一种基于坐标测量的基坑土体边坡深层水平位移监测方法

摘要

本发明涉及一种基于坐标测量的基坑土体边坡深层水平位移监测方法，属于水平位移监测领域，包括：S1，在基坑外任一点P自由设全站仪，观测任意两基准点C1、C2，计算P点的坐标；S2，在SC1监测断面上，设置各深层水平位移监测点；S3，利用全站仪对每一监测断面上的所有监测点SC1‑i和其它的基准点进行连续观测，得到P点到其它基准点和监测点SC1的水平斜距离，起始边PC1至其它基准点和监测点的水平角度，计算其它基准点和监测点的坐标；S4，计算基准点与监测点之间的水平距离及水平距离在垂直基坑边坡上的分量；S5，计算深层水平位移变化量及累计水平位移变化量。本发明无需钻孔、施工方便且观测数据能够真实反映深层水平位移变化量，监测的变形量更加直观。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于坐标测量的基坑土体边坡深层水平位移监测方法，属于水平位移监测技术领域。

背景技术

基坑边坡深层水平位移分为支护墙(桩)深层水平位移和土体深层水平位移，其常规的监测均是采用在墙(桩)体或土体中预埋测斜管，通过钻孔测斜仪观测竖直方向上各深度处的水平位移的方法。支护桩内的测斜管是与支护桩的灌注施工一起完成的，测斜管与桩体之间无任何空隙，其测斜管的变形完全代表支护桩的变形，各深度处的水平位移量代表支护结构在竖直方向上各深度的水平位移。而对于通过钻孔埋设的支护墙或土体内的测斜管，测斜管与墙体或土体之间有一定间隙，如基坑土体边坡土体的深层水平位移监测点的设置通常采用埋设测斜管的方法，测斜管的埋设步骤为：钻机就位(准备钻孔)—钻机钻孔—钻孔洗井(同时进行测斜管连接)—测斜管连接并下放测斜管—测斜管定位—确定测斜的方向和垂直度—在测斜管与钻孔孔壁之间回填沙砾或石硝—振捣沙砾或石硝—测斜管与周围土体结合密实(固定测斜管)—测斜管固定后，即测斜管设置完成。

测斜管设置完成后，采用钻孔测斜进行深层水平位移监测，如图1和图2所示，这种观测方法是通过测斜仪观测测斜管在竖直方向上每0.5m处的水平位移量，由于测斜管与钻孔孔壁之间存在许多空隙，尽管之间用沙砾或石硝回填，但受施工方法或施工条件限制，其测斜管与土体之间的空隙很难回填密实，测斜管的变形与支护边坡的变形不完全一致，测斜仪观测的深层水平位移数据不能完全反映基坑土体边坡的变形量。另外，采用测斜管需要钻孔，施工不便。如果施工环境不满足钻孔施工的要求时，测斜管将无法设置，此时无法进行基坑土体边坡的深层水平位移监测。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于坐标测量的基坑土体边坡深层水平位移监测方法，无需钻孔、施工方便且观测数据能够真实反映支护结构的深层水平位移变化量，监测的变形量更加直观。

本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种基于坐标测量的基坑土体边坡深层水平位移监测方法，包括如下步骤：

S1，在基坑周围任意一点P点自由安置全站仪，通过观测任意两个已知基准点C1(x_c1,y_c1)、C2(x_C2,y_C2)，计算获取自由设站点P点的坐标P(x_P,y_P)；

S2，在SC1监测断面上，设置各深层水平位移监测点；

S3，利用全站仪对基坑的每一个监测断面上的所有监测点SC1-i和其它的基准点进行连续观测，通过多测回观测得到P点到其它基准点和监测点SC1的水平斜距离，起始边PC1至其它基准点和监测点的水平角度，计算其它基准点和监测点的坐标；

S4，计算基准点与监测点之间的水平距离及水平距离在垂直基坑边坡上的分量；

S5，计算深层水平位移变化量及累计水平位移变化量。

优选的，步骤S1中，在P点安置全站仪，观测P点到基准点C1、C2的水平距离D₁、D₂和夹角λ，通过平差计算，根据公式(1)、(2)得到P点的坐标(x_p,y_p)，

其中：

自由设站P的起始方位角α_C1为P点到C₁点的方位角，即：

α_C1＝α_C1C2+α-180°(3)

其中：

优选的，所述步骤S2，在SC1监测断面上，沿竖直方向每隔0.5m设置一个监测点，形成监测断面，通过全站仪坐标测量并计算与已知点之间的水平距离，然后通过距离收敛法来监测基坑土体边坡某一断面上沿竖直方向每0.5m处的水平位移量，更真实监测出基坑土体边坡的深层水平位移值。

优选的，所述步骤S2，在监测点布置时，采用反射片或微型棱镜作为监测标志。本发明采用反射片或微型棱镜代替传统的测斜管，无需钻孔，且通过全站仪观测监测标志的变形量，即可得到相应的深层水平位移变形量。

优选的，所述步骤S3中，全站仪自由设站完成后，就可对各监测断面上各监测点进行坐标测量，在SC1监测断面上，沿竖直方向每0.5m设置一个监测点，分别为SC1-1、SC1-2、SC1-3、…、SC1-10等，在观测完基准点C1、C2，并自由设站完成后紧接着对基坑的每一个监测断面上的所有监测点SC1-i和其它的基准点进行连续观测，通过多测回观测得到P点到其它基准点C3和监测点SC1的水平距离D_C3、D_SC1起始边PC1至PC3、PSC1的水平角度β_C3、β_SC1，则，基准点C3(x_C3,y_C3)的坐标为：

x_C3＝x_p+D_C3·cosα_C3(4)

y_C3＝y_p+D_C3·sinα_C3(5)

其中：α_C3—为测站点到基准点C3的方位角，α_C3＝α_C1+β_C3；

基坑深层水平位移监测断面SC1上的一个监测点SC1(x_SC1,y_SC1)点的坐标如下：

x_SC1＝x_p+D_SC1·cosα_SC1(6)

y_SC1＝y_p+D_SC1·sinα_SC1(7)

式中：α_SC1—为测站点到深层水平位移监测点SC1的方位角，α_SC1＝α_C1+β_SC1。

进一步优选的，所述步骤S4中，计算基准点C3和监测点SC1之间的水平距离D_C3SC1，首先根据基准点与监测点的坐标计算基准点与监测点之间的坐标差，基准点C3和监测点SC1的坐标差分别为Δx_C3SC1和Δy_C3SC1：

Δx_C3SC1＝x_SC1-x_C3＝D_SC1·cosα_SC1-D_C3·cosα_C3(8)

Δy_C3SC1＝y_SC1-y_C3＝D_SC1·sinα_SC1-D_C3·sinα_C3(9)

则基准点C3和监测点SC1之间的水平距离D_C3SC1为：

将公式(8)、(9)代入公式(10)得：

由式(11)可知，两基准点与监测点之间的水平距离与测站点的坐标(x_p,y_p)和起始方位角α_pc1无关，只与设站点到监测点的水平距离D_SC1和水平角β_C3SC1(β_C3SC1＝β_SC1-β_C3)有关，因此，在基准点与监测点之间的水平距离测量时，自由设站点的坐标精度、仪器设置误差和后视基准点时的后视误差均不影响基准点与监测点之间的水平距离测量精度；

同理：可以计算SC1断面上其它监测点与基准点的水平距离D_C3SC1-1、D_C3SC1-2，D_C3SC1-3、D_C3SC1-4、D_C3SC1-5、D_C3SC1-6等；

将D_C3SC1在x和y轴上进行矢量分解，则坐标差Δx_C3SC1为D_C3SC1在x轴方向上的水平距离分量，Δy_C3SC1为D_C3SC1在y轴方向上的水平距离分量。

如果建立以基坑南北方向的边坡为x轴，东西方向的边坡为y轴的施工坐标系统，则南北方向的基坑边坡上的深层水平位移在垂直基坑方向上的分量为Δy_W1W2；东西方向的基坑边坡上的深层水平位移在垂直基坑方向上的分量为Δx_W1W2。

以同样的方法将一个监测断面上所有监测点与基准点的水平距离进行分解，将基坑边坡一个测斜断面(如SC1监测断面)上所有的监测点的水平距离分量沿竖直方向排列，形成一个竖直方向上的水平距离断面。

进一步优选的，所述步骤S5中，计算深层水平位移变化量及累计水平位移变化量，基准点与监测点之间水平距离的变化量即水平距离的收敛值Δd_C3SC1，就是基坑土体边坡的深层水平位移监测点的水平位移变化量，即：

如果每一期的水平距离观测值均与第一期比较，则每一期的收敛值Δd_C3SC1即为基坑土体边坡的深层水平位移移监测点的累积水平位移变化量，即基坑土体边坡的深层水平位移移监测点的收敛值，

以同样的方法观测并计算得到一个监测断面上所有监测点水平距离收敛值Δd_C3SC1，并将其沿竖直方向排列，则形成本监测断面上的一期的深层水平位移监测数据和监测曲线。

本发明的有益效果为：

1)本发明的基于坐标测量的基坑土体边坡深层水平位移监测方法，在基准点与监测点之间的水平距离测量时，自由设站点的坐标精度、仪器设置误差和后视基准点时的后视误差均不影响基准点与监测点之间的水平距离测量精度。

2)本发明无需进行钻孔，设置测斜管等操作，施工方便，并且观测数据能够真实反映支护结构的深层水平位移变化量。

附图说明

图1为现有技术中测斜管的安装方法示意图一；

图2为现有技术中测斜管的安装方法示意图二；

图3为自由设站法坐标计算示意图；

图4为基坑土体边坡深层水平位移监测点布设示意图；

图5为某一基坑深层水平位移监测点布设实物图；

图6为各深层水平位移监测点坐标测量示意图；

图7为实施例2中各监测点的观测示意图；

图8为实施例2中当次深层水平位移量变形曲线；

图9为实施例2中深层水平位移量累积变形曲线；

图10为采用测斜仪得到的水平位移变形曲线。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

如图3所示，一种基于坐标测量的基坑土体边坡深层水平位移监测方法，包括如下步骤：

S1，在P点安置全站仪，观测P点到基准点C1、C2的水平距离D₁、D₂和夹角λ，通过平差计算，根据公式(1)、(2)得到P点的坐标(x_p,y_p)，

其中：

自由设站P的起始方位角α_C1为P点到C₁点的方位角，即：

α_C1＝α_C1C2+α-180°(3)

其中：

S2，在SC1监测断面上，沿竖直方向每隔0.5m设置一个监测点，形成监测断面，如图4和图5所示，通过全站仪坐标测量并计算与已知点之间的水平距离，然后通过距离收敛法来监测基坑土体边坡某一断面上沿竖直方向每0.5m处的水平位移量，更真实监测出基坑土体边坡的深层水平位移值。

S3，全站仪自由设站完成后，就可对各监测断面上各监测点进行坐标测量，如图6所示，在SC1监测断面上，沿竖直方向每0.5m设置一个监测点，分别为SC1-1、SC1-2、SC1-3、…、SC1-10等，在观测完基准点C1、C2，并自由设站完成后紧接着对基坑的每一个监测断面上的所有监测点SC1-i和其它的基准点C3进行连续观测，通过多测回观测得到P点到其它基准点C3和监测点SC1的水平距离D_C3、D_SC1起始边PC1至PC3、PSC1的水平角度β_C3、β_SC1，则，基准点C3(x_C3,y_C3)的坐标为：

x_C3＝x_p+D_C3·cosα_C3(4)

y_C3＝y_p+D_C3·sinα_C3(5)

其中：α_C3—为测站点到基准点C3的方位角，α_C3＝α_C1+β_C3；

基坑深层水平位移监测断面SC1上的一个监测点SC1(x_SC1,y_SC1)点的坐标如下：

x_SC1＝x_p+D_SC1·cosα_SC1(6)

y_SC1＝y_p+D_SC1·sinα_SC1(7)

式中：α_SC1—为测站点到深层水平位移监测点SC1的方位角，α_SC1＝α_C1+β_SC1。

S4，计算基准点C3和监测点SC1之间的水平距离D_C3SC1，首先根据基准点与监测点的坐标计算基准点与监测点之间的坐标差，基准点C3和监测点SC1的坐标差分别为Δx_C3SC1和Δy_C3SC1：

Δx_C3SC1＝x_SC1-x_C3＝D_SC1·cosα_SC1-D_C3·cosα_C3(8)

Δy_C3SC1＝y_SC1-y_C3＝D_SC1·sinα_SC1-D_C3·sinα_C3(9)

则基准点C3和监测点SC1之间的水平距离D_C3SC1为：

将公式(8)、(9)代入公式(10)得：

由式(11)可知，两基准点与监测点之间的水平距离与测站点的坐标(x_p,y_p)和起始方位角α_pc1无关，只与设站点到监测点的水平距离D_SC1和水平角β_C3SC1(β_C3SC1＝β_SC1-β_C3)有关，因此，在基准点与监测点之间的水平距离测量时，自由设站点的坐标精度、仪器设置误差和后视基准点时的后视误差均不影响基准点与监测点之间的水平距离测量精度；

同理：可以计算SC1断面上其它监测点与基准点的水平距离D_C3SC1-1、D_C3SC1-2，D_C3SC1-3、D_C3SC1-4、D_C3SC1-5、D_C3SC1-6等；

将D_C3SC1在x和y轴上进行矢量分解，则坐标差Δx_C3SC1为D_C3SC1在x轴方向上的水平距离分量，Δy_C3SC1为D_C3SC1在y轴方向上的水平距离分量。

S5，计算深层水平位移变化量及累计水平位移变化量，基准点与监测点之间水平距离的变化量即水平距离的收敛值Δd_C3SC1，就是基坑土体边坡的深层水平位移监测点的水平位移变化量，即：

如果每一期的水平距离观测值均与第一期比较，则每一期的收敛值Δd_C3SC1即为基坑土体边坡的深层水平位移移监测点的累积水平位移变化量，即基坑土体边坡的深层水平位移移监测点的收敛值，

以同样的方法观测并计算得到一个监测断面上所有监测点水平距离收敛值Δd_C3SC1，并将其沿竖直方向排列，则形成本监测断面上的一期的深层水平位移监测数据和监测曲线。

实施例2：

如图7所示，为某一基坑的布点方式，其监测方法如实施例1所示，采用反射片作为监测标记，监测点的布置与深层水平位移(测斜)点相对应，要基坑坡壁的竖直断面上从坡顶开始始每0.5米设置一个监测点，形成一个监测断面，通过观测每一个断面上所有监测点的坐标或相对应基坑外的一个基准点C3的水平距离，通过水平距离的变化量(水平距离收敛值)，来监测基坑坡壁的水平位移；

以与实施例1同样的方法观测并计算每一个监测断面上的所有监测点水平距离收敛值Δd_C3SC1，并将其沿竖直方向排列，则形成本监测断面上的一期的深层水平位移监测数据和监测曲线，如表1和图8所示；

以同样的方法观测并计算一个深层水平位移断面上所有监测点的水平距离累积收敛值并沿竖直方向排列，则形成本深层水平位移监测断面的深层水平位移监测数据和深层水平位移监测曲线，如表1和图9所示，其中，表1中，当次偏移量为监测点水平距离收敛值(水平距离的变化量)，累积偏移量为水平距离累积收敛值；

表1：基坑土体边坡SC1号断面深层水平位移观测(全站仪)成果表

图10为同一基坑断面采用测斜仪实测得到的水平位移变形曲线。

通过对钻孔测斜仪和本申请的方法对深层水平位移监测方法的比较可知，本申请的深层水平位移观测方法比较简单，变形量比较直观。尤其是相对土体中的钻孔测斜观测，本发明的观测数据真实反映了基坑土体边坡的深层水平位移变化量。本发明采用安置反射片或微型棱镜的方式，不用钻孔和安装测斜管，施工方便，经济合理。而实施例2选取的典型断面水平位移值可以看到，计算结果与实测数据随深度的变化曲线规律一致，支护结构最大水平位移值出现在基坑顶向下1/3处，支护结构位移曲线整体呈现中间大，两头小的变化规律，如图9所示。

由图10的采用钻孔测斜仪实测的水平位移变形曲线，可以看到，用本发明的得到的基坑墙壁表面水平位移与实测值接近，且本发明更能真实的反映基坑土体边坡支护结构的表面水平位移变形规律。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。