深基坑变形分析及预测（精选7篇）
深基坑变形分析及预测 篇1
0 引言
近年来伴随着我国城市的发展,在地铁建设中换乘车站多数处在城市中心区域,周边建筑物、市政管线较密集。在进行车站基坑开挖过程中,基坑的变形对周围既有构筑物产生影响较大,所以控制深基坑变形尤为重要。对这种工程情况如何进行前瞻性分析并确定合理的支护体系是地铁工程中的一个现实问题。本文借助FLAC3D3.0数值模拟软件与曲线变化图,研究土体与围护结构的变形规律。
本文依托南京地铁二号线集庆门站基坑工程,利用深基坑支护开挖过程中所获工况的监测信息,采用考虑支护结构与土体耦合作用的三维数值模拟方法探讨深基坑软土地层开挖引起的围护结构变形、地表沉降、土体变形进行模拟分析。然后对支撑结构体系变形与开挖和地面沉降之间的关系进行了生成变化量曲线图分析。分析后与FLAC3D3.0模拟数据对比,确定位移的变化状况与围护体系变形控制效果,以便采取相应土体加固方案和支护参数。随着施工的进行,按照此方法继续收集下一施工阶段的相应信息,进行参数反演,预测施工中下一工况土体的应力及位移,作为今后施工的理论参考。
1 基坑开挖变形机理
基坑开挖变形应包括围护支撑结构的变形、基底隆起和基坑周边地层的变形。基坑变形的根本原因是基坑开挖的卸载,在坑内外不平衡压力的作用下,引起支撑结构向基坑内的位移,从而又引起桩背土体的应力改变而出现的土体移动,并在一定范围传递,造成基坑周边地面及建筑物的沉降,甚至倾斜。
2 预测原理
以深基坑岩土参数动态反演研究成果为依据,搜索与实测值逼近的土体参数及支护结构力学参数,利用FLAC3D3.0有限差分数值模拟并与实际监测变化量曲线图对比分析。然后选择适当的开挖深度变化量、时间间隔及相应的边界条件,建立目标数据平台,对下一步工况支护体系与土体变形进行预测。
3 工程应用
南京地铁二号线集庆门站是二号线与六号线的换乘车站,车站全长312 m,标准段宽48 m,车站为地下二层钢筋混凝土框架结构,双岛式站台,是国内地铁工程中少有的超宽大基坑。车站主体位于车流量较大的江东南路和集庆门大街交汇处,周边地下管线纵横交错,受施工影响的管线多达30条,周边建筑物林立,距离基坑20 m左右。
工程地质和水文地质条件:车站所在地层呈明显的二元结构,上部主要以淤泥质粉质粘土层为主,粘土层底部埋深在地面下17 m左右,地下水为孔隙潜水。车站底板位于淤泥质粉质粘土层中,连续墙端部深入全风化泥岩。
3.1 FLAC3D数值模拟预测
3.1.1 模拟方案设计及工况
本工程车站主体结构基坑为明挖工法,围护结构支护体系为地下连续墙+钢管内支撑形式,由上至下设4道内支撑+1道换撑。该模型的开挖支护模拟共分成4个工况进行:第1步为基坑开挖至5.0 m,在2.0 m处设置第1道钢支撑,第2步为基坑开挖至8.0 m,在6.0 m处设置第2道钢支撑,第3步为基坑开挖至14.0 m,在9 m处设置第3道钢支撑,第4步为基坑开挖至18.0 m,在14.0 m处设置第4道钢支撑,在距15 m处设置1道换撑。如图1所示,在基坑开挖前,在典型位置设置地表沉降监测点,以研究该基坑施工过程中地表沉降规律。设定地下连续墙支撑结构侧向变形监测点20个、土体变形监测点和地层沉降监测点13个,并设置“红色预警值”,对4个工况的有关数据进行监测与计算模拟分析,如图2所示。
3.1.2 计算模型建立
由于本工程基坑为长方形,长度220 m,开挖宽度180 m,基坑深18 m,采用分层开挖,土体开挖水平影响范围取大于2倍基坑宽度,分别沿基坑边缘扩展60 m,影响深度取2倍基坑开挖深度,其基坑底向下扩展50 m,选取模型尺寸为110 m×90 m×60 m(长×宽×高)的立方体,其中X轴为东西方向,Y轴为南北方向。根据本工程支护结构的特性和用途,本次模型计算中,未考虑地下水的作用,初始应力只考虑自重应力。首先,建立初始地应力场,并消除各向位移和加速度矢量;然后,通过改变地下连续墙材料参数来模拟连续墙施工;最后,进行基坑开挖支护模拟。
本文采用强度折减有限元法,运用FLAC3D软件,根据表1中参数,建立有限元模型。土体采用以三维六面体8节点的MohrCoulomb屈服条件为破坏准则的弹塑性模型,采用实体单元,连续墙采用8节点的壳单元模拟,钢支撑采用3节点的梁单元模拟。位移边界条件设定:侧面限制水平位移,底部限制竖向位移,地表取为自由边界。
3.1.3 地层土及支护参数
本工程主体结构采用明挖顺作法施工,围护结构采用C30钢筋混凝土、厚80 cm地下连续墙+内撑的支护体系。C30钢筋混凝土弹性模量为30 MPa,钢管五道作为内支换撑,弹性模量取200 MPa,模拟分析要考虑施工过程中荷载变化情况分阶段计算。各土层与支撑参数见表1。
3.2 集庆门站深基坑变形计算及预测
根据车站侧斜孔、地面沉降等监测资料,选取左侧(GX1,CX1,DX1)与右侧(GX8,CX8,DX8)典型断面对基坑变形进行模拟分析。
3.2.1 基坑开挖三维变形模拟计算
计算采用Itasca公司开发的有限差分软件FLAC3D,是一种基于连续介质的三维显式有限差分数值分析方法,依据集庆门站车场监测获得的实际支护参数及现场实际施工条件,模型分析及典型开挖到第3步,第4步土体沉降云图如图3~图6所示。在计算过程中,仅计算步骤1~4完成后土体沉降值。
开挖到第3步时,随着基坑的开挖,基坑水平位移继续发育。此时右侧土体水平位移仍然大于左侧土体,最大值达到3.65 cm,如图3所示。基坑最大沉降在施加荷载位置处及右侧土体发育,最大值达到7.75 cm,基坑底部隆起加剧,达到20 cm,如图4所示。
开挖到第4步时,基坑的开挖至设计标高,基坑水平位移发育达到最大。此时右侧土体水平位移最大值达到4.35 cm,发育在基坑右侧土体附近并延伸至基坑底部,但仍然大于左侧土体,如图5所示。基坑沉降发育变化明显,平均沉降量达到5 cm,局部达到9.58 cm,最大沉降位于基坑右侧施加荷载处,如图6所示。
本工程监测点最大位移发生在第4步位置,其模拟数据见表2。
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3.2.2 支撑结构体系变形与开挖的关系
在基坑边缘土体中及连续墙上设置测斜监测点,模拟中选取DX1监测点进行分析。从图7中可以看出,开挖深度在5 m时,围护体系深层位移变化量不大,开挖深度在8 m以下时,深层位移量开始明显增大,直至底板浇筑且强度增长后,深层位移量趋于稳定,最大深层位移发生在基底面以上3 m~5 m左右。同时,我们也看到,基底面以下5 m范围内,支撑围护结构也发生了一定的向基坑内的位移。深层位移日变化量受各种开挖工况如支撑是否架设等的影响,变化较大,但总的趋势是:开挖到8 m以下后,日最大变化量明显增大,底板浇筑后大幅减小。
3.2.3 基坑支撑结构变形与地面沉降的关系
由于坑外地面(道路)沉降的影响因素较多,很难较精确地量化基坑变形的影响在地面总沉降量中所占的比例,模拟中选取CX1监测点进行分析,如图8所示。
从图8中可以看出,基坑在开挖过程中,地表最大沉降发生在距基坑坑壁为12 m左右的位置上,沉降量为5 mm,沉降形状类似于勺形,沉降量不大,该围护体系位移约束条件仅仅会对边界附近产生较小影响。随着监测点与基坑距离不断地增加,沉降趋势逐渐变小,最终逐渐稳定。
4 预测结论
通过FLAC3D有限元计算结果与监测曲线变化结果对比表明:南京地铁二号线集庆门站基坑按照该设计方案开挖支护后,基坑开挖对距离坑边基坑深度4倍范围内的土体沉降均有影响,其中最大沉降位置一般在距离坑边围护结构10 m~15 m,基坑从整体上来说是稳定的。车站基坑开挖过程中,基坑的变形、地面沉降时期集中在第4步位置,这是由于基坑开挖后,土体在自重应力下,应力重新分布所致,当开挖到基坑底部时,侧向位移达到最大值不再增加,基坑处于稳定状态,这符合基坑变形的基本规律。预测结果表明在本工程利用FLAC3D软件并结合实际量测数据曲线变化图对基坑施工情况对比分析是成功的,此方法能够得到基坑周围土体地表沉降的基本变化趋势和大致的影响范围,本工程所选支撑结构体系基本满足基坑变形控制要求,曲线变化分析结合数值模拟计算的方法可以通过上一工况的参数值准确预测出下一工况支撑围护结构的最大变形,为今后类似工程的施工提供了有效的技术支撑。
摘要：以南京地铁二号线集庆门站深基坑工程为背景,结合现场地质资料、变形信息资料和优化后的参数,应用FLAC3D3.00有限差分数值计算软件对连续墙水平变形及周围地表沉降变形特征进行了数值模拟分析与变形预测。结果表明:该方法可对深基坑开挖的安全性作出评估。
关键词：深基坑,变形预测,数值模拟
参考文献
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[2]徐成家,范鹏,焦苍,等.深基坑支护结构变形预测研究与应用[J].岩土工程界,2005(8):2.
[3]赵海燕,黄金枝.深基坑支护结构变形的三维有限元分析与模拟[J].上海交通大学学报,2001(35):4.
[4]孙秀丽.FLAC3D在某工程深基坑开挖数值模拟中的应用[J].中国科技博览,2010(3):91-93.
深基坑变形监测及变形规律的分析 篇2
近年来, 为了更好地节约土地资源, 人们大力发展空间建设, 立体发展。然而, 由于缺乏监督, 基坑失稳引起的工程事故也越来越多, 致使邻近建筑物和道路管线被严重破坏, 给人民的生命财产和经济生活带来了严重的损失和灾难性的后果。因此, 详细探究深基坑变形监测及变形规律至关重要。
2 深基坑变形监测技术概述
2.1 变形监测的特点
变形是指变形体在不同的荷载和因素的作用下其形状、大小、位置等在时间和空间上发生的变化。与一般工程测量相比, 变形监测具有以下特点:变形观测属于安全监测范围, 有内部监测和外部监测两个方面;观测精度要求高;观测周期频繁, 需要重复观测。
2.2 变形监测的等级划分及观测精度要求
变形观测的精度等级, 是按照变形观测点的水平位移点位中误差、垂直位移的高程中误差或相邻变形观测点的高差中误差的大小来划分。事实上, 变形监测的精度取决于观测的目的和变形的大小。精度过高时测量工作复杂, 时间和费用增加;精度过低又会增加变形分析的困难, 使所估计的变形参数误差加大, 从而影响分析的正确与否。通常情况下, 监测建筑物的安全需要高精度要求, 一般检查施工要求变形精度相对较低。
2.3 变形监测深基坑水平和垂直位移监测方法
与精度分析经过多年的发展, 水平位移测量的方法已经有很多种选择。规范上推荐的方法有:小角度法、投点法、视准线法等;测定监测点任意方向的水平位移时可视监测点的分布情况, 采用前方交会法、极坐标法等;当基准点距基坑较远时, 可采用GPS测量法或三角、三边、边角测量与基准线法相结合的综合测量方法。
3 工程概况
本工程建设场地呈矩形, 南北长约400m, 东西宽约340m, 总用地面积约为136916m2。本工程以住宅、配套公建及地下车库为主, 主要包括11栋住宅楼、4套配套公建、1个地下车库。周边建筑物已拆迁完毕, 无建筑物, 场地空旷。
4 基坑支护方案及监测项目
4.1 基坑支护方案
为节约施工空间, 保护临近构筑物和地下设施, 减少基底回弹, 利用支护结构进行地下水控制, 需选择有效的支护方式。本工程基坑开挖深度约为16m, 其中基坑北侧上部1.1m采用放坡挂网喷混凝土支护, 下部采用护坡桩+锚杆的支护形式, 基坑东侧、南侧和西侧分别采用上部7.50m土钉墙, 下部护坡桩+锚杆的支护形式。根据《建筑基坑工程监测技术规范》 (GB50497-2009) 规定, 本基坑为一级基坑。
4.2 监测项目
综合考虑本工程的地质条件和水文地质条件, 以及基坑周边环境对监测项目的影响, 并依据相关规范要求, 确定本基坑的监测项目为: (1) 基坑土钉墙坡顶水平位移监测; (2) 基坑土钉墙坡顶竖向位移监测; (3) 基坑护坡桩桩顶水平位移监测; (4) 基坑护坡桩桩顶竖向位移监测; (5) 基坑深层水平位移监测; (6) 土钉及锚杆拉力监测; (7) 基坑地下水位监测; (8) 现场巡视检查。根据基坑工程的受力特点及由基坑开挖引起的基坑结构及周围环境的变形规律, 布设各监测项目的监测点, 如图1所示。
5 监测点的布设及监测方法
5.1 水平、竖向位移监测
本工程按照《建筑基坑工程监测技术规范》 (GB50497-2009) 中第5条监测点布置的具体相关要求共布设土钉墙坡顶水平、竖向位移一体监测点100个, 编号为PD001~PD100, 护坡桩桩顶水平、竖向位移一体监测点98个, 编号为S001~S090, SJ01~SJ08, 北侧暗沟及地表沉降监测点26个, 编号为D01~D26。具体埋设方法为在土钉墙坡顶和护坡桩桩顶较为稳固的地方用冲击钻钻出深约20cm的孔, 用稀释的水泥浆填充, 最后垂直放入强制对中装置, 顶部用工具抹平。本工程基坑水平位移使用Leica TC12011″级电子全站仪进行观测, 采用极坐标法进行监测。竖向位移使用Trimble Dini12电子水准仪进行观测, 采用往返测进行监测。在测量过程中, 严格按照《建筑基坑工程监测技术规范》 (GB50497-2009) 中第6.2水平位移监测和6.3竖向位移监测的具体相关技术规范进行作业, 保证测量精度。
5.2 深层水平位移监测
采用数字式CX-901E型测斜仪进行深层水平位移监测。具体测量方法: (1) 用模拟测头检查测斜管导槽; (2) 使测斜仪测读器处于工作状态, 将测头导轮插入测斜管导槽内, 缓慢地下放至管底, 然后由管底自下而上沿导槽全长每隔0.5m读一次数据, 记录测点深度和读数。测读完毕后, 将测头旋转180°插入同一对导槽内, 以上述方法再测一次, 测点深度与第一次相同。 (3) 每一深度的正反两读数的绝对值宜相同, 当读数有异常时应及时补测。本工程共布设10个深层水平位移监测点。
5.3 土钉及锚杆拉力监测
采用采用MSJ-3型锚索测力计和608A型振弦读数仪进行土钉及锚杆拉力监测。具体测量方法:在锚杆加锁之前按照技术规定把锚杆拉力计套在锚杆顶端, 把拉力计的电缆引至方便正常测量的位置, 然后用锁扣锁上固定, 并进行拉力计的初始频率的测量, 必须记录在案, 以后即可按要求开始正常测量。本工程共布设12个土钉及锚杆拉力监测点, 分为上下2排, 6个断面。
5.4 地下水位监测
采用电测水位仪进行地下水位监测。具体测量方法:按四等水准对水位观测井的井口固定点进行高程测定, 每次测量井口固定点至地下水水面竖直距离两次, 当连续两次静水位测量数值之差不大于±1CM/10M时, 将两次测量数值及其均值进行记录, 根据记录值进行水位高程的计算, 本次水位高程和上次水位高程的差值就是地下水位的变化量。本工程共布设8个地下水位监测井。
6 监测成果分析
6.1 土钉墙坡顶水平位移监测
从监测成果表中的数据可以看出:截止到2014年7月15号, 土钉墙坡顶水平位移累计变化最大值为14.5mm, 未达到设计报警值, 该点为PD009监测点, 其位于本基坑北侧边坡东部区域, 其变化曲线见图2。从图2可以看出:监测点PD009相关区域在整个监测过程中其变化前期呈缓慢变大, 中期呈现上下波动, 后期呈趋于平稳的发展态势, 整个监测过程中变化值均未达到设计报警值, 该区域边坡发展态势良好, 边坡安全。
6.2 土钉墙坡顶竖向位移监测
从监测成果表中的数据可以看出:截止到2014年7月15号, 土钉墙坡顶竖向位移累计变化最大值为24.4mm, 未达到设计报警值, 该点为PD010监测点, 其位于本基坑北侧边坡东部区域, 其变化曲线见图2。从图2可以看出:监测点PD010相关区域在整个监测过程中其变化前期呈缓慢增加, 中期呈现上下波动并增大, 后期呈趋于平稳的发展态势, 整个监测过程中变化值均未达到设计报警值, 该区域边坡发展态势良好, 边坡安全。
6.3 护坡桩桩顶水平位移监测
从监测成果表中的数据可以看出:截止到2014年6月30号, 护坡桩桩顶水平位移累计变化最大值为14.1mm, 未达到设计报警值, 该点为S084监测点, 其位于本基坑西侧边坡北部区域, 其变化曲线见图2。从图2可以看出:监测点S084相关区域在整个监测过程中其变化前期呈缓慢变大, 中期呈现上下波动并增大, 后期呈趋于平稳的发展态势, 整个监测过程中变化值均未达到设计报警值, 该区域边坡发展态势良好, 边坡安全。
6.4 护坡桩桩顶竖向位移监测
从监测成果表中的数据可以看出:截止到2014年6月30号, 护坡桩桩顶竖向位移累计变化最大值为8.9mm, 未达到设计报警值, 该点为S040监测点, 其位于本基坑东侧边坡中部区域偏南, 其变化曲线见图2。从图2可以看出:监测点S040相关区域在整个监测过程中其变化前期呈缓慢变大, 中期和后期呈现上下波动、平稳的发展态势, 整个监测过程中变化值均未达到设计报警值, 该区域边坡发展态势良好, 边坡安全。
6.5 深层水平位移监测
从监测成果表中的数据可以看出:截止到2014年7月30号, 深层水平位移累计变化最大值为5.17mm, 未达到设计报警值, 该点为4号监测点, 深度为11.5m, 其位于本基坑北侧边坡东部区域, 其变化曲线见图2。从图2可以看出:监测点4~11.5该区域在整个监测过程中其变化前期呈快速变大, 中期呈先平稳发展, 后呈“V”形状发展, 最后又平稳发展, 后期呈快速变大的发展态势, 整个监测过程中变化值均未达到设计报警值, 该深度区域边坡发展态势良好, 边坡安全。
6.6 土钉及锚杆拉力监测
从监测成果表中的数据可以看出:截止到2014年6月30号, 土钉及锚杆拉力监测最大拉力值为189.39k N, 未达到设计报警值, 该点为第一排M05监测点, 其位于本基坑西侧边坡中部区域, 其变化曲线见图2。从图2可以看出:监测点第一排M05相关区域在整个监测过程中其拉力值前期呈缓慢变大, 中期和后期趋于平稳的发展态势, 整个监测过程的拉力值均未达到设计报警值, 该区域边坡发展态势良好, 边坡安全。
6.7 地下水位监测
从监测成果表中的数据可以看出:截止到2014年7月30号, 地下水位监测累计变化量最大值为28.5cm, 在正常变化范围之内, 该点为4号井, 其位于本基坑北侧边坡东部区域, 其变化曲线见图2。从图2可以看出:监测点4号井在整个监测过程中其累计变化量前期呈快速增大, 中期呈缓慢减小, 后期逐步趋于平稳的发展态势, 整个监测过程中累计变化量的变化均在正常范围内, 边坡安全。
7 结语
综上所述, 本文以深基坑工程为研究对象, 对深基坑工程的变形监测技术进行了深入研究, 根据实践表明, 在满足精度要求的前提下, 应该尽量使用简单、实用、经济的方法。监测完成后, 还需要对监测数据进行分析与评价, 为该基坑的安全施工提供可靠的保障。
参考文献
[1]沙爱敏, 吕凡任, 邵红才, 等.某商业中心深基坑变形监测与分析[J].施工技术, 2014 (04) :101~104.
[2]王洪伟.复杂条件下深基坑变形监测分析[J].山西建筑, 2014 (23) :123~124.
深基坑变形分析及预测 篇3
影响基坑围护结构变形及内力的因素有很多,比如:桩径、桩插入深度、支撑刚度、支撑的道数、支撑水平间距及各道支撑所加的预应力等等。如果将各种影响因素的可能取值全部一一组合计算分析,其计算量将非常大。正交数值试验法能很好的解决这个问题,即以模型计算和正交试验分析为手段,通过计算机电算和数理统计分析来评价围护结构变形及内力影响因素的敏感性。
1 工程概况
某基坑开挖深度为16.8 m,采用ϕ1 000@750灌注桩围护结构,桩长为33 m,混凝土材料的弹性模量为3.0×104 MPa,考虑地面超载20 kPa。土弹簧刚度通过水平抗力系数的比例系数m确定,参数取值如表1所示。
2 计算模型
本文采用结构计算比较准确的ANSYS有限元程序进行建模计算。对于被动区土体的影响,采用土弹簧来模拟土体,土弹簧单元为Combin14弹性弹簧单元,弹簧刚度的计算采用m法,如表2所示;地下连续墙的受力类型可近似认为是平面应变问题,墙体单元采用Plan42单元,分析类别为平面应变。墙体单元尺寸为1×1=1 m2,支撑宽度按水平间距进行等效,转化为每延米上的支撑。土压力采用主动土压力,考虑超载20 kN/m2,土体有效应力侧压力系数为0.6(φ′=15°)。计算公式如下:
f=10+0.6×[(19-10)H+20] (1)
其中,f为土压力;H为土层深度。
3 正交试验设计方案及计算结果
在排桩围护结构基坑支护设计中,主要的设计参数包括:桩径d、桩插入深度D、支撑刚度K(K=EA)、支撑的道数n、支撑水平间距S及各道支撑所加的预应力N。各参数均选取五个水平见表3。
注:h(i)表示土层中部到开挖面的高度
注:K0,N0均为原设计值
反映支护结构工作性能的指标有:围护桩水平位移、桩身弯矩最大值及水平支撑轴力。本文选用前两个指标作为敏感度分析的判断依据。选用L25(56)型正交表[2]。
以围护桩的水平位移最大值U为评判标准,可以得到支撑道数n和桩墙厚度d为最敏感因素,支撑水平间距S、预加轴力N、支撑刚度K及桩插入深度D为次要的敏感因素(见表4)。
以桩身最大弯曲应力为评判标准,可以得到支撑道数n和桩墙厚度d为最敏感因素,支撑水平间距S、预加轴力N、支撑刚度K及桩插入深度D为次要的敏感因素(见表5),与按桩身最大水平位移为评判标准所得的结果相近。
比较以围护桩的水平位移最大值U 为评判标准和以桩身最大弯曲应力为评判标准的结果,支撑道数n和桩墙厚度d均为最敏感因素,支撑水平间距S、预加轴力N、支撑刚度K及桩插入深度D为次要的敏感因素。在最为敏感的两个因素中,两个结果是一致的,但其余四个因素的敏感度排序却完全相反,因此在控制桩墙水平位移的同时,也应该注意桩身最大弯曲应力的变化。作为次要的敏感因素,支撑水平间距S、预加轴力N、支撑刚度K及桩插入深度D的变化对指标的影响远较两个主要的敏感因素,即支撑道数n和桩墙厚度d对指标的影响程度为小。
4结语
本文利用有限元模型模拟深基坑支护结构,采用极差分析法,得出了各因素的敏感度,并分析了平面支撑布置的不同情况。
1)影响围护桩墙位移的各因素的敏感度排序为:桩墙厚度d>支撑道数n>支撑水平间距S>支撑预加轴力N>桩插入深度D>支撑刚度K,其中以桩墙厚度和支撑道数为最敏感的两个因素,对桩墙位移的影响比较大,其余四个因素为次要的敏感因素。2)影响墙体弯曲应力的各因素的敏感度排序为:桩墙厚度d>支撑道数n>支撑刚度K>桩插入深度D>支撑预加轴力N>支撑水平间距S,其中以桩墙厚度和支撑道数为最敏感的两个因素,对桩身弯曲应力的影响比较明显,其余四个因素为次要敏感因素。3)不同的评判标准得到的敏感度排序是不同的,但是作为最敏感的两个因素,桩墙厚度和支撑道数是一致的。次要的四个影响因素的敏感度排序正好相反,这一点值得关注。
摘要：利用正交法安排试验,使用ANSYS软件建立了有限元计算模型,通过计算机电算和极差统计分析评价了桩墙厚度、桩的嵌固深度、支撑的刚度、支撑的道数、支撑的水平间距及支撑所加的预应力等因素对围护结构变形及内力的敏感度。对于L形基坑拐角处支撑的布置问题,利用理正深基坑支护结构设计软件F-SPW来模拟计算,并通过多种平面布置方案的比较分析,得到了一些有益的结论。
关键词：正交分析法,敏感性,极差分析,深基坑
参考文献
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[2]杨子胥.正交表的构造[M].济南:山东人民出版社,1978:182-199.
深基坑变形分析及预测 篇4
随着经济的快速发展, 大量市政设施向地下空间开发[1], 基坑工程的数量迅速增加, 且朝着超大、超深的方向发展[2,3]。但是, 因为深基坑工程的设计理论[4]、施工经验还不是很完善, 加之深基坑施工的影响因素较多, 由深基坑施工所造成的建筑物或道路开裂, 管线爆裂等事故屡有发生, 因此深基坑工程引起了社会的广泛关注。
国内外诸多学者对基坑施工变形预测进行了一定的研究, 比如, 冯志, 李兆平, 李祎[5]扩展了传统的单点GM (1, 1) 模型, 并借助MATLAB语言进行编程, 得出变形体上多点变形预测模型, 并将其应用到北京市地铁奥运支线基坑工程中;丁智[6]等借助对杭州地铁新塘路、景芳路交叉口在基坑开挖过程中, 地下连续墙的水平位移、地表沉降量、刚性支承的轴力的监测和分析, 总结出一套结论和监测建议。
灰色系统理论[7,8]的研究对象为“部分信息己知, 部分信息未知”的“小样本、贫信息”, 以部分信息为纽带, 对已知信息进行开发、生成和筛选, 达到正确描述和有效控制的目标。
2灰色系统理论概述
1.1 灰色系统理论的基本概念
控制论中, 用颜色的深浅表示信息的明确度, 即用“黑”、“灰”、“白”三色分别表示信息由未知到明确的程度。根据其明确程度分别形成“黑色”、“灰色”、“白色”三个系统, 灰色系统的特征标志用灰数、灰元、灰系数来表示。“信息不完全”是“灰”的基本内涵。灰所指代的并非一个实数, 而应是数区间, 一个数集, 用@表示。
灰色系统的特征是信息不完全, 所以研究灰色系统的关键一是如何处理灰元, 二是怎样使信息系统在模型上、结构上和关系上由不明确到明确, 即由灰至白。
1.2 灰色系统的基本原理
灰色系统的显著特点是结果不唯一和信息不完全, 灰色系统理论的两条基本原理为:
(1) 信息不完全原理
信息“多”与“少”的辩证统一, “局部”与“整体”的转化为不完全原理的应用。
(2) 过程非惟一原理
灰色系统理论的过程不惟一性表现为准则多重性和研究对象信息的不完全, 具体表现在模型、参数、解、方法和结果等几个方面的不惟一性。确定满意解的主要方法是信息补充和定性分析, 同时, 灰色系统求解途径为定性和定量的有效结合。
2 灰色系统预测模型
以离散数列为基础, 采用微分方程进行拟合所建成的模型称为灰色模型 (greymodel, GM) 。定量反映了事物内部诸多因素之间的相互关系和动态变化中的态势, 进而更准确的描述事物和系统的行为特征是灰色模型的主要作用。
2.1 GM (1, 1) 模型的建立
由只包含单变量的一阶微分方程所构成的模型称为GM (1, 1) 模型。符号GM (1, 1) 的含义如图1所示。
当初始数据为x (0) = (x (0) (1) , x (0) (2) , x (0) (n) ) 时, 有如下GM (1, 1) 模型的建模步骤:
1) 原始数据的累加
2) 建立灰色微分方程
这里有位置参数a及u记为
3) 按最小二乘法求解参数列
式中, yn= (x (0) (2) , x (0) (3, ...., x (0) (n) ) T;
4) 求解微分方程, 得相应函数
5) 求解还原数列
6) 精度检验
残差检验:
残差:
相对残差
后验差检验:
求原始数据的平均值、方差、均方差。
计算残差的平均值、方差、均方差:
均值
方差
均方差
方差比
小误差概率
按表1进行精度检验。
2.2 非等步距GM (1, 1) 模型的建立
非等步距灰色模型的建立, 是为了降低实际基坑监测过程中, 由于天气、设备调整等客观原因而导致的, 前后两次的测量时间间隔相等所造成的误差。
非等步距GM (1, 1) 模型与同等步距GM (1, 1) 模型的不同之处, 在于只需对原始监测数据作加权累加生成处理。权重为不同时段的△t, 具体方法如下:
X (0) 所表示的序列为实测基坑变形原始数据:
对数列X (0) 一次累加生成数列:
其后, 依然按照前文中求解微分方程的办法对生成列求解, 得:
最终由上式累减得出:
2.3 灰色模型应用分析
计算后所得的灰色预测模型 (全信息GM (1, 1) 模型、时间序列TGM (1, 1) 模型、新陈代谢MGM (1, 1) 模型) 预测公式皆为指数形式, 即:
因为指数函数的图像随着时间的增长呈爆炸性增长的, 难以确切描述基坑变形情况, 将式 (19) 中参数取值如下:a=0.6, c=0, b=0.20、0.25、0.30, 则变形发展态势如图2所示。
目前, 使用较为广泛的是GM (1, 1) 模型及其改进模型, 其与神经网络预测等方法相结合的模型。
3 工程案例
滕州九州清晏小区地下人防工程拟建于府前中路北侧, 善国中路西侧, 西北侧为文物保护建筑, 北侧15m为某地下车库基坑, 西侧是高度为6层的民用住宅楼。该工程的开挖深度为7.70~11.60m, 基坑平面为多边形, 周长约为730m, 面积约22 000m2。基坑下部采用长度为7m的桩锚支护, 上部采用长度为4m的土钉支护, 基坑周边设置止水帷幕, 安全等级为一级。工程平面如图3所示。
3.1 支护方案
该地下人防工程最大开挖深度为11.6m, 东侧、北侧和南侧基坑下部采用桩锚支护, 4.0m以上采用土钉支护, 基坑周边设置止水帷幕 (采用高压旋喷注浆) 。北侧设有临时施工道路, 道路1.2m以下采用桩锚支护, 1.2m以上用砌筑砖墙作为支护结构。土层分布及支护方案如图4所示。
3.2监测方案
按照滕州九州清晏小区地下人防工程的设计和施工方案, 与基坑所处位置的地质条件、气候情况和地下管线分布情况、周边环境等因素相结合, 制定监测内容: (1) 基坑坡顶的水平位移; (2) 基坑坡顶的沉降量; (3) 支护桩顶面-冠梁的附加水平位移; (4) 支护桩的深层水平位移。
根据滕州九州清晏小区地下人防工程和地下车库工程的设计方案、施工方案、监测方案和地下管线分布情况、地质情况, 布置如图5所示的测点示意图。
3.3数据处理
基坑施工现场监测数据的处理, 是指对各个时刻的压力、应力进行计算, 绘制应力、压力同时间之间的关系曲线。采用回归分析法, 计算应力、压力与时间之间的函数关系式, 并总结其变化规律预测其极限值。典型测点的位移变化曲线如图6、图7所示。
对图6、图7各测点的水平位移-时间关系曲线进行分析, 总结出以下几点基坑施工坑顶水平位移变化特点:
(1) 各测点的水平位移监测值与时间成正比, 且中间测点的水平位移监测值较大;
(2) 随时间的推移, 各测点的水平位移的监测值的整体趋势趋于定值;
(3) 各测点的水平位移, 受施工工序、施工规范程度天气条件等因素的影响, 呈现无序性, 但整体趋于稳定。
3.4 监测数据均值去噪处理
对SP11测点进行去噪分析, 分析数据如图8所示, 提取去噪后典型数据点变形值如表2所示。
4 结论
1) 各测点的水平位移, 受施工工序、施工规范程度天气条件等因素的影响, 呈现无序性, 但整体趋于稳定。
2) 将灰色理论应用到工程实例中, 实际分析情况显示, 所取得的结果较为理想, 可以进一步在类似工程中推广使用。
3) 由于, 等步距灰色模型与非等距模型相比误差小很多, 因而较易推广于实际工程中, 同时, 在实测值和预测变形精度上, 非等步距灰色模型均较滞后, 应当谨慎应用。
摘要：由于深基坑工程数量激增, 施工造成的坍塌等事故屡屡发生, 所以深基坑施工中的变形预测非常重要。采用灰色理论建立适当的模型, 并将该模型应用到实际工程中, 得出以下的结论: (1) 灰色GM (1, 1) 模型、等步距及非等步距GM (1, 1) 模型的建模条件; (2) 将灰色理论应用到工程实例中, 所取得的结果较为理想, 可以进一步在类似工程中推广使用; (3) 由于等步距灰色模型与非等距模型相比误差小很多, 因而较易推广于实际工程中, 同时, 在实测值和预测变形精度上, 非等步距灰色模型均较滞后, 应当谨慎应用。
关键词：深基坑,灰色理论,等步距模型,非等步距模型
参考文献
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深基坑支护工程变形监测分析 篇5
1 基坑变形种类与问题
1.1 墙体变形
当基坑支撑结构未设立之前, 基坑开挖程度较浅时。不论是柔性或是刚性的墙体, 都会出现墙顶部位移量大的情况。位移呈三角形分布状态, 朝着基坑所在方向产生水平向的的位移。而一旦设置基坑支撑结构之后, 则位移量一般保持不变, 或者朝向基坑外部逐渐移动。这是墙体的水平向变形情况。
由于开挖基坑时, 土体自身重量的释放, 使得墙体出现竖向的变位。即墙体整体上升情况。具相关报道, 某处基坑建设完成后, 其围护墙比预期高度上升了10cm。对于基坑的稳定性来说, 墙体的竖向变形, 上升移动对其造成了不小的负面影响。对于基坑自身的稳定性来说, 墙体的上升, 也对其造成了极大的危害。
1.2 基坑底部变形
一般在基坑开挖深度不大的情况下, 坑底部显现出弹性隆起的现象。基坑底部中心位置出现的隆起情况最为明显。而在基坑较宽, 并且基坑开挖深度较深的情况下, 则会出现塑性隆起的现象。而基坑底部, 也会由中间隆起转变成中间塌陷而四周升高的情况。不过这是相对与普遍的对称形状基坑而言。对于一些长条形的基坑, 由于其宽度较窄, 所以出现的变形情况与浅坑时相同, 即中间变形大, 四周变形小。
1.3 地面沉降
根据以往的施工经验, 在地层土质较软的情况下, 如果墙体入土的深度也比较浅的话, 那么最大位移处, 将显示在墙底部。墙底部的附近边缘会出现地面沉降的情形;而如果土质刚性较大, 并且墙体入土的深度较深的话, 那么, 这时候, 地面沉降所出现的位置, 就不是墙边, 而是在距离墙体一段距离处发生地面沉降。具体距离与位置, 可以通过计算获得。
1.4 基坑损坏
对于基坑的稳定性, 要多加重视。由于一些设计、施工上的疏漏, 对于基坑的稳定性造成破坏性影响。导致基坑损坏。而在实际施工的过程中, 出现基坑损坏的原因一般为:结构稳定性不足、结构刚性差、强度不够。或者, 基坑土质强度不够, 因此造成基坑损坏。
基坑的损坏, 一般情况为:其一, 内支撑不足。其二, 放坡设计过陡, 致使雨水等的侵袭, 造成土体强度、刚度下降。发生基坑滑坡状况。其三, 对柔性围护墙的支撑不够, 致使挡土墙刚性下降, 墙后地面变形。使得基坑的损害对周边的建筑以及地底各种管道造成危害。或者, 挡土墙固定较为牢靠, 可自身强度不够, 在承受较大载荷后, 自身不能支撑而折断。
2 深基坑支护变形的监测准备
对于不同深度, 不同支护结构基坑。要根据其不同的周边环境与设计方案所要求的标准进行监测。
2.1 基准点布设
在不受施工影响的稳定区域内, 使用浇筑混凝土的方法, 设置4到6个观测墩;使用深埋钢管水准基点标识的方法, 布置4个基准点。保证基准点位置稳定, 可以长期保存, 以及满足定期复测的使用要求。基准点标志埋入15天以上, 等待其稳定后, 可以开始观测。
2.2 变形监测点布设
(1) 地表沉降观测点, 在基坑周边约35米处, 设置监测线。每条监测线上布置2至5个监测点。
(2) 边坡坡顶位移与沉降监测点。沿着基坑边缘, 布置基坑边坡顶部的水平垂直观测点。基坑每处边缘的两端以及中点为最佳布置处。每两个监测点之间, 距离20m之内为宜。在观测点处设置标志。
(3) 边坡深层水平位移监测。在避开土钉的前提下, 将测斜管布置在基坑边坡顶部。所布置处平面应小于50m
2.3 监测要求
在基坑土方施工开挖之前, 对水平与垂直位置的初始值进行每天至少两次的测定。在施工开挖过程里, 也要保证每天一次的监测频率。
3 深基坑支护变形施测方法
3.1 水平垂直位移监测
设置两端点A、B于基坑两端不动位置处。并对其位置是否变动定期检查。沿着基坑边缘方向上, 选取具有代表性的位置设立多处观测点。保证受测环境与实际使用环境大致符合。
确定无误后, 采用测量机器人进行测量。
3.2 深层水平位移监测
在基坑开挖半个月之前, 埋入测斜管。保证管内有四个导管互相垂直, 并且与基坑边线也相垂直。保证测斜管不会发生断裂、扭曲、上浮等现象。在监测过程中, 通过测斜仪在导槽内的滑动, 对所在位置测斜管的倾斜度进行监测。设倾斜度为θi则分段长度位置偏差△d为:
3.3 沉降监测
在道路周边设置道钉或者钢筋并将其清晰标志出来, 以此测量施工处附近道路路面的沉降;在周边建筑物的长边中点处以及大转角处布置监测点, 对周边建筑的沉降进行监测;在立柱顶部布置监测点, 使用水准仪对立柱顶部的沉降数值进行监测。对监测出的两组数据进行比对即可。
3.4 支撑轴力监测
在被测断面的主支撑筋上焊接振弦式应力计。通过应力计所测数据即可对断面位置处, 主筋上的受力Pz进行分析。设混凝土的支撑轴力为Pg的话。可得到如下关系:
其中:S为支撑的截面积;
Ec—混凝土弹性模量;
Eg—钢筋弹性模量;
Egh—支撑混凝土的弹性模量 (折算弹性模量) ;
Ag1—钢筋混凝土断面的全部主筋 (钢筋) 截面积之和;
Ag2—单根钢筋的截面积;
4 基坑监护变形预警
由于基坑监测与基坑施工同步进行, 为了保证基坑施工安全, 对于基坑位移变形的预警也同样重要
(1) 当监测到坡顶在68小时之内, 以大于每秒3毫米的速度连续水平位移。即达到预警值。
(2) 当监测到的基坑外水位, 以大于每天500毫米的速度下降了200毫米时, 即达到预警值。
(3) 当周围建筑物以1mm/m的沉降率, 连续下降68小时以上, 并其沉降超过了其自身宽度的1%时, 即达到预警值。
(4) 当自来水管道以每天3毫米的速率, 水平或者沉降20毫米以上的位移量, 即达到预警标准。
(5) 当天然气管道以每天2毫米的速率, 水平或者沉降20毫米以上的位移量, 即达到预警标准。
5 总结
随着各种工程的不断增多, 深基坑结构的深度也越来越深。设计方案、环境条件、施工难度等多方面限制, 致使深基坑的施工逐渐复杂化。对深基坑工程中出现的支护变形进行监测显得尤为重要。而变形监测也逐渐成为施工过程中所必须的组成部分。通过对深基坑支护工程的变形原因, 以及变形机理进行分析, 可以更好的配合变形监测, 与防止变形出现。对解决基坑的支撑, 保证地下工程的施工质量, 加强工程质量安全的管理, 防止出现安全事故等具有重要的参考价值。
摘要：为了保证深基坑支护工程的变形监测数据的准确性, 提高工程质量与施工安全。在深基坑工程的施工条件与施工环境日益复杂的情况下, 对施工监测的内容、监测方法、监测要求等展开分析。对深基坑支护工程的变形机理进行探讨。确保深基坑工程的安全可靠, 以及周边建筑物的安全稳定。
关键词：深基坑,支护,变
参考文献
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[2]王花彬, 王文才.某深基坑工程支护监测分析[J].科技致富向导, 2011, (27) :230-230.
某深基坑工程变形控制数值分析 篇6
基坑工程是集岩土工程和结构工程等专业于一体的系统工程, 涉及土方开挖、支护、防水、降水、监测和信息化施工等作为一个系统。位于城市中心区的基坑, 周围遍布交通要道、已建建筑或管线等各种构筑物, 基坑的开挖不仅受到周边道路、建筑、管线等的限制, 施工过程还需要保护其周边道路、建筑、管线等的安全使用。因此城市中心区的基坑, 在土方开挖前进行模拟分析, 计算其支护条件与变形数值显得尤为重要。本文以某工程为例, 基于FLAC3D数值分析软件, 进行了施工全过程中土体水平、竖向位移, 支护桩位移, 支撑轴力的数值模拟计算, 并与实际开挖检测结果进行对比。
1工程概况
该工程地上18层, 设3层地下室, 基坑四周均紧贴用地红线。基坑周边大量的电缆沟、污水管等, 最近的市政设施距基坑边仅1.6 m。深基坑开挖深度为14.50 m。采用一排钻孔灌注桩结合二道钢筋混凝土内支撑的围护形式, 支撑平面布置如图1所示。
2模型建立与分析
基坑的几何形状近似于长方形。为方便分析, 将基坑简化为长方形。建立的模型包括工程土体、支护桩、内支撑以及周边环境设施等。建模的基坑尺寸为124×66 m, 计算模型范围在基坑尺寸的基础上向外扩展3倍的基坑开挖深度。由于工程所在地的基岩埋深较浅, 所以在深度方向上取60 m。选取最不利的长边的中部进行建模分析。土体采用摩尔-库伦Mohr-Column本构模型, 围护桩和内支撑采用梁单元。有限元模型的边界条件为:上部地表为自由边界, 沿x轴方向的两个侧面约束模型的水平方向位移, 模型的底边界约束模型的竖向位移。岩土参数参照本工程岩土工程勘察报告、邻近工程的经验和有关资料。土的重度取有效重度, 简化后的土体和结构参数见表1～2, 计算分析步骤与工况划分见表3。模型计算简图如图2, 建成后的模型如图3。
以工况五为例, 施工地下室负3层顶板, 拆除第2层内支撑, 基坑长边中部土体最大水平位移约35.3 mm。土体竖向位移最大沉降量为21 mm。第一道支撑轴力为261 t, 支护桩最大水平位移约为27 mm。
3分析结果与现场实测值比较
3.1支护结构最大水平位移
实测结果长边中部支护桩顶位移为最大。根据结果可以看出, 数值模拟结果和实测结果从趋势上和数值一致, 即开挖阶段支护结构位移增长较快, 自从地下室底板施工以后, 位移变化较小。
3.2内支撑轴力
由图可见, 数值模拟结果和监测值吻合的较好, 对于第一道支撑, 随着各工况的进展, 监测结果和数值分析表明, 支撑轴力都在不断增大。对于第二道支撑, 由于地下室底板的施工, 使第二道支撑轴力减小。
4结论
数值分析得到的桩顶部位移与长边中部支撑轴力与实测结果基本吻合, 分布规律基本一致, 验证了该数值分析模型可以较为准确地模拟基坑在施工全过程中的受力情况。有利于基坑工程进行更合理的设计和更有效的监测。
参考文献
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成都地铁某深基坑变形监测分析 篇7
近年来, 轨道交通建设规模空前, 而轨道交通的车站或部分区间以明挖工法为主, 利用大量的围护桩作为基坑支护结构之一, 大部分地铁车站基坑属深基坑, 在施工过程中, 基坑变形监测主要以围护桩变形监测为主, 通过围护桩的变形监测数据分析, 可以判断目前基坑施工的安全情况, 如何快速、高精度的获得变形监测数据至关重要, 本文利用激光位移计进行基坑变形监测, 并配合高精度激光对准装置, 该装置具有快速、精度高、施工干扰少等特点, 通过变形监测的数据对比分析为深基坑安全施工提供技术支撑。
1 工程概况
成都地铁某车站基坑主体总长140 m, 为地下三层双柱三跨框架结构, 标准宽度21.6 m, 基坑深度约为24.39 m, 基坑共设计四道钢支撑 (钢支撑采用609, t=16 mm钢管支撑, 标准段水平间距为3 m) 。采用明挖顺筑法施工, 基坑围护结构采用1 200钻孔 (旋挖) 桩, 基坑安全等级为一级, 主要支护形式为:旋挖桩+钢支撑+桩间喷锚。本车站位于岷江水系Ⅲ级阶, 场地土主要由第四系全新统人工填土层 (Q4ml) , 第四系中下更新统冰水沉积层 (Q1fgl+2) 及白垩系上统灌口组 (K2g) 基岩组成。
本车站位置, 主要地层为填土、粘性土及泥岩层, 其中粘性土为不透水层。车站范围存在的特殊岩土为人工填筑土、膨胀土、膨胀岩、风化岩。
2 某深基坑变形监测对比分析
2.1 激光位移计
利用激光位移计量测基坑工程内两点之间位移变化 (俗称净空收敛量测) , 量测结果可以评价岩土工程围岩稳定程度, 为工程安全提供可靠信息。
激光位移计是利用激光测距原理 (无尺) , 并配合高精度激光对准装置, 满足快速量测、精度高、施工干扰少的特点。它由激光测距模块、高精度对准装置和目标靶三部分组成, 其中激光测距模块为核心部件, 防止量测时抖动问题, 需要配置线控量测按钮;高精度对准装置需满足水平角和竖直角微调功能, 以便激光对准目标靶中心点;目标靶需标明刻线, 以便每次照准 (如图1所示) 。
2.2 监测分析
下面以激光位移计在成都地铁某车站基坑应用为例, 对变形监测数据进行对比分析。针对车站的情况编制了专项监测方案, 明确了对桩顶水平位移 (收敛) 监测采用激光位移计。
1) 测点埋设。测点埋设示意图见图2。
2) 测试情况。a.桩体水平位移 (测斜) 测试情况。桩体水平位移 (测斜) 测试数据表明, CX5号桩顶部 (1 m) 位置向基坑内累计变化6.49 mm, CX6号桩顶部 (1 m) 位置向基坑内累计变化7.66 mm (见图3) 。b.桩顶水平位移 (收敛) 测试情况。桩顶水平位移 (收敛) 测试数据表明, 与CX5号和CX6号桩体测斜对应位置的ZD5桩顶水平位移 (收敛) 向基坑内累计变化13.17 mm (见图4) 。c.支撑轴力测试数据。支撑轴力测试数据表明, 与CX5号、CX6号桩体测斜和ZD5桩顶收敛对应第一道钢支撑轴力计ZC-1-5的轴力基本维持在600 k N左右 (见图5) 。
3) 测试分析。测试情况表明, 基坑在开挖状态下有一定的变形, 三种测试项目的测试数据所反映的位移变形趋势一致, 且基本吻合, 因测试手段的区别, 存在一定的误差。详细对比见表1。
2.3 建议
1) 利用激光位移计进行桩顶水平位移 (收敛) 监测可行, 且受施工干扰小, 工作效率有很大的提高, 可以为施工快速决策提供依据。
2) 建议基坑及时支护、快速封闭, 监测单位加密测试频率, 随着开挖的进度, 密切关注基坑的变形, 及时分析和反馈, 根据监测结果动态调整支护参数和施工工序。
3 结语
深基坑属地下工程, 施工风险较大, 监测数据的分析反馈很重要, 通过激光位移计快速准确获取基坑的变形监测数据并进行对比分析反馈, 了解基坑变形情况和发展趋势, 可为基坑的安全施工提供参考和建议。
摘要：以激光位移计在成都地铁某车站基坑的应用为例, 对该深基坑变形监测情况进行了对比分析, 得到了深基坑的变形情况及其发展趋势, 为深基坑的安全施工提供了合理有效的参考依据。
关键词：深基坑,激光位移计,变形情况,监测
参考文献
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