地鐵深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形預(yù)測分析與應(yīng)用摘 要:隨地鐵深基坑施工的進(jìn)行,為確保施工安全,都采取降水措施,深基坑側(cè)面土體由于失水而導(dǎo)致其物理力學(xué)性狀不可避免的發(fā)生變化,因此基坑側(cè)面土體的ｍ值也是不斷變化的。利用現(xiàn)場監(jiān)測的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形信息資料,結(jié)合參數(shù)優(yōu)化反分析土體ｍ值,根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)資料和優(yōu)化后的參數(shù)通過有限元計算對深基坑支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行變形預(yù)測,及時調(diào)整開挖方案和支護(hù)參數(shù),此方法可以有效地指導(dǎo)基坑施工,使得基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形始終處于可控制狀態(tài),以確保施工安全。關(guān)鍵詞:深基坑;反分析;變形預(yù)測;支護(hù)結(jié)構(gòu)1引言 以變形大小作為控制手段的深基坑動態(tài)設(shè)計方法正受到人們的普遍重視,因?yàn)橹ёo(hù)結(jié)構(gòu)的變形是基坑開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)與土相互作用的直觀反映,又是支護(hù)設(shè)計應(yīng)用于現(xiàn)場實(shí)際,與現(xiàn)場地質(zhì)和施工情況的相互作用的具體反映,如果能根據(jù)支護(hù)周圍土體參數(shù)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)事先預(yù)測支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量,將最不利情況的預(yù)測值作為控制支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的警戒值,將對保證基坑安全施工具有重要的意義。 利用深基坑支護(hù)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支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù),然后通過有限元計算預(yù)測下一工況的樁墻變形量、內(nèi)力及支撐力,把計算值作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的控制值,通過根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際調(diào)整施工方案和支護(hù)參數(shù),隨著施工的進(jìn)行,繼續(xù)采集下一施工階段的相應(yīng)信息,進(jìn)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),提高預(yù)測值精確度。2預(yù)測原理 預(yù)測原理實(shí)際上是先做反分析,然后再做正分析,即以每一工況位移監(jiān)測信息為基礎(chǔ),選擇適當(dāng)?shù)耐馏w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)化方法來搜索與實(shí)測值逼近的土體參數(shù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù),然后把這里參數(shù)用于下一步工況的計算參數(shù),再對支護(hù)體系變形進(jìn)行預(yù)測,結(jié)合監(jiān)測對支護(hù)體系變形進(jìn)行控制。2.1 建立目標(biāo)函數(shù) 以基坑開挖的每一工況監(jiān)測信息為基礎(chǔ)的反分析方法目標(biāo)函數(shù)一般為:
式中ｕｃｉ(ｘ)為支護(hù)結(jié)構(gòu)上測點(diǎn)ｉ的水平位移的計算值,ｕｔｉ為支護(hù)結(jié)構(gòu)上測點(diǎn)ｉ的水平位移的實(shí)測值;ｘ表示土體的ｍ值、支撐剛度系數(shù)、樁墻剛度等;ｎ為測點(diǎn)總數(shù)。2.2 樁體任意處位移計算支護(hù)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)果是單元節(jié)點(diǎn)處的內(nèi)力及變形,而實(shí)測點(diǎn)的位置可能不在節(jié)點(diǎn)處,為了反映施工過程的動態(tài)響應(yīng),以及目標(biāo)函數(shù)值的求解,需要給出監(jiān)測點(diǎn)任意位置設(shè)置和任意施工階段的監(jiān)測信息增量,則任一單元上測點(diǎn)ｉ的水平位移ｕｃｉ可用線性插值法求得,計算公式為:式中,ｘ1,ｘ2分別為測點(diǎn)ｉ所在單元兩端點(diǎn)的坐標(biāo);ｕｃ1,ｕｃ2分別為ｉ點(diǎn)所在單元兩端點(diǎn)的水平位移計算值;ｕｃｉ為測點(diǎn)ｉ的水平位移;ｘｉ為測點(diǎn)ｉ的坐標(biāo)(坐標(biāo)原點(diǎn)為樁墻頂點(diǎn))。2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場測量樁體傾斜的測斜儀按0.5ｍ點(diǎn)距由下往上逐點(diǎn)進(jìn)行讀數(shù),即將測斜管分成了ｎ個測段(見圖1),每個測段的長度ｌｉ=500ｍｍ,在某一深度位置上所測得的兩對導(dǎo)輪(ｌｉ)之間的傾角θｉ,通過計算可得到這一區(qū)段的變位△ｉ。計算公式為:Δｉ=ｌｉｓｉｎθｉ(3)某一深度的水平變位值δｉ可通過區(qū)段變位△ｉ的累計得出,即: 計算時假定管底作為基準(zhǔn)點(diǎn),由下而上累計計算某一深度的變位值δｉ,直至管頂,然后再根據(jù)測得的該點(diǎn)樁頂位移對水平變位值進(jìn)行修正。但是不論基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)在管頂或管底,計算變位值δｉ總以向基坑側(cè)變位為正,反之為負(fù)。將在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中同一測斜管的不同深度處所測得的變位值δｉ,點(diǎn)在坐標(biāo)紙上連接起來,便可繪制出樁體的水平變位(Ｈ～δｉ)曲線。2.4數(shù)據(jù)優(yōu)化處理(1)現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)常常由于測量儀器、操作人員、施工狀態(tài)或測點(diǎn)受到干擾破壞等各種情況而引起監(jiān)測點(diǎn)數(shù)不夠理想、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)由于環(huán)境及人為讀數(shù)引起的誤差在實(shí)際監(jiān)測過程中無法避免,為了消除這種誤差對反分析結(jié)果的精度影響,必須對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理,具體過程見參考文獻(xiàn)[3]3工程應(yīng)用 天津地鐵營口道車站3號線基坑埋深14.753ｍ,采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁外加水泥攪拌樁止水帷幕的圍護(hù)型式,灌注樁規(guī)格為Φ1000@1200,樁長25.6ｍ,基坑在壓頂梁中心高度位置及往下3.75ｍ、6.75ｍ和11.15ｍ處共設(shè)四道Φ600×14ｍｍ的鋼管橫支撐,土的物理性質(zhì)如表1所示。 該工程地處繁華市區(qū),周圍分布有重要建筑及電纜、煤氣管和水管等多根管線。挖土和施工步驟如圖2所示:工況1為開挖-3.0ｍ處,工況2為在-0.5ｍ處架設(shè)第一道支撐,工況3開挖到-6.8ｍ處,工況4為在-3.75ｍ處架設(shè)第二道支撐,工況5為開挖到-10.7ｍ處,工況6為在-6.75ｍ處架設(shè)第三道支撐,工況7為開挖到坑底-14.75ｍ處,工況8為在-11.15ｍ處建設(shè)第四道支撐。本文限于篇幅,只介紹工況3、工況6與工況8預(yù)測曲線與實(shí)測曲線進(jìn)行對比說明。 基坑開挖時對變形預(yù)測的方法為以工況3的監(jiān)測信息為基礎(chǔ),反演土體參數(shù)ｍ值。根據(jù)反演出的參數(shù)來預(yù)測工況6的墻體變形量。又以同樣的方法,依據(jù)工況6的監(jiān)測信息,反演土體參數(shù)ｍ值,據(jù)此預(yù)測工況8的墻體變形量。反演確定的參數(shù)值如表2。工況3與工況6的實(shí)測與預(yù)測曲線對比見圖3。工況8的預(yù)測與實(shí)測曲線見圖4。 說明1:圖中3-1為按照設(shè)計規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)值預(yù)測變形曲線,3-2為現(xiàn)場監(jiān)測實(shí)際測量變形曲線,3-3為反分析之后參數(shù)優(yōu)化之后的變形曲線, 6-1為工況6預(yù)測變形曲線。 說明2:如圖4,其中6-1為工況3時預(yù)測曲線,6-2為實(shí)測變形曲線,8-1為預(yù)測曲線,8-2為實(shí)測曲線。 由圖3和圖4可見,根據(jù)監(jiān)測資料進(jìn)行反演之后的預(yù)報誤差由工況3利用經(jīng)驗(yàn)值預(yù)測與實(shí)測的最大誤差3.75ｍｍ,降低到工況6的預(yù)測最大誤差為3.1ｍｍ,隨著利用現(xiàn)場監(jiān)測資料的進(jìn)一步反演、優(yōu)化參數(shù),工況8的預(yù)測誤差為2.2ｍｍ,預(yù)測變形曲線也越來越與實(shí)測變形曲線相擬和。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(zhǔn)確的反演不同工況下的ｍ值,同時能以上一工況的開挖信息,較準(zhǔn)確的預(yù)測下一步工況的樁體變形,而且預(yù)測的曲線擬和程度很好,預(yù)測的精度大大增加。4結(jié)論(1)基坑開挖維護(hù)結(jié)構(gòu)變形預(yù)測方法在天津地鐵深基坑的施工應(yīng)用中是比較準(zhǔn)確的,是成功的。(2)經(jīng)過維護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)反演和優(yōu)化,能夠準(zhǔn)確預(yù)測維護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形,預(yù)測值可以作為警戒值指導(dǎo)施工。(3)參數(shù)優(yōu)化反分析技術(shù),根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測信息資料,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),通過上一工況的優(yōu)化反演參數(shù)值對下一工況不僅可以作出較準(zhǔn)確的變形預(yù)測,而且變形預(yù)測曲線與實(shí)測曲線也擬和得很好。(4)在基坑開挖過程中,土體參數(shù)隨開挖過程而不斷變化,通過實(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),具有較大的隨機(jī)性,因此依據(jù)初始取值來預(yù)測墻體側(cè)向位移是不夠精確的。參考文獻(xiàn):[1] 陳忠汗等著,邵華.深基坑工程[Ｍ].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1999.10[2] 崔江余等著.建筑基坑工程設(shè)計計算與施工[Ｍ].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999.11[3] 現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)手冊編委會.運(yùn)籌學(xué)與最優(yōu)化理論卷[Ｍ].北京:清華大學(xué)出版社.1998[4] 龔曉南等著.深基坑工程設(shè)計施工手冊[Ｍ].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998
式中ｕｃｉ(ｘ)為支護(hù)結(jié)構(gòu)上測點(diǎn)ｉ的水平位移的計算值,ｕｔｉ為支護(hù)結(jié)構(gòu)上測點(diǎn)ｉ的水平位移的實(shí)測值;ｘ表示土體的ｍ值、支撐剛度系數(shù)、樁墻剛度等;ｎ為測點(diǎn)總數(shù)。2.2 樁體任意處位移計算支護(hù)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)果是單元節(jié)點(diǎn)處的內(nèi)力及變形,而實(shí)測點(diǎn)的位置可能不在節(jié)點(diǎn)處,為了反映施工過程的動態(tài)響應(yīng),以及目標(biāo)函數(shù)值的求解,需要給出監(jiān)測點(diǎn)任意位置設(shè)置和任意施工階段的監(jiān)測信息增量,則任一單元上測點(diǎn)ｉ的水平位移ｕｃｉ可用線性插值法求得,計算公式為:式中,ｘ1,ｘ2分別為測點(diǎn)ｉ所在單元兩端點(diǎn)的坐標(biāo);ｕｃ1,ｕｃ2分別為ｉ點(diǎn)所在單元兩端點(diǎn)的水平位移計算值;ｕｃｉ為測點(diǎn)ｉ的水平位移;ｘｉ為測點(diǎn)ｉ的坐標(biāo)(坐標(biāo)原點(diǎn)為樁墻頂點(diǎn))。2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場測量樁體傾斜的測斜儀按0.5ｍ點(diǎn)距由下往上逐點(diǎn)進(jìn)行讀數(shù),即將測斜管分成了ｎ個測段(見圖1),每個測段的長度ｌｉ=500ｍｍ,在某一深度位置上所測得的兩對導(dǎo)輪(ｌｉ)之間的傾角θｉ,通過計算可得到這一區(qū)段的變位△ｉ。計算公式為:Δｉ=ｌｉｓｉｎθｉ(3)某一深度的水平變位值δｉ可通過區(qū)段變位△ｉ的累計得出,即: 計算時假定管底作為基準(zhǔn)點(diǎn),由下而上累計計算某一深度的變位值δｉ,直至管頂,然后再根據(jù)測得的該點(diǎn)樁頂位移對水平變位值進(jìn)行修正。但是不論基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)在管頂或管底,計算變位值δｉ總以向基坑側(cè)變位為正,反之為負(fù)。將在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中同一測斜管的不同深度處所測得的變位值δｉ,點(diǎn)在坐標(biāo)紙上連接起來,便可繪制出樁體的水平變位(Ｈ～δｉ)曲線。2.4數(shù)據(jù)優(yōu)化處理(1)現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)常常由于測量儀器、操作人員、施工狀態(tài)或測點(diǎn)受到干擾破壞等各種情況而引起監(jiān)測點(diǎn)數(shù)不夠理想、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)由于環(huán)境及人為讀數(shù)引起的誤差在實(shí)際監(jiān)測過程中無法避免,為了消除這種誤差對反分析結(jié)果的精度影響,必須對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理,具體過程見參考文獻(xiàn)[3]3工程應(yīng)用 天津地鐵營口道車站3號線基坑埋深14.753ｍ,采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁外加水泥攪拌樁止水帷幕的圍護(hù)型式,灌注樁規(guī)格為Φ1000@1200,樁長25.6ｍ,基坑在壓頂梁中心高度位置及往下3.75ｍ、6.75ｍ和11.15ｍ處共設(shè)四道Φ600×14ｍｍ的鋼管橫支撐,土的物理性質(zhì)如表1所示。 該工程地處繁華市區(qū),周圍分布有重要建筑及電纜、煤氣管和水管等多根管線。挖土和施工步驟如圖2所示:工況1為開挖-3.0ｍ處,工況2為在-0.5ｍ處架設(shè)第一道支撐,工況3開挖到-6.8ｍ處,工況4為在-3.75ｍ處架設(shè)第二道支撐,工況5為開挖到-10.7ｍ處,工況6為在-6.75ｍ處架設(shè)第三道支撐,工況7為開挖到坑底-14.75ｍ處,工況8為在-11.15ｍ處建設(shè)第四道支撐。本文限于篇幅,只介紹工況3、工況6與工況8預(yù)測曲線與實(shí)測曲線進(jìn)行對比說明。 基坑開挖時對變形預(yù)測的方法為以工況3的監(jiān)測信息為基礎(chǔ),反演土體參數(shù)ｍ值。根據(jù)反演出的參數(shù)來預(yù)測工況6的墻體變形量。又以同樣的方法,依據(jù)工況6的監(jiān)測信息,反演土體參數(shù)ｍ值,據(jù)此預(yù)測工況8的墻體變形量。反演確定的參數(shù)值如表2。工況3與工況6的實(shí)測與預(yù)測曲線對比見圖3。工況8的預(yù)測與實(shí)測曲線見圖4。 說明1:圖中3-1為按照設(shè)計規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)值預(yù)測變形曲線,3-2為現(xiàn)場監(jiān)測實(shí)際測量變形曲線,3-3為反分析之后參數(shù)優(yōu)化之后的變形曲線, 6-1為工況6預(yù)測變形曲線。 說明2:如圖4,其中6-1為工況3時預(yù)測曲線,6-2為實(shí)測變形曲線,8-1為預(yù)測曲線,8-2為實(shí)測曲線。 由圖3和圖4可見,根據(jù)監(jiān)測資料進(jìn)行反演之后的預(yù)報誤差由工況3利用經(jīng)驗(yàn)值預(yù)測與實(shí)測的最大誤差3.75ｍｍ,降低到工況6的預(yù)測最大誤差為3.1ｍｍ,隨著利用現(xiàn)場監(jiān)測資料的進(jìn)一步反演、優(yōu)化參數(shù),工況8的預(yù)測誤差為2.2ｍｍ,預(yù)測變形曲線也越來越與實(shí)測變形曲線相擬和。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(zhǔn)確的反演不同工況下的ｍ值,同時能以上一工況的開挖信息,較準(zhǔn)確的預(yù)測下一步工況的樁體變形,而且預(yù)測的曲線擬和程度很好,預(yù)測的精度大大增加。4結(jié)論(1)基坑開挖維護(hù)結(jié)構(gòu)變形預(yù)測方法在天津地鐵深基坑的施工應(yīng)用中是比較準(zhǔn)確的,是成功的。(2)經(jīng)過維護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)反演和優(yōu)化,能夠準(zhǔn)確預(yù)測維護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形,預(yù)測值可以作為警戒值指導(dǎo)施工。(3)參數(shù)優(yōu)化反分析技術(shù),根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測信息資料,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),通過上一工況的優(yōu)化反演參數(shù)值對下一工況不僅可以作出較準(zhǔn)確的變形預(yù)測,而且變形預(yù)測曲線與實(shí)測曲線也擬和得很好。(4)在基坑開挖過程中,土體參數(shù)隨開挖過程而不斷變化,通過實(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),具有較大的隨機(jī)性,因此依據(jù)初始取值來預(yù)測墻體側(cè)向位移是不夠精確的。參考文獻(xiàn):[1] 陳忠汗等著,邵華.深基坑工程[Ｍ].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1999.10[2] 崔江余等著.建筑基坑工程設(shè)計計算與施工[Ｍ].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999.11[3] 現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)手冊編委會.運(yùn)籌學(xué)與最優(yōu)化理論卷[Ｍ].北京:清華大學(xué)出版社.1998[4] 龔曉南等著.深基坑工程設(shè)計施工手冊[Ｍ].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998
