静力水准在某基坑沉降监测中的应用及误差分析

静力水准在某基坑沉降监测中的应用及误差分析
作者：田松伟 ；刘丽 ；朱文秀 ；姜爽





       近年来，随着工程建设的发展，出现了越来越多的深基坑工程，深基坑开挖对周边建筑和土体影响较大，处理不好会发生较大工程事故。开展基坑监测十分重要。作为一种液位量测系统，静力水准系统主要利用连通器的原理，液体在连通的管道中，由于重力的作用，在不同位置的液面高度会相同。常规监测技术监测范围小、效率低、数据采集量少，静力水准系统具有精度高、数据采集实时化等优点。广泛应用于水利、地铁、高铁、超深基坑、粒子加速器等建设中。

       静力水准系统由液体连通，在工程实践中会受到压力、温度、振动等因素的影响。但是近年来静力水准的研究很少考虑以上因素对精度的影响，也没有提出相应的误差修正方法。本文基于静力水准自动化监测技术，建立远程实时监测系统，对某工程进行远程实时监测，为工程安全施工提供信息化服务。并结合工程实际情况，分析了压力、温度、振动等因素对静力水准系统精度的影响，提出了不同影响因素的误差修正方法。

1、静力水准监测系统

      静力水准系统在管道连接的容器中注入一定的液体，所有容器中的液体将在管道中自由流动，其结果是当平衡或者静止时各个容器中的液体表面将保持相同的高度，但是各个容器中的液体深度并不相同，这也就反映了各个容器所在参考点的高度不同。静力水准系统，用传感器测量每个测点容器内液面的相对变化，再通过计算求得各点相对于基点的相对沉降量。

      基准点和测点，初始安装高程分别为为Y1，Y2，安装高程与液面间的距离为 H10，H20，则有Y1 ＋H10 ＝Y2 ＋H20．发生不均匀沉降后，测点安装高程发生了 Δh2 的变化，各测点容器内液面相对于安装高程的距离为h10，h20，则Y1 ＋H10 ＝Y2 ＋Δh2 ＋h20．测点相对于基准点的沉降差为

Δh2 ＝ （Y1-Y2）＋（h10-h20）．　可得Δh2 ＝ （H20-H10）＋（h10-h20）．若已知任意时刻各测点安装高程与液面间的距离H10，H20，h10，h20，即可知各测点相对于基准点的相对高程差，以此推算各测点的高程。如果知道两测点间的水平距离Ｌ，则两测点间相对倾斜的变化也可算得。

       远程自动化监测静力水准系统传感器监测数据通过现场的 RS485总线采集到现场数据采集箱后，通过无线 GPRS直接发送到互联网远端中心服务器上，经过授权认证后的用户可以通过互联网查询和下载系统监测数据。

2、工程应用

2.1工程概况

       某工程位于四川省西昌市冕宁县，距西昌市约65km，交 通 便 利。 拟 建 工 程 基 坑 平 面 尺 寸 为62m×19.6m，开挖深度达22.54m，需进行大量的工程降水工作。基坑与高68m、重1300t的高耸建筑物紧邻，无放坡空间，支护难度大，且高耸建筑物受其使用功能限制，允许倾斜值为2‰，约16mm。工程现场地下水位高，水量丰富，大面积降水可能影响引起周边地表沉降。基坑围护结构的变形对基坑的安全施工也至关重要。因此本工程采用静力水准自动化监测系统对基坑周边围护结构、周边地表、塔架基础沉降进行监测。

2.2静力水准监测系统的布设

       为监测基坑围护结构的顶部、周边地表、塔架基础顶面边角的竖直位移。本次监测共布置20点，其中基准点２个（K1,K2），位于基坑外侧的稳定地面上。围护结构顶部监测点8个（B1～B8），基坑周边地表变形监测点6个（D1～D6），塔架监测点4个（J1～J4），具体测点布置见图3。J1，J2 点靠近施工便道，受施工振动影响较大，可通过该点分析振动对静力水准系统精度的影响。D1～D3 点位处钵体安装有温度传感器，实时监测温度，可通过该点分析温度对静力水准系统精度的影响。

       基坑竖向位移监测不同的基准点采取不同的坐标系。本次监测有两套独立的坐标系，一套是以K2为基准点的围护结构顶部监测系统，另一套是以K1为基准点的周边地表、塔架塔基监测系统。监测点位确定后先获取每个监测点的初始高程。监测时获取所有监测点的高程，依据系统软件的平差模块可获得场区内任一点的高程。

2.3监测成果分析

       2013年10月静力水准系统开始正常运行，截止到2014年7月的累计竖直位移量监测曲线可以看出，所有点位在2013年10月—2014年3月变化较大，2014年4月以后，随着导流槽施工完毕，沉降逐渐趋于稳定。基坑围护结构顶部 B1-B8 点位累计沉降为3.4-3.8mm，远小于报警值，其中B2,B3点位约为3.4mm，B1 点位约为3.8mm。周边地表D1-D6点 位 累 计 沉 降 为3.7-6.5mm，其中D1点位最小约为3.7mm，D6点位最大约为6.5mm。周边地表沉降普遍大于基坑围护结构顶部沉降的原因有如下两方面：一是由于基坑周边土体排水固结和地表上部交通荷载引起的土体变形过大，二是基坑刚性围护体和支撑体系发挥良好使围护结构顶部变形小。D1-D6点位累计沉降远小于报警值，基坑周边地表处于稳定状态。

       塔架塔基J1-J4点位累计沉降为1.8-2.0mm，远小于报警值，塔架紧靠基坑一侧沉降大于远离基坑一侧。差异沉降负值表明塔架偏向基坑倾斜，差异沉降在2013年10-12月较大，在此期间正在进行新老承台托换施工，2014年1月以后，新老承台托换结束，差异沉降逐渐减小。从2013年10月—2014年3月 ，导流槽基坑逐渐开挖至基底，各点位沉降速率总体在（－0.5～＋0.5）mm/d之间波动；从2014年4月至工程完毕，变形趋于稳定，变形速率减小，趋近于零。综上可知，工程施工期间，塔架在稳定安全的变形范围之内。

3、误差分析

       静力水准系统误差主要由仪器误差、外界观测条件引起的误差组成。仪器误差分为仪器的安置误差、测头量测误差、液体流失误差等；外界观测条件引起的误差因素有外界振动、温度、气压、液体的蒸发和污染等。仪器采用固定式闭口安装，可大大减弱安置误差、液体流失误差、液体的蒸发和污染引起的误差。对于测头量测误差，在仪器出厂前可通过多次观测进行校正，校正后此项误差也很小。对于在工地现场安装的静力水准系统，当水力梯度很小而粘滞阻力较大时，液面平衡反应时间不一致，采用粗管径的连通管和液面平衡静止时刻的数据可以减弱此项误差。此外，施工现场由于受气压、温度、施工振动等因素的影响，导致不同连通器液体密度变化进而导致液面本身微小不平衡，是本文主要解决的问题。结合本工程实例，从导致液面本身微小不平衡的三个因素气压、温度、施工振动，探讨静力水准的精度和解决方案。

3.1压力对静力水准系统影响

       静力水准系统中液面高度取决于钵体中的大气压力，两个钵体中压力关系：p1 ＋ρ1g1H1 ＝p2 ＋ρ2g2H2 ＝C式中：p1，p2 分别是两个钵体液面上的大气压力，ρ1，ρ2 是两个钵体中的液体密度，g1，g2 是两个钵体所在位置的重力加速度。静力水准系统中通常使用同一种液体，两个钵体里液体密度一样，如果离得比较近，两个钵体所在位置的重力加速度也基本保持一样。由静力水准系统不同位置处不同压力造成的液面高度变化：ΔH ＝H1-H2 ＝（p2-p1）/pg。工程实践中，温度、大风、施工振动等都可能导致局部压力的变化，造成液面高度变化，从而影响静力水准的精度。在此工程静力水准自动化监测项目中，用密封的气管连接不同钵体，整个系统都是密封的，这样系统内的压力基本保持不变，从而使测量精度大大提高。

       实际测量中，系统挑选中间测点作为充液点，可以缩短充液时间。液体选择防冻液，充液完成后各测点容器内加入少量甘油，防止液体挥发。选定的充液点，加液应均匀、缓慢、不间断进行。完全排除通液管内的空气清除气泡，当液位平衡静止后达到储液筒标线后停止充液。充液完成后及时检查系统密封性，观察各接头部位有无液体渗出。

3.2温度对静力水准系统影响

       静力水准系统通过连通器的原理测量各点位的沉降，各点位的沉降引起钵体里液体的流动，通过测量液面的高度实现沉降的准确测量。但是液体的体积与温度有关，如果系统中各钵体里储存的液体温度不同，则对准确测量的结果有很大的影响。这就要求静力水准系统的管路处于同一环境里，温度变化一致，此时温度变化对各测点影响不大。

       在本工程中，测区范围较小，但不能保证各测点温度完全一致。为查明温度对静力水准系统的影响，选择工程停工沉降比较稳定时不同点位当天不同时刻的数据，2014年4月5日，地面各监测点（D1-D6）在不同时刻的液面高度统计。假定当天各监测点不发生沉降，且整个系统密封较好，精度不受压力、振动影响。11:00和14:00液面高度和大，2:00和23:00液面高度和小，一天内不同时间相同点液面高度高差相差大的是点 D6，差值为1.1mm。2014年4月6日，地面各监测点（D1-D6）在不同时刻的沉降量表可知，各监测点在中午温度较高时比夜晚温度较低时沉降量小，一天内不同时间相同点沉降量相差为1.1mm。白天温度上升，液体膨胀，液面较高；傍晚温度下降，液体收缩，液面降低。如果各点位温度均匀变化，沉降监测精度高；如果各点位距离较远，局部环境差异大，一天之内温度不均匀变化，沉降监测误差较大。依据本工程经验，2:00或者23:00时温度变化慢，此时数据较为准确。D1-D3点位处温度－钵体液面高度变化曲线图。横坐标为各钵体内温度传感器实时采集的温度，采集时间分别为2:00,5:00，8:00,11:00，,14:00,17:00，纵坐标为对应时间点各钵体液面高度。由图可知，本测区面积较小，D1-D3点位同一时间测点温度基本接近，采用三次多项式分别对以上曲线进行拟合，h为液面高度，t为温度，拟合结果：

D1点，h＝－0.0098t3＋0.4257t2－5.1954t＋48.802，R2＝0.9937；

D2 点，h＝－0.0057t3＋0.24t2－3.2192t＋32.988，R2＝0.9434；

D3 点，h＝－00071t3＋0.3133t2－4.3905t＋46.324，R2＝0.8089.

       由结果看出，运用三次多项式拟合温度－钵体液面高度变化曲线相关性良好，工程实践中可采用三次多项式拟合曲线对由温度引起的钵体液面高度进行修正。

3.3振动对静力水准系统影响

       静力水准系统里，测量值须在液面静止或变化均匀的情况下取得。在没有外界影响的情况下，钵体里的液体本身也会发生类似单摆的振动，连通各钵体的水管比较粗、管壁摩擦力较小时，液体的振动很快趋于静止，此时结果比较准确。在工程实践中，静力水准系统周围经常受到外界振动的影响，需要考虑振动影响的误差范围。本工程中，J1-J4点布置在塔基周围，其中J1，J2 点位处靠着施工便道，白天会持续受到施工机械、工人等带来的振动影响。进入2014年6月，工程即将施工完毕，各点位沉降趋于收敛。2014年 6月21日，由于某种原因工地停工，振动影响消失，2014年6月22日复工，振动影响继续出现。分析振动对静力水准精度的影响，采集6月21日—6月22日 每 天 7:00～17:00之 间 的 数 据，采 样 间 隔10min，6月21日（无振动影响）、6月22日（有振动影响）J1,J2 点位沉降量对比图。

       6月21-22日沉降已稳定，实际沉降量可保持不变，且采集数据又在同一时刻，压力、温度在这两天内的影响也基本一致，因此可以较好地反映振动因素对静力水准精度的影响。虚线为无振动影响时J1,J2 点沉降量，实线为有振动影响时J1,J2 点沉降量，有振动影响时沉降量波动范围较大，大值是无振动影响时大值的2-3倍，表明振动影响产生误差很大。另外，图中显示各点数据均围绕一个中心轴上下波动，采用直线回归拟合得到J1 点有振动影响、无振动影响时中心轴位置分别是－1.56mm，－1.72mm，J2点有振 动 影 响、无振动影响时中心轴位置 分 别 是－1.74mm，－1.89mm。J1 点、J2点有无振动影响时中心轴差值分别为0.16mm、0.15mm，差值较小。由此可知，当静力水准系统附近受到外界振动持续影响时，通过不间断采集数据，运用中心轴拟合方法得到的数据精度较高。但是受振动影响时如果只在一天的某个时间采集而不连续采集，得到的沉降量随机误差过大，静力水准系统精度将大大降低。

4、结论及建议

        通过对基坑围护结构顶部、周边地表、塔架塔基进行静力水准监测，得到以下结论：

1）静力水准系统在实际工程中具有精度高、实时监控等优点，能够科学地反映变形情况，更好的指导施工。

2）使用密封的气管连接静力水准，完全排除通液管内的空气并清除气泡，能大大减弱压力差异的影响。

3）静力水准系统使用时，尽量保持各管路处于同一环境里，选择一天内温度变化缓慢时采集的数据，能大大减弱温度差异的影响。

4）当静力水准系统附近受到外界振动持续影响时，通过不间断采集数据，运用中心轴拟合方法得到的数据精度较高。






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