深基坑支護結(jié)構(gòu)變形預(yù)報5

1、深基坑支護結(jié)構(gòu)變形預(yù)報1、前言傳統(tǒng)的基坑支護結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計方法是按照墻體受力強度及整體穩(wěn)定性進行設(shè)計的，設(shè)計過程是以開挖的最終狀態(tài)為對象。 然而基坑開挖過程往往會引起 支護結(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)計方法正受到人們的普遍重視，因為支護結(jié)構(gòu)的變形量是基坑開挖 過程中支護結(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)測支護結(jié)構(gòu)的變形量，對保證基坑安全施工具有重要的意義。本文利用深基坑支護開挖過程中所獲工況的監(jiān)測信息，采用優(yōu)化反分析來反 演土體及

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

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

4、是單元節(jié)點 處的內(nèi)力及變形，而實測點的位置可能不在節(jié)點處，為了反映施工過程的動態(tài)響 應(yīng)，以及目標函數(shù)值的求解，需要給出量測點任意位置設(shè)置和任意施工階段的量 測信息增量，則任一單元上測點i的水平位移UG可用線性插值法求得，計算公 式為：UCj = ucx + L 3隹 的)列一而(2)式中Xi,X2分別為測點i所在單元兩端點的坐標；uci、UC2分別為點i所在單元兩端點的水平位移計算值；uCi為測點i的水平位移；Xi為測點i的坐標(坐標原點為樁墻頂點)。2.3量測數(shù)據(jù)處理(1) 來自現(xiàn)場的量測數(shù)據(jù)常常由丁測點設(shè)置過大或測點受到破壞而引起量 測點數(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、進行數(shù)據(jù)處理。(2) 當量測信息是支護結(jié)構(gòu)的水平傾角 9 (x)(x為豎向坐標)，需將9 (x) 轉(zhuǎn)換為水平位移u(x),可用下式進行計算：血""(3)式中a是支護結(jié)構(gòu)底端豎向坐標(3) 由丁環(huán)境及人為讀數(shù)引起的誤差在實際量測過程中無法避免的，為了消除這種誤差對反分析結(jié)果的精度影響，必須對量測數(shù)據(jù)進行平滑處理。2.4優(yōu)化方法t /w=s r zt 人八使目標函數(shù)勺極小化是一個無約束優(yōu)化問題，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。因為函數(shù)？(x)的導(dǎo)數(shù)無法求得，所以采用無導(dǎo)數(shù)搜索法進行最優(yōu)值的求解，本文采用Powe

6、ll法進行求解。3、變形預(yù)報原理變形預(yù)報原理在反分析土體參數(shù)及支護結(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)求得個施工過程支護結(jié)構(gòu)變形量， 下面以某一深 基坑圍護工程的三個工況來闡明變形預(yù)報過程。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)驗或試驗得出土體的參數(shù)及支護結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)值，選取土的力學(xué)計算模型，對第一次開挖作出初始預(yù)報。在進行工況I開挖時，相應(yīng)地進行監(jiān)測，這時預(yù)報值與實測值肯定有較大誤 差，利用反分析，反演得到與實際相符的土體參數(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值作為初值再對第二次開挖進行預(yù)報。在進行工況皿開挖時，同時進行監(jiān)測，對土體參數(shù)、第一道支撐剛度Ki進行反演，乂作為下一次開挖預(yù)報的初值，在進行預(yù)報，以次類推，這樣，能模 擬整個施工過程，真實地反映支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形的變化過程，從而實現(xiàn)動態(tài)施工設(shè)計。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實測位移與預(yù)報位移對比圖基坑開挖時對變形預(yù)報的方法為以工況皿的量測信息為基礎(chǔ)，反演土體參數(shù)m值、支護剛度EI值、第一道支撐剛度K 1值等。根據(jù)反演出的參數(shù)來預(yù)報工 況用的墻體變形量。乂以同樣的方法，依據(jù)工況用的量測信息，反演土體參數(shù)m值及第二道支撐剛度K 2值（支護剛度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的實測位移與預(yù)報位移對比見圖 1。其中曲線1 （帶。點） 為采用初始土體參數(shù)及墻體剛度 EI、支撐剛度K計算得到的墻體位移分布曲線； 曲線2 （帶點）是利用工況皿的實測墻體側(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)測值；曲線 3 （帶點）是 利用工況用的實測墻體側(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)測值；曲線4 （一線）是不同工況的位移實測值。可見，土體的地基反力比例系數(shù) m值是隨開挖過程而不斷變化的，應(yīng)用反演 方法可以較準確的反演不同工況下的 m值、墻體剛度及支撐剛度，同時能以上一 工況的開挖信息，較準確的預(yù)報下一步工況的墻體變形。5、結(jié)論cm B O.S ID 1 .5 2D1. 在基坑開挖過程中，土體參數(shù)會隨開挖過程而不斷變化的，通過實驗及經(jīng)驗確定的土體參數(shù)及支護結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)， 具有較大的隨意性，依