路基、基坑、边坡与其支挡（护）结构监测检测

路基、基坑、边坡与其支挡（护）结构监测检测技术

路基、基坑、边坡及其支挡（护）结构是工程建设中的关键环节，其稳定性直接关系到工程安全与周边环境。为确保这些结构在施工及运营期的安全，必须实施系统、科学的监测与检测工作。这项工作通过对结构物及其周边岩土体的位移、应力、应变等关键参数进行实时或定期量测，从而评估其稳定性状态，预警潜在风险，并为设计优化和应急处置提供数据支持。

一、 检测项目与方法原理

监测检测工作根据对象和目的的不同，涵盖多项内容，其核心方法及原理如下：

1. 表面位移监测

   • 方法： 大地测量法、GNSS（导航卫星系统）法、测量机器人（自动全站仪）法、近景摄影测量法、三维激光扫描法。

   • 原理：

     • 大地测量法： 通过建立基准网，使用全站仪、水准仪定期测量监测点的三维坐标和高程，计算其位移量与沉降量。这是经典、可靠的方法。

     • GNSS法： 利用卫星定位技术，通过安装在监测点上的GNSS接收机，实时或定时获取其精确的三维坐标，实现全天候、自动化监测，尤其适用于大范围、地形复杂的区域。

     • 测量机器人法： 集成自动目标识别与照准功能的智能全站仪，可按预设程序自动周期性地对大量监测点进行角度和距离测量，实现、自动化的变形监测。

     • 近景摄影测量与三维激光扫描： 属于非接触式测量。通过拍摄监测对象的数字影像或发射激光束获取其表面海量点云数据，经处理后生成高精度三维模型，可进行整体变形分析和体积计算。

2. 深层水平位移监测

   • 方法： 测斜法。

   • 原理： 在土体或结构内部预埋带有导槽的测斜管。测量时，将测斜仪探头沿导槽缓慢放入孔底，自下而上以固定间距（通常0.5m）测量探头轴线与铅垂线的夹角。通过计算各深度点相对于孔底基准点的水平位移累加值，即可获得沿深度方向的水平位移曲线（即测斜曲线），从而精确判断滑动面位置和位移量。

3. 竖向位移（沉降）监测

   • 方法： 水准测量、静力水准仪法、沉降磁环法。

   • 原理：

     • 水准测量： 使用精密水准仪和铟瓦尺，依据闭合或附合水准路线，定期测量沉降监测点的高程变化。

     • 静力水准仪法： 将多个储液罐通过连通管连接，并置于不同监测点。当各点发生不均匀沉降时，储液罐内液面高度随之变化，通过传感器测量液位差，即可计算各点间的相对沉降。适用于要求高精度自动监测的基准传递和差异沉降测量。

     • 沉降磁环法（分层沉降仪）： 在钻孔中不同深度处安装磁性沉降环，随着周围土体沉降，沉降环同步下沉。测量时，从孔口放入带有传感器的探头，当探头经过沉降环时发出信号，通过测量电缆长度确定沉降环的深度变化，从而得到不同土层的压缩量。

4. 应力/应变监测

   • 方法： 使用钢筋计、混凝土应变计、土压力盒等传感器。

   • 原理：

     • 钢筋计： 通常基于振弦式原理。传感器内部有一根张紧的钢弦，其自振频率与钢弦所受的应力平方根成正比。当钢筋计与结构钢筋串联焊接后，钢筋的应力变化会导致钢弦张力改变，通过测量频率即可换算得到钢筋应力。

     • 混凝土应变计： 同样多采用振弦式原理，埋设于混凝土中，直接测量混凝土的应变。

     • 土压力盒： 埋设于土与结构接触面或土体内部，感受土压力作用。振弦式土压力盒在压力作用下膜片发生挠曲，引起钢弦张力变化，通过频率测量反算压力值。

5. 支护结构内力监测

   • 方法： 在支护桩/墙、锚杆/索、支撑上安装传感器。

   • 原理：

     • 支护桩/墙内力： 在钢筋笼主筋上安装钢筋计，通过测得的钢筋应力推算桩身/墙身弯矩。

     • 锚杆/索内力： 在锚头处安装锚索测力计（通常为振弦式或光纤光栅式），直接测量锚杆/索的预应力变化和所受拉力。

     • 支撑轴力： 在钢支撑或混凝土支撑上安装表面式应变计或轴力计，监测支撑构件的轴向压力。

6. 地下水位监测

   • 方法： 使用水位计。

   • 原理： 在监测井中放入水位计探头，当探头接触到水面时，通过其发出的信号或电阻变化确定水位深度。振弦式孔隙水压力计也可用于测量特定深度处的水压力，并换算成水位。

7. 外观巡查与裂缝监测

   • 方法： 人工巡查、裂缝观测仪、测缝计。

   • 原理： 定期对结构表面进行目视检查，记录裂缝、渗水、剥落等情况。对于重要裂缝，使用便携式裂缝观测仪（带刻度放大镜）测量其宽度、长度，或安装固定式测缝计（振弦式或电阻式）进行连续自动化监测。

二、 检测范围与应用领域

监测检测技术的应用贯穿于各类工程活动的全过程。

1. 路基工程： 包括公路、铁路路基。监测重点是路基的工后沉降、不均匀沉降、边坡稳定性。主要监测项目为地表沉降（水准测量）、分层沉降（沉降磁环法）、边坡位移（测斜法、GNSS）和地下水位。

2. 基坑工程： 涉及建筑地下室、地铁站等开挖工程。监测核心是确保基坑自身及周边环境安全。监测项目全面，包括支护桩/墙顶水平位移和沉降、支护结构深层水平位移（测斜）、支撑轴力、锚杆拉力、桩墙内力、基坑外土体深层位移、周边建筑物/管线的沉降与倾斜、地下水位变化等。

3. 自然边坡与挖填方边坡： 包括山体滑坡治理、路堑路堤边坡。监测目的在于预警滑坡和崩塌。关键监测项目为地表位移（GNSS、测量机器人）、深层位移（测斜）、裂缝发展（测缝计）、地下水位（水位计）以及支护结构（如抗滑桩、挡土墙）的受力和位移。

4. 支挡（护）结构物： 如挡土墙、抗滑桩、锚杆挡墙等。监测重点是验证设计假定、评估结构健康状态。主要监测其位移（表面和深层）、结构内力（钢筋计、混凝土应变计）、土压力（土压力盒）以及锚杆/索的预应力损失。

三、 检测标准与规范

监测检测工作必须遵循、行业及地方的相关标准规范，确保数据的准确性、可靠性和可比性。

• 标准：

  • GB 50497《建筑基坑工程监测技术标准》

  • GB 50982《建筑与桥梁结构监测技术规范》

  • GB/T 12897《一、二等水准测量规范》

  • GB 50026《工程测量标准》

  • GB 50330《建筑边坡工程技术规范》（含监测要求）

• 行业标准：

  • JGJ 8《建筑变形测量规范》

  • JTG C30《公路工程地质勘察规范》（含监测内容）

  • JTG/T 3222《公路边坡工程施工技术规范》

  • TB 10012《铁路工程地质勘察规范》

  • SL 764《水利水电工程边坡设计规范》（含监测要求）

• 标准：

  • ASTM D7299《指导边坡监测系统的安装》

  • ISO 18674《岩土工程监测》系列标准

这些标准详细规定了监测等级划分、精度要求、监测点布设原则、监测频率、报警阈值设定以及数据整理与分析的方法。

四、 检测仪器与设备

监测检测依赖于一系列精密仪器设备，按其功能主要分为以下几类：

1. 变形监测仪器：

   • 全站仪/测量机器人： 用于高精度角度和距离测量，实现地表三维坐标的获取和自动化变形监测。

   • GNSS接收机： 用于大范围、长距离的绝对位移监测，提供三维坐标信息。

   • 水准仪（电子/精密）： 用于高精度高程测量，是沉降监测的核心设备。

   • 测斜仪（便携式/固定式）： 用于测量土体或结构的深层水平位移。

   • 静力水准仪： 用于高精度的相对沉降自动化监测。

   • 沉降仪（分层/单点）： 用于测量土层内部不同深度的压缩沉降。

   • 三维激光扫描仪： 用于快速获取监测对象表面的海量三维点云数据，进行整体变形分析。

2. 力学传感器：

   • 振弦式传感器： 包括钢筋计、混凝土应变计、土压力盒、锚索测力计、轴力计等。其特点是性能稳定、抗干扰能力强、适合长距离传输，是工程监测中主流的传感器类型。

   • 光纤光栅传感器： 通过测量光栅中心波长漂移来感知应力、应变和温度变化。具有抗电磁干扰、耐腐蚀、可实现分布式测量和准分布式组网的优势。

   • 电阻应变式传感器： 基于金属电阻应变效应，灵敏度高，但易受温度和长导线电阻影响。

3. 环境量与辅助仪器：

   • 水位计/孔隙水压力计： 用于监测地下水位或孔隙水压力。

   • 测缝计： 用于监测结构裂缝的张开度变化。

   • 倾斜仪/倾角计： 用于测量结构物的倾斜角度。

4. 数据采集与传输系统：

   • 自动采集模块： 用于自动、定时采集各类传感器的数据。

   • 无线传输设备（如GPRS/4G/5G/LoRa模块）： 将现场采集的数据远程传输至监控中心。

   • 监测软件平台： 用于数据存储、管理、可视化、分析、预警和报告生成，是实现智能化监测的核心。

综上所述，路基、基坑、边坡及其支挡结构的监测检测是一个多技术融合的系统工程。通过合理选择监测项目与方法，严格遵循规范标准，并借助先进的仪器设备与数据分析平台，能够有效掌控工程安全状态，为预防和化解风险提供科学依据，终保障人民生命财产安全和工程的顺利进行。