深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形預(yù)報(bào)5

1、深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形預(yù)報(bào)1、前言傳統(tǒng)的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)方法是按照墻體受力強(qiáng)度及整體穩(wěn)定性進(jìn)行設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)過(guò)程是以開挖的最終狀態(tài)為對(duì)象。 然而基坑開挖過(guò)程往往會(huì)引起 支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形以及土體的變形， 發(fā)生種種意外變化，乃至影響工程安全 和環(huán)境安全，絕非傳統(tǒng)的方法能事先控制或事后處置的。 因此，以變形大小作為 控制手段的設(shè)計(jì)方法正受到人們的普遍重視，因?yàn)橹ёo(hù)結(jié)構(gòu)的變形量是基坑開挖 過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)與土相互作用的直觀反映， 乂是各種突發(fā)事件發(fā)生的先兆，如果 能事先預(yù)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量，對(duì)保證基坑安全施工具有重要的意義。本文利用深基坑支護(hù)開挖過(guò)程中所獲工況的監(jiān)測(cè)信息，采用優(yōu)化反分析來(lái)反 演土體及

2、支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)，然后通過(guò)桿系有限元計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)下一工況的樁墻變 形量、內(nèi)力及支撐力。乂采集下一施工階段的相應(yīng)信息，進(jìn)行參數(shù)反演，計(jì)算預(yù) 測(cè)下一工況的樁墻變形量等，如此反復(fù)循環(huán)。這樣通過(guò)分析預(yù)測(cè)指導(dǎo)施工，通過(guò) 施工信息反饋修改設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)及施工逼近實(shí)際。2、反分析原理大量工程實(shí)踐表明，利用桿系有限元方法模擬和計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形 時(shí)，土體的“ m值、支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度、支撐剛度及土壓力分布模型的選取對(duì)支 護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形計(jì)算結(jié)果影響很大。 而目前工程上的取值往往是憑經(jīng)驗(yàn)或?qū)?驗(yàn)所得，具有較大的隨意性。如果利用已完成的工況量測(cè)信息反分析土體的m值及支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度、支撐剛度，通過(guò)確定的土體參數(shù)來(lái)預(yù)

3、測(cè)下一工況的墻體變 形量、內(nèi)力及支撐力，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)，用以指導(dǎo)工程實(shí)踐。反分析原理是以每一工況位移量測(cè)信息為基礎(chǔ)， 選擇土體力學(xué)模型及相應(yīng)的 邊界條件，然后建立目標(biāo)函數(shù)，利用優(yōu)化方法來(lái)搜索與實(shí)測(cè)值逼近的土體參數(shù)及 支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)。2.1目標(biāo)函數(shù)的建立以基坑開挖的每一工況量測(cè)信息為基礎(chǔ)的反分析方法目標(biāo)函數(shù)一般為：/5) = 2(的(工)* )2(1)式中uci (x)為支護(hù)結(jié)構(gòu)上測(cè)點(diǎn)i的水平位移的計(jì)算值uti為支護(hù)結(jié)構(gòu)上測(cè) 點(diǎn)i的水平位移的實(shí)測(cè)值；x表小土體的m值、支撐剛度系數(shù)、樁墻剛度等；n為測(cè)點(diǎn)總數(shù)。2.2墻體任意處位移計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移計(jì)算采用彈性地基梁有限元法，計(jì)算的最終結(jié)果

4、是單元節(jié)點(diǎn) 處的內(nèi)力及變形，而實(shí)測(cè)點(diǎn)的位置可能不在節(jié)點(diǎn)處，為了反映施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)響 應(yīng)，以及目標(biāo)函數(shù)值的求解，需要給出量測(cè)點(diǎn)任意位置設(shè)置和任意施工階段的量 測(cè)信息增量，則任一單元上測(cè)點(diǎn)i的水平位移UG可用線性插值法求得，計(jì)算公 式為：UCj = ucx + L 3隹 的)列一而(2)式中Xi,X2分別為測(cè)點(diǎn)i所在單元兩端點(diǎn)的坐標(biāo)；uci、UC2分別為點(diǎn)i所在單元兩端點(diǎn)的水平位移計(jì)算值；uCi為測(cè)點(diǎn)i的水平位移；Xi為測(cè)點(diǎn)i的坐標(biāo)(坐標(biāo)原點(diǎn)為樁墻頂點(diǎn))。2.3量測(cè)數(shù)據(jù)處理(1) 來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的量測(cè)數(shù)據(jù)常常由丁測(cè)點(diǎn)設(shè)置過(guò)大或測(cè)點(diǎn)受到破壞而引起量 測(cè)點(diǎn)數(shù)不夠充足，常求助丁拉格朗日插值或樣條函數(shù)插值的方法

5、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。(2) 當(dāng)量測(cè)信息是支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平傾角 9 (x)(x為豎向坐標(biāo))，需將9 (x) 轉(zhuǎn)換為水平位移u(x),可用下式進(jìn)行計(jì)算：血""(3)式中a是支護(hù)結(jié)構(gòu)底端豎向坐標(biāo)(3) 由丁環(huán)境及人為讀數(shù)引起的誤差在實(shí)際量測(cè)過(guò)程中無(wú)法避免的，為了消除這種誤差對(duì)反分析結(jié)果的精度影響，必須對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。2.4優(yōu)化方法t /w=s r zt 人八使目標(biāo)函數(shù)勺極小化是一個(gè)無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題，即min ?(m,El,Ki)式中m為土體地基反力比例系數(shù)；El為樁墻剛度；K為第i道 支撐的剛度。因?yàn)楹瘮?shù)？(x)的導(dǎo)數(shù)無(wú)法求得，所以采用無(wú)導(dǎo)數(shù)搜索法進(jìn)行最優(yōu)值的求解，本文采用Powe

6、ll法進(jìn)行求解。3、變形預(yù)報(bào)原理變形預(yù)報(bào)原理在反分析土體參數(shù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)后， 以這些信息作為 已知信息，然后作正分析，相應(yīng)求得個(gè)施工過(guò)程支護(hù)結(jié)構(gòu)變形量， 下面以某一深 基坑圍護(hù)工程的三個(gè)工況來(lái)闡明變形預(yù)報(bào)過(guò)程。工況I :先開挖到-2.5m工況皿：在-2.0m處設(shè)置第一道支撐，并繼續(xù)開挖到-6.0m處工況用：在-5.0m處設(shè)置第二道支撐，并繼續(xù)開挖到坑底在開挖前，利用經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)得出土體的參數(shù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)值，選取土的力學(xué)計(jì)算模型，對(duì)第一次開挖作出初始預(yù)報(bào)。在進(jìn)行工況I開挖時(shí)，相應(yīng)地進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這時(shí)預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值肯定有較大誤 差，利用反分析，反演得到與實(shí)際相符的土體參數(shù)值及樁墻剛度EI值

7、。以反演得到的土體參數(shù)值及樁墻剛度EI值作為初值再對(duì)第二次開挖進(jìn)行預(yù)報(bào)。在進(jìn)行工況皿開挖時(shí)，同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)土體參數(shù)、第一道支撐剛度Ki進(jìn)行反演，乂作為下一次開挖預(yù)報(bào)的初值，在進(jìn)行預(yù)報(bào)，以次類推，這樣，能模 擬整個(gè)施工過(guò)程，真實(shí)地反映支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形的變化過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)施工設(shè)計(jì)。4、工程應(yīng)用上?；春Ｖ新纺成剔k樓由一幢 34層主樓和4層裙房組成，地面以下為三層地下 室，基坑面積為4322僑，開挖深度14.2m ,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚1000mm的地下連續(xù) 墻，墻深29m,設(shè)三道水平支撐，第一道支撐離墻頂2.5m,第二道支撐離墻頂7.5m, 第三道支撐離墻頂11.0m, 土的物理性質(zhì)如表1。表1

8、 土的物理性質(zhì)土的物理性質(zhì) 編虧名稱容重(kN/m)內(nèi)摩擦角 cr)粘聚力C (kPa)匚填土二18 . 021 . 00 . 0粉質(zhì)粘土18 . 011 . 014 . 0淤泥粉質(zhì)粘 土18 . 014 . 013 . 0淤泥質(zhì)粘土18 . 011 . 014 . 0質(zhì)粘土18 . 020 . 016 . 0表2反演確定的參數(shù)值工況m(kN/m)EI(kNm2)K(kN/m)K(kN/m)工況U2400.52.8754e+061.1537e+05工況m2555.92.8754e+061.1537e+056.9168e+04工程地處繁華市區(qū)，周圍分布有重要建筑及電纜、煤氣管和水管等多根管線。

9、挖土和施工工況為：工況I :開挖-2.6m處工況皿：架設(shè)第一道支撐，開挖到 -7.8m處工況用：架設(shè)第二道支撐，開挖到 -11.4m處工況IV:架設(shè)第三道支撐，開挖到坑底-14.2m處cm o n ns i n 15 in圖1實(shí)測(cè)位移與預(yù)報(bào)位移對(duì)比圖基坑開挖時(shí)對(duì)變形預(yù)報(bào)的方法為以工況皿的量測(cè)信息為基礎(chǔ)，反演土體參數(shù)m值、支護(hù)剛度EI值、第一道支撐剛度K 1值等。根據(jù)反演出的參數(shù)來(lái)預(yù)報(bào)工 況用的墻體變形量。乂以同樣的方法，依據(jù)工況用的量測(cè)信息，反演土體參數(shù)m值及第二道支撐剛度K 2值（支護(hù)剛度EI值，第一道支撐剛度K 1值由上一工 況反演得出），據(jù)此預(yù)報(bào)工況W的墻體變形量。反演確定的參數(shù)值如表2

10、:工況用與工況W的實(shí)測(cè)位移與預(yù)報(bào)位移對(duì)比見圖 1。其中曲線1 （帶。點(diǎn)） 為采用初始土體參數(shù)及墻體剛度 EI、支撐剛度K計(jì)算得到的墻體位移分布曲線； 曲線2 （帶點(diǎn)）是利用工況皿的實(shí)測(cè)墻體側(cè)向位移，反演得到土體的m值及墻體剛度EI、支撐剛度K 1后算得的墻體側(cè)向位移預(yù)測(cè)值；曲線 3 （帶點(diǎn)）是 利用工況用的實(shí)測(cè)墻體側(cè)向位移，反演得到土體的 m值和支撐剛度&后算得的 墻體側(cè)向位移預(yù)測(cè)值；曲線4 （一線）是不同工況的位移實(shí)測(cè)值?？梢?，土體的地基反力比例系數(shù) m值是隨開挖過(guò)程而不斷變化的，應(yīng)用反演 方法可以較準(zhǔn)確的反演不同工況下的 m值、墻體剛度及支撐剛度，同時(shí)能以上一 工況的開挖信息，較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)下一步工況的墻體變形。5、結(jié)論cm B O.S ID 1 .5 2D1. 在基坑開挖過(guò)程中，土體參數(shù)會(huì)隨開挖過(guò)程而不斷變化的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)確定的土體參數(shù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)， 具有較大的隨意性，依