山东农业大学毕 业 论 文题目：常规大地测量方法在基坑水平位移 ： 监测中的应用研究 学 院： 信息科学与工程学院专业班级 届 次2003 级 测 绘 工 程 1 班 2 0 0 7届 魏 双 全
邱健壮 副教授学生姓名 学 号指导教师二 OO 七年六月十五日常规大地测量方法在基坑水平位移监测中的应用研究目录摘要 ……………………………………………………………………………………1 英文摘要 ………………………………………………………………………………2 1 引言 …………………………………………………………………………………3 1.1 研究的目的意义 ……………………………………………………………3 1.2 国内外研究现状 ……………………………………………………………4 1.3 研究的内容和方法 …………………………………………………………6 2 基坑变形监测的基本理论 …………………………………………………………7 2.1 基坑工程的基本理论 ………………………………………………………7 2.2 基坑变形监测方案设计理论 ………………………………………………9 2.3 基坑水平位移监测数据处理理论…………………………………………14 3 基坑水平位移变形监测的实验分析………………………………………………23 3.1 工程概况……………………………………………………………………23 3.2 点位布设……………………………………………………………………24 3.3 基坑水平位移观测方案的实施……………………………………………26 3.4 实验过程……………………………………………………………………28 3.5 实验数据处理分析…………………………………………………………29 4 结论和展望…………………………………………………………………………35 4.1 结论…………………………………………………………………………35 4.2 展望…………………………………………………………………………36 参考文献………………………………………………………………………………37 致谢……………………………………………………………………………………39 附录……………………………………………………………………………………402山东农业大学学士学位论文CONTENTSAbstract…………………………………………………………………………………...1 English summary…………………………………………………………………………2 1 Introduction …………………………………………………………………………..3 1.1 Research goal significance ………………………………………………………3 1.2 Domestic and foreign research present situation ………………………………….4 1.3 Research contents and method …………………………………………………..6 2 Hole excavated for building foundation distortion monitor elementary theory……… 7 2.1 Building foundation project elementary theory……………………………………7 2.2 Building foundation distortion monitor project design……………………………9 2.3 Building foundation horizontal departures monitor the data processing theory …14 3 Horizontal departure distortion monitor experiment analyzes ………………………23 3.1 Project surveys ………………………………………………………………….23 3.2 Point position build ……………………………………………………………24 3.3 Horizontal departures observe the plan the implementation ……………………26 3.4 Experimental processes …………………………………………………………28 3.5 Observation data reduction analysis ……………………………………. ……… 29 4 Conclusion and forecast …………………………………………………………… 35 4.1 Conclusions ………………………………………………………………………35 4.2 Forecasts……………………………………………………………….…………36 References………… ……………………… ……………………… ……………37 Thanks …………………………………………………………………………………39 Appendix………………………………………………………………………………40
山东农业大学学士学位论文常规大地测量方法在基坑水平位移监测中的应用研究2003 级测绘工程 1 班 ：魏双全 指导教师：邱健壮【摘要】城市地下空间开发和高层建筑的建设，产生了大量的基坑工程，其规模的深度不断增 加。城市中的深基坑工程一般处在密集的建筑群中，施工场地狭窄，因而对施工的要求越来越 高，地基和基坑变形问题越来越突出。为了保证基坑安全，必须对基坑进行实时监测，其中对 基坑顶部支护的水平位移监测是基坑监测中最基本、最有效的一种。本文将从产生基坑变形的 地质条件、力学基础、支护方案等理论研究入手，结合山东省泰安银座商住楼基坑水平位移监 测的实际情况，进行布设基准点、监测点，并用极坐标法对监测点进行了 12 个周期的观测。基 坑变形监测的核心，即区分形变和误差。因此，在测量数据处理方面，本文利用 “异常数据探 测与粗差处理”“最小二乘”以及 “曲线拟合线性回归”理论对测量数据进行处理优化，最终 、 得出真实监测点的最佳变化曲线，从而得知整个基坑的变化趋势，进行实时预报。【关键词】基坑工程；水平位移；监测；数据处理；泰安银座1常规大地测量方法在基坑水平位移监测中的应用研究Geodetic conventional excavation methods in the horizontal displacement of the monitoring studySurveying and Mapping Engineering of 2003:Wei ShuangQuan The instructor:Qiu JianZhuang 【Abstract】 The city underground space development and the high-rise construction, has had themassive hole excavated for building foundation project, its scale depth increases unceasingly。In the city deep hole excavated for building foundation project occupies generally in the crowded architectural complex, the construction location is narrow, thus is more and more high to the construction request, the ground and the hole excavated for building foundation distortion question is more and more prominent. In order to guarantee the hole excavated for building foundation security, must carry on the real-time monitor to the hole excavated for building foundation, in which is in the hole excavated for building foundation monitor is most basic to the hole excavated for building foundation crown supports and protections horizontal departure monitor, the most effective one kind. This paper will produce the deformation of the geological conditions, mechanical infrastructure, and supporting programs theoretical research, and Tai'an of Shandong province YinZuo composite Pit horizontal displacement monitoring of the actual situation, laid benchmark, the monitoring points, and polar coordinate with the monitoring points for the 12-cycle observation. Pit deformation monitoring of the core, namely, the distinction between deformation and error. Therefore, the measurement data processing, the use of this &anomaly detection and data processing gross error& &least squares& and &linear regression curve fitting& theory of measurement data processing optimization, finally come true monitoring points in the best curve, in order to find out the whole pit the trend for real-time forecasting.【Key word Key word】 Hole excavated for building foundation project； horizontal departure； monitor；data processing；Tai'an YinZuo2山东农业大学学士学位论文1 引言1.1 研究的目的和意义1.1.1 研究的目的 变形是自然界普遍存在的现象，指变形体在各种荷载作用下，其形状、大小、 及位置时间域和空间域中的变化。变形体在一定范围内被认为允许的，如果超允许 值，则可能引发灾害[1]。 随着城市现代化进程的加快,高层、 超高层建筑竞相发展,以及地下工程 （仓库、 商场、地铁、军事工程）不断涌现，随之而来的深基坑工程越来越多,其开挖深度 也越来越深。比如，近几年已经建成高层建筑有：深圳地王大厦，地上 81 层，桅 杆高度 384 米，其中塔座混凝土结构高度 325 米；上海金茂大厦，建筑面积 27.59 万平方米，地下三层，地上 88 层，桅杆尖标高 460 米。目前国内最深的高层建筑 地下室是福州新世纪大厦，地下 6 层，基坑深 25.6 米，局部到 27 米[2]。 由于深基坑工程施工期(自基坑开挖至基坑回填)较长、施工场地狭窄（挖土不 能放坡，邻近有建筑物和市政地下管道） 、受自然气候、复杂的工程地质条件等因[3] 素影响大,所以深基坑施工往往施工条件差、安全隐患很大[3 。尽管在基坑设计时采用了一定的安全系数，使其能安全承受所考虑的多种外荷载影响，但是由于设计中 不可能对工程的工作条件及承载能力做出完全准确的估计，施工质量也不可能完美 无缺，工程在运行过程中还可能发生某些不利的变化因素，所以，国内外仍有一些 工程事故的出现[1]。 变形测量的目的是测定物体物形状、大小的变化，即获得变形体的集合状态信 息。随着科技水平和观测手段的不断发展，变形监测的准确度要求也越高。变形研 究首先要获取准确的百年性信息，而且要尽可能地去发现变形内在的规律和外界影 响。研究变形机理，从而达到对变形的影响进行预报，这就需要高精度的观测技术 和数据采集方法以及与此相适应的数据处理分析方法[4]。 本论文研究的目的是： （1）丰富和发展前人对基坑变形水平位移监测方法和数 据处理手段。 （2）了解基坑产生变形的过程，及时准确的预测预报基坑变形，动态 的指导银座基坑的开挖和施工。 （3）研究常规大地测量在基坑水平位移监测中的适 宜方法。3常规大地测量方法在基坑水平位移监测中的应用研究1.1.2 研究的意义 随着深基坑的不断涌现,由于地层构造的错综复杂,加上设计方案错误和施工 管理不善, 当前深基坑支护还缺乏规程和经验，随之各城市出现了不少工程事故. 据统计上海从 1993 年至今，深基坑工程约有 200 多处，而事故失误达 1/4。造成了 巨大的经济损失,延误了工期,造成了不良影响[2]. 因此，对基坑进行监测是十分必 要。 将基坑监测的成果应用到实践中，能动态的指导基坑工程的开挖施工，向建设 单位提供可靠的监测数据，以及周边建筑物的安全性和稳定性。以免基坑灾害的发 生，造成人民生命和财产损失，维持良好的基坑施工环境等，都具有重要意义。 利用常规大地测量的方法对基坑水平位移进行监测，一直被广泛的采用，取得 了很多的经验，随着基坑技术，尤其是基坑支护技术的不断完善，以及变形监测数 据处理手段的不断发展，新的技术和理论已经应用于基坑的变形监测。因此，采用 最新基坑技术和变形监测数据处理方法对泰安银座商住楼进行基坑进行监测，研究 其方法具有重要的现实意义。1.2 国内外研究现状2006 年，范建在“深基坑变形预测方法综述”中阐述了深基坑变形机理。深基 坑的变形包括周边地表沉降、围护结构位移和坑底隆起三个方面。影响基坑变形的 主要因素包括:(1)基坑的工程地质与水文地质条件;(2)支护类型及结构设计参 数;(3)基坑平面尺寸及开挖深度;(4)施工过程和场地周边环境;(5)地面超载和震 动荷载[5]。 目前国内关于基坑位移监测方法研究方面。2002 年，寇刚,姚连璧. 在“基坑 水平位移监测方法的探讨”中简要论述建筑物水平位移监测中所采用的一些方法 的基础上,对困难条件下基坑水平位移监测给出了改进的方法,探讨了改进后方法 的精度,并以具体工程实例说明了此方法的实用性[6]。1996 年,熊宝春,潘延玲等在 “基坑水平位移监测的方法比较与精度分析”中:基坑状一般有矩形、多边形和圆 形三种,监测方法根据基坑的形状和施工现场的具体情况，一般有基准线法 (或称 轴线法)、小角度法(或称测小角法)，极坐标法和前方交会法这四种[7]。2001 年， 王正晓、张晓春等在“建筑地基与基坑变形监测刍议”中,随着城市建设的高速发 展,高层、超高层建筑在原建筑物稠密区大量兴建,加之过量超采城市地下水,带来 的地基与基坑变形问题越来越突出。为了防治建筑地基与基坑变形灾害,必须建立4山东农业大学学士学位论文操作性较强的变形监测系统,及时作好预警、预报工作,使变形监测的方法、技术更[8]加完善 。2004 年，张显刚.王俊英等在“超深大基坑边坡支护和监测技术”中： 对基坑护坡整体位移的全程观测表明，最大位移值说明基坑支护体系整体性好坏[8]。2004 年，江霞在“基坑位移监测技术移监测”中： 水平位移监测可提供基坑 边壁的水平变形量、变形速率和变形分布信息，进而可分析基坑边壁的稳定性。水 平位移监测可采用精密经纬仪或全站仪进行测量。由经纬仪的视准面形成基准面的 基准线法， 称为视准线法。 视准线法分为距离变化法(也称移位法)和角度变化法(也 称小角法)两种，利用全站仪测定观测点的坐标称为坐标变化法[9]。2006 年,黄寿贵 在“谈变形测量”中简介建筑物、尤其是高层建筑在施工前至竣工后全过程中实施 变形测量的重要性,介绍建立水平位移监测网和垂直位移监测网的方法,以及变形 观测数据分析处理的几种方法[10]。 目前国内关于基坑监测数据处理方面。2006 年,程学军,耿冬青等在“基坑开挖 对临近高层建筑物影响的监测及分析” 中，对基坑水平位移监测结果评价是边坡 的变形虽然受到监测点破坏的影响,但根据各个阶段变形叠加可得其边坡变形数据, 得出最大水平位移变形小于某一固定值,可判断在监测期间,边坡是否安全[11]。2003 年, 李明峰,蒋辉在“基坑支护结构变形监测数据的联合处理”中，分析基坑支护 桩桩顶水平位移监测和桩体深层水平位移监测数据的特性,将两种监测数据进行联 合处理,提出利用二次曲面函数构建基坑监测面变形模型的方法,并将抗差估计应 用于监测数据的粗差分析与处理中,通过选权迭代,能很好地求得监测面的变形模[12]型,从而准确地求解监测面各点的水平位移和分析监测面的总体位移情况。2005 年，龚锦林在硕士学位论文“基坑开挖对临近基础变形影响的数值分析”中， 在深基坑工程中，如果应用现有基坑工程的设计理论(变形控制设计)和常规施工技 术已经难以满足保护基坑周围环境及自身稳定性的要求。将基坑、支护结构、邻近 建筑物基础、土体放在一个系统中进行研究。针对某典型工程算例的实际情况，结[13]合共同作用理论及有限元方法。2005 年，黄秋林,邱冬炜在“深基坑变形监测及数据处理”中结合工程实例,对深基坑工程变形监测的主要内容和实施方法进行了 介绍,探讨了对监测数据进行及时计算分析和信息反馈的方法,并提出了应用稳健 估计数据探测法对基坑变形监测数据进行抗粗差处理的方法[3]。 综上所述，众多学者对基坑变形机理、监测方案和方法、数据处理方法等的研 究和实验，取得了丰硕的成果，也为建筑基坑的施工带来了巨大的经济效益。由于 基坑监测技术处于理论趋于成熟阶段.希望本次毕业论文设计，常规大地测量方法 在基坑水平位移监测中的应用研究，在数据处理的方法，运用周密的逻辑和科学实 验证明其科学性和正确性，希望在未来基坑施工中得到应用和推广。5常规大地测量方法在基坑水平位移监测中的应用研究1.3 研究内容和方法1.3.1 研究内容 针对山东省泰安市银座商住楼基坑水平位移监测情况，丰富和发展前人对基坑 水平位移监测的观测方法和数据处理手段，通过周期观测，了解基坑产生变形的机 理和过程，及时采集监测点信息，为基坑稳定性分析和预测预报提供准确的可靠的 信息， 得到基坑的形变趋势及变化规律， 从而达到动态指导基坑开挖和施工的要求。 主要研究内容如下： （1）通过对基坑地质条件、力学、支护方案等了解，探讨其对基坑变形影响。 （2）设计基坑开挖水平位移监测方案及实施。 （3）对基坑开挖水平位移监测数据处理方法的研究。 （4）反馈和验证基坑工程施工方案尤其是基坑支护方案的合理性。 1.3.2 研究方法 本论文研究分三阶段：第一阶段为调研。广泛收集泰安银座商住楼有关基坑监 测相关地质、 水文等勘察资料和力学、 支护方案等施工设计资料； 第二阶段为实验。 布置基坑监测基准及其监测点，并分期进行观测；第三阶段为实验数据分析处理。 采用相关的数学模型和误差处理理论对观测数据进行处理；第四阶段：撰写研究报 告，请导师和工程师咨询，修改报告。 研究采用的技术路线为： 现场考察和调研相结合； 实际监测和理论分析相结合； 理论学习与实践创新相结合，在已有研究成果的基础上，通过监测确定基坑的变形 趋势，从而为基坑的预报提供依据；技术理论与实践应用相结合，使本论文的研究 即有技术方法上的突破，又能指导生产实践。6山东农业大学学士学位论文2 基坑变形监测的基本理论2.1 基坑工程的基本理论2.1.1 基坑产生变形的力学机理伴随着基坑的开挖，势必破坏原有的力学平衡，在基坑工程中作用于支护结构 上的荷载主要有： （1）土压力 进行支护结构计算时，作用于支护结构与土体界面上的压力即为土压力，分三 种类型：静止土压力、主动土压力、被动土压力。边坡土体应力状态有静止土压力 状态主动转向主动土压力状态，导致支护结构向基坑内位移。 （2）水压力 水压力与地下水的补给数量、季节变化、施工开挖期间挡墙的水密度、入土深 度、排水处理方法等因素有关。当基坑施工时，支护墙内降水形成墙内外水头差， 地下水从坑外流向坑内，若为稳态渗流，那么水土分算时作用在支护墙上的水压力 可用流网法确定。 （3）范围内的建筑物、结构物荷载 （4）荷载：汽车、吊车及场地堆载等 （5）若支护作为主题结构的一部分，应考虑地震力[14]（6）温度影响和混凝土收缩引起的附加荷载。其中，土压力和水压力是影响基坑变形的主要荷载。2.1.2 基坑边坡的支护原理基坑支护结构的主要作用是挡土，使基坑在开挖和高层深基础结构的施工全过 程中，能够安全顺利的进行，并保证在深基础施工期间对邻近建筑物和周围的地上 和地下工程不产生危害。 一般深基坑的支护结构通常是作为临时性结构的，当接触施工完毕即失去作 用。当前国内深基坑工程已有大量的实践经验，创造了许多深基坑施工的新技术， 取得了较大的进步，如地下连续墙、排桩支护、锚固支护、深层搅拌支护、喷网锚 支护、逆作法施工等。但各种方法都不是万能的，都要结合土质条件、基坑深度、 地下水情况因地制宜地实施。根据不容支护结构的优缺点、适用条件，科学地选择7常规大地测量方法在基坑水平位移监测中的应用研究经济合理方案。其中最重要的控制条件是基坑的稳定性、地面变形的控制、环境因 素、地下水的控制、防止基坑隆起、管涌与流砂等岩土工程问题。现将集中应用较 多的支护形式简述如下： （1） 地下连续墙 地下连续墙的施工工艺是利用特制的成槽机械在泥浆（又称稳定液，如膨润土 泥浆）护壁的情况下进行开挖，形成一定槽段长度的沟槽；在将地面上制作好的钢 筋笼放入槽段内。采用导管法进行水下混凝土浇筑，完成一个单元的墙段，各墙段 之间的特定接头方式（如有接头管或接头箱做成的接头）相互联结，形成一道连续 的地下钢筋混凝土墙。 （2） 排桩支护 基坑开挖时，对不能放坡或由于场地限制不能采用搅拌桩支护，开挖深度在 6~10 米左右时，即可采用排桩支护。排桩支护可采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预 制钢筋混凝土板桩或钢板桩等。 （3） 锚固支护 锚固支护就是在排桩支护之后，在桩顶增设一条锁口梁，有的在桩顶适当位置 增设锚杆，使悬臂桩改变起受力性能。但往往由于基坑较深，又与多因素的相互影 响，如土的性质、地下水的流向、现场管理等等因素的影响，使锚固支护出现的事 故也很多。 （4） 深层搅拌桩支护 深层搅拌桩是加固软土地基的一种新方法，它是利用水泥、石灰等材料作为固 化剂，通过深层搅拌机械，将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，利用固化剂 和软土之间所产生的一系列物理-化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性 和一定强度的桩体。 （5） 喷锚网支护 喷锚网支护是喷射混凝土、锚杆、钢筋网联合支护的简称。它作为一种先进的 支护（加固）技术，国内外在岩土质量边坡和大跨度地下工程中，特别是在不良地 质条件下，现已进行了广泛而成功的应用。但是，作为一种支护深基坑边坡的有效 方法，用“喷、锚、网”取代老式桩、板、墙、管、撑或桩锚、板锚、墙锚撑锚等， 确具有其新颖性。 基坑开挖与支护是一项技术性很强的综合技术，支护方案的确定非常重要，因 为支护结构设计与地质情况、地水位、土质参数及周围环境等有密切关系。基坑支 护方案首先要考虑安全，其次是经济。表 1-1 为基坑住户方案选用。 总之，基坑工程除了力学基础和支护理论外。地质条件，水文因素、施工条件8山东农业大学学士学位论文以及其他外在因素的不确定性的影响，也不容忽视。所以，基坑工程是涉及多学科 的极其复杂的边缘学科。 表 1-1 基坑支护方案选用 基坑深/m ≤8 地下室层数 2 土质较差 支护方案： 1. 土钉加喷锚网 2. 钢板桩加支撑 3. 灌注桩加压顶梁，顶部 加一层锚杆 4. 土抗二层开挖 9~15 3--4 支护方案： 1. 采用喷锚网支护 2. 灌注桩加三层锚杆 3. 逆作法施工 4. 土抗三开挖 支护方案： 1. 采 用 局 部 逆 作 法 或分层逆作法 2. 采用锚杆网支护 土质较好 支护方案： 1. 土钉加喷锚网 2. 采用喷锚网支护16~224---5支护方案： 1. 逆作法施工支护方案： 1. 采用逆作法2. 台阶形支护采用喷锚网 2. 采用台阶型支护， 3. 采用喷锚网局部加支撑 4. 土坑在基坑边局部预留 土方 底层可采用灌注 桩， 期于可采用喷 毛锚网 3. 灌 注 桩 加 锚 杆 三 道 注：基坑深度包括底板厚度；2.地下水要在基坑开挖前 10D 做降水处理2.2 基坑变形监测基本理论2.2.1 基准点布设及稳定性检验研究由于深基坑对周围地层、周边建筑物的地基产生沉降和倾斜效应，故基准点必 须选在距离基坑较远的稳定区域，并做固定标志。为确保变形分析在稳定基准上进 行，所以必须对基准点进行稳定性检验和判断。9常规大地测量方法在基坑水平位移监测中的应用研究基坑基准点检验时可认为所选择的基准点是基本稳定的,对基准采用拟稳平 差。设第K期基坑监测值中 i 、 j 两点间的基线向量的误差方程为:?δ ? ?δ ? ?V?X ? ^ ? X 0 ? ? X i0 ? ??X ij ? ^ j ? ?X j ? ij ? ? Xi ? ? ? ?δ ^ ? ? ?δ ^ ? ? ? ?Y ? ? ? Y 0 ? + ? Y 0 ? ?V?Yij ? = ? ? Y j ? ? j ? ? i ? ? ij ? ? ?Y i ? ?V ? ? 0? ? 0? ? ?Z ij ? ?δ ^ ? ^ ? ? K ? Z j ? ? Zi ? ? ?Z ij ? K ?δ ? Z j ? ? ? K ? ? Zi ? K (2-1)式可写成矩阵方程 v K = AK δ X K ? l K 相应的拟稳基准方程为:GSK δ X K = 0^（2-1）^(2-2)(2-3)则由最小二乘解得:T δ X K = QG AK PK l K ^(2-4)T T T 其中 QG = ( AK PK AK + G (G S G ) ?1 G S ) ?1(2-5)式中0 ? 1 ? 0 1 ? ? 0 0 ? T 0 G = ?? X 1 ? Y10 ? 0 ? Z10 ? 0 0 ? Z1 ? 0 Z0 1 ? ? Y10 0 1 ? Z10 Y ? X 10 00 11 0 0 0 ? X2 0 Z10 ? Y200 1 0 Y20 ?Z 0 0 Z20 20 0 1 0 Z2 Y 0 ? X2 00 2…? …? ? …? ? …? …? ? …? …? ?（2-6）T 而拟稳基准方程中的 G S 阵的形式为前3t列与（2-6）式相同（t 为基准点数）,其余列均为零。X 的平差值为:0 XK = XK +δ X K ^ ^(2-7)10山东农业大学学士学位论文? Q X K = QG AK1 PK AQG(2-8)在检验基准点的的稳定性时,将基坑监测网的坐标平差值和对应的权阵按基准 点和形变监测点分块。^ ? ^T X K = ?X基 ? ^ T ? X变? ?(2-9)两期监测坐标之差:^ ^ ^ ? ? X 基 = X 基1 ? X 基2 ? ? ^ ^ ^ ? X 变 = X 变1 ? X 变2 ? ? 坐标差的权阵,相应分为:(2-10)P?X^?P ^ = ? ? X基 ^ ? P? X 基变 ?? ? P ^ ? ? X 基变 ? P? X 基变^(2-11)而基准点坐标差平方和为:^ ~ ^ ^ ?基 = ? X 基 P ? X ? X 基T(2-12)如果所选择的基准点是稳定的,那么它应与观测值具有相同的精度,即其均方^ T2 δ基 =?基γ0=?X基 P ^ ?X基^γ0?X(2-13)差为: 应与观测量的单位权方差 δ 2 一致,因此,可构成 F 统计量:2 δ基 F= 2 δ(2-14)11常规大地测量方法在基坑水平位移监测中的应用研究如果 F ≤ Fα / 2 (γ 0 , γ 1 + γ 2 ) ,则认为两方差无显著差异,基准点是稳定可靠的。反 之，则两方差存在显著差异说明两期观测基准非统一稳定。式中 γ 0 是 X 基 中互相 独立的参数数目， γ 1 + γ 2 为两期基准网中独立参数之和，α 参数检验的显著置信水 平度。 本实验基准点设置在离基坑较远（200 米）且稳定的地方，所以可以认为，基 准点本身相对周围地物是稳定不变的。14]2.2.2 基坑变形监测频率及周期的讨论基坑变形的频率取决与变形的大小、速度以及观测的目的。 基坑变形监测频率的大小应能反映出基坑的变形规律，并可随单位时间内变形 量的大小而定。变形量较大时，应增大监测频率；变形量减小或趋于稳定时，则可 减小监测频率。 通常，在基坑初期，变形速度比较快，因此观测频率也要大一些。经过一段时 间后，基坑变形趋于稳定，可以减少观测次说，但要坚持定期观测，以便能发生异 常变化。 基坑变形属于非周期变形，测量精度应该满足（参见图 2 -1 ） 1 1 σ y ≤ ?y = ( yE ? y 0) 50 50 1 或 σy≤ δy 5（2-15） （2-16）式中， ?y 为预计的最大变形量； δ y 表示两周周期之间能以一定概率（P=95%） 区分的最小变形量，也是测量方法分辨率需求值的一个量度。12山东农业大学学士学位论文图 2-1 非周期变形的获取 对于最简单的情况，如图 2-1 所示，即变形体的在突变荷载下发生变形，在初 始状态即 t 时刻施加荷载，随即就进行初始观测（ t 0 时刻）得变形值为 y ，末期观AA测必须在变形趋于平缓的时刻进行，一般要求：t E & t 0 + 3TT 为与变形体有关的时间常数，可以根据实验和经验数据确定。（2-17）为了获取变形随时间的变化情况，在 t 0 和 tE 之间要进行多周期观测。设第 ti + 1 与t i 周期之间的时间间隔为 ?t ，则 ?t 与观测时刻的变形速率 y / 和测量方法分辨率量度 δ y 有关，有? t ≥δyy/（2-18）换句话说，两周期之间所发生的变形（ ?t ? y / ）应不小于 δ y 。由 δ y 与 σ y 的关 系式，可令?t = 5 ?σyy（2-19）/为两观测周期时间间隔设计值。在初期， y / 较大且不精确；到后期， y / 值越来 越精确，且也愈来愈小， ?t 愈来愈大。13常规大地测量方法在基坑水平位移监测中的应用研究设观测周期内的最大变形速度为 y / max ，则要求观测周期所花时间 δ t 满足：δt≤σy/y（2-20）m ax显然有：? t 5 δ t 的大小对于选择测量方法很有意义的[15]。δt≤（2-21）2.3 基坑水平位移监测数据处理理论2.3.1 变形监测分析与建模的基本理论与方法(1) 曲线拟合 曲线拟合是趋势分析法中的一种，又称曲线回归、趋势外推或趋势曲线分析， 它是迄今为止研究最多，也最为流行的定量预测方法。 人们常用各种光滑的曲线来近似描述事物发展的基本趋势，即Yt=f (t ,θ ) + ξ τ（2-22）式中， Yt 为预测对象； ξτ 为预测误差； f (t ,θ ) 根据不同的情况和假设，可取 不同的形式，而其中的 θ 代表某些带定的参数。 (2) 多元线性回归分析 经典的多元线性回归分析法依然广泛应用于基坑变形监测数据处理的数理统 计中。它是研究一个变量（因变量）与多个因子（自变量）之间非确定关系（相关 关系）的基本方法。该方法分析所观测的变形（效应量）和外因（原因）之间的相 关性，来建立荷载-变形之间的关系模型。其数学模型是：y t = β 0 + β 1 x t 1 + β 2 x t 2 + .. . . . + β p x tp + ξ t = (1, 2 , . . . .. n )t（2-23）ξ ~ N (0, σt2)式中，下标 t 表示观测变量，共有 n 组观测数据；p 表示因子个数。 建立多元线性回归方程: 多元线性回归数学模型如式（2-23）说示，用矩阵表示为：14山东农业大学学士学位论文y = xβ + ε（2-24）式中， 为 n 维变形量的观测向量 y （因变量） y = ( y1, y 2,... yn )T ； 是一个 n *( p + 1) ； x 矩阵，它的元素是可以精确测量或可控制的一般变形的观测值或它们的函数（自变 量） ，其形式为： ?1 x11 L x1 p ? ?1 x 21 L x 2 p ? ? x=? ?M M M ? ? ? ?1 xn1 L xnp ?β 是待估计参数向量（回归系数向量） β = ( β , β ,L β )T ； ε 是服从同一正态 ，0 1 p分布 N (0, σ 2 ) 的 n 维随机向量， ε = (ε 1, ε 2,L ε n )T 。 由最小二乘原理可求得 β 的估值 β 为^β = ( xT x) ?1 xT y得多元线性回归方程后，还需对其进行统计检验[1]。^（2-25）事实上，模型（2-25）只是我们对问题初步分析所得的一种假设，所以，在求2.3.2 最小二乘原理在生产实践中，经常会遇到利用一组观测数据来估计某些未知参数的问题。例 如，一个作匀速运动的质点在时刻 τ 的位置是 y ，可以用如下的线性函数来描述：y = a+ τ β ，~~~~~（2-26）式中 a 是质点在 τ = 0 时刻的初始位置，? 是平均速度，它门是待估计的未知参 数，可见这类问题为线性参数的估计问题。对于这一问题，如果观测没有误差，则 只要在两个不同时刻 τ 1 和 τ 2 观测出质点的相应位置 y1 和 y2 ，由（2-26）式分别建 立两个方程， 就可以解出 a 和 β 的值了。 但是， 实际上在观测时， 被观测的不是 y 而 是 y = ~ ? ? ， ? 是观测误差。 y 于是有15~ ~ ~ ~ ~常规大地测量方法在基坑水平位移监测中的应用研究~ ~ y + ? = α + τβ~ ~ 这样，为了求得 α 和 β ，就需要在不同时刻 τ 1 、 τ 1 、…、 τ n 来测定其位置，得一组观测值 y1 、 y2 、…、 yn ，这时，由上式可以得到 （I=1、 …,n） 2、 i = a + τ i β ? yi ， 若令~ ~（2-27）? 1 ? ? = ? 2 ?M ? ? n ? ? ? ? ? ? ? ? ?Yn,1? y1 ? ?y ? ， = ? 2? ?M ? ? ? ? yn ?Bn ,2?1 τ 1 ? ?2 τ ? ， 2? =? ?LL ? ? ? ?1 τ n ?~X2 ,1?~ ?， a =?~? ? ? ?β ?n ,1则（2-27）式为 = B X ?Y 这是间接平差的函数模型。 如果我们将对应的 yi、τ i (i = 1, 2,L , n) 用图解来表示，则可作处如图 2-2 所示的 图形， 从图中可以看处， 由于存在观测误差的缘故， 由观测数据绘出的点―观测点， 描绘不成直线，而有某些“摆动” 。 这里就产生一个问题：用什么准则，来对参数 a 和 β 进行评估，从而使估计直 线 y = a + τ i β “最佳”地拟合于诸观测点。这里的“最佳”一词可以有不同的理解。 例如，可以认为：各观测点对直线最大距离取最小值时，直线是“最佳”的；也可 以认为，各观测点到直线的偏差的绝对值之和取最小值时，直线是“最佳 ”的， 等等。在不同的“最佳”要求下，可以求得相应问题中参数 a 和 β 不同的估值。但 是，在解这类问题时，一般应用的是最小二乘原理，按照最小二乘原理的要求，认 为“最佳”地拟合于诸观测点的估计曲线，应使诸观测点到该曲线的偏差的平方和 达到最小。~ ~ ~ ~~（2-28）∧∧∧16山东农业大学学士学位论文图 2-2 最小二乘原理 设观测值 y i 的估值为 y i = yi + υi ，υi 是观测值 yi 的改正数（或称残差） ，是 i 的 估值，则由 yi = a + τ i β 可以写出^ ^ ^ ∧ ^υi = a + τ i β ? yi^^(i=1,2,…,n)所谓最小二乘原理，就是要在满足∑υi =1n2 i=^∑ (a + τ^ i =1niβ ? yi )~ ~^2= 最小（2-29）... v n ]T 则上式也可以的条件下解出参数 a 、 的估值 a 和 β ，若令 V = [v1 v 2 β 写为V TV = ( B X ? Y )^ ^ T ^^( B X ? Y ) = 最小（2-30） ? β ]T 。 （2-30） 满足? ? 式中 X 表示未知参数的估计向量， 在上述例子中，X = [α^ ^式的估计 X 称为 X 的最小二乘估计，这种估计量的方法就称为最小二乘法。 从以上的推导可以看出，只要具有（2-28）式的线性关系的参数估计问题，则 不论观测值属于何种统计分布，都可按最小二乘原理进行参数估计，因此，这种估 计方法在实践中被广泛地应用。 测量中的观测值是服从正态分布的随机变量，最小二乘原理可用数理统计中的 最大似然估计来解释，两种估计准则的估值相同。 设观测向量为 L ，L 为随机正态向量，其数学期望和方差分别为17n， 1常规大地测量方法在基坑水平位移监测中的应用研究?σ 12 σ 12 Lσ 1n ? ? ?1 ? ? ? ?? ? 2 2? ?σ 21 σ 2 Lσ 2 n ? ? L = E ( L) = ? ， D = DLL = ? ?M ? L L L L? ? ? ? ? 2 ?σ n1 σ n 2 Lσ n ? ? ?n ? ? ? 由最大似然估计准则知，其似然函数（即 L 的正态密度函数）为G= 1 (2π )n/2|D|1/ 2?1 ? exp ? ( L ? ? L )T D ?1 ( L ? ? L ) ? ?2 ?（2-31）有（2-28）式并顾及 E ( ) = 0 ，则知? L = E ( L) = E ( B X ) = B X故（2-31）式也可写成G = 1 ( 2π )n /2 ~ ? 1 e x p ? ? ( L ? B X )T D ? 2 ~ ? (L ? B X )? ?~~（2-32）?1|d |1/2或ln G = ? ln {( 2 π ) n / 2 | d |1 / 2 } ?~ ~ 1 ( L ? B X )T D ?1 ( L ? B X ) 2{}。~ ~（2-33）按最大似然估计的要求，应选取能使 ln(g ) 取得极大值的 X 作为 X 的估计量。 由于上式右边的第二项前是负号，所以只有当该项取得极小值时， ln(g ) 才能取得~极大值，换言之， X 的估计量应满足如下条件： ( L ? B X )T d ?1 ( L ? B X ) = 最小2 2 2 考虑 D = DLL = σ 0 Q = σ 0 P ?1 ， σ 0 为常量，上式可写成 ~ ~~~（2-34）( L ? B X )T P ( L ? B X ) = min 顾及 V 是 的估值，则有V = BX?L~（2-35）（2-36）（2-35）式可简写成V T PV = min18（2-37）山东农业大学学士学位论文此即最小二成原理。 由此可见， 当观测值为正态随机变量时， 最小二乘估计可由最大似然估计导出，[16]由以上两个准则出发，平差结果完全一致。2.3.3 变形监测异常数据探测与粗差处理(1) 数据探测法 数据探测法用来处理第二种粗差，即进行粗差探测、定位、最终剔除。它包括 单个粗差检验和多维粗差统计设检验。由于多维粗差统计假设检验含有的参数比较 多，因而在实施起来比较困难。现采用了前者，即单个粗差检验，虽然其没有考虑 粗差对残差影响的相关性，但用它逐次判断多维粗差胡存在也可能失误。 (2) 稳健估计 所谓稳健估计，是在粗差不可避免的情况下，选择适当的估计方法，使所估参 数尽可能减免粗差的影响，得出正常模式下最佳的估值。 在假定模型基本正确前提下， 稳健估计具有抗大量随机误差和少量粗差的能力， 使所估参数达到最优或接近最优。稳健估计分为 M 估计、L 估计和 R 估计。M 估计 是一种广义的极大似然估计，它是经典有极大似然估计的推广，易于实施。因此主 要采用 M 估计。M 估计（广义极大似然估计）的原理是基于用增长较慢的极小化残 差函数代替平方和函数，由 Huber 提出。利用极大似然估计：设有参数向量 X，为 了估计 X，进行次观测，得到了观测向量 L 的观测值 l ，则：∑ Inf (l , x) = max 或∑in^nρ (l , x) = mini^（2-38）i =1i =1其中 f 是随机量 L 的密度函数。 用 ρ (li , x) 代替 ? Inf (li, x)^∑i =1nρ (l , x) = mini^（2-39）则有极大似然估计有：∑ ψ (l , x) = 0in^（2-40）i =1其中：ψ (li, x) =?ρ (l , x) ?x 由（2-39）和（2-40）出发，对参数 x 进行估计，即 M 估计。^19常规大地测量方法在基坑水平位移监测中的应用研究M 估计的估计方法有许多种，得应用最广泛的是选权迭代法，其模型是： 误差方程： 权函数： 估计准则：V = A x? 1P (V ) = diogp1(v1), p 2(v 2 ),... pn (vn ) （2-42）V T P (V )V = min^（2-41）（2-43）其中pi (vi ) =ρ / (v )i（2-44） vil选权迭代法主要有：1）Huber 法；2）一次范数最小法（LP估计）;3)P 范最小法（L 估计） ；4）丹麦法；5)Hampel 法；6）IGG 法（周江文法） ；7）验后方差估 计法（李德仁法） ；这里应用了第一种即 Huber 法，因此对他进行论述。其 ρ 函数 为： v2 / 2 v ≤ c ρ (v ) = { 1 c v ? c2 v & c 2 式中 c 为常系数，通常 c = 2σ ，此函数的一阶导数为：（2-45）ρ / (v) = {权函娄为：v ≤c v csign(v) v & c（2-46）ρ (v ) = {1 v ≤c v v &c（2-47）2.3.4 基坑水平位移监测精度确定与分析基坑变形监测的精度，和其他测量工作相比，则要求的精度更高，典型精度是 1mm 或相对精度为 10-6。确定合理的测量精度是很重要的，过高的精度要求使测量 工作复杂，增加费用和时间；而精度定的太低又会增加变形分析的困难，使所估计 的变形参数误差大，甚至会得出不正确结论。制定基坑变形监测的精度取决于变形 的大小、速率、仪器和方法所能达到的实际精度，以及观测的目的等。一般来说， 如果基坑变形监测是为了使变形值不超过某一允许的数值，以确保基坑的安全，则 其观测的误差应小于允许变形值的 1/10～1/20；如果为了研究变形的过程，则其无20山东农业大学学士学位论文车应比上面这个数值小得多，甚至应采用目前测量手段和仪器所能达到的最高精度[1]。 因为本文采用的极坐标法，在此只对及坐标法进行精度分析。如图（2-3）中， 其中 A 点为基准点，P 点位移点，通过测角度 α 和距离算得监测点坐标。图 2-3 极坐标法 由于基坑监测数据量很大，有进难免会产生粗差，而采用稳健估计，可以帮助 消除粗差。 根据误差传播律，不难推导位移点的坐标中误差 mx 、 my 和点位中误差 mp 的计 算公式：mx = ± cos 2 α ? mD 2 + sin 2 α ? D 2 ?mα 2ρ2 ρ2mα 2（2-48）my = ± sin 2 α ? D 2 + cos 2 α ? D 2 ?mα 2（2-49）mp = ± mx 2 + my 2 = ± mD + D ?2 2ρ2（2-50）尽管式（2-48，2-49，2-50）中没有出现对中误差，但时间上测距误差 mD 和测 角误差 mα 都含有对中误差的影响。如不进行强制对中，则难以达到一等精度要求。 若基坑的形状为多边形，可将极点布设在边线的延长线上，使极轴 X 尽可能的 平行基坑边线，此时垂直于基坑边线的 Y 轴方向是可能的位移方向，则 my 代表监测 精度，且 α →0°，从式（2-49）可以看出，由于 α →0°，则 my 只受 mα 的影响， 这样就避免了测距误差 mD 对监测精度的影响， 这时实际上已将极坐标发转换成小角 度法[7]。 综上所述，除了基坑位移数据处理除了上述理论外，还涉及到数理统计的有关 理论、 测量平差理论和基坑变形分析和建模的基本理论和方法 （时间序列分析模型、21常规大地测量方法在基坑水平位移监测中的应用研究灰色系统分析模型、kalman 滤波模型、人工神经网络模型、频谱分析） ，以及变形 的确定性模型和混合模型（有限元法、反分析理论）等。22山东农业大学学士学位论文3 基坑水平位移变形监测的实验分析3.1 工程概况拟建的泰安市银座商住楼位于山东省泰安市东岳大街中段路南，银座商厦东 邻。基坑北边 107.27 米，东边 32.18 米，西边长 112.61 米，南边长 38.22 米 ， 东南边长 148.84 米。 基坑占地
平方米， 基坑开挖深度 12.5 米。 如图 3-2， 所示。图 3-1 银座商住楼基坑局部图 基坑周围环境复杂，北侧为东岳大街，西侧为中国移动公司泰安分公司大楼， 南边为一些一层居民住宅房，西南方向为 6 层住宅楼，且楼距离基坑大约 5 米。23常规大地测量方法在基坑水平位移监测中的应用研究图 3-2 银座商住楼基坑局部图 根据基坑力学原理，就银座基坑的实际情况，表明银座基坑主要受土压力、水 压力（渗流力、摩擦力） 、周围建筑物体的荷载等。受力情况分析表明基坑越长， 越不稳定；尤其基坑中部最不稳定。 根据该基坑的力学分析结果和科学地质条件勘察资料，经过多方研究、反复比 选和论证，工程承建单位决定采用喷锚支护网进行基坑支护。3.2 点位布设3.2.1 监测基准点及工作基点布设基准点的布设原则 （1） 基准点均远离沉降区，选择在比较稳定的位置，并且便于长期保存和观 测使用（通视和便设站） 。 （2） 基准点应设在工程影响范围外，距基坑周边不小于 2H（H 为坑深） 。 （3） 为了检验基准点稳定性。基准点布设至少在三个以上，为了避免点位破 坏和基准点之间的定期的检验。 根据基准点布设的原则，以及银座基坑观测的需要和场地的实际情况，布设了 3 个基准点。其编号分别为：J1、J2、J3 见图 3 -3，其中 J1、J2 在东岳大街道路 北侧，采用直径 2 厘米、长 20 厘米钢钉钉入靠近马路北岸一侧，露出地面约 2 毫 米，样式及规格见图 3-4。J3 为位于国美电器北侧的院内一固定的石墩的棱角上， 并用油漆做好标记，主要为了每次监测前基准点校检之用。24山东农业大学学士学位论文图 3-3 基准点和监测点布设图图 3-4 基准点布设现场图3.2.2 监测点布设25常规大地测量方法在基坑水平位移监测中的应用研究变形观测点设立在能够反映基坑周边及周边建筑物和构筑物变形特征的位置； 点位便于观测，易于保存。 根据监测点布设原则，在基坑开挖前，在喷锚支护网顶部的基坑边缘面层上布 设 20 个监测点，观测点间距为 20 米左右。在基坑东边 4 座建筑物西侧的承重立柱 （或承重墙）选择 6 个点（位移和沉降公用标志） ，南面建筑物北侧承重立柱（或 承重墙）选择 2 个点位，西南边靠近居民小区，但均为一层，设立 6 个监测点，东 面建筑物的西侧选择 2 个点位，北面靠近东岳大街，但基线比较长设 4 个观测点。 监测点编号从西北角开始顺时针依次编为 A1、A2、A3……A20。附图 3-3，监测点 埋设规格和样式见图片 3-5。图 3-5 监测点布设现场图3.3 基坑水平位移观测方案的实施3.3.1 观测仪器和监测方法本次观测采用瑞士徕卡公司生产的 TC402 型全站仪，该仪器测角精度为 2″测 距精度为 2mm+2ppm；角度值可读至 1″；距离值可读至 0.1mm。 观测之前对全站仪进行质量鉴定，校核合格后方可使用，对其它附属设备进行 详细的检验，如棱镜、棱镜框、对中器、三脚架等设备。 根据银座基坑具体情况和精度要求，决定采用极坐标法进行观测如图（2 -3） 所示。26山东农业大学学士学位论文基坑水平观测的依据及指标 3.3.2 基坑水平观测的依据及指标（1）基坑观测所遵循的依据 1） 《工程测量规范》 （GB 50026-93） 2） 《建筑变形测量规范》 3） 《建筑边坡工程技术规范》 （GB ） 4） 《建筑地基基础设计规范化》 （GB ） 5） 《泰安银座商住变形监测工程技术设计书》 （2） 根据银座基坑地质及施工具体情况，基坑水平位移监测周期和频率确定 为 1）在每挖一层土方或石方后 12 小时内 1 次 2）每场雨后或台风后 12 小时内 1 次 3）在临近基坑侧壁 5m 范围内大面积爆破后 12 小时内 1 次 4）平常 1 周 2 次；止到基坑支护变形稳定或回填之后停止观测。 （3） 观测精度及技术指标 表 3-1 基坑观测技术指标 变形 等级 三等 变形点的点位中 误差（mm） ±６.０ 平均边长 （m） ≤200 测角中误 差（″） ±２.５ 最弱边相对中 误差 ≤１/40000 备 注观测要求：水平位移的监测网，采用独立坐标系统，一次布网；控制点宜采用 强制归心装置的观测墩，照准点宜采用强制对中装置的觇牌。因为没有上述装置， 所以采用相应的措施进行精确对中，使对中精度在 1.0mm 以内。角度观测４测回， 左角和右角各两测回，同一方向值各测回较差小于 9″；半测回归零差小于 8″。 角度平均值作为真值。距离采用往返观测，每次读数较差小于 2mm，两次观测距离 较差小于 4mm。对位移点的观测可以直接使用坐标测量，读数至 mm。每个点观测 4 次，取平均值作为最后观测值。其要求达到的技术指标见表 3-1 （4） 警戒指标 根据相关基坑规范、规程以及设计文件的规定，警戒指标为： 1）支护结构最大水平位移控制值为基坑开挖深度 3‰ 2）位移和沉降连续 3 天发展超过 3mm/天 3）根据天气预报有台风、暴雨等袭击时。 工程一旦达到上述警戒指标应立即报警， 分析原因， 选择有效措施使基坑稳定、 安全。27常规大地测量方法在基坑水平位移监测中的应用研究3.4 实验过程根据以上基准点、监测点布设以及各技术指标和规程，根据银座基坑工程的实 际情况，我们于 2006 年 10 月 13 日，第一次对组织对基坑监测点进行观测，采用 瑞士徕卡公司生产的ＴＣ402 型全站仪，按照图 3- 3 布设的基准点和监测点，进行 观测。 首先，每次监测前，均对基准点稳定性检验。我们利用 J1、J2 定向归零，测 得 J3 的角度和距离。每次观测时比较前次角度观测结果，当较差距离小于 1mm,角 度小于 5″时，表明基准点稳定，方可进行下一步的监测。 表 3-2 测站 J1 观测数据表测 站 目 标 水平盘读数 （°′″） 半测回角值 （°′″） 一测回角值 （°′″） 水平距 离（m）站平均距 总 平 均 施工 离(m) 距离(m) 情况 说明J2 J1 Z1 Z1 J2 J2 J1 Z1 Z1 J2 J2 J1 Z1 Z1 J2 J2 J1 Z1 Z1 J10 00 00 107 36 28 287 36 29 180 00 02 0 00 00 107 36 32 287 36 31 180 00 01 0 00 00 107 36 28 287 36 27 179 59 58 0 00 00 107 36 28 287 36 29 180 00 03107 36 28107 36 30122.405 44.381122.405基坑 开始107 36 3344.380 122.40544.3805122.405 开 挖，107 36 32107 36 31122.404 44.380122.4045次为 第一107 36 3044.380 122.40544.380次观 测。107 36 28107 36 30122.405 44.379122.4055107 36 3144.380 122.40644.379544.380107 36 28107 36 31122.405 44.380122.405107 36 3444.380 122.40544.380第一步：仪器架设在基准点 J1，照准 J2 进行归零定向，然后照准转点 Z1 目标 （因为基准点远离基坑，无法直接观测监测点） ，然后严格按照上述技术指标，进 行盘左、 盘右角度读数 4 个测回， 角度然后取平均值。 距离采用往返观测取平均值，28山东农业大学学士学位论文把观测的数据填入相应表格中。 第二步：以 Z1 为测站，照准 J1 进行定向。按照上述相同的步骤，依次照准监 测点目标 A1、A2、…A20。把观测结果填入相应表格中，表格格式如表 3-2 所示。 从 2006 年 10 月 13 日基坑开挖到 2006 年 11 月 29 日基坑开挖深度达到设计深 度 12.5 米期间，每天均按照上述方法对基坑进行观测；从 2006 年 11 月 29 到 12 月 15 每两天对基坑进行一次观测，观测数据发现，基坑变形趋于稳定，2006 年 12 月 15 日到基坑回填 2007 年 3 月 16 日，每隔一周进行一次。特殊情况除外，如降 雨、基坑周围有震动等。 在观测过程中，我们注意以下几点体会： （1）整个观测过程中记录详尽，并且人员不变，仪器不变。 （2）每次观测采用相同的观测路线和观测方法。 （3）在基本相同的环境和条件下工作。 （4）每次观测前后要仔细检查观测点有无松动破损现象，如果有异常则及进 采取措施。 （5）每次观测后，根据变形量变化调整观测周期，在变形量较大时适当增加 观测次数。3.5 实验数据处理与分析在基坑变形监测中，最核心内容是区分形变与误差。观测中的错误是不允许存 在的，系统误差可通过一定的观测程序得到消除和减弱。如果在监测资料中存在错 误或者系统误差，就会对后续变形分析和解释带来困难，甚至得出错误的结论。同 时，在基坑变形监测中，由于变形量本身较小，临近于测量误差边缘，为了区分变 形和误差，提取变形特征，必须设法消除较大误差（超限误差） ，提高测量精度， 从而尽可能地减少观测误差对变形的影响。本次实验数据处理流程如图 3-6 所示。29常规大地测量方法在基坑水平位移监测中的应用研究图 3-6 观测数据处理流程图3.5.1 监测点坐标计算假设基准点坐标 J1（300.000，300，000） ，J2（300，000，422.405） （J1 与 J2 之间的距离反复的测距是 122.405） 根据基准点坐标和实际全站仪观测数据 。 （角 度、距离）计算监测点第一期坐标如表 3-3 所示。 表 3-3 第一期监测点坐标成果表 监测点 点号 A1 A2 A3 A4 X （m） 258.932 235.284 222.973 237.44 Y （m） 156.216 152.086 169.258 188.508 监测点 点号 A11 A12 A13 A1430X （m） 388.292 369.366 350.796 281.240Y （m） 229.833 217.638 206.764 166.808山东农业大学学士学位论文A5 A6 A6 A7 A8 A9 A10252.479 269.665 323.364 338.94 359.909 392.657 395.241207.277 228.201 263.707 263.764 263.964 261.715 250.108A15 A16 A17 A18 A19 A20 A11296.899 258.932 244.381 239.234 235.284 222.973 388.292176.028 156.216 160.214 155.368 152.086 169.258 229.8333.5.2 变形数据异常数据探测与粗差处理利用数据探测法和稳健估计理论，对观测的数据进行过滤，若发现粗差，即予 以剔除。将上述换算的坐标展点在 CASS5.0 中，以监测点 A2 的前 10 次为例进行分 析，发现 A2 点的第 7 次观测延基坑方向线方向最大偏移量达 3 厘米，超出警戒指 标，可以断定其为粗差，予以剔除。如图 3- 7 所示。出现该种情况原因可能是第 7 期观测时，使用了与前些次不同型号的全站仪。图 3-7 粗差剔除方法图 注：图中 1、2、3……10 为监测周期数，对应小点为监测位置。3.5.3 利用最小二乘法进行曲线拟合图 3-8 中，根据 A2 点各期实测点位，沿垂直基坑边沿方向利用最小二乘原理， 得到“最佳”的那条折线，然后根据曲线拟合理论进行拟合。其他各监测点数据处 理方法与 A2 一致。31常规大地测量方法在基坑水平位移监测中的应用研究图 3-8 为 A2 监测点的形变轨迹3.5.4 基坑沿线垂直方向水平位移量获得方法仍以 A2 点为例进行分析，首先过每期监测的点的位置，做平行于基坑延伸方 向的平行线，相交于拟合的曲线于(B1，B2……B9)，将此点作为提交基坑监测成果 表（见附件）的数据来源。然后在做垂直于基坑方向的方向线，然后截得每两次监 测之间的变化量(d1,d2,……d9）,从图（3- 9）可以直观的看出， （d1,d2,…..d9） 即为基坑变形在垂直方向的变形，即可直接达到监测目的。表 3-4 为 A2 点各期基 坑沿线垂直方向水平位移量成果表，其他各点与之一致。图 3- 9 水平位移量获得方法图 表 3-4 A2 点各期基坑沿线垂直方向水平位移量成果表 周期 1-2 2-3 1 3-4 3 4-5 2 5-6 1 6-8 1 8-9 2 9-10 2 1-10 15水平位移量 （mm） 33.5.5 观测成果分析32山东农业大学学士学位论文（1） 基坑深度-水平位移分析 根据 3.5.4 中得到各监测点位移量，按照基坑开挖深度与水平位移量可绘制出 相应的基坑深度-水平位移图，图 3-10 为 A2 点基坑深度-水平位移图，同样方法可 绘制出其他各监测基坑深度-水平位移图。基坑深度图 3-10 基坑深度-水平位移图（2） 时间-水平位移分析 根据 3.5.4 中得到各监测点位移量，按照基坑开挖时间与水平位移量可绘制出 相应的基坑时间-水平位移图，图 3-11 为 A2 点基坑深度-水平位移图，同样方法可 绘制出其他各监测基坑深度-水平位移图。图（3-11）时间-水平位移图 11）时间-3.5.6 结论33常规大地测量方法在基坑水平位移监测中的应用研究根据 3.5.4 中，得到的各监测点坐标成果表和各监测点在基坑垂直方向上的水 平 位 移 量 ， 及 3.5.5 中 绘 制 的 基 坑 深 度 - 水 平 位 移 图 、 时 间 - 水 平 位 移 图 。 按照 3.3 中的警戒指标，可以得以下结论： （1） 除了 A17、A18 点由于施工场地和施工条件的限制无法每期观测外，数 据表明，其他各监测点，均在警戒指标内，证明基坑是安全的。 （2） 基坑开挖早期，变形较小；开挖到 6-12.5 米期间，变化很大；沉降量 最大区域为西部（靠进基坑有 6 层大楼） ，与实际情况一致；且靠近中央部分沉降 量大；东部出现反弹现象（A2 点 9-10 期） 。34山东农业大学学士学位论文4 结论和展望4.1 结论通过全文的论述与研究,对于基坑变形监测得到以下初步结论: (1) 由于基坑土层千差万别、 土性的错综复杂、 支护结构的设计方法不够成熟、 设计参数的难确定及土方如何开挖（包括开挖深度、范围及时间）的经验等原因， 设计一个合理可靠的支护结果方案，合理安排土方开挖难度很大。因此，对基坑支 护结构进行变形及稳定性监测预报及控制，保证基坑开挖顺利施工是必不可少的。 (2) 基坑变形监测是综合性、实践性较强的工作，持续时间长，工作量大，测 量精度高，要求反馈速度快。在监测中发现，基坑水平位移形变是一个动态变化的 工程，随着时间增长，位移不断增加，慢慢趋于稳定。天气的变化（降雨，气温） 对基坑水平位移有着比较大的影响，应即使观测。 (3) 采用常规大地测量仪器对基坑水平位移进行监测，首要任务是选择好已知 基准点和监测点的位置，应该保证已知基准点的长期稳定；监测点位置的选择要根 据基坑特征和监测需要来设置，一般应该设置在基坑支护顶部靠近基坑且能反应基 坑变形位置上。本文利用全站仪，配置简单，操作方便，使用灵活，作业效率高， 成果信息发送迅捷，有关各方能即使了解额监测动态和采取相应措施指导施工，避 免工程事故和消除工作隐患。 (4) 基坑水平位移监测方法的选择。当基坑形状是矩形或多边形时，可采用轴 线法或小角度法，尤其轴线法最简易；当基坑形状为圆形时，可采用前方交会法； 当建设区域空地非常紧张、基准点和位移监测点无法设站或设站很困难的情况下， 通常采用简易导线法；由于测距和测角精度的限制，极坐标法很难到达一等的位移 观测。 总之，基坑水平位移采用全站仪边角同测，计算出各期监测点坐标，针对全站 仪测角误差比测距误差对点位的影响更大的特点。 本文利用数据探测法、 稳健估计、 最小二乘、线性回归、曲线拟合理论将基坑水平位移归算于垂直基坑边线方向的位 移量，通过周期观测最终得到监测点深度-位移、时间-位移变化最佳曲线，及时准 确地达到预测预报基坑的目的。35常规大地测量方法在基坑水平位移监测中的应用研究4.2 展望尽管取得了上述一些成果，但由于客条件和本人对基坑认知水平限制，本文也存在一些问 题和不足，同时限于时间和篇幅，需要在今后的研究中进一步的研究讨论：（1） 本文应用常规大地测量方法，而纵观国内外基坑变形技术的发展里程， 新的科学技术和装备会陆续应用于工程中。比如测量机器人自动监测，地面摄影测 量技术监测，光、机、电技术为支撑的传感器监测，GPS 技术监测等。 （2） 由于基坑变形的不确定性和错综复杂性，对它的研究呼唤着新的思维方 式和方法。有系统论、控制论、信息论、突变论、分形与混沌动力学等所构成的系 统科学和非线性科学在基坑变形分析中的应用研究将会得到将强。 （3） 基坑数据处理与分析将向自动化、智能化、系统化、网络化方向发展， 更注重时空模型和时频分析的研究。 （4） 论文中采用的理论和方法只限于对银座商住楼基坑工程，其广泛推广性 有待与进一步研究。36山东农业大学学士学位论文参考文献[1] 黄声享,尹晖,蒋征.变形监测数据处理[M].武汉:武汉大学出版社,2002.20～ 25,98～99 [2] 王曙光.深基坑支护事故处理经验录.北京.机械工业出版社.2004 [3] 黄秋林,邱冬炜.深基坑变形监测及数据处理[J].山西建筑.2005. 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