環(huán)境土工的智能預(yù)測(cè)與控制

環(huán)境土工的智能預(yù)測(cè)與控制

通過(guò)多年的研究和實(shí)踐，對(duì)中國(guó)軟土區(qū)（如上海）的影響主要是由于不允許的土層變形、位移和大規(guī)模的地表差異。然而，在我國(guó)廣泛的軟土區(qū)（如上海），為了實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)督管理目標(biāo)，必須采取有效的預(yù)測(cè)和災(zāi)害報(bào)告。事實(shí)上，近年來(lái)，通過(guò)大量的工程實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)這些土木工程環(huán)境的穩(wěn)定和修復(fù)取得了很大進(jìn)展，困難已經(jīng)緩解，但在許多復(fù)雜的情況下，這個(gè)問(wèn)題仍然令人驚訝。這是當(dāng)前城市工程活動(dòng)環(huán)境理論與工程科學(xué)的研討會(huì)之一。1地下市政設(shè)施基礎(chǔ)薄弱的城市土工在保證工程自身施工安全的同時(shí),要求兼顧周邊環(huán)境土工的安全,已成為人們的共識(shí).這里研究的城市環(huán)境土工問(wèn)題,主要是指工程施工活動(dòng)對(duì)其附近建(構(gòu))筑物淺置基礎(chǔ)、道路路基和路面、城市已建地鐵與高架、立交,以及各類(lèi)地下管線(xiàn)等市政設(shè)施的土工危害,這類(lèi)所謂環(huán)境損傷(environmentdamage)問(wèn)題在許多場(chǎng)合竟然是相當(dāng)嚴(yán)重的.城市各項(xiàng)工程活動(dòng)產(chǎn)生上述環(huán)境土工問(wèn)題的主要場(chǎng)合,包括:①地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)施工;②淺埋、大直徑頂管沿舊城區(qū)的淺層地下呈曲線(xiàn)頂進(jìn)施工;③深、大基坑和邊坡工程開(kāi)挖施工;④預(yù)制打入樁和靜壓樁的擠土效應(yīng);⑤后續(xù)工程施工對(duì)已運(yùn)營(yíng)地鐵區(qū)間隧道,以及對(duì)城市立交、高架橋樁的影響;⑥其他,諸如市區(qū)沉井下沉、施工降水、新建建(構(gòu))筑物施工對(duì)相鄰老舊建(構(gòu))筑物的影響等.當(dāng)前,城市地下工程施工活動(dòng)中的環(huán)境土工問(wèn)題,以上海市近年來(lái)的工程實(shí)踐為例,最感突出和困難的約有20余處,詳情可參見(jiàn)文獻(xiàn).2這項(xiàng)研究2.1土體受到施工擾動(dòng)的機(jī)理與特性該子項(xiàng)研究已取得了以下成果:(1)對(duì)上海飽和軟粘土進(jìn)行了三軸卸荷、卸荷—再固結(jié)—再卸荷、卸荷—再固結(jié)—再加荷等試驗(yàn)研究,以模擬各種施工擾動(dòng)對(duì)土體強(qiáng)度與變形的影響;建立了飽和軟粘土的卸荷邊界面模型,并據(jù)此引入了深大基坑開(kāi)挖施工的分析程序.(2)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn),研究了盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)周?chē)馏w施工擾動(dòng)的影響,并引用損傷力學(xué)理論研究了周?chē)馏w受施工擾動(dòng)的影響程度,提出了“施工影響度”的理念.室內(nèi)試驗(yàn)主要是通過(guò)對(duì)施加類(lèi)似于取樣擾動(dòng)應(yīng)變的土樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)和三軸試驗(yàn),根據(jù)擾動(dòng)土樣的試驗(yàn)參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)參數(shù)的差別,區(qū)分取樣擾動(dòng)和施工擾動(dòng)的差異;并通過(guò)對(duì)土樣恢復(fù)原先地應(yīng)力而進(jìn)行三軸試驗(yàn),研究了施工擾動(dòng)過(guò)程中對(duì)土體應(yīng)力變化的影響.(3)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中周?chē)馏w擾動(dòng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn).現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)內(nèi)容包括地表沉降、土體水平位移、孔隙水壓力變化、土壓力變化、十字板試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)等;分析了地表沉降的機(jī)理、類(lèi)型,以及上項(xiàng)施工擾動(dòng)與沉降間的定量關(guān)系;根據(jù)孔隙水壓力和土壓力的實(shí)測(cè)結(jié)果,測(cè)算了周?chē)馏w的應(yīng)力擾動(dòng)程度.(4)對(duì)土體受施工擾動(dòng)的影響程度,進(jìn)行了定量化識(shí)別研究.研究認(rèn)為,這種擾動(dòng)影響的主要反映是土體應(yīng)力、應(yīng)變及其力學(xué)性狀的變化,可以用剪應(yīng)變的變異來(lái)定量識(shí)別,并分別導(dǎo)演了相應(yīng)的計(jì)算關(guān)系式;進(jìn)而通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn),對(duì)上述論據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證.(5)從分析土體受施工擾動(dòng)的影響因素入手,通過(guò)不同應(yīng)力路徑下的室內(nèi)加載和卸載三軸試驗(yàn),模擬了不同施工加、卸載對(duì)西北地區(qū)黃土的擾動(dòng)作用;在此基礎(chǔ)上,按照不同施工活動(dòng)的特點(diǎn),分別對(duì)基坑開(kāi)挖卸載、強(qiáng)夯施工擾動(dòng)、打樁擠土效應(yīng)等對(duì)黃土施工擾動(dòng)的工程特性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的探討.(6)受施工擾動(dòng)土體微結(jié)構(gòu)機(jī)理的電子顯微鏡研究.選取了基坑不同深度、不同應(yīng)力釋放程度條件下的受施工擾動(dòng)土樣,進(jìn)行了土體微結(jié)構(gòu)電子顯微鏡的土力學(xué)性態(tài)變異研究.結(jié)果表明:由于應(yīng)力釋放,土體的微結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,其基本特征是原狀土的顆粒鏈接發(fā)生了不同程度的破裂、斷開(kāi)或錯(cuò)動(dòng);并且,土體結(jié)構(gòu)的變異程度隨應(yīng)力擾動(dòng)程度加大而增強(qiáng),從而從微觀尺度上揭示了土體受施工擾動(dòng)后其強(qiáng)度降低的本質(zhì).(7)基坑土體開(kāi)挖卸載條件下,受擾動(dòng)土體應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系及其強(qiáng)度變化的靜三軸試驗(yàn)?zāi)M.針對(duì)基坑土體開(kāi)挖卸載幾種不同的應(yīng)力路徑,分別對(duì)基坑不同開(kāi)挖深度、土體按不同側(cè)向應(yīng)力卸載進(jìn)行了模擬試驗(yàn);進(jìn)而考慮了土體含水量變化對(duì)受擾動(dòng)土體強(qiáng)度的影響.(8)基坑原狀土的基質(zhì)吸力測(cè)試研究.通過(guò)對(duì)原狀土自然揮發(fā)失水的基質(zhì)吸力室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的研究表明:工程現(xiàn)場(chǎng)土體內(nèi)基質(zhì)吸力的一般變化范圍介于0~0.60kPa之間.該研究結(jié)果,對(duì)非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析及土壓力計(jì)算中基質(zhì)吸力取值均有重要的指導(dǎo)意義.(9)通過(guò)模擬土體應(yīng)力路徑變化的三軸試驗(yàn),研究了開(kāi)挖擾動(dòng)對(duì)土體的影響.研究表明:摩擦角φ是土粒間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦作用的綜合反映,開(kāi)挖擾動(dòng)使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,導(dǎo)致土顆粒位置發(fā)生變化及土顆粒之間的膠結(jié)物發(fā)生拉裂錯(cuò)動(dòng),從而使內(nèi)摩擦角降低.由于考慮了開(kāi)挖擾動(dòng)過(guò)程中應(yīng)力路徑的影響,從總體上說(shuō),土的強(qiáng)度有所降低,其中內(nèi)摩擦角的降低更為明顯,最大降幅達(dá)4°左右.(10)開(kāi)挖擾動(dòng)過(guò)程中應(yīng)力路徑的變化將使土體強(qiáng)度參數(shù)發(fā)生改變.計(jì)算結(jié)果表明,采用擾動(dòng)后土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù),其邊坡安全系數(shù)較之沿用原狀土強(qiáng)度參數(shù)所得結(jié)果要降低10%~13%.盡管這個(gè)單一因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性降低幅度的影響還比較小,但這種影響在邊坡安全儲(chǔ)備不多、且在降雨等其他一些不利因素的共同作用下,將是可能發(fā)生邊坡失穩(wěn)的不利因素.因此,在基坑大開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定分析中,應(yīng)考慮采用實(shí)際應(yīng)力路徑條件下的強(qiáng)度參數(shù),以提高邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的精度.(11)針對(duì)北京地區(qū)一類(lèi)最主要的土質(zhì)——粉質(zhì)粘土,建立了非飽和土強(qiáng)度與含水量變化(模擬施工降水和施工期降雨作用)的關(guān)系,有以下研究成果:①含水量的變化對(duì)非飽和粘性土的c,φ值都有影響,但是對(duì)c值的影響遠(yuǎn)大于對(duì)φ值的影響;②當(dāng)土體飽和度在50%~80%時(shí),含水量對(duì)c值的影響較大,即:隨著含水量增大,c值明顯降低;當(dāng)土體飽和度低于50%或高于80%時(shí),含水量的變化對(duì)c值基本上沒(méi)有影響;③無(wú)論是在低含水量還是在高含水量條件下,非飽和土強(qiáng)度在變形初期增加很大;隨著變形的增大,強(qiáng)度將逐漸趨于穩(wěn)定.(12)對(duì)顆粒流(particleflow)分析用于土體形態(tài)研究的新技術(shù)進(jìn)行了初步開(kāi)發(fā)與探索,以模擬土體的細(xì)、宏觀強(qiáng)度及其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系,有望在施工擾動(dòng)的數(shù)值模擬方面取得突破性進(jìn)展.2.2邊坡走出去工程在本子項(xiàng)研究中,探討了城市環(huán)境土工學(xué)問(wèn)題中的若干典型工程項(xiàng)目,計(jì)有:①基坑開(kāi)挖;②邊坡工程;③軟土隧道盾構(gòu)掘進(jìn);④沉樁施工;⑤大直徑、淺埋頂管頂進(jìn);⑥土釘支護(hù)及其他.較為深入系統(tǒng)地研究了上項(xiàng)各類(lèi)工程施工全過(guò)程的環(huán)境土體穩(wěn)定與變形,以及地表沉降和土層位移等土工公害的理論預(yù)測(cè)與工程險(xiǎn)情分析與預(yù)報(bào).現(xiàn)只對(duì)①~④項(xiàng)進(jìn)行簡(jiǎn)述.2.2.1基底開(kāi)挖(1)深大基坑基底軟土固結(jié)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的研究利用土力學(xué)的極限平衡理論,較詳細(xì)地論述并推導(dǎo)了一種定量分析深大基坑基底軟土穩(wěn)定性的計(jì)算分法,其特點(diǎn)是能夠合理地分析各種土體加固措施對(duì)基底安全系數(shù)Ks的增值效應(yīng);同時(shí),本子項(xiàng)研究還探索了Ks的變化規(guī)律,得出了下述對(duì)基坑設(shè)計(jì)和施工具有重要參考價(jià)值的結(jié)論:①提出了深大基坑基底軟土穩(wěn)定計(jì)算的簡(jiǎn)化模型,可用于沿海軟土多層支撐深基工程的基底穩(wěn)定性分析,其基底穩(wěn)定安全系數(shù)Ks的設(shè)計(jì)取值標(biāo)準(zhǔn)可按所建議的值選取;②研究認(rèn)定,開(kāi)挖深度超過(guò)10m的軟土深基坑圍護(hù)墻體的“入土比”下限值可取0.7,過(guò)度加大墻體入土深度并不會(huì)使Ks值有更大增加;③在“入土比”λ≥0.7且保持不變的條件下,增加基坑深度不會(huì)對(duì)Ks值的減小產(chǎn)生明顯的影響;而且,當(dāng)土體內(nèi)摩擦角φ較大時(shí),這種影響將更小;④顯著提高Ks值的有效方法之一是合理加固被動(dòng)區(qū)土體,這種加固對(duì)Ks的增值效應(yīng)可依據(jù)所建議方法作具體定量分析.(2)基于穩(wěn)定變形的土體穩(wěn)定與變形研究方法根據(jù)受施工擾動(dòng)后土體物理力學(xué)性質(zhì)的變化,研究了各種不同施工擾動(dòng)因素影響條件下基坑工程周近環(huán)境土體的穩(wěn)定理論和分析分法.按不同施工過(guò)程的不同工況,選取了與當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)相適應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系和物理力學(xué)參數(shù)來(lái)研究分析各個(gè)施工階段環(huán)境土體的穩(wěn)定與變形,并建立了較為合理有效的預(yù)測(cè)手段與分析系統(tǒng).在研究?jī)?nèi)容和方法上,含:①基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)新的設(shè)計(jì)計(jì)算方法;②基坑開(kāi)挖引起周?chē)貙游灰茖?duì)環(huán)境影響的分析;③優(yōu)化支護(hù)體系方案,指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工.對(duì)深大基坑的穩(wěn)定及開(kāi)挖引起坑周土體的沉降和位移問(wèn)題,采用了:①利用原位測(cè)試結(jié)果,研究施工擾動(dòng)和時(shí)空效應(yīng)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外周土壓力及其分布的影響,獲得了土壓力大小和分布規(guī)律,通過(guò)土與結(jié)構(gòu)相互作用的理論分析與擬合,提出了結(jié)構(gòu)在發(fā)生側(cè)向位移情況下的土壓力計(jì)算,在此基礎(chǔ)上提出了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與變形的計(jì)算方法;②對(duì)擾動(dòng)土體三維非線(xiàn)性時(shí)空效應(yīng)分析方法進(jìn)行研究,建立了該項(xiàng)分析的軟件系統(tǒng).為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性,采用了與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料相對(duì)比的方法進(jìn)行檢驗(yàn).(3)考慮位移和時(shí)間效應(yīng)的土壓力變化特性的數(shù)值分析利用模糊數(shù)學(xué)的概念和模糊邏輯的推理方法,實(shí)現(xiàn)了環(huán)境土工學(xué)方面諸影響因素和潛在事故危害“后果”這2方面的模糊識(shí)別,建立了基坑開(kāi)挖對(duì)不同環(huán)境影響控制等級(jí)的模糊評(píng)價(jià)體系.在對(duì)基坑開(kāi)挖中土體與結(jié)構(gòu)性態(tài)研究方面,探討了:①針對(duì)基坑工程的特點(diǎn),研究了土的應(yīng)力歷史對(duì)軟粘土地基深基坑的影響.提出了一種在深基坑工程分步開(kāi)挖中考慮飽和粘土強(qiáng)度受超固結(jié)影響的方法,建立了能同時(shí)反映開(kāi)挖應(yīng)力路徑和應(yīng)力歷史的飽和粘土非線(xiàn)性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,以墻體兩側(cè)的靜止土壓力為初始條件,考慮土壓力與墻體和應(yīng)力歷史對(duì)被動(dòng)區(qū)土壓力的影響,提出了一種圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形和穩(wěn)定分析的新方法.②提出了基坑開(kāi)挖條件下環(huán)境土體應(yīng)力路徑變化特征的數(shù)值分析方法,將基坑周?chē)翆臃譃閴嚎s剪切、剪切、卸載和壓縮4個(gè)應(yīng)力路徑區(qū),利用有限元法對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬.③考慮基坑開(kāi)挖空間效應(yīng),對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、主動(dòng)土壓力、支撐力、基底隆起以及坑周地表沉降量的空間分布等進(jìn)行了三維有限元分析,通過(guò)工程實(shí)例,驗(yàn)證了這一基坑工程計(jì)算模式的合理性.④基坑工程中土壓力計(jì)算方法研究,根據(jù)基坑開(kāi)挖工程的特點(diǎn),建立了考慮位移時(shí)間效應(yīng)的土壓力計(jì)算公式,以更好地模擬實(shí)際施工工況.在LBACK彈性地基梁有限元計(jì)算程序的基礎(chǔ)上,采用考慮位移和時(shí)間效應(yīng)的土壓力計(jì)算公式對(duì)土壓力計(jì)算程序以及參數(shù)反演各個(gè)部分都作了相應(yīng)的調(diào)整,并用于實(shí)際工程中的計(jì)算分析,研究工作在土體非線(xiàn)性抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則和非極限條件下土壓力的計(jì)算方法方面取得了進(jìn)展,得出了工程開(kāi)挖擾動(dòng)對(duì)土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的定量影響;⑤針對(duì)基坑開(kāi)挖對(duì)周近地下管線(xiàn)的影響問(wèn)題,利用Winkler彈性地基梁理論,建立了受基坑開(kāi)挖影響的地下管線(xiàn)豎向位移與水平位移方程,并分析了影響地下管線(xiàn)位移的諸多施工擾動(dòng)因素.應(yīng)用所建立的理論對(duì)工程實(shí)例進(jìn)行了分析驗(yàn)證,表明計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值比較吻合.(4)應(yīng)用效果具有實(shí)用性本子項(xiàng)研討的智能控制方法——預(yù)測(cè)控制,其特點(diǎn)是:①做到真正的、高一層次的信息化施工,不斷跟蹤施工活動(dòng),將監(jiān)測(cè)信息及時(shí)反饋給預(yù)測(cè)控制系統(tǒng),再由控制系統(tǒng)作出施工參數(shù)調(diào)整指令,以指導(dǎo)施工,將施工變形控制在規(guī)定的指標(biāo)值以?xún)?nèi);②該系統(tǒng)由一個(gè)ANN預(yù)測(cè)器和一個(gè)模糊控制器組成,數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化,操作簡(jiǎn)便,再輔之以三維動(dòng)態(tài)可視化分析軟件,可提供用戶(hù)以直觀的結(jié)果,具有很大的實(shí)用性;③神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是地下工程變形預(yù)測(cè)最有效的方法之一,在時(shí)間序列的ANN單步預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上,研究中提出了“多步滾動(dòng)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)”的方法,實(shí)現(xiàn)了基坑施工過(guò)程的滾動(dòng)預(yù)測(cè),彌補(bǔ)了以往單步預(yù)測(cè)的不足;④采用模糊控制器進(jìn)行施工變形控制,它簡(jiǎn)便、實(shí)用、易擴(kuò)充修改,便于實(shí)時(shí)控制;另一方面,還充分利用了專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí);⑤本系統(tǒng)是在MATLAB5.2平臺(tái)的支持下研制和開(kāi)發(fā)的,充分利用了MATLAB可視化技術(shù)的各種工具箱函數(shù),保證了軟件內(nèi)部算法的可靠性;另一方面,也使本系統(tǒng)界面友好、操作簡(jiǎn)單、便于應(yīng)用;⑥將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制相結(jié)合對(duì)基坑施工變形進(jìn)行了預(yù)測(cè)控制,使該智能系統(tǒng)的智商更高,效果也更好.在工程應(yīng)用方面,本子項(xiàng)研究結(jié)合上海市某深井基坑和跨越長(zhǎng)江的2座公路懸索大橋特大型錨碇基礎(chǔ)等3處工程實(shí)踐,對(duì)坑壁施工中圍護(hù)墻體的水平變形位移和坑周地面沉降按上述方法與所研制的程序軟件進(jìn)行了智能預(yù)測(cè)與控制的演示、檢驗(yàn)與應(yīng)用.通過(guò)該3處深大基坑工程應(yīng)用的實(shí)例表明:所建議的智能預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)對(duì)基坑全過(guò)程安全施工達(dá)到了很好的預(yù)測(cè)和控制效果,為基坑施工環(huán)境維護(hù)提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐與保障.2.2.2邊緣工程(1)非飽和土邊坡穩(wěn)定性研究根據(jù)非飽和土的強(qiáng)度理論和極限平衡原理,建立了非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)模型,并開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的分析軟件,該模型可以考慮土體基質(zhì)吸力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響.結(jié)合某邊坡工程實(shí)踐,通過(guò)土體基質(zhì)吸力的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果,研究了非飽和土的邊坡穩(wěn)定性.另外,還應(yīng)用基坑周?chē)鷶_動(dòng)土體的強(qiáng)度指標(biāo),分析評(píng)價(jià)了施工擾動(dòng)對(duì)非飽和土邊坡穩(wěn)定性的影響,獲得了以下結(jié)論:①土體基質(zhì)吸力對(duì)邊坡穩(wěn)定性有明顯影響,因此,有效地對(duì)邊坡土體的基質(zhì)吸力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制,可以大大降低邊坡失穩(wěn)的可能性;②由于邊坡開(kāi)挖后土體應(yīng)力狀態(tài)的改變導(dǎo)致其強(qiáng)度參數(shù)發(fā)生變化,對(duì)基坑邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)應(yīng)該考慮土體強(qiáng)度參數(shù)受開(kāi)挖擾動(dòng)后的變異特性.(2)降雨入滲影響非飽和土邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算方法遇施工期降雨,土體含水量變化,在對(duì)非飽和土強(qiáng)度及其穩(wěn)定性的擾動(dòng)方面,本項(xiàng)研究運(yùn)用非飽和土體水分運(yùn)移的基本理論,結(jié)合北京地區(qū)降雨特征和地下水位特點(diǎn),以含水量作為控制變量建立了降雨入滲的數(shù)學(xué)模型.在計(jì)算模型中通過(guò)變換上邊界條件,考慮了降雨過(guò)程中土體入滲能力的變化;采用有限差分法研制了相應(yīng)的專(zhuān)用計(jì)算程序,可以求解給定降雨條件下邊坡土體瞬態(tài)含水量的數(shù)值解.根據(jù)試驗(yàn)確定的土體含水量與基質(zhì)吸力關(guān)系曲線(xiàn),應(yīng)用Fredlund的非飽和土強(qiáng)度理論和常規(guī)的邊坡穩(wěn)定性分析方法,計(jì)算了降雨入滲對(duì)非飽和土邊坡穩(wěn)定性的惡化影響;進(jìn)而研討了降雨強(qiáng)度、降雨持續(xù)時(shí)間、土體初始含水量及其滲透系數(shù)等參數(shù)對(duì)降雨入滲及邊坡穩(wěn)定性之間的定量關(guān)系.2.2.3軟土隧道結(jié)構(gòu)開(kāi)挖(1)地表變形原因①土層原始地應(yīng)力狀態(tài)的改變:在原先處于穩(wěn)定狀態(tài)的地層中,盾構(gòu)掘進(jìn)施工擾動(dòng)使開(kāi)挖面土體產(chǎn)生一定程度的松弛和塌陷,還導(dǎo)致地層原始應(yīng)力狀態(tài)的改變和土體極限平衡狀態(tài)的破壞,從而引起地表下沉,也有因艙壓過(guò)高或出土欠挖而產(chǎn)生盾構(gòu)作業(yè)面前方土體隆起;②盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)土體的擠壓擾動(dòng):各種開(kāi)挖方式的盾構(gòu)掘進(jìn)都不同程度地對(duì)土層產(chǎn)生擠壓擾動(dòng);此外,盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)彎道及需對(duì)盾構(gòu)行進(jìn)姿態(tài)調(diào)整作水平和垂直糾偏時(shí),也均會(huì)使其周邊土體受到一定程度的擠壓擾動(dòng),從而引起地表變形,其變形大小還與地層的土質(zhì)以及隧道埋深有關(guān);③施工降水影響:盾構(gòu)進(jìn)出洞門(mén)時(shí)經(jīng)常要采取降水措施,由于降水使含水地層中土的有效應(yīng)力增加、孔隙比減小而孔隙壓消散;同時(shí),由于周?chē)叵滤牟粩嘌a(bǔ)給,在一定的土層范圍內(nèi)產(chǎn)生動(dòng)水壓力,也導(dǎo)致土中有效應(yīng)力增加,產(chǎn)生土體主固結(jié)沉降和后續(xù)次固結(jié)流變的發(fā)展;④盾尾空隙充填不足和不及時(shí):盾尾建筑空隙要求及時(shí)而足量地進(jìn)行充填,壓漿材料的性能、注漿壓力及其充填量多少均會(huì)影響到地表沉降大小及其速率,盾構(gòu)施工中的糾偏或遇彎道施工時(shí)的局部超挖,也會(huì)造成盾尾后部建筑空隙的不規(guī)則擴(kuò)大,其擴(kuò)大量一般都難以確切估計(jì),而空隙又無(wú)法做到及時(shí)充填并壓密,從而導(dǎo)致地表沉降;沉降沿盾構(gòu)行進(jìn)的縱、橫向均表現(xiàn)為不均勻的差異沉降,其對(duì)環(huán)境土工的危害就更大;⑤襯砌管片環(huán)的變形:隧道襯砌脫出盾尾后,在土水壓力持續(xù)作用下管片環(huán)產(chǎn)生變形位移,將導(dǎo)致地表的少量沉降.此處,地表變形主要受盾構(gòu)作業(yè)時(shí)諸施工參數(shù),如艙壓大小、出土量、掘進(jìn)速度、千斤頂?shù)牟痪忭斄?、盾尾注漿量與注漿壓力和注漿滯后時(shí)間,以及糾偏量等所控制;它還與隧道埋深、盾構(gòu)直徑、軟土物理力學(xué)參數(shù)與流變特性、盾構(gòu)施工方法、襯砌背面壓漿工藝等諸多因素密切有關(guān).(2)第2類(lèi)是地震損失引起的地面沉降,在一般年第1類(lèi)為正常的地層損失:即使盾構(gòu)施工精心操作,沒(méi)有人為失誤,但由于地質(zhì)條件變異和盾構(gòu)施工條件的約束與限制,也不可避免地會(huì)引起一定的地層損失.一般地,這種地層損失可以控制在可承受的限度之內(nèi),這類(lèi)損失引起的地面沉降也比較均勻;第2類(lèi)為不正常的地層損失:因盾構(gòu)施工失誤而引起本來(lái)可以避免的地層損失.如盾構(gòu)密封艙的土壓不正常,壓漿不及時(shí),開(kāi)挖面出土超(欠)挖、盾構(gòu)后退等等,這類(lèi)地層損失引起的地面沉降常有局部突變的不利特征;第3類(lèi)為災(zāi)害性的地層損失:盾構(gòu)開(kāi)挖面土體發(fā)生塑流或崩塌失穩(wěn),將導(dǎo)致災(zāi)害性的地面坍陷.這種情況通常是由于地質(zhì)狀況急劇變化、局部有未探明的高貯量承壓水、盾構(gòu)通過(guò)土層遇透水性大的顆粒狀透鏡體或地層中有貯水空洞等造成的.因此,在盾構(gòu)施工前及時(shí)探明所穿越的地質(zhì)和水文條件是十分重要的,以避免這類(lèi)災(zāi)害性的地質(zhì)破壞發(fā)生.(3)工法穩(wěn)定性數(shù)值模擬采用半解析法對(duì)同一地鐵區(qū)間的盾構(gòu)隧道,分別就:①單一盾構(gòu)掘進(jìn);②兩盾構(gòu)同向掘進(jìn);③兩盾構(gòu)對(duì)向掘進(jìn),作了對(duì)比計(jì)算和分析研討;借用3D-σ和3D-FLAC程序,結(jié)合上海市明珠二期南浦大橋區(qū)間地鐵施工實(shí)際,分別就單一盾構(gòu)和上下近距離交疊地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的施工變形作了三維數(shù)值仿真模擬,并分別研討了盾構(gòu)諸施工參數(shù)變化對(duì)其施工變形的影響;類(lèi)似于本文前述的基坑工程情況,本子項(xiàng)研究也采用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能預(yù)測(cè)與控制方法,詳細(xì)而較全面地研討了盾構(gòu)施工變形對(duì)地表縱、橫向沉降的預(yù)測(cè)及其控制策略(詳見(jiàn)后述第2.3節(jié)).(4)考慮地表沉降變化的考慮已如上述,隧道開(kāi)挖后會(huì)引起地表沉降、地下管線(xiàn)走移,及其周近建(構(gòu))筑物地基變形.在本子項(xiàng)研究中探討了如何用地表沉降值來(lái)反映管線(xiàn)的走移和建筑物的變形,進(jìn)而通過(guò)控制地表沉降來(lái)控制管線(xiàn)與建筑物的變形,這是一個(gè)嶄新的課題,取得了以下成果:①分析了盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)地層變形的影響,提出了因盾構(gòu)掘進(jìn)導(dǎo)致地表沉降的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式;②分析了地表最大沉降值與地下管線(xiàn)和建筑物變形及其應(yīng)變發(fā)展間的關(guān)系,從而可以根據(jù)各類(lèi)管線(xiàn)、建筑物與隧道的相對(duì)位置、地層條件、管線(xiàn)和建筑物的允許變形情況求出最大沉降量,進(jìn)而,通過(guò)控制地表最大沉降值就可以間接控制隧道工程施工對(duì)建筑物和地下管線(xiàn)的不利影響,而不需要直接量測(cè)管線(xiàn)與建筑物基礎(chǔ)的變形,研究認(rèn)定,在盾構(gòu)工程環(huán)境影響的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制中,采用地表最大沉降值作為目標(biāo)控制值是可行的;③在根據(jù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化理論,建立盾構(gòu)工程環(huán)境土工影響動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制模型方面,利用VisualBasic5.0開(kāi)發(fā)工具,研制了實(shí)現(xiàn)隧道環(huán)境影響動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制的計(jì)算軟件,實(shí)現(xiàn)了方案設(shè)計(jì)與施工2個(gè)階段的優(yōu)化調(diào)整,該程序包括信息的輸入與顯示、施工方案的設(shè)計(jì)、優(yōu)化與信息反饋,以及環(huán)境影響計(jì)算等;該軟件還可對(duì)隧道施工的環(huán)境土工影響進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制,最后,通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證了上述所建議的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制模型的可靠性和適用性.2.2.4樁沉降(1)單樁與雙樁著力變形特性分析本子項(xiàng)進(jìn)行了沉樁擠土效應(yīng)的模型試驗(yàn)研究,研制了擠壓樁有限元計(jì)算分析程序,對(duì)單樁和群樁的擠土效應(yīng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬.通過(guò)在軟粘土中靜力壓入單樁和雙樁的模型試驗(yàn),對(duì)沉樁過(guò)程中隨水平及深度方向變化的土體位移規(guī)律進(jìn)行了研究,并對(duì)壓入單樁與雙樁的試驗(yàn)結(jié)果做了比較分析.在軟粘土中靜力壓入單樁和雙樁進(jìn)行的模型試驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)于單樁,區(qū)域1是沉樁的主要變形區(qū)域,樁周土體的側(cè)移隨距離樁軸線(xiàn)的增大而急劇減小,其影響范圍為4D~5D(D為樁徑).區(qū)域2的側(cè)移約為區(qū)域1的2/3,規(guī)律類(lèi)似.該區(qū)的另一特征是產(chǎn)生地表隆起,且距離樁軸線(xiàn)1D~2D處的隆起量為最大,其影響范圍約為3D~5D.區(qū)域3的側(cè)移變化劇烈,從樁側(cè)過(guò)渡到樁尖以下的側(cè)移變形曲線(xiàn)由雙曲線(xiàn)漸變?yōu)榻鼧?、遠(yuǎn)樁處小而中間大的馬鞍形分布;對(duì)于雙樁,區(qū)域1的側(cè)移變化規(guī)律與單樁相比,差別很小;由于鄰樁的存在,限制了區(qū)域2(樁間土)的側(cè)移,因而其地表隆起量遠(yuǎn)比單樁情況下的要大.受先壓入樁體的屏障作用,區(qū)域3無(wú)論是地表隆起還是土體側(cè)移都較另外2個(gè)區(qū)域的小很多.(2)數(shù)值計(jì)算方法的應(yīng)用為了分析打(壓)樁擠土效應(yīng)及其對(duì)環(huán)境的影響,采取的分析方法有:①用半解析數(shù)值方法模擬沉樁施工全過(guò)程,并在微機(jī)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)際樁基施工的模擬計(jì)算;②將三維非勻質(zhì)、變剛度的介質(zhì)—結(jié)構(gòu)相互作用問(wèn)題降維為一維數(shù)值問(wèn)題處理,編制了相應(yīng)的專(zhuān)用計(jì)算程序,將之應(yīng)用于群樁施工引起地表和地層土體與各保護(hù)工程對(duì)象變形位移的計(jì)算分析,并對(duì)相關(guān)工程的環(huán)境土工公害問(wèn)題進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)與探討;③結(jié)合對(duì)各保護(hù)工程對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),特別是超孔隙水壓的積聚與消散,及土體應(yīng)力與位移隨距離變化的量測(cè),將上述半解析數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作了對(duì)比探討;進(jìn)而將計(jì)算結(jié)果作歸納分析,總結(jié)出這類(lèi)環(huán)境土工公害的主要指標(biāo),為科學(xué)預(yù)測(cè)與合理控制環(huán)境變化與信息化施工創(chuàng)造條件并提供理論依據(jù).(3)防治或減輕壓樁擠土效應(yīng)對(duì)工程環(huán)境的影響針對(duì)工程擠壓樁的特點(diǎn),在研究中分析了軟粘土內(nèi)靜力壓樁的擠土效應(yīng)及其對(duì)工程環(huán)境影響的計(jì)算方法.通過(guò)對(duì)某大樓地基基礎(chǔ)工程壓樁施工過(guò)程進(jìn)行測(cè)試,分析了靜力壓樁對(duì)工程環(huán)境的影響,提出了防治或減輕壓樁擠土效應(yīng)對(duì)周?chē)こ汰h(huán)境土工影響一些有效措施.在理論研究的同時(shí),還研制了相應(yīng)的計(jì)算程序軟件;運(yùn)用無(wú)限介質(zhì)中圓柱形小孔擴(kuò)張理論,分別模擬了飽和粘性土中打入樁的沉樁過(guò)程.假定土體為均質(zhì)、各向同性的彈塑性介質(zhì),求出了沉樁過(guò)程中樁周土體的應(yīng)力分布和樁的極限擴(kuò)張壓力,分析了沉樁引起樁周土體土性的變化及其對(duì)土體應(yīng)力和擴(kuò)張壓力的影響.對(duì)打樁瞬間所引起的超孔隙水壓力與樁周超孔隙水壓力后續(xù)的歷時(shí)性消散以及土體再固結(jié)的時(shí)效特性進(jìn)行了分析.2.3本工程對(duì)周?chē)h(huán)境對(duì)勞動(dòng)力的影響的監(jiān)測(cè)和變形控制的研究2.3.1輸入矢量模糊控制模糊理論是解決復(fù)雜非線(xiàn)性系統(tǒng)決策所使用的一種有效方法,與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比,它們的共同之處是不需建立任何數(shù)學(xué)模型,只需根據(jù)輸入的采樣數(shù)據(jù)去估計(jì)所要求的推理決策.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)學(xué)習(xí)的算法,而模糊理論則是根據(jù)專(zhuān)家提出的一些語(yǔ)言規(guī)則來(lái)進(jìn)行推理決策,它們都是無(wú)模型的估計(jì).人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用自適應(yīng)控制、優(yōu)化、識(shí)別和統(tǒng)計(jì),模糊理論則是應(yīng)用概率、數(shù)學(xué)邏輯和測(cè)試方法,它們兩者涉及的都是動(dòng)態(tài)系統(tǒng).近年來(lái),原來(lái)并沒(méi)有必然聯(lián)系的模糊理論,與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間有了較多的結(jié)合,可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)那些在模糊理論中難以確定的規(guī)則和決策通過(guò)學(xué)習(xí)來(lái)得到,也可以利用模糊理論把輸入矢量模糊化來(lái)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入矢量.在理論方面,本子項(xiàng)研究采用了模糊邏輯控制而不是其他的控制算法,其特色在于:①模糊控制是基于規(guī)則的、即可利用誤差等數(shù)據(jù)信息,也利用了專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí),這就為在預(yù)測(cè)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)合適的控制修正子系統(tǒng)提供了靈活性;②模糊控制無(wú)需建立所研究對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,由于控制問(wèn)題所面對(duì)的是某種形式的預(yù)測(cè)系統(tǒng),對(duì)這樣的控制對(duì)象建立精確的數(shù)學(xué)模型是非常困難的;③模糊控制歸屬于一種非線(xiàn)性控制,而被控的預(yù)測(cè)模型與其預(yù)測(cè)對(duì)象(此處為施工變形位移)都是非線(xiàn)性的,為了對(duì)其進(jìn)行誤差反饋修正,調(diào)節(jié)器也應(yīng)該是非線(xiàn)性的.模糊控制器是一種萬(wàn)能的非線(xiàn)性控制器,經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié),可以得出較為理想的預(yù)測(cè)誤差修正機(jī)制.在工程實(shí)用方面,采用模糊控制的原因在于:①它方便易懂,模糊控制不同于復(fù)雜的其他控制理論,是一種模仿人的控制策略的方法;同時(shí),也易于在控制中隨時(shí)加入新的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則,改善系統(tǒng)性能,這樣的控制便于人們理解和自行設(shè)計(jì);②它執(zhí)行簡(jiǎn)便,本項(xiàng)研究使用的模糊控制是最基本而又最常用的查表式模糊控制,易于實(shí)現(xiàn)與調(diào)節(jié),且運(yùn)行速度快,可以滿(mǎn)足各種實(shí)時(shí)性要求;③它容易開(kāi)發(fā),隨著模糊控制應(yīng)用的迅速普及,現(xiàn)成的軟件開(kāi)發(fā)工具不難得到(如MATLAB等),這為今后采用更為優(yōu)化的模糊控制方案(如各種自適應(yīng)模糊控制)提供了便捷的開(kāi)發(fā)方式.當(dāng)變形預(yù)測(cè)值接近警戒值時(shí),控制器開(kāi)始報(bào)警,由模糊控制器給出相應(yīng)的處理措施和施工參數(shù);根據(jù)控制器提示,調(diào)整相應(yīng)的施工參數(shù),進(jìn)行后續(xù)施工,直至變形恢復(fù)正常.2.3.2應(yīng)用效果與分析這部分研究的主要內(nèi)容有:①基坑周邊地表沉降與土層移動(dòng)的監(jiān)測(cè).②工程施工中環(huán)境土工的控制理論與方法,在研究中完成了某大樓深基坑圍護(hù)的監(jiān)測(cè)工作,內(nèi)容包括:連續(xù)墻的側(cè)向位移、墻后土體側(cè)向位移、墻體豎向彎矩和主筋應(yīng)力、支撐軸力、坑外地下水位、立柱沉降等等.經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)演示和試用,該項(xiàng)研究取得了很好成效.施工環(huán)境穩(wěn)定自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能包括:自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、自動(dòng)記錄、自動(dòng)分析、現(xiàn)場(chǎng)顯示監(jiān)測(cè)與分析結(jié)果等.為達(dá)到輕便實(shí)用的目的,采用了便捷式電腦為主機(jī).技術(shù)上先完成了硬件系統(tǒng)的研制,然后開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)處理與分析軟件,并將理論模型分析與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果不斷交替對(duì)比,逐步實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和預(yù)報(bào)系統(tǒng)的完善化.采用系統(tǒng)論和控制論方法,建立了基于工程施工變形控制的受施工擾動(dòng)影響土體環(huán)境穩(wěn)定的理論框架和計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng).另外,依據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成果,應(yīng)用模型辨識(shí)和參數(shù)反演方法,研究了土體性態(tài)、結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的不確定性機(jī)理及其計(jì)算參數(shù)的時(shí)空效應(yīng),并建立了系統(tǒng)力學(xué)響應(yīng)動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型與工程施工力學(xué)響應(yīng)的預(yù)報(bào)機(jī)制,以達(dá)到施工全過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真.通過(guò)程序研制,實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)程序智能預(yù)報(bào)系統(tǒng).結(jié)合上述實(shí)際工程,驗(yàn)證了理論的合理性和可行性.2.3.3實(shí)現(xiàn)環(huán)境土體施工風(fēng)險(xiǎn)的聯(lián)動(dòng).(1)已初步研制、開(kāi)發(fā)了盾構(gòu)法隧道施工多媒體監(jiān)控及其三維仿真模擬計(jì)算機(jī)技術(shù)管理系統(tǒng),以上海市地鐵2號(hào)線(xiàn)“中山公園站—江蘇路站”區(qū)間盾構(gòu)法隧道施工為工程依托,建立了多媒體監(jiān)控系統(tǒng),在現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證了由本項(xiàng)研究完成的有關(guān)成果和計(jì)算機(jī)專(zhuān)用軟件.其主要內(nèi)容包括:①在盾構(gòu)掘進(jìn)施工的多媒體實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控仿真模擬中,研制并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的硬件配置,可以作為計(jì)算機(jī)技術(shù)管理系統(tǒng)的支撐設(shè)施,并已在幾處工程實(shí)踐中得到了檢驗(yàn)、演示與試用,在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)工作面處安裝了攝像機(jī)和光端發(fā)射機(jī),經(jīng)過(guò)鋪設(shè)于隧道中的光纜,將圖像信號(hào)和盾構(gòu)施工參數(shù)信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嬗?jì)算工作站的光接收機(jī)上,工作面處的各部位關(guān)鍵工序均可景象清晰地反映在地面指揮中心的顯示器屏幕上.②開(kāi)通盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)主控計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集需要的軟、硬件系統(tǒng),經(jīng)調(diào)試已與地面計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng).③可從施工現(xiàn)場(chǎng)收集到有關(guān)上述研究工作所需要的數(shù)據(jù)資料:地面空間坐標(biāo)系統(tǒng)、地形圖、設(shè)計(jì)圖紙、監(jiān)測(cè)方案和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)(由監(jiān)測(cè)單位提供),以及軸線(xiàn)控制測(cè)量資料、地面建(構(gòu))筑物和地下管線(xiàn)布置圖、盾構(gòu)推進(jìn)技術(shù)參數(shù)報(bào)表等等,并建立了較為完善的盾構(gòu)施工工程數(shù)據(jù)庫(kù)(內(nèi)容含工程地質(zhì)、水文地質(zhì)資料數(shù)據(jù)、施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、盾構(gòu)施工參數(shù)數(shù)據(jù)),可以隨時(shí)方便查詢(xún)與調(diào)用.④分別制定了基坑和盾構(gòu)施工環(huán)境土工安全的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),以上海市地鐵工程建設(shè)為例,就采用盾構(gòu)法施工區(qū)間隧道時(shí)周?chē)h(huán)境的調(diào)查及其控制地層位移已設(shè)定的要求,討論了監(jiān)控設(shè)計(jì)的要點(diǎn),針對(duì)環(huán)境土體變形位移不同的允許限值,