摘要:随着我国地下工程的逐步发展,深基坑支护结构设计已经成为一个重要的过程。由于基坑规模的不断扩大,原位土体的应力场及地下水等环境的改变,对支护结构的要求越发的严格,以避免引起工程维护结构的变形和损坏。本文对深基坑支护结构变形规律通过数学方法和时空分析方法进行预测,在防止支护结构的变形,优化工程维护结构等方面具有重大价值。
关键词:深基坑;支护结构;规律分析
0引言
根据基坑开挖所引起的空间效应和地基流变引起的时间效应,利用时空效应法分析对基坑支护结构的动态变形规律进行分析预测。
1基坑支护结构变形规律的数学预测原理及方法
预测原理实际上是先做反分析,然后再做正分析,即以每一工况位移监测信息为基础,选择适当的土体力学模型及相应的边界条件,然后建立目标函数,利用优化方法来搜索与实测值逼近的土体参数及支护结构力学参数,然后把这里参数用于下一步工况的计算参数,再对支护体系变形进行预测,结合监测对支护体系变形进行控制。分以下几个步骤进行:
1.1 建立以基坑开挖的每一工况检测信息为基础的目标函数。一般将该目标函数设为:F(x)=(uci(x)-uti)2。
式中uci(x)为支护结构上测点i的水平位移的计算值,uti为支护结构上测点i的水平位移的实测值;x表示土体的m值、支撑刚度系数、桩墙刚度等;n为测点总数。
1.2 对桩体的任意处位移进行计算。支护结构的位移计算采用弹性地基梁有限元法,计算的最终结果是单元节点处的内力及变形,而实测点的位置可能不在节点处,为了反映施工过程的动态响应,以及目标函数值的求解,需要给出监测点任意位置设置和任意施工阶段的监测信息增量,则任一单元上测点i的水平位移uci可用线性插值法求得,计算公式为:uci=uc1+[(x1-x2)/(x2-x1)](uc2-uc1)。
式中,x1,x2分别为测点i所在单元两端点的坐标;uc1,uc2分别为i点所在单元连贯点的水平位移计算值;uci为测点i的水平位移;xi为测点i的坐标。
1.3 现场检测数据的采集。现场测量桩体倾斜的测斜仪按0.5m点距由下往上逐点进行读数,即将测斜管分成了n个测段,每个测段的长度li=500mm,在某一深度位置上所测得的两对导轮(li)之间的倾角θi,通过计算可得到这一区段的变位△i。
计算公式为:△i=lisinθi
某一深度的水平变位值φi可通过区段变位△i的累计得出,即:
φi=∑△i=∑lisinθi
设初次测量变位结果为φi(0),则在进行第j次测量时,所得的某一深度上相对前一次测量时的位移值△xi即为:△xi=φi(j)-φi(j-1)。
相对初次测量时总的位移值为:∑△xi=φi(f)-φi(0)。
计算时假定管底作为基准点,由下而上累计计算某一深度的变位值φi,直至管顶,然后再根据测得的该点桩顶位移对水平变位值进行修正。但是不论基准点设在管顶或管底,计算变位值φi总以向基坑侧变位为正,反之为负。将在围护结构中同一测斜管的不同深度处所测得的变位值φi,点在坐标纸上连接起来,便可绘制出桩体的水平变位曲线。
1.4 对数据进行优化处理。现场监测的数据常常由于某些原因不够精确。另外由于环境及人为读数引起的误差在实际监测过程中无法避免,为了消除这种误差对反分析结果的精度影响,必须对监测数据进行平滑处理。
2基坑时空效应变形规律分析
2.1 基坑空间分布规律。由于基坑的三维结构性,在基坑开挖时表现出明显的空间效应。支护桩体的较大位移发生在基坑的长边,且为跨中部位,短边位移相对较小,尤其基坑端部拐角部位,位移最小。上述现象表明基坑具有明显的空间效应,基坑短边的空间作用较明显长边的空间作用较弱;且基坑端部的空间作用明显,基坑跨中部位的空间作用较弱。
2.2 基坑时间分布规律。支护结构的位移随每次开挖时间的延长和相应腰梁设置的延迟而增加;位移的最大点逐渐向下移动,始终位于基坑开挖面附近施工振动和地下水的影响,使支护结构的位移表现出明显的滞后效应。表明基坑具有明显的时间效应,应合理安排每开挖步的时间并及时设置腰梁,根据不同的外部影响因素,科学地判断基坑的运行状态,并及时采取有效的防护措施。
3对于两种分析方法的结论
3.1 基坑开挖维护结构变形的数学预测方法,经过维护结构参数的反演和优化,能够准确预测维护结构的最大变形,并可以此数据来指导施工。参数优化反分析技术,根据现场监测信息资料,可以较准确的反演各工况下与实际相符的土体参数及支护结构力学参数,通过上一工况的优化反演参数值对下一工况不仅可以作出较准确的变形预测,而且变形预测曲线与实测曲线也拟和得很好。
3.2 基坑支护结构水平位移的时空效应是明显的。基坑短边和端部,空间作用明显,基坑长边和跨中,空间作用较弱;基坑施工时间越长,或开挖持续时间越长,或腰梁设置延迟,支护结构的水平位移越大。基坑工程的外部因素是复杂的,施工振动和水位变化是常见的影响因素,其滞后效应和滞后时间为判断基坑的安全状态和及时采取加强措施提供了依据。基于时空效应理论的基坑开挖方法和支护设计方案,对于制定科学的监控方案提供了依据,同时对处理复杂施工条件下流变性土体的支扩结构的变形提供了理论支持。
参考文献:
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