深部位移监测方法及其应用

深部位移监测方法及其应用

深部位移监测方法广泛用于边坡、滑坡和城市深基坑监测中。本文主要通过这三个方面详细介绍深部位移监测方法。

对于大部分实际工程（边坡、滑坡和城市基坑工程），深部位移监测一般均采用钻孔测斜仪。所以首先介绍钻孔测斜仪器的原理。

1.钻孔测斜仪的原理

在岩土工程领域，测斜仪主要用于测量土体运动，诸如：可能产生在不稳固边坡（滑坡）或挖方过程中周围的侧向运动等。也可用来监测堤坝、芯墙的稳定性，打桩或钻孔的布置和偏差，以及在回填、筑堤和地下储罐中土体的沉陷等。深部位移监测仪器采用活动式钻孔测斜仪。首先在监测位置钻探一定深度( 至滑动面以下) 的竖直孔，并且安设PVC 测斜管，测斜管的底部一般嵌入稳定的地层3 m ～ 5 m，测斜管内有沿坡体滑动方向、垂直坡体滑动方向的导向槽2 组，测斜仪滑轮在导向槽内移动。

滑动式测斜仪主要由五部分组成：滑动式探头（探测器）、便携式数据采集仪、数据传输电缆、内置导向槽测斜管、旋转式探测仪。其中测头的精度、数据采集仪的转换精度、数据处理的正确性、测斜管的质量以及使用中的问题往往会决定测斜仪精度的主要因素。岩土体内部位移的测量、计算方法分为正序和倒序，即从地面向深处计算或者从深处向地面计算。一般情况下，倒序计算时需将测管深入至不变的基础处，如基岩；正序时，测协管管口处的方位，需要使用经纬仪等仪器对不同时间的确切位置进行确定，以便对测试结果进行修正。所有这些场合，通常要安装一根测斜管，将其安装在地下的钻孔内、或将管浇筑在混凝土结构中、也可将管埋在筑堤等之中。该测斜管有四个槽口，用于固定便携式测斜仪探头的滑轮。探头连在和读数仪相连的电缆的一端，用于观测与测斜管相关联的竖直（或水平）倾斜量，并以这种方式测量由土体运动所引起的任何倾斜量的变化。为了获得安装了测斜管的土体周围一个全面的观测报告，必须沿测斜管进行一系列倾斜测量。常规的测斜仪探头有两组滑轮，距离相隔0.5 米，将探头放到测斜管底部并开始读数。探头每提升0.5 米进行读数，直到到达测斜管的顶部，这组读数被称为A+读数（正测）。把探头从套管中取出，旋转180°。重新放入测斜管中，方法同上，又可得到另一组数据A-，读数（反测）数据处理时，将上述两组读数（A+、A-）相结合（用一组数据减去另一组数据），以此来消除倾角传感器零漂的影响。测斜仪探头在竖直位置时读数产生零漂偏差，理想的偏差应是零，而实际上在使用探头时，由于传感器的偏差、滑轮的磨损、或者因下落以及和测斜管底部相碰太厉害对传感器的冲击所导致有一零漂。下次的测斜管观测数据，当与原始的观测数据相比较时，就可知测斜管的倾斜量变化和这些变化所引起的位置变化。倾斜量变化分析的最好方式是通过计算上部滑轮相对于下部滑轮组所产生的倾角（θ）与观测读数间距（L）的水平偏移。在测斜仪各位置处，两组读数（A+、A-），相减就可得出Sinθ，把这个值乘以读数间距（L）和相应的系数，就得到一个以工程单位输出的水平偏移。在数据处理的同时，应进行数据可靠性的分析，通常的分析方法是“查和”，即将两组读数（A+，A-）相加，相加后的由倾斜引起的那部分读数被抵消，只留下一个等于测斜仪传感器零偏移两倍的一个值，当查和值为常量时，说明测量的数据具有较高的可靠性。

侧斜仪是一种可精确测量沿垂直方向土层或围护结构内部水平位移的工程测量仪。当测斜管深埋于稳定土层中或围护桩（墙）体内时，则各点位移可根据

测读点间的倾角和距离换算出来。

测斜仪测试原理如图4.2所示，深层水平位移采用测斜仪施测。测量时放入带有导轮的伺服加速度式测斜仪沿导槽滑动，由于测斜仪能反应出测管与重力线之间的倾角，因而能测出测斜仪所在位置测管在土体作用下的倾斜度θi ，换算成该位置测斜仪上下导轮间（或分段长度）的位置偏差Δd ：

i L d θsin =∆ （4-1）

式中，L ——量测点的分段长度（一般为0.5m ）。

自下而上累加可知各点处的水平位置：

∑=i L d θsin （4-2）

与初值相减即为各点本次量测的水平位移。

2.边坡工程

深部位移监测已在大量的边坡或滑坡稳定性状态监测中得到广泛应用，其监测往往在边坡坡体开挖完全后开展的，若边坡处于稳定，深部位移监测特征曲线就没有明显位移反应，当边坡处于不稳定状态时，深部位移监测特征曲线有向坡面侧变形反应或出现滑面等变形的位移突变特征。而实际上，边坡变形是贯穿于边坡开挖和卸荷整个过程中，对于坡体变形的演化以及边坡后期稳定性状态一般都取决于坡体开挖卸荷产生变形的进一步发展，因此边坡的深部位移监测方法可以反映边坡坡体开挖过程中变形信息的深部位移监测特征曲线，分析边坡稳定度，是评估边坡稳定性和加固策略实用可靠的方式。

对于不稳定边坡在开挖过程，在宏观外表上边坡往往出现局部的变形迹象，诸如裂缝、坍塌或滑坡等，其监测曲线则反映坡体内部变形状况，监测曲线上的错动与滑动带的出现预示着坡体逐渐趋向不稳定状态，即稳定度逐渐降低。

1. 2 监测布控、监测孔安装及监测要求

监测孔布控: 在边坡开挖之前，坡顶红线外距离坡面3 ～ 5m 左右位置监测孔，监测孔布置3 ～ 5 个断面左右，最高主断面必须布置一个监测孔。监测孔

安装要求: ( 1 ) 钻孔成孔尺度为直径D90mm，监测管直径D77mm; ( 2) 深度为嵌入中风化岩层5m 左右为标准，监测孔孔口必须采取固定保护措施; ( 3) 为了保证测试及时性和准确性，保证测斜管与岩土体变形协调，不采用填沙方式填注灌浆孔壁与监测管之间空隙，采用水泥浆体胶结处理。坡体深部位移监测要求: ( 1) 为了保证位移监测能反映岩土变形特征，初始测试在灌浆与孔壁岩土体胶结完成后，一般为1 周左右; ( 2) 坡体在未开挖前，连续监测一定周期，达到监测孔没有变形反应为止，即保证灌浆与孔壁岩土体胶结完全，或降雨过程所引起的暂时性变形信息; ( 3) 开挖过程连续监测，特别是没形成一级边坡，需要及时监测，考察坡体的开挖过程中深部位移变形特征。

3.滑坡深部水平位移监测

滑坡是斜坡上岩土体在重力作用为主下，由于种种原因改变坡体内一定部位的软弱带（面）中的应力状态，或因其他物理、化学作用降低其强度，以及因地震或其他作用破坏其结构，该带在应力大于强度下产生剪切破坏，带以上岩土体失稳而作整体或几大块沿之向下和向前滑动的现象。滑坡发生的突变力学过程，其实质是滑带塑性区的发育和发展的过程，不论受何种地形、坡体结构的影响，滑坡从孕育到发生是有阶段性的，各个阶段变形特征存在较大差异[1]。因此建立合理的滑坡监测体系，对了解滑坡不同发展阶段的变形特征及受控因素具有非常重要的意义。对于大规模滑坡病害往往一次难以根治，需分期、分阶段逐步实施，监测工作意义更加重大。深部位移监测是滑坡监测体系中重要的一环，主要监测内容为沿着竖直钻孔进行位移矢量剖面的量测，可以分析轴向应变分布中的突出峰值和差动的侧向位移，查明位移场中不连续点的位置，从而对滑坡进行准确的分级、分块、分层，在验证勘察成果指导防治工程的实施和效果检验方面极为有效，且与地表监测、结构物应力监测等项目共同构成了施工安全保证体系。

用于判断滑面或者软弱带位置的典型数据处理曲线如图1，通过对两条曲线的综合对比分析来确定拐点是否为滑面或软弱带。

3 工程应用

综合分析深部位移监测技术在多处滑坡治理中的应用性质，可将其大致划分为以下几类：

3.1 第一类，滑坡勘测期间的监测

这类滑坡的监测主要以确定滑动面的位置、提高勘察精度、指导设计为主。对于碎石土边坡，由于滑面及滑床均为碎块石，若干钻孔从地表下几米至三十几米深均为块石，单纯通过地质上钻孔岩芯的鉴定和分析无法确定滑面位置，而滑动面判定不准，不是造成浪费，就是造成工程的失败。为准确揭示滑动面位置，勘察过程中采用了深孔测斜，监测出滑面位置对应钻孔深度的岩芯为块石土，通过深孔测斜准确的确定了滑面位置，提高了勘察的精度，为设计提供了依据。

3.2 第二类，防治工程期间的安全监测