地铁深基坑支护结构变形预测分析与应用

摘要：随地铁深基坑施工的进行,为确保施工安全,都采取降水措施,深基坑侧面土体由于失水而导致其物理力学性状不可避免的发生变化,因此基坑侧面土体的ｍ值也是不断变化的。利用现场监测的深基坑支护结构变形信息资料,结合参数优化反分析土体ｍ值,根据现 现场地质资料和优化后的参数通过有限元计算对深基坑支护系统进行变形预测,及时调整开挖方案和支护参数,此方法可以有效地指导基坑施工,使得基坑围护结构的变形始终处于可控制状态,以确保施工安全。
　　关键词：深基坑;反分析;变形预测;支护结构
1 引言
以变形大小作为控制手段的深基坑动态设计方法正受到人们的普遍重视,因为支护结构的变形是基坑开挖过程中支护结构与土相互作用的直观反映,又是支护设计应用于现场实际,与现场地质和施工情况的相互作用的具体反映,如果能根据支护周围土体参数和支护结构的相关参数事先预测支护结构的变形量,将最不利情况的预测值作为控制支护结构变形的警戒值,将对保证基坑安全施工具有重要的意义。
利用深基坑支护开挖过程中所获工况的监测信息,采用优化反分析来反演土体及支护结构力学参数,然后通过有限元计算预测下一工况的桩墙变形量、内力及支撑力,把计算值作为支护结构的控制值,通过根据现场实际调整施工方案和支护参数,随着施工的进行,继续采集下一施工阶段的相应信息,进行参数反演,计算预测下一工况的桩墙变形量等,如此反复循环,提高预测值精确度。
2 预测原理
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。
2.1 建立目标函数
以基坑开挖的每一工况监测信息为基础的反分析方法目标函数一般为:

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。
2.2 桩体任意处位移计算
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:

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点所在单元两端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(坐标原点为桩墙顶点)。
2.3 监测数据采集
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(见图1),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:Δｉ=ｌｉｓｉｎθｉ(3)
某一深度的水平变位值δｉ可通过区段变位△ｉ的累计得出,即:

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δｉ,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δｉ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δｉ,点在坐标纸上连接起来,便可绘制出桩体的水平变位(Ｈ～δｉ)曲线。
2.4 数据优化处理
(1)现场监测的数据常常由于测量仪器、操作人员、施工状态或测点受到干扰破坏等各种情况而引起监测点数不够理想、不够充足,常求助于拉格朗日插值或样条函数插值的方法进行数据处理。
(2)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,具体过程见参考文献[3]