董俊平，曹平，王軍

(1.廣東省水利水電第三工程局，廣東東莞 5237102； 2.中南大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410083)

時(shí)域反射測(cè)試技術(shù)在基坑變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

董俊平1?，曹平2，王軍2

(1.廣東省水利水電第三工程局，廣東東莞 5237102； 2.中南大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410083)

基坑位移的測(cè)量工作是工程建設(shè)和工后的一項(xiàng)重點(diǎn)工作，見(jiàn)于基坑深部位移監(jiān)測(cè)的復(fù)雜性，采用時(shí)域反射測(cè)試技術(shù)在基坑監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用。通過(guò)工程算例的計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表明:時(shí)域反射技術(shù)能夠得到基坑土體深部剪切位移的分布和潛在滑動(dòng)面的位置，這為工程實(shí)踐提供了可資用的指導(dǎo)。

基坑工程；時(shí)域反射測(cè)試技術(shù)；變形測(cè)量；工程計(jì)算

1 引 言

基坑是房屋建筑和市政工程結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，是地下建筑物施工過(guò)程中開(kāi)挖形成的土體構(gòu)筑物，具有技術(shù)難度高、投資大、管理復(fù)雜等特點(diǎn)，是整個(gè)工程建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)目。其結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性對(duì)施工進(jìn)度和工程應(yīng)用有重要的影響，因此在基坑施工過(guò)程和施工后使用過(guò)程中對(duì)其結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力等關(guān)鍵量進(jìn)行監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)十分必要的工作[1]。基坑工程的主要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有:基坑頂部位移的水平位移、坑壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深部位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、坑頂及周邊的沉降、水位監(jiān)測(cè)等，其中位移監(jiān)測(cè)是重中之重。

目前，基坑工程的位移監(jiān)測(cè)大都使用水準(zhǔn)儀和全站儀進(jìn)行表層位移和沉降觀測(cè)，使用測(cè)斜儀進(jìn)行深部位移監(jiān)測(cè)。很明顯前者監(jiān)測(cè)手段受人為和環(huán)境因素影響較大，并且測(cè)量范圍極其有限。后者是通過(guò)埋設(shè)測(cè)斜管能對(duì)基坑深部做出位移監(jiān)測(cè)，但其精度跟埋管位置很相關(guān)。而時(shí)域反射測(cè)試技術(shù)是利用電磁波動(dòng)傳輸原理，充分發(fā)揮坑體介質(zhì)材料的本身特性，能對(duì)基坑的深部位移做出精確的測(cè)量，已在工程實(shí)踐中得到了大量的應(yīng)用[2]。為此，本文依據(jù)常規(guī)工程監(jiān)測(cè)技術(shù)和工程計(jì)算理論，并結(jié)合現(xiàn)代時(shí)域反射測(cè)試技術(shù)來(lái)探討時(shí)域反射測(cè)試技術(shù)在基坑位移測(cè)量中的合理性和可行性。

2 時(shí)域反射測(cè)試技術(shù)原理

時(shí)域反射測(cè)量技術(shù)是使用階躍信號(hào)發(fā)生儀和示波器，在被測(cè)的傳輸線上發(fā)送一個(gè)快速的上升線，再在特定的點(diǎn)上用示波器觀察反射電壓波形。根據(jù)反射回波的時(shí)間可以判斷阻抗不連續(xù)點(diǎn)距接收端的距離，根據(jù)反射回來(lái)的幅度可以判斷相應(yīng)點(diǎn)的阻抗變化，因此線路的阻抗是影響信號(hào)線完整性的一個(gè)最關(guān)鍵的因素。這種技術(shù)可以測(cè)出傳輸線的特性阻抗，并顯示出每個(gè)阻抗不連續(xù)點(diǎn)的位置和特性(阻抗、感抗和容抗)。所有這些信息都是在示波器上實(shí)時(shí)顯示。相對(duì)于其他技術(shù)，時(shí)域反射技術(shù)能夠給出更多的關(guān)于系統(tǒng)寬帶相應(yīng)的信息[3]。

時(shí)域反射法是巖土工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的一種新的檢測(cè)技術(shù)。它以方便、快捷、經(jīng)濟(jì)、數(shù)字化及遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。本文對(duì)時(shí)域反射技術(shù)的基本原理及其在巖土工程中的應(yīng)用做了較為全面的介紹，并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)成果進(jìn)行分析，對(duì)了解時(shí)域反射技術(shù)促進(jìn)其在國(guó)內(nèi)巖土工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有一定的意義[4]。

圖1 時(shí)域反射測(cè)試系統(tǒng)的組成

時(shí)域反射測(cè)試是以電波發(fā)生器激發(fā)的電磁波在同軸電纜中傳播、反射及透射。如果測(cè)試電波信號(hào)為V1，反射信號(hào)為V2，其關(guān)系式為[5]:

根據(jù)線性傳輸理論，可得:

結(jié)合式(1)和式(2)得:

式中:Ra為變形后電纜的阻抗，Rb為變形前電纜的阻抗，ρ為反射系數(shù)。

3 時(shí)域反射測(cè)試技術(shù)在基坑工程中的應(yīng)用

3.1 工程概況

本基坑工程位于廣東省境內(nèi)，擬建一棟高層建筑，設(shè)計(jì)基坑開(kāi)挖深度12 m，基坑安全等級(jí)為一級(jí)。施工場(chǎng)地地形平坦，主要地層為第四系土層，屬洪沖積粘土層，分布深度在15 m左右，下伏中風(fēng)化砂巖，巖基面起伏較大。通過(guò)鉆探資料顯示裂隙稍發(fā)育，巖芯較完整，質(zhì)地堅(jiān)硬，節(jié)長(zhǎng)5 cm～45 cm，RQD＝60%～95%，Ⅴ級(jí)。巖土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

巖土層物理力學(xué)參數(shù) 表1

該基坑工程呈規(guī)則矩形，為簡(jiǎn)化分析只取1/4范圍進(jìn)行時(shí)域反射技術(shù)應(yīng)用和工程計(jì)算，計(jì)算范圍和支護(hù)如圖2所示。

圖2 基坑計(jì)算范圍

3.2 基坑工程監(jiān)測(cè)布置

根據(jù)本基坑工程特點(diǎn)、周邊環(huán)境狀況、地層及水文地質(zhì)情況，按照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》的要求[6]，布置監(jiān)測(cè)方案:基坑邊坡土體頂部的水平位移、豎向位移測(cè)點(diǎn)通常應(yīng)沿基坑周邊每隔10 m～20 m設(shè)一點(diǎn)，為了節(jié)約成本和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的代表性及精確性，在每邊的中部和端部邊緣位置布置觀測(cè)點(diǎn)，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共布置5個(gè)監(jiān)測(cè)孔(考慮到基坑工程的對(duì)稱性)，每孔深為20 m，并在遠(yuǎn)離基坑處(大于5倍的基坑開(kāi)挖深度)設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)，且數(shù)量不應(yīng)少于2點(diǎn)，對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)要按其穩(wěn)定程度定時(shí)測(cè)量其位移和沉降，此方案通過(guò)常規(guī)的位移監(jiān)測(cè)和水準(zhǔn)測(cè)量可以得到較好的效果[7]。然而，大量資料顯示，基坑支護(hù)的整體破壞很多都是深部土體發(fā)生剪切而導(dǎo)致，深部位移的測(cè)量目前主要是運(yùn)用深孔測(cè)斜技術(shù)得到，該技術(shù)在復(fù)雜的巖土層中很難獲得理想的結(jié)果，時(shí)域反射技術(shù)作為一種精密的測(cè)試技術(shù)，適用性好，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，能完全滿足工程建設(shè)的需要，時(shí)域反射測(cè)量的布置如圖3所示。

圖3 時(shí)域反射技術(shù)基坑深部位移監(jiān)測(cè)圖

3.3 時(shí)域反射技術(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

文中采用RVVP型號(hào)同軸電纜，在坑壁測(cè)孔中發(fā)出電信號(hào)，再根據(jù)該測(cè)孔中電纜接收信號(hào)與位移關(guān)系的特點(diǎn)，來(lái)完成坑體深部位移測(cè)量過(guò)程，其位移關(guān)系為:當(dāng)剪切位移較小時(shí)，呈現(xiàn)出滑動(dòng)面處的反射系數(shù)變化為零；當(dāng)剪切位移達(dá)到一定的限值，反射系數(shù)開(kāi)始增大，同剪切位移增長(zhǎng)近似成正比關(guān)系，剪切位移的測(cè)試結(jié)果可以通過(guò)兩條直線擬合得到，在該坐標(biāo)系統(tǒng)中以剪切位移為自變量，反射系數(shù)的變化為因變量，以反射系數(shù)變化的拐點(diǎn)為分段的間斷點(diǎn)，具體測(cè)試結(jié)果如圖4所示，RVVP電纜反射特性表如表2所示。

圖4 RVVP電纜剪切位移與反射系數(shù)的關(guān)系圖

RVVP電纜反射特性表 表2

3.4 工程計(jì)算

通過(guò)上述時(shí)域反射測(cè)量技術(shù)可以獲得基坑深部位移的剪切位移數(shù)值和坑體整體滑動(dòng)面的位置，為了驗(yàn)證時(shí)域反射技術(shù)測(cè)試結(jié)果的可靠性和可行性，對(duì)該基坑典型斷面進(jìn)行了工程計(jì)算，包括剪切位移、垂直位移、水平位移和塑性區(qū)的計(jì)算，具體結(jié)果如圖5～圖8所示(鑒于該基坑工程的幾何形狀和荷載具有對(duì)稱性，為節(jié)省篇幅僅對(duì)圖2中左側(cè)坑壁進(jìn)行了計(jì)算)。

圖5 水平位移分布(單位/m)

圖6 垂直位移分布(單位/m)

圖7 剪應(yīng)變率分布

從圖5和圖6的位移云圖中可以看到，基坑的最大位移達(dá)到1.5 cm，已超過(guò)規(guī)范規(guī)定的限值，基坑有出現(xiàn)整體滑動(dòng)的可能，同時(shí)從圖8的塑性區(qū)分布圖中也可以看到從坡腳到坡頂存在即將貫通的塑性區(qū)，這充分說(shuō)明該基坑邊坡具有失穩(wěn)的趨勢(shì)，這與時(shí)域反射測(cè)量結(jié)果較吻合，因此及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和防護(hù)工作很關(guān)鍵。

圖8 塑性區(qū)分布(綠色和紅色網(wǎng)格)

4 結(jié) 論

本文介紹了時(shí)域反射技術(shù)的原理，針對(duì)該測(cè)試技術(shù)在基坑深部位移監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，獲得了基坑深部剪切位移的數(shù)值及潛在滑動(dòng)面的位置，并結(jié)合工程計(jì)算結(jié)果比較得到，時(shí)域反射技術(shù)用于土體工程的監(jiān)測(cè)是可行的、有效的。

[1] 劉建航，侯學(xué)淵.基坑工程手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997

[2] 劉紅軍，張庚成，劉濤.土巖組合地層基坑工程變形監(jiān)測(cè)分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(S2):550～553

[3] 張青，史彥新.TDR滑坡監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2001，6(2):64～66

[4] 陳云敏，陳赟，陳仁朋等.滑坡監(jiān)測(cè)TDR技術(shù)的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(16):2748～2755

[5] 朱健.TDR技術(shù)在邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].城市勘測(cè)，2009，(1):151～153

[6] JGJ120－99.建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

[7] 林杭，曹平，李江騰等.邊坡臨界失穩(wěn)狀態(tài)的判定標(biāo)注[J].煤炭學(xué)報(bào)，2008(6):643～647

Application of Excavation Deformation Based on Time Domain Reflector

Dong JunPing1，Cao Ping2，Wang Jun2
(1.The Guangdong No.3 Water Conservancy and Hydro－electric Engineering Board；Dongguan 523710，China；2.Central South University，Changsha 410083，China)

It is key process for pit foundation to be gained deformation during the whole engineering construction. The time domain reflector is applied for deep displacement，which is taking on complicated and difficult fact.Comparisons between the calculated datum and testing datum show the deep shear displacement and location of sliding face are obtained by time domain reflector，it can serve as engineering projects.

Pit foundation；time domain reflector；deformation measurement；calculation

1672－8262(2010)03－164－03

P631

B

2011—01—01

董俊平(1971—)，男，工程師，主要從事巖土工程監(jiān)測(cè)、檢測(cè)及工程測(cè)量的工作。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10972238)，高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20060533071)