深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

1、深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析                    一、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(kāi)挖的最終狀態(tài)為對(duì)象。然而基坑開(kāi)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

2、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(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)與土相互作用的直觀反映，又是各種突發(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(kāi)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。又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。二、反分析原理大量工程實(shí)踐表明，利用桿系有限

3、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)嶒?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)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)。1、目標(biāo)函數(shù)的建立以基坑開(kāi)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

4、數(shù)一般為：    （1）式中 為支護(hù)結(jié)構(gòu)上測(cè)點(diǎn) 的水平位移的計(jì)算值 為支護(hù)結(jié)構(gòu)上測(cè)點(diǎn) 的水平位移的實(shí)測(cè)值；  表示土體的 值、支撐剛度系數(shù)、樁墻剛度等；  為測(cè)點(diǎn)總數(shù)。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) 的水平位移 可用線性插值法求得，計(jì)算公式為：   （2）式中 ， 分別為測(cè)點(diǎn) 所在單元兩端點(diǎn)的坐標(biāo)；&#

5、160; ， 分別為點(diǎn) 所在單元兩端點(diǎn)的水平位移計(jì)算值；  為測(cè)點(diǎn) 的水平位移；  為測(cè)點(diǎn) 的坐標(biāo)（坐標(biāo)原點(diǎn)為樁墻頂點(diǎn)）。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)常常由于測(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，常求助于拉格朗日插值或樣條函數(shù)插值的方法進(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 （ 為豎向坐標(biāo)），需將 轉(zhuǎn)換為水平位移 ，可用下式進(jìn)行計(jì)算：      （3）式中 是支護(hù)結(jié)構(gòu)底端豎向坐標(biāo)(3)由于環(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)

6、數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。4、優(yōu)化方法使目標(biāo)函數(shù) 極小化是一個(gè)無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題，即 式中 為土體地基反力比例系數(shù)；  為樁墻剛度  為第 道支撐的剛度因?yàn)楹瘮?shù) 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Powell法進(jìn)行求解。三、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：先開(kāi)挖到-2.5m工況：在-2.0m處設(shè)置第一道支撐，并繼續(xù)開(kāi)挖到-6.0m處工況：在-5.0m處設(shè)置第二道支撐，并繼續(xù)開(kāi)挖到坑底在開(kāi)挖前，利用

7、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(kāi)挖作出初始預(yù)報(bào)。在進(jìn)行工況開(kāi)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。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(kāi)挖進(jìn)行預(yù)報(bào)。在進(jìn)行工況開(kāi)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K1進(jìn)行反演，又作為下一次開(kāi)挖預(yù)報(bào)的初值，在進(jìn)行預(yù)報(bào)，以次類(lèi)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)。四、結(jié)論1、在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，土體參數(shù)會(huì)隨開(kāi)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

8、護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)，具有較大的隨意性，依據(jù)初始取值來(lái)預(yù)測(cè)墻體側(cè)向位移是不準(zhǔn)確的。2、參數(shù)優(yōu)化反分析技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)信息資料，可以較準(zhǔn)確的反演各工況下與實(shí)際相符的土體參數(shù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)，通過(guò)上一工況的優(yōu)化反演參數(shù)值對(duì)下一工況作出較準(zhǔn)確的變形預(yù)報(bào)。3、參數(shù)反演及預(yù)測(cè)過(guò)程中，土壓力模式會(huì)隨工況的變化而不斷變化的，如何選取合理的土壓力模式將是有待解決的問(wèn)題。  防止建筑物外墻滲漏的幾項(xiàng)措施一、墻體檢查與處理 1、外墻砌筑要求：砌筑時(shí)避免墻體重縫、透光，砂漿灰縫應(yīng)均勻，墻體與梁柱交接面，應(yīng)清理干凈垃圾余漿，磚砌體應(yīng)濕潤(rùn)，砌筑墻體不可一次到頂，應(yīng)分二至三次砌完，以防砂漿收縮，使墻體充

9、分沉實(shí)，另注意墻體平整度檢測(cè)，以防下道工序批灰過(guò)厚或過(guò)薄。 2、墻體孔洞檢查及處理：批灰前應(yīng)檢查墻體孔洞，封堵如墻身的各種孔洞，不平整處用1：3水泥砂漿找平，如遇太厚處，應(yīng)分層找平，或掛鋼筋網(wǎng)，粘結(jié)布等批灰，另對(duì)腳手架、塔吊、施工電梯的拉結(jié)桿等在外墻留下的洞口應(yīng)清潔潤(rùn)，用素水泥漿掃漿充分，再用干硬性砼分2次各半封堵，先內(nèi)后外，充分搗固密實(shí)，水落管卡子鉆孔向下傾斜3°-5°，卡釘套膨脹膠管刷環(huán)氧樹(shù)脂嵌入，嚴(yán)禁使用木楔?；炷良袅ι系穆輻U孔應(yīng)四周鑿成喇叭口，用膨脹水泥砂漿塞滿，再用聚合物防水漿封口，封堵嚴(yán)密。3、砼外墻修補(bǔ)砼外墻局部出現(xiàn)少量漲模、蜂窩麻面現(xiàn)象，根據(jù)實(shí)際情況采取

10、如下方法對(duì)砼表面進(jìn)行修補(bǔ)：漲模修補(bǔ)，首先將不符設(shè)計(jì)和規(guī)范要求的凸出砼部分鑿除，并清理干凈，其次用鋼絲刷或加壓 水洗刷基層，然后用1：2或1：2.5水泥砂漿找平，最后灑水養(yǎng)護(hù)十四天。蜂窩修補(bǔ)（所有發(fā)現(xiàn)的蜂窩麻面均面積較小無(wú)深孔現(xiàn)象），首先對(duì)砼面上的松動(dòng)的石子、砼屑鑿去，并清理干凈。其次在修補(bǔ)前應(yīng)先澆水沖洗待修補(bǔ)的砼面上的灰塵，保持修補(bǔ)基面的濕潤(rùn)，然后用1：2或1：2.5的水砂漿找平，最后灑水養(yǎng)護(hù)十四天。 二、確保找平層的施工質(zhì)量 1、找平層抹灰前的工作應(yīng)注意砌體批灰前表面的濕潤(rùn)，噴灑水充分，砌體部分與混凝土部分交接處的外墻面在抹灰前要用200寬16#鋼絲網(wǎng)片覆蓋并加以固定，以抵抗因不同材料的膨脹

11、系數(shù)不同而引起的開(kāi)裂。對(duì)混凝土墻面的浮漿、殘留的模板木屑，露出的鋼筋、鐵絲一定要清理干凈，以利抹灰砂漿與基層粘結(jié)牢固。 2、找平層抹灰時(shí)應(yīng)注意：砂漿應(yīng)嚴(yán)格按配比進(jìn)行，嚴(yán)格計(jì)量，控制水灰比，嚴(yán)禁施工過(guò)程中隨意摻水；對(duì)抹灰砂漿應(yīng)分層抹灰，尤其是高層建筑，局部外墻抹灰較厚，這就需要進(jìn)行分層批灰，每層抹灰厚度不應(yīng)超過(guò)2，如厚度過(guò)大，在分層處應(yīng)設(shè)鋼絲網(wǎng)；批灰砂漿可用聚合物防水砂漿；外墻抹灰腳手架拉接筋等，應(yīng)切割后，喇叭口抹實(shí)壓平，定漿后，可用鐵抹子切成反搓，然后再刷一道素水泥漿。 三、確保外墻面磚的施工質(zhì)量 1、鑲貼面磚前應(yīng)先檢查找平層有無(wú)空鼓、起殼、裂縫和不平整，如有應(yīng)即時(shí)修補(bǔ)合格，然后用純水泥漿（摻

12、10%107 膠）在找平層上滿刷一遍并進(jìn)行拉毛處理。 2、面磚應(yīng)符合產(chǎn)品質(zhì)量要求，鑲貼前應(yīng)對(duì)面磚顏色均勻否，平整翹角邊否進(jìn)行精選，面磚應(yīng)提前1至2小時(shí)候浸入水池，用時(shí)晾干表面浮水。 3、面磚可用1：1水坭細(xì)砂漿鑲貼，鑲貼時(shí)先在面磚背面刮一層7厚摻107膠薄漿，以彌補(bǔ)不平和增強(qiáng)粘結(jié)力，面磚鑲貼時(shí)應(yīng)壓緊搓擠到位，擠漿使窄縫飽滿，余漿及時(shí)清除。 4、面磚粘貼完畢后及時(shí)勾縫，勾縫宜用1：1聚合物防水砂漿，以減弱水泥砂漿的脆性，一般縫道設(shè)置寬度約為8，勾縫順序須水平和垂直縫同時(shí)進(jìn)行，防止出現(xiàn)過(guò)多頭，縫的形式為凹縫，略低于面磚2至3 mm。勾縫完畢后，進(jìn)行檢查無(wú)漏勾或其它疵病后，用棉絲將面磚表面揩擦干凈。

13、最后進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)若干天。 5、為防止面磚及粘結(jié)層開(kāi)裂造成墻面滲漏，可在每層樓板邊梁上、下留設(shè)2道水平分格縫，使面磚粘結(jié)層分離。分格縫應(yīng)清理干凈并在拆除外腳手架前填入耐候膠，膠面與瓷磚面平。陰角部位也采用耐候膠封閉。 四、確保門(mén)窗施工質(zhì)量 在進(jìn)行門(mén)窗安裝前需對(duì)門(mén)窗洞尺寸進(jìn)行檢查，對(duì)尺寸偏差較大的要進(jìn)行處理，以免因窗框周邊縫過(guò)大或過(guò)小影響塞縫質(zhì)量，一般要求框邊與洞口間縫寬約20。安裝必須按規(guī)范，橫平豎直，進(jìn)行固定，并做好隱蔽工程驗(yàn)收。窗框固定好后，經(jīng)用聚合物防水砂漿對(duì)窗框周邊進(jìn)行塞縫，塞縫前先刷一道水泥防水砂漿以利于砂漿粘結(jié)，塞縫要壓實(shí)、飽滿，絕不能有透光現(xiàn)象出現(xiàn)，檢查確認(rèn)塞縫質(zhì)量后方可繼續(xù)進(jìn)行窗

14、框周邊抹灰施工。水泥砂漿粉飾的窗套天盤(pán)必須做好滴水線。水泥砂漿括糙后面磚貼面的天盤(pán)外口必須比里口低。門(mén)窗安裝、粉飾成型后，要進(jìn)行產(chǎn)品保護(hù)，門(mén)窗不能被破壞。 五、確保屋面施工質(zhì)量 屋面與外墻面聯(lián)系緊密，屋面節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和施工至關(guān)重要。屋面工程技術(shù)規(guī)范及屋面工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范GB50207-2002明確要求應(yīng)做好一頭（防水層的收頭），二縫（變形縫，分格縫），三口（水落口、出入口、檐口）和四根（女兒墻根、設(shè)備根、管道根、煙囪根）等泛水部位的細(xì)部構(gòu)造處理。對(duì)于解決屋面節(jié)點(diǎn)滲漏水問(wèn)題，從設(shè)計(jì)上，要求設(shè)計(jì)人員對(duì)這些部位強(qiáng)化處理，詳細(xì)出圖。充分考慮結(jié)構(gòu)變形、溫差變形、干縮變形、振動(dòng)等影響，采用節(jié)點(diǎn)密封、防排結(jié)合、

15、剛?cè)峄パa(bǔ)、多道設(shè)防等做法滿足基層變形的需要。從施工上，施工前應(yīng)制定屋面防水施工專(zhuān)項(xiàng)方案，對(duì)施工人員要詳細(xì)交底，讓他們對(duì)操作要點(diǎn)做到心中有數(shù)，以確保節(jié)點(diǎn)防水的可靠性。 六、外墻滲漏檢驗(yàn)措施 采用連續(xù)淋水法，可用20的水管，采用3kpa壓力水，在建筑物頂層連續(xù)淋水6h，觀察內(nèi)墻面和窗邊四周有無(wú)滲水痕跡。 關(guān)于防火分隔、耐火極限若干問(wèn)題的思考       現(xiàn)行建筑工程消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)建筑構(gòu)件的耐火極限有著詳細(xì)的規(guī)定。但在現(xiàn)實(shí)中，建筑構(gòu)件在火災(zāi)中超過(guò)其耐火極限而使火災(zāi)蔓延擴(kuò)大，甚至造成建筑坍塌的現(xiàn)象卻時(shí)有發(fā)生。2003年衡陽(yáng)市“11.3”商

16、居樓特大火災(zāi)坍塌事故，就是因?yàn)榻ㄖ兄貥?gòu)件在火災(zāi)超過(guò)了耐火極限；1996年沈陽(yáng)商業(yè)城特大火災(zāi)事故中，防火卷簾沒(méi)能正常發(fā)揮防火分隔作用，則是火災(zāi)損失擴(kuò)大的一個(gè)重要原因。但遺憾的是這些問(wèn)題卻沒(méi)有得到人們足夠的重視。筆者根據(jù)多年來(lái)的工作實(shí)踐及學(xué)習(xí)體會(huì)，償試在規(guī)范的層面對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行討論，并提出建設(shè)性意見(jiàn)，以期引起同行的討論，使防火分隔的規(guī)定更趨近科學(xué)、合理。一、現(xiàn)行規(guī)范對(duì)防火分隔規(guī)定的缺欠1、沒(méi)有考慮防火分隔作用的可靠性、防火分隔在火場(chǎng)中承受轟燃產(chǎn)生的沖擊作用和起到的防煙作用。高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范第5.44條規(guī)定：“在設(shè)置防火墻確有困難的場(chǎng)所，可采用防火卷簾作防火分隔。當(dāng)采用包括背火面溫升作耐火

17、極限判定條件的防火卷簾時(shí)，其耐火極限不低于3小時(shí)；當(dāng)采用不包括背火面溫升作耐火極限判定條件的防火卷簾時(shí)，其卷簾兩側(cè)應(yīng)設(shè)獨(dú)立的閉式自動(dòng)噴水系統(tǒng)保護(hù)，系統(tǒng)噴水延續(xù)時(shí)間不應(yīng)小于3小時(shí)”。在高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范的其他部分和建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范中對(duì)防火分隔也有類(lèi)似的規(guī)定。顯然規(guī)范在規(guī)定用其他設(shè)施代替防火墻的防火分隔作用時(shí)，只考慮了防火分隔的耐火極限要求，而忽視了可靠性要求和在火場(chǎng)中承受轟燃的沖擊作用和起到的防煙作用要求,實(shí)際上是降低了防火分隔的要求。首先，防火墻做為防火分隔措施其可靠性是一項(xiàng)重要的性能要求。防火墻作為防火分隔設(shè)施有很高的可靠性，但現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定可以代替防火墻的卷簾、水幕、門(mén)、窗除了固定式防

18、火窗外其可靠性都是很低的，至少與防火墻相比是很低的。不用說(shuō)這些防火分隔設(shè)施由于本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜而不可避免的故障發(fā)生率，即使是不考慮設(shè)施本身的故障發(fā)生率，就是人為管理使用的失誤因素也是根本無(wú)法完全避免的。其次，防火分隔設(shè)施在火場(chǎng)中要起到防火分隔的作用，需要承受的不僅僅是熱輻射和熱對(duì)流的作用，還有轟燃時(shí)熱氣流沖擊的機(jī)械力的作用，否則它就起不到防火分隔的作用，而轟燃是絕大多數(shù)室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展的一個(gè)必經(jīng)的過(guò)程。再次，防火分隔在火場(chǎng)中的作用不僅是起到阻擋火勢(shì)的蔓延，還有阻止煙氣的蔓延作用，而且還是防火分隔的一個(gè)重要作用。而防火卷簾、防火水幕在防火煙能力上無(wú)論是在能力上，還是在可靠性上，都比防火墻低得多。2、把

19、承重構(gòu)件的耐火極限規(guī)定的比非承重防火墻的耐火極限低,規(guī)定防火墻的耐火極限時(shí)不考慮承重的影響，忽視了火災(zāi)中的建筑結(jié)構(gòu)安全。建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范第條規(guī)定：一、二、三級(jí)耐火等級(jí)建筑的防火墻的耐火極限為4小時(shí)；一級(jí)耐火等級(jí)建筑的承重墻耐火極限為3小時(shí)、支撐多層的柱耐火極限為3小時(shí)、支撐單層的柱耐火極限為2.5小時(shí)；二級(jí)耐火等級(jí)建筑的承重墻耐火極限為2.5小時(shí)，支撐多層的柱耐火極限為2.5小時(shí)、支撐單層的柱耐火極限為2小時(shí)，高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范中也有類(lèi)似的規(guī)定。首先，這里對(duì)防火墻耐火極限的要求比承重墻、甚至比承重多層的柱還高，顯然是不合理的。忽視了建筑物對(duì)防火分隔作用的需要是以建筑物結(jié)構(gòu)安全為前提的，試想建筑物要是坍塌了，防火分隔還有意義么？其次，規(guī)定防火墻的耐火極限時(shí)不考慮承重因素的影響，顯然是不符合實(shí)際情況的，也使規(guī)范在這方面的規(guī)定自相矛盾。因?yàn)閺慕ㄖO(shè)計(jì)防火規(guī)范和高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范的附錄中也可以看出，同樣的建筑構(gòu)件由于承重，而使其耐火極限降低,并且對(duì)承重構(gòu)件規(guī)定了比非承重構(gòu)件高的耐火極限。二、對(duì)改進(jìn)防火分隔規(guī)定的建議1、根據(jù)防火分隔的耐火