论文部分内容阅读
[摘 要]在基坑开挖过程中，深部土体的水平位移监测是一项十分重要的作业。微机电体系（Micro-electro-mechanicalSystems，简称MEMS）的概念于上世纪五十年代就被提出，但直到近期才被应用于岩土工程的监测范畴。通过室内模型试验，选用由加拿大Measurand公司开发和出产的根据MEMS技能的阵列式位移传感器（ShapeAccelArray，简称SAA），能够精确地得到基坑内部陈列式位移传感器（SAA）上恣意一点的水平位移。探讨了根据MEMS的准分布式阵列式位移传感器的基本原理，提出了一种基坑水平位移监测的新方法。
[关键词]mems技术；基坑变形；监测实验；研究
中图分类号：TU753 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）35-0293-01
导言
随着经济社会的发展，城市高层建筑、地铁、重大市政工程等越来越多，人们对地下空间的利用更加深入和广泛，深基坑工程的安全性越来越受到重视。但由于工程自身性质以及周边环境条件的复杂性，深基坑工程会受到各种不确定和突发因素影响，工程设计人员对于深基坑结构的支撑与维护设计往往不能够完全满足工程安全的考量，因此在深基坑施工过程中要辅以工程安全监测手段，一方面可以为施工安全提供预警保障，另一方面可以利用反分析的方法更加深入地了解基坑工程的工程性质，为科学、经济、快速施工提供依据。
1 MEMS技术
微机电系统（Micro-electro-mechanicalSystems，简称MEMS）是由微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，涉及电子工程、机械工程、材料工程、物理学、化学以及生物医学等学科与技术。目前对于MEMS的定义尚未形成统一认识，各种不同的名词强调了不同的方面，在一定程度上反映了其研究范围和侧重点。这里所指的微机电系统是一个广义的概念，是指把微电子和微机械集成在一起，可以批量制作，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通讯和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS的研究目标在于通过微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新的科学技术领域和产业。
基于MEMS技术的SAA是由连续多节刚性段组成的线性体，每节刚性段之间通过柔性连接段互相连接，从而保证了SAA每节刚性段可以在两个自由度内自由移动，可以弯曲且最多可以弯曲90°，但并不能拉伸和压缩。Measurand公司生产的SAA有多种型号，本文所采用的是SAA305，为一组包含八节刚性段的组合，每一组包括一个用于数据处理的微处理器和一个用于温度补偿的温度传感器，每一节刚性段中都包含一个三轴加速度计，可以测量三个方向的加速度，从而感知自身姿态。
2 试验结果分析
试验中，由于模型箱高度以及PVC管长度皆为1.5m，因此取阵列式位移计前五节的数据。为了更加直观和清晰地观察和分析基坑分级开挖和加载的位移变化情况，通过SAA测量的每次开挖土体稳定后的数据，并将每一级的多个数据做平均，做出基坑分级开挖和逐级加载的位移与深度变化曲线，如图6所示。从图6中可以看出，在基坑开挖20cm、40cm深度时，基坑内部水平位移变形很小，说明基坑的浅部开挖对周边土体并没有太大影响；当基坑开挖达到60cm时，坡顶位移变形达到了0.5mm。随着基坑开挖深度的增加，基坑水平位移有了较大的增长；开挖深度从60cm到80cm、80cm到100cm期间，基坑边坡的变形值增大趋势较为明显，最终坡顶水平位移达到了2.2mm（图6中上部为坡顶，下部为坡底）。开挖结束后，基坑开始加载，荷载为7MPa时，基坑边坡位移变形坡顶部位增大了约0.2mm，当荷载增大到8MPa时，位移变形出现明显增幅，加载到9MPa和10MPa时，位移变形变小。
2.1 基坑变形的机理
基坑开挖及加载通过改变基坑外围土体的原始应力状态而引起土体移动，从而使PVC管发生变形。基坑开始开挖后，原始稳定状态被打破，PVC管开始受力并发生持续变形。在基坑内侧卸去原有的土压力时，在坑底上部的PVC管受到主动土压力，而在坑底以下的PVC管则受到全部或部分的被动土压力的影响。主动压力区的土体向坑内水平位移，使背后土体水平应力减小，以致剪力增大，出现塑性区，而在基坑开挖面以下的被动压力区的土体向坑内水平位移，使坑底土体加大水平向应力，以致坑底土体增大剪应力而发生水平向挤压，也向坑内发生水平位移（图1）。
2.2 基坑变形的规律
基坑围护结构的变形形状同围护结构的形式、刚度、施工方法等都有着密切关系。CloughandO’Rourke（1990）将内支撑和锚拉系统的开挖所导致的围护结构变形形式归为三类，第一类为悬臂式位移；第二类为抛物线形位移；第三类为上述两种形态的组合。
本次基坑模型试验中，未设支撑。由图6可知，在前四级开挖过程中，基坑模型土体的水平位移大致為抛物线形，位移最大值大致出现在距离底部0.9m处，在此过程中，基坑土体基本处于弹性变形状态，土体的压密为主要的变形因素；在开挖第五级以及加载7MPa、8MPa的过程中，基坑土体开始出现倾覆的趋势，土体处于弹塑性变形阶段；在加载9MPa、10MPa过程中，位移变化很小，分析是由于土体发生了整体剪切破坏，导致SAA无法准确测量基坑的位移变化。通过试验中对模型箱土体的观察发现，在土体表面出现了一条横贯土体表面的連续裂缝，如图2所示，从而验证了关于土体发生整体剪切破坏的分析。
3 结语
通过室内模型试验，利用基于MEMS技术的阵列式位移传感器（SAA）监测基坑模型在开挖与加载过程中土体的位移情况，得出如下结论。
（1）将基于MEMS技术的阵列式位移计应用于基坑变形监测，在施工工艺上简单，方法上可行。通过加速度计感测得到角度变化从而转化为基坑内部自上而下的位移变化，空间分辨率即为SAA每一节刚性段的长度，实现了对基坑水平位移的准分布式监测，相对于传统监测手段更加方便、快捷、高效。
（2）将SAA测量值与百分表结果作对比表明，SAA精度完全满足岩土工程监测的要求，且测量过程中变形效果显示得更加直观。
（3）作为一种新型的传感技术，基于MEMS技术的SAA还有诸多需要改进和解决的问题，例如SAA与外部套管之间以及套管与监测土体耦合的问题，感测水平面上横向变形的问题等，都需要进一步的研究和解决。
参考文献
[1] 李宏远.浅析基坑支护与基坑安全[J].建筑知识.
[2] 李新革.基于房屋建筑施工过程浅究钻孔灌注桩技术的重要性[J].建筑知识.
[关键词]mems技术；基坑变形；监测实验；研究
中图分类号：TU753 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）35-0293-01
导言
随着经济社会的发展，城市高层建筑、地铁、重大市政工程等越来越多，人们对地下空间的利用更加深入和广泛，深基坑工程的安全性越来越受到重视。但由于工程自身性质以及周边环境条件的复杂性，深基坑工程会受到各种不确定和突发因素影响，工程设计人员对于深基坑结构的支撑与维护设计往往不能够完全满足工程安全的考量，因此在深基坑施工过程中要辅以工程安全监测手段，一方面可以为施工安全提供预警保障，另一方面可以利用反分析的方法更加深入地了解基坑工程的工程性质，为科学、经济、快速施工提供依据。
1 MEMS技术
微机电系统（Micro-electro-mechanicalSystems，简称MEMS）是由微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，涉及电子工程、机械工程、材料工程、物理学、化学以及生物医学等学科与技术。目前对于MEMS的定义尚未形成统一认识，各种不同的名词强调了不同的方面，在一定程度上反映了其研究范围和侧重点。这里所指的微机电系统是一个广义的概念，是指把微电子和微机械集成在一起，可以批量制作，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通讯和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS的研究目标在于通过微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新的科学技术领域和产业。
基于MEMS技术的SAA是由连续多节刚性段组成的线性体，每节刚性段之间通过柔性连接段互相连接，从而保证了SAA每节刚性段可以在两个自由度内自由移动，可以弯曲且最多可以弯曲90°，但并不能拉伸和压缩。Measurand公司生产的SAA有多种型号，本文所采用的是SAA305，为一组包含八节刚性段的组合，每一组包括一个用于数据处理的微处理器和一个用于温度补偿的温度传感器，每一节刚性段中都包含一个三轴加速度计，可以测量三个方向的加速度，从而感知自身姿态。
2 试验结果分析
试验中，由于模型箱高度以及PVC管长度皆为1.5m，因此取阵列式位移计前五节的数据。为了更加直观和清晰地观察和分析基坑分级开挖和加载的位移变化情况，通过SAA测量的每次开挖土体稳定后的数据，并将每一级的多个数据做平均，做出基坑分级开挖和逐级加载的位移与深度变化曲线，如图6所示。从图6中可以看出，在基坑开挖20cm、40cm深度时，基坑内部水平位移变形很小，说明基坑的浅部开挖对周边土体并没有太大影响；当基坑开挖达到60cm时，坡顶位移变形达到了0.5mm。随着基坑开挖深度的增加，基坑水平位移有了较大的增长；开挖深度从60cm到80cm、80cm到100cm期间，基坑边坡的变形值增大趋势较为明显，最终坡顶水平位移达到了2.2mm（图6中上部为坡顶，下部为坡底）。开挖结束后，基坑开始加载，荷载为7MPa时，基坑边坡位移变形坡顶部位增大了约0.2mm，当荷载增大到8MPa时，位移变形出现明显增幅，加载到9MPa和10MPa时，位移变形变小。
2.1 基坑变形的机理
基坑开挖及加载通过改变基坑外围土体的原始应力状态而引起土体移动，从而使PVC管发生变形。基坑开始开挖后，原始稳定状态被打破，PVC管开始受力并发生持续变形。在基坑内侧卸去原有的土压力时，在坑底上部的PVC管受到主动土压力，而在坑底以下的PVC管则受到全部或部分的被动土压力的影响。主动压力区的土体向坑内水平位移，使背后土体水平应力减小，以致剪力增大，出现塑性区，而在基坑开挖面以下的被动压力区的土体向坑内水平位移，使坑底土体加大水平向应力，以致坑底土体增大剪应力而发生水平向挤压，也向坑内发生水平位移（图1）。
2.2 基坑变形的规律
基坑围护结构的变形形状同围护结构的形式、刚度、施工方法等都有着密切关系。CloughandO’Rourke（1990）将内支撑和锚拉系统的开挖所导致的围护结构变形形式归为三类，第一类为悬臂式位移；第二类为抛物线形位移；第三类为上述两种形态的组合。
本次基坑模型试验中，未设支撑。由图6可知，在前四级开挖过程中，基坑模型土体的水平位移大致為抛物线形，位移最大值大致出现在距离底部0.9m处，在此过程中，基坑土体基本处于弹性变形状态，土体的压密为主要的变形因素；在开挖第五级以及加载7MPa、8MPa的过程中，基坑土体开始出现倾覆的趋势，土体处于弹塑性变形阶段；在加载9MPa、10MPa过程中，位移变化很小，分析是由于土体发生了整体剪切破坏，导致SAA无法准确测量基坑的位移变化。通过试验中对模型箱土体的观察发现，在土体表面出现了一条横贯土体表面的連续裂缝，如图2所示，从而验证了关于土体发生整体剪切破坏的分析。
3 结语
通过室内模型试验，利用基于MEMS技术的阵列式位移传感器（SAA）监测基坑模型在开挖与加载过程中土体的位移情况，得出如下结论。
（1）将基于MEMS技术的阵列式位移计应用于基坑变形监测，在施工工艺上简单，方法上可行。通过加速度计感测得到角度变化从而转化为基坑内部自上而下的位移变化，空间分辨率即为SAA每一节刚性段的长度，实现了对基坑水平位移的准分布式监测，相对于传统监测手段更加方便、快捷、高效。
（2）将SAA测量值与百分表结果作对比表明，SAA精度完全满足岩土工程监测的要求，且测量过程中变形效果显示得更加直观。
（3）作为一种新型的传感技术，基于MEMS技术的SAA还有诸多需要改进和解决的问题，例如SAA与外部套管之间以及套管与监测土体耦合的问题，感测水平面上横向变形的问题等，都需要进一步的研究和解决。
参考文献
[1] 李宏远.浅析基坑支护与基坑安全[J].建筑知识.
[2] 李新革.基于房屋建筑施工过程浅究钻孔灌注桩技术的重要性[J].建筑知识.