基于時(shí)空效應(yīng)的軟土深基坑設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

基于時(shí)空效應(yīng)的軟土深基坑設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

劉建航先生是上海地鐵工程的科學(xué)家。多年來，他一直在研究和分析軟硬土井的時(shí)空效應(yīng)，提出了理論和方法。這是針對密集建筑中狹窄區(qū)域和變革區(qū)中軟土井的建設(shè)。在設(shè)計(jì)施工中，應(yīng)采用“分層、分段、平衡、對稱、有限”的施工方法，控制土壤侵蝕的發(fā)生。同時(shí)，我們可以保護(hù)環(huán)境和地下管網(wǎng)的設(shè)計(jì)、施工理論和方法。時(shí)空效應(yīng)理論將施工過程納入設(shè)計(jì)分析的范疇,并在施工中進(jìn)行適當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)控制,這一理論聯(lián)系實(shí)際的研究方法,為軟土基坑工程面向信息化施工的動態(tài)設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。1時(shí)空效應(yīng)理論的基本概念1.1施工工序和施工參數(shù)設(shè)計(jì)是確定判斷標(biāo)準(zhǔn)在軟土基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,除了依據(jù)地基參數(shù)、支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)外,為考慮時(shí)空效應(yīng)的計(jì)算理論和方法,還通過引入施工工序和施工參數(shù)作為必需的設(shè)計(jì)依據(jù),并以切實(shí)執(zhí)行施工工藝和施工參數(shù)做為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的保證,在設(shè)計(jì)中科學(xué)地、定量地考慮時(shí)空效應(yīng)。從而能以合理而規(guī)則地施工,使坑周土體應(yīng)力路徑和土體應(yīng)力狀態(tài)的變化、由復(fù)雜莫測變?yōu)橛幸欢ㄒ?guī)律,使軟土基坑變形預(yù)測值可與實(shí)測值基本相符。1.1.1結(jié)構(gòu)體系模型對于長條形基坑,為可靠實(shí)用,仍采用目前較通用的彈性桿系有限元計(jì)算模型和參數(shù)項(xiàng)目,但將其中的被動土壓力的彈性基床系數(shù)修改成為考慮開挖過程的時(shí)空效應(yīng)的等效基床系數(shù),通過對不同施工條件、不同地質(zhì)條件和支護(hù)條件下的基坑施工現(xiàn)場觀測的百余萬有關(guān)基坑變形觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析,推導(dǎo)而得出反映等效基床系數(shù)與各施工參數(shù)和土體參數(shù)的相關(guān)性的數(shù)學(xué)方程式。對于大寬度、不規(guī)則深基坑,由于基坑的內(nèi)框架支撐體系與擋土結(jié)構(gòu)共同組成一空間結(jié)構(gòu)體系,二者共同承受土體的約束及荷載的作用,對此空間結(jié)構(gòu)體系的變形及內(nèi)力要按空間框架模型計(jì)算。計(jì)算中擋土結(jié)構(gòu)被動區(qū)的地層水平基床系數(shù),采取考慮時(shí)空效應(yīng)的等效水平基床系數(shù),以使計(jì)算的擋墻位移和相應(yīng)的坑周地層位移以及支撐體系中的三維約束的支撐節(jié)點(diǎn)位移,與實(shí)際基本相符。此空間計(jì)算模型的建立既要符合三維計(jì)算要求,又要考慮選取的計(jì)算土性參數(shù)切合實(shí)際。因此,選用的空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型是:將擋土結(jié)構(gòu)離散為若干梁單元,在基坑底下單元節(jié)點(diǎn)處設(shè)非線性彈簧單元,以模擬相應(yīng)于一定施工條件下綜合反映土性及施工時(shí)空效應(yīng)等復(fù)雜因素的等效水平基床系數(shù)的地基抗力分布,如圖1a。經(jīng)計(jì)算過程的子結(jié)構(gòu)凝聚,豎向擋土結(jié)構(gòu)變成為施加于水平向支撐結(jié)構(gòu)上沿周邊的法向和切向的彈性約束力,見圖1b?？紤]擋土結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào),可套用標(biāo)準(zhǔn)的有限元法予以求解這個(gè)空間框架結(jié)構(gòu)。由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式及計(jì)算參數(shù)隨著施工的進(jìn)程是逐漸變化的,因此不同工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型不盡相同。在施工工況計(jì)算的位移與內(nèi)力要按求解非線性問題的增量法疊加上前一個(gè)施工工況已產(chǎn)生的位移和內(nèi)力。為使上述方法預(yù)測的擋墻水平位移值及擋墻后地面沉降與實(shí)際相符,還必須驗(yàn)算基坑抗隆起的安全系數(shù),使與基坑抗隆起安全系數(shù)相應(yīng)的擋墻水平位移不大于按上述方法預(yù)測的擋墻水平位移值。1.1.2周土體位移推高在控制變形的基坑設(shè)計(jì)和施工中,坑周地層均屬于小變形范疇,按現(xiàn)場實(shí)測資料回歸、推導(dǎo)出的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式,可從已知基坑擋墻水平位移推算坑周土體位移。1.2數(shù)據(jù)處理與反饋在基坑工程關(guān)鍵部位施工過程中,對該部位關(guān)鍵監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù),緊跟工況發(fā)展進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與反饋分析。當(dāng)變形速率的監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到警戒值時(shí),立即進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,以降低施工風(fēng)險(xiǎn)。使基坑工程坑周環(huán)境的安全和質(zhì)量始終處于可控狀態(tài)。2時(shí)空效應(yīng)理論與工程控制系統(tǒng)的理論2.1工程控制理論的基本概念1受制對象不穩(wěn)定因素引起的不穩(wěn)定由圖2可直觀地看出開環(huán)控制和閉環(huán)控制的差別。開環(huán)控制表示一個(gè)開放的作用過程(控制序列),只能對抗規(guī)定由其處理的干擾,其他干擾因素?zé)o法消除,只要被控對象自己保持穩(wěn)定,系統(tǒng)不可能不穩(wěn)定。閉環(huán)控制表示一個(gè)閉合的作用過程(控制回環(huán)),根據(jù)閉環(huán)作用原理可增加抗干擾性(負(fù)反饋),系統(tǒng)有可能不穩(wěn)定,也即被控量不再衰減,而是增長到無窮大(理論上)。2控制變量的動態(tài)一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)主要組成部分包括:被控對象、量測環(huán)節(jié)、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行環(huán)節(jié)。由框圖可見,閉環(huán)控制的流程可表示為,首先量測被控量y,從而得到控制誤差e=w-y,然后處理控制誤差,通過調(diào)節(jié)量u的變化來減少或消除控制誤差。在考慮閉環(huán)控制時(shí)一般應(yīng)區(qū)分兩種不同的情況,一種情況是閉環(huán)控制要消除過程中的干擾作用。過程的某些變量,如被控量,應(yīng)遵循預(yù)先確定的給定值,而干擾對過程不具有實(shí)質(zhì)性的影響。這類控制可稱為定值控制或干擾控制。另一種情況是,一個(gè)過程的被控量必須始終盡可能準(zhǔn)確地跟隨變動的給定值w。這類控制稱為跟蹤控制或者隨動控制。變動的給定值在此稱為整定量。在上述兩種情況下,都必須不斷量測被控量,并與它的給定值進(jìn)行比較。如果在被控量的實(shí)際值和給定值之間存在偏差(控制誤差e),則必須作適當(dāng)?shù)奶幚?重新消除控制誤差。3系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立最優(yōu)控制理論通常是在所有可能的控制規(guī)律中求一種最優(yōu)控制規(guī)律,使衡量系統(tǒng)工作優(yōu)劣的性能指標(biāo)達(dá)到最小(或最大)。建立一個(gè)最優(yōu)控制問題,必須預(yù)先確定以下4個(gè)基本部分:1)確定系統(tǒng)的參數(shù),即系統(tǒng)的狀態(tài)變量與控制變量,建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程;2)給定狀態(tài)變量的初始值;3)給出對狀態(tài)變量和控制變量的約束條件;4)給出一個(gè)合理的性能指標(biāo)函數(shù)。所謂狀態(tài)變量是指能夠完全描述系統(tǒng)狀態(tài)的最小的一組變量。系統(tǒng)的狀態(tài)方程(或控制方程)也就是受控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,它是描述實(shí)際系統(tǒng)各物理量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式。一般來說,這種系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型是控制系統(tǒng)分析與綜合以及借助模擬、數(shù)字或混合計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真研究的基礎(chǔ)。系統(tǒng)仿真一般可以演示各種工作條件和狀態(tài),它們在實(shí)際過程中不可能或者必須在比較高的代價(jià)條件下才能進(jìn)行試驗(yàn),而這些狀態(tài)對于設(shè)計(jì)研究又具有重大意義。為了用一個(gè)往往已經(jīng)簡化,但又足夠準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型將實(shí)際系統(tǒng)的具體行為用抽象形式表示出來,必須要獲取(辨識)模型的參數(shù)和結(jié)構(gòu),這一系統(tǒng)辨識的任務(wù)可用理論方法(參數(shù)反演),亦可用實(shí)驗(yàn)方法來完成。對照上述工程控制論的概念可見,軟土基坑工程時(shí)空效應(yīng)理論是將基坑工程作為動態(tài)系統(tǒng)實(shí)施動態(tài)控制的理論,它的控制系統(tǒng)框圖表示如圖3。2.2初始設(shè)計(jì)可靠性保障工程控制論與軟土基坑工程時(shí)空效應(yīng)理論的對應(yīng)關(guān)系如表1。由此可見,時(shí)空效應(yīng)理論的第一部分計(jì)算理論和方法的研究,通過在系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型中合理而可靠確定施工工序和施工參數(shù),使得計(jì)算中能科學(xué)地定量地考慮時(shí)空效應(yīng),從而保證了初始設(shè)計(jì)的可靠性。由于地層的各向異性和不均勻性以及地層在施工擾動時(shí)發(fā)生的難以預(yù)測到的不明確因素,在施工過程的各個(gè)階段還可能發(fā)生某些偏離預(yù)測值的現(xiàn)象,所以第二部分實(shí)時(shí)監(jiān)測和實(shí)時(shí)控制的研究,通過事先備用的措施降低施工中的風(fēng)險(xiǎn),使基坑工程坑周環(huán)境的安全和質(zhì)量始終處于可控狀態(tài)。3深基坑動態(tài)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容在現(xiàn)行的基坑設(shè)計(jì)中,一般是假定某一工況下的土壓力和彈性基床系數(shù)是保持不變的,圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)與開挖后圍護(hù)結(jié)構(gòu)暴露時(shí)間、開挖空間大小及開挖次序等施工參數(shù)無關(guān),基坑土體應(yīng)力和變形是在瞬間完成的。這種計(jì)算模式的簡化,造成計(jì)算變形、內(nèi)力與實(shí)測結(jié)果相差較遠(yuǎn),常使其對工程的實(shí)際指導(dǎo)意義不大。隨著基坑工程的不斷實(shí)踐,在實(shí)測中發(fā)現(xiàn)土壓力及彈性基床系數(shù)是變化的,基坑變形也隨時(shí)間變化而變化,而且基坑變形除了與土性、支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)外,還與基坑的開挖方式、時(shí)間、開挖次序、空間等施工參數(shù)相關(guān)。由此可見,現(xiàn)行的設(shè)計(jì)模式是一種基于陳舊觀念設(shè)計(jì)規(guī)范的靜態(tài)模式,從控制論角度來分析,設(shè)計(jì)上應(yīng)設(shè)計(jì)成一個(gè)開環(huán)系統(tǒng),如圖4。該模式將設(shè)計(jì)與以后的施工過程脫節(jié),使得施工帶有很大的隨意性,造成了施工狀態(tài)與原始設(shè)計(jì)出現(xiàn)較大的偏差,因此在施工中出現(xiàn)了很多事故。例如,由于基坑開挖引起地面和地層的運(yùn)行常常使建筑物傾倒、開裂甚至破壞,使道路開裂、下陷而影響正常使用,以至地下市政工程管網(wǎng)斷裂等,這些影響經(jīng)常會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會穩(wěn)定問題。這方面的教訓(xùn)是非常深刻的。因此深基坑工程設(shè)計(jì)一定要分析其施工進(jìn)程,從而保證設(shè)計(jì)的可靠性。另外,不管設(shè)計(jì)多么周到,在實(shí)際施工過程中,總是存在方方面面不可遇見的擾動因素,使得施工進(jìn)程與初始設(shè)計(jì)有所不同。為了保證真實(shí)的施工進(jìn)程與初始設(shè)計(jì)過程偏離最小,因此,施工中需要嚴(yán)密監(jiān)視實(shí)際發(fā)生的進(jìn)程(監(jiān)測)進(jìn)行對比分析,并采取預(yù)先設(shè)定的反措施,這實(shí)際上是一種控制過程。除此而外,基坑工程開挖前的加固以及地下墻的施工也會引起周圍地表的沉降,因此設(shè)計(jì)中除包括基坑開挖外,還應(yīng)該考慮基坑開挖前的加固以及地下墻的施工。因此,現(xiàn)今的深基坑開挖設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)研究人員密切結(jié)合工程實(shí)踐,將基坑工程設(shè)計(jì)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng),如圖5,并初始設(shè)計(jì)具有足夠滿足施工進(jìn)程的可靠性,在施工階段能進(jìn)行適當(dāng)?shù)默F(xiàn)場監(jiān)測和反饋分析,及時(shí)調(diào)整施工方法和采取合理的施工控制措施,從而保證工程安全,節(jié)約造價(jià),方便施工,縮短工期,使深基坑的設(shè)計(jì)水平有較大的進(jìn)步。由此可見,深基坑動態(tài)設(shè)計(jì)包括初始標(biāo)稱設(shè)計(jì)、監(jiān)測方案設(shè)計(jì)和控制方案設(shè)計(jì)3個(gè)部分,其主要內(nèi)容包括:1)周圍環(huán)境調(diào)查,確定基坑工程施工各階段的變形警戒指標(biāo)(確定了基坑系統(tǒng)的約束條件);2)根據(jù)建筑及抗隆起要求,設(shè)計(jì)基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu);3)開挖前地基加固和地下墻施工設(shè)計(jì),以及開挖前地表變形的統(tǒng)計(jì)分析預(yù)測模型建立;4)軟土深基坑開挖設(shè)計(jì),以及軟土深基坑開挖時(shí)考慮時(shí)空效應(yīng)的圍護(hù)分析,包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和周圍地表沉降的預(yù)測模型建立;5)監(jiān)測項(xiàng)目及監(jiān)測點(diǎn)的布置設(shè)計(jì);6)各種輔助控制措施的實(shí)時(shí)控制方案設(shè)計(jì)。1)～4)稱之為初始標(biāo)稱設(shè)計(jì);5),6)分別為監(jiān)測方案設(shè)計(jì)和控制方案設(shè)計(jì)。在初始標(biāo)稱設(shè)計(jì)中,應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算模型,并通過過去類似工程的實(shí)測資料,通過辨識確定模型參數(shù)和結(jié)構(gòu),使得軟土基坑變形預(yù)測值可與實(shí)測值基本相符。從而保證了初始標(biāo)稱設(shè)計(jì)的可靠性,使基坑工程坑周環(huán)境的安全和質(zhì)量處于可控狀態(tài)。在監(jiān)測方案設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)首先按照基坑周圍環(huán)境保護(hù)要求,設(shè)計(jì)基坑工程和預(yù)測的坑周地層位移分布特征,通過設(shè)計(jì)分析,確定出關(guān)鍵監(jiān)測點(diǎn),對各關(guān)鍵觀測點(diǎn)均要經(jīng)預(yù)測計(jì)算,提出各重要部位在各層開挖過程中各階段的變形速率的警戒值,;然后,按照測點(diǎn)的監(jiān)測內(nèi)容選擇具有相應(yīng)功能與精度的測試儀器。實(shí)時(shí)控制方案設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)在關(guān)鍵部位施工過程中,對該部位關(guān)鍵監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù),要緊跟工況發(fā)展進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與反饋分析,當(dāng)變形速率的監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到警戒值時(shí),立即進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,以事先備用的措施將施工中的風(fēng)險(xiǎn)性趨勢制止在萌芽狀態(tài)。使基坑工程坑周環(huán)境的安全和質(zhì)量始終處于可控狀態(tài)。上述設(shè)計(jì)內(nèi)容的技術(shù)關(guān)鍵在于:1)軟土深基坑工程圍護(hù)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì);2)考慮軟土深基坑工程施工全過程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及地表沉降的預(yù)測模型建立;3)實(shí)時(shí)控制模型建立(含監(jiān)測數(shù)據(jù)處理規(guī)則及其反饋分析模型建立);4)基坑工程專家系統(tǒng)建立。4初始標(biāo)記設(shè)計(jì)環(huán)1)考慮時(shí)空效應(yīng)的軟土深基坑設(shè)