包括：支护结构、相关自然环境、施工工况、地下水状况、基坑底部及周围土体、周围建（构）筑物、周围地下管线及地下设施、周围重要的道路、其他应监测的对象。实际监测工作中，许多监测项目都需要结合仪器观测和现场巡视的反复跟踪方式来采集基坑最真实、最客观的变形数据。同时需要在仪器观测和现场巡视等工作中不断分析、不断排除误差，以达到采集高质量数据的目的。

客观、真实的变形数据不但可以及时了解基坑的变形情况，为施工提供参考及指导性意见，可以验证基坑设计可行性、科学性，还可以为岩土力学、结构力学等多门学科的研究提供宝贵的原始数据。为了追求更真实、客观的变形数据，测量工作者以及岩土工程、结构工程等工作者想法设法寻找更加科学和实用的变形监测方法。由于变形监测的发展历史比较短，各种基坑的情况也不一样，变形监测的方法也要具体问题具体分析了。而现阶段人们对基坑变形观测工作似乎缺乏必要的分析，对这方面工作是任务式的，缺少深层次的研究。

2 对基坑变形观测的前期分析

基坑水平位移的监测是一项比较具有代表性的变形监测工作，同时也是考验测量工作者对变形观测分析能力的一个重要指标。那么，水平位移的变形观测需要分析什么，如何分析呢？下面我们以常见的基坑支护型式为例，对基坑水平位移变形观测方法的选取作一个简单的探讨。

我们知道，基坑的形状是各不相同的，要如实的把变形数据采集准确，首先要做的，就是要明确该基坑将会怎样发生位移。这是基坑水平位移观测的前提分析。而我们实际工作中遇到比较多、比较简单而又常见的基坑支护型式，是矩形形状的基坑。下面我们以矩形基坑为例作一个简单的力学分析（如图所示）：

图a：基坑开挖前状态 图b：基坑开挖后状态 图a表示，基坑开挖前，基坑及外界没有土石方的分离，基坑里外相互作用力大小相等方向相反，基坑所受合力为0，基坑处于静止状态，理论上不会发生位移。 图b表示，基坑开挖后，以基坑边线为临界面，基坑里面与外面分离，基坑里外相互作用力当中缺少了由里向外的作用力，此时合力方向垂直于基坑边向里，理论上基坑边缘处会发生垂直基坑边向里的位移。

通过对基坑进行力学平衡原理的分析，我们发现基坑水平位移的变化方向是沿垂直于基坑边线向里的。现实工作中很多测量工作者往往忽略这一工作，但这个前期分析相当重要，它将直接关乎到观测数据的质量。弄清这个方向，对于将要进行的水平位移观测有一个比较明确的指导性方向：把沿垂直于基坑边线向里这个方向上的位移量观测、记录并表达出来。

a・基坑外面

图c：基坑水平位移的实际方向

在我们明确了基坑监测需要采集哪一个方向的变化量之后，才能在后面的测量工作中找准方向。如图c所示，我们要观测的位移，即监测点a，发生水平位移移动到a′时，垂直于基坑变形的位移。

从图中我们可以看出，基坑开挖之后，水平位移不一定是纯碎的垂直基坑边向里，还有其他方向的外力作用，使基坑支护部分的发生的实际位移并非纯碎的垂直于基坑变形。通过比较两点坐标，我们发现，从a点发生位移到达a′时，两点坐标既有X增量ΔX，又有Y增量ΔY，通过计算，我们得知两点发生的位移为：

ΔS=

即

ΔS=

而我们要的，是沿着垂直于基坑变形这一方向的位移。要计算这样的位移，我们很自然会想到利用三角函数和位移的正交分解，但这样的计算过程比较繁杂，这里就不进行讨论了。

3方法的选取及确定

那么，我们可以用什么方法将繁杂的计算过程简化呢？通过建立跟矩形基坑边垂直（或平行）的独立的直角坐标系，采用坐标观测法，可以大大简化上面所述的计算过程。

通过坐标法建立的坐标系，利用矩形基坑的特有优势，单独对水平位移的X、Y坐标进行分析，计算X、Y坐标的增量ΔX和ΔY，便可直观、快捷地计算出发生于沿垂直基坑边线方向上的位移。通过分析这种方法观测到的数据，我们不难发现：与垂直于基坑边线方向的位移相比，其他方向的位移是考验忽略不计的，也就是说，其他方向的位移趋向于无穷小。

4 案例分析

明确了水平位移观测应该做的前期分析，选取了合适的方法之后，我们就可以开展观测工作了。那么，这种方法是否真的凑效呢？东莞市中国电子松山湖研发中心基坑监测和东莞市锦裕源仪器科技有限公司智能震动分析及动平衡系统项目基坑监测均按照这样的思路进行了前期分析和通过分析确定的观测方法。让我们看看这些变形观测项目是怎样进行分析和确定方法的选取的，观测数据的真实性又是如何。

东莞市中国电子松山湖研发中心基坑监测工程监测平面布置图如下：

中国电子松山湖研发中心基坑监测平面布置图

变形观测之前，先对该基坑作前期分析：受力、变形趋势分析，因为这基坑呈矩形，所以基坑支护会发生垂直于基坑边线向里的位移。现场调查之后，得知施工现场通视条件比较好，最终确定选用坐标观测法并以基坑南面和北面边线为Y轴的平行线，东面和西面为X轴的平行线，确定独立坐标系。在此基础上，把基准点坐标确定后记录并保存好作为初始观测数据。值得注意的是，由于变形观测采用独立坐标系，坐标由测量工作者自定，所以为了确保计算方便，测量工作者一般要把坐标定的大一点，以免出现负数。我们以抽样检查的方式，抽取所观测到的基坑南面上的一组数据连续5次观测记录为标本如下：

表1：中国电子松山湖研发中心水平位移观测记录表（样本）

WY18

X坐标（mm）

Y坐标（mm）

ΔX（mm）

ΔY（mm）

一次数据

35.3642

108.5382

―

―

二次数据

35.3646

108.5382

0.4

三次数据

35.3652

108.5381

0.4

-0.1

四次数据

35.3660

108.5383

0.8

0.2

五次数据

35.3665

108.5382

0.5

-0.1

WY20

一次数据

35.3238

68.3617

―

―

二次数据

35.3244

68.3615

0.6

-0.2

三次数据

35.3249

68.3616

0.5

0.1

四次数据

35.3253

68.3616

0.4

五次数据

35.3260

68.3618

0.7

0.2

通过数据，我们可以看出，此数据Y坐标增量ΔY基本上是不变的，X坐标增量ΔX符合前期对基坑变形趋势的分析，准确地表达了基坑在施工过程中的变形情况。

东莞市锦裕源仪器科技有限公司智能震动分析及动平衡系统项目基坑支护形状如下：

智能震动分析及动平衡系统项目基坑监测平面布置图

我们作观测前期分析：此基坑为矩形基坑，基坑支护在土石方开挖期间，由于力的平衡遭到破坏，基坑支护必然会沿垂直于基坑边线向里面发生位移。通过变形观测，对所观测数据作抽样检查，样本数据如下：

表2：智能震动分析及动平衡系统项目基坑监测水平位移观测记录表（样本）

WY02

X坐标（mm）

Y坐标（mm）

ΔX（mm）

ΔY（mm）

一次数据

22.3315

42.3315

―

―

二次数据

22.3318

42.3316

0.3

0.1

三次数据

22.3319

42.3314

0.1

-0.2

四次数据

22.3326

42.3315

0.7

0.1

五次数据

22.3329

42.3315

0.3

WY03

一次数据

22.1925

62.2679

―

―

二次数据

22.1926

62.2677

0.1

-0.2

三次数据

22.1931

62.2678

0.5

0.1

四次数据

22.1932

62.2680

0.1

0.2

五次数据

22.1935

62.2679

0.3

-0.1

从样本数据看，基坑南面观测点坐标Y增量ΔY基本上为0，观测点坐标X增量ΔX的变化符合前期分析，变形数据与基坑变形相符，同样验证了基坑变形观测的前期分析。

此外，东莞市长安客天下大厦基坑监测、中山市宝丽西区棕榈彩虹花园一期B地块基坑监测、中山市隽峰花园基坑监测等基坑监测工程，均做了必要的前期分析，选取了合适的观测方法，各项观测数据都很好的验证了这些分析方法。

5 结语

由于工程实际中，基坑的形式多种多样，因此，对各种变形监测的要求以及应该采用的方法也不能一概而论，坐标观测法对于矩形基坑比较实用，但并不是每个基坑都呈矩形，有很多基坑形状是不规则的，需要综合分析结合多种观测方法才能很好的把基坑的变形数据真实、客观的观测和表达出来。