深基坑支護結構變形預報

1、深基坑支護結構變形預報1、前言 傳統(tǒng)的基坑支護結構體系的設計方法是按照墻體受力強度及整體穩(wěn)定性進行設計的，設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構的內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計方法正受到人們的普遍重視，因為支護結構的變形量是基坑開挖過程中支護結構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，如果能事先預測支護結構的變形量，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支護結構力學參數(shù)

2、，然后通過桿系有限元計算來預測下一工況的樁墻變形量、內力及支撐力。又采集下一施工階段的相應信息，進行參數(shù)反演，計算預測下一工況的樁墻變形量等，如此反復循環(huán)。這樣通過分析預測指導施工，通過施工信息反饋修改設計，使設計及施工逼近實際。 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構的內力及變形時，土體的“m”值、支護結構的剛度、支撐剛度及土壓力分布模型的選取對支護結構的內力和變形計算結果影響很大。而目前工程上的取值往往是憑經驗或實驗所得，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值及支護結構的剛度、支撐剛度，通過確定的土體參數(shù)來預測下一工況的墻體變形量、內

3、力及支撐力，實現(xiàn)動態(tài)優(yōu)化設計，同時，用以指導工程實踐。 反分析原理是以每一工況位移量測信息為基礎，選擇土體力學模型及相應的邊界條件，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)及支護結構力學參數(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的反分析方法目標函數(shù)一般為： （1） 式中uci(x)為支護結構上測點i的水平位移的計算值uti為支護結構上測點i 的水平位移的實測值；x表示土體的m值、支撐剛度系數(shù)、樁墻剛度等；n為測點總數(shù)。2.2 墻體任意處位移計算 支護結構的位移計算采用彈性地基梁有限元法，計算的最終結果是單元節(jié)點處的內力及變形，而實測點的位置可能不在節(jié)點

4、處，為了反映施工過程的動態(tài)響應，以及目標函數(shù)值的求解，需要給出量測點任意位置設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uci可用線性插值法求得，計算公式為： （2） 式中x1,x2分別為測點i所在單元兩端點的坐標；uc1、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)據處理 (1) 來自現(xiàn)場的量測數(shù)據常常由于測點設置過大或測點受到破壞而引起量測點數(shù)不夠充足，常求助于拉格朗日插值或樣條函數(shù)插值的方法進行數(shù)據處理。 (2) 當量測信息是支護結構的水平傾角(x)(x為豎向坐標）, 需將(x)轉換

5、為水平位移u(x),可用下式進行計算：（3） 式中a 是支護結構底端豎向坐標 (3) 由于環(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果的精度影響，必須對量測數(shù)據進行平滑處理。2.4 優(yōu)化方法 使目標函數(shù) 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；ki為第i 道支撐的剛度。因為函數(shù)?(x)的導數(shù)無法求得，所以采用無導數(shù)搜索法進行最優(yōu)值的求解，本文采用powell法進行求解。3、變形預報原理 變形預報原理在反分析土體參數(shù)及支護結構的力學參數(shù)后，以這些信息作為已知信息，然后作正分析，相應求得個施工過

6、程支護結構變形量，下面以某一深基坑圍護工程的三個工況來闡明變形預報過程。 工況：先開挖到-2.5m 工況：在 -2.0m處設置第一道支撐，并繼續(xù)開挖到-6.0m處 工況：在 -5.0m處設置第二道支撐，并繼續(xù)開挖到坑底 在開挖前，利用經驗或試驗得出土體的參數(shù)及支護結構力學參數(shù)值，選取土的力學計算模型，對第一次開挖作出初始預報。 在進行工況開挖時，相應地進行監(jiān)測，這時預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。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報。 在進行工況開挖時，同時進行監(jiān)測，對土體參數(shù)、第一道支撐剛度k1進行反

7、演，又作為下一次開挖預報的初值，在進行預報，以次類推，這樣，能模擬整個施工過程，真實地反映支護結構的內力及變形的變化過程，從而實現(xiàn)動態(tài)施工設計。 4、工程應用 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4322m2，開挖深度14.2m ，圍護結構采用厚1000mm 的地下連續(xù)墻，墻深29m,設三道水平支撐，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,土的物理性質如表14。 表 1 土的物理性質 土的物理性質編號待添加的隱藏文字內容3名稱 容重（kn/m3） 內摩擦角（） 粘聚力 c（kpa） 填土 18 0 21 0

8、 0 0 粉質粘土 18 0 11 0 14 0 淤泥粉質粘土 18 0 14 0 13 0 淤泥質粘土 18 0 11 0 14 0 質粘土 18 0 20 0 16 0 表 2 反演確定的參數(shù)值 工況 m(kn/m4) ei(knm2) k1(kn/m) k2(kn/m)工況 2400.5 2.8754e+06 1.1537e+05 工況 2555.9 2.8754e+06 1.1537e+05 6.9168e+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。挖土和施工工況為： 工況：開挖 -2.6m處 工況：架設第一道支撐，開挖到 -7.8m處 工況：架設第二道

9、支撐，開挖到 -11.4m處 工況： 架設第三道支撐，開挖到坑底 -14.2m處圖 1 實測位移與預報位移對比圖 基坑開挖時對變形預報的方法為以工況的量測信息為基礎，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。根據反演出的參數(shù)來預報工況的墻體變形量。又以同樣的方法，依據工況的量測信息，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），據此預報工況的墻體變形量。反演確定的參數(shù)值如表2： 工況與工況的實測位移與預報位移對比見圖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k1計算得到的墻體位移分布曲線；曲線2（帶點）是利用工況的實測墻體側向位移，反演得到土體的m值及墻體剛度ei、支撐剛度k 1 后算得的墻體側向位移預測值；曲線3（帶點）是利用工況的實測墻體側向位移，反演得到土體的m值和支撐剛度k2后算得的墻體側向位移預測值；曲線4（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，較準確的預報下一步工況的墻體變形。 5、結論 1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，通過實驗及經驗確定的土體參數(shù)及支護結構力學參數(shù)，具有較大的隨意性，依據初始