CN102877471B - 一种垂直深基坑失稳塌方的预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种垂直深基坑失稳塌方的预警方法，该方法由以下步骤组成：（1）对基坑所在的长方体勘察区域进行勘察，确定每一种土质的物理及土力学参数及其分布范围和边界分布力的分布及作用方式；（2）在所述基坑墙壁的顶面设置竖直的测量桩，并在测量桩的上端水平固定桩体测斜仪，然后将每一桩体测斜仪与计算机进行有线或无线连接；（3）将长方体勘察区域剖分成有限个线性四面体元，然后通过有限元分析得到整体刚度矩阵和整体荷载列阵并建立线性方程组[K]{U}＝{F}；再将由桩体测斜仪获得的网格节点的位移作为边界条件引入所对应的线性方程中求解程组，得到每个节点的位移及其变化速率；（4）当有一节点的位移或变化速率≥《规范》规定值则报警。

Description

一种垂直深基坑失稳塌方的预警方法

技术领域

本发明涉及基坑，即建筑基坑是指为进行建筑物(包括构筑物)基础与地下室的施工所开挖的地面以下空间，具体涉及基坑塌方灾害的预防警示方法。

背景技术

近几年珠三角地区经济增长迅速，主要城市建设规模宏大，城市化或城乡一体化进程逐年加快，各种不同类型的建设量大面广。国家制定出台的《珠江三角洲地区改革发展规划纲要》中，把珠三角地区的改革和发展提升到国家战略层面，拟将粤港澳建成亚太地区最具活力和国际竞争力的城市群，扩大对内对外开放，共建大珠三角优质生活圈，因此将大力发展城市基础建设，深基坑工程也将随之越来越多。但珠三角地区地质构造复杂，软土分布广，地下水丰富且活动性大，岩土工程特性复杂，给基坑工程建设带来诸多难题。同时基坑工程大多在人口稠密的城区，现场制约条件十分复杂，通常周围有重要的建筑物和地下管网，深基坑开挖有可能使其产生位移、沉降和变形，以至遭受破坏，极易造成严重的工程事故。因此，迫切需要对基坑工程的土体位移进行全过程的三维监测，进行有效快捷的安全监测和预警，动态设计和信息化施工已经成为深基坑工程设计和施工的发展趋势。

为了规范建筑基坑工程监测工作，保证监测质量，为优化设计、指导施工提供可靠依据，确保基坑安全和保护基坑周边环境，中华人民共和国住房和城乡建设部于2009年9月1日颁布并实施了《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497‐2009)[以下简称《规范》。上述《规范》虽然对各种监测项目的监测方法以及如何根据监测项目、支护结构的特点和基坑等级确定报警值，且将报警值分为累计值和变化速率(见《规范》中表8.0.4)，然而，其中所规定的报警值均为监测点的累计变化量和变化速率值，而由于实际基坑的墙(坡)顶的面积大，有限个监测点的变形情况是无法反应整个基坑结构中每一点真实变形的，即监测点的累计变化量和变化速率值没达到报警值，但基坑结构体系中其它点的累计变化量和变化速率值已达到或超过报警值时仍然会发生基坑失稳塌方事故。此外，《规范》还是一种依靠人工监测、统计的报警方式，显然相对滞后，无法给业主或设计施工方采取补救措施赢得更长的时间。

发明内容

本发明提供一种灌注桩垂直深基坑失稳塌方的预警的方法，该方法可根据有限个监测点的墙顶水平位移和竖向位移得到整个基坑结构中其它点的累计变化量和变化速率值，为进一步保障基坑的安全性提供一种更有效的科学手段。

本发明解决上述技术问题的技术方案如所述：

一种垂直深基坑失稳塌方的预警方法，该方法由以下步骤组成：

(1)对垂直深基坑及其周围区域进行地质勘察，获得勘察区域内每一种土质的分布范围及其在勘察区域中的位置和勘察区域的边界分布力的分布与作用方式；所述的勘察区域为长方体，基坑位于所述长方体的中部，基坑的顶面与所述长方体的上表面平齐，基坑的墙壁与所述长方体四个侧面的距离等于基坑深度的3～5倍，基坑的底面与所述长方体下表面的距离等于所述基坑的宽度的2～3倍；检测勘察区域内每一种土质的物理与力学参数，即密度、弹性模量和泊松比；

(2)在所述基坑墙壁的顶面自每一墙壁的中心向两边在每相隔10～20m设一竖直的测量桩，并使得，每一测量桩距基坑上口的边缘3～5m；每一测量桩的下端与基坑的底面位于同一水平面上，每一测量桩的上端露出基坑墙顶面；将桩体测斜仪水平固定在所述测量桩的上端，然后将每一桩体测斜仪与计算机进行有线或无线连接；

(3)在所述的计算机中用四面体网格生成软件将所述中部设有基坑的长方体剖分成有限个线性四面体元，然后将剖分结果作为一个离散域导入有限元分析系统中进行以下分析处理：

(3.1)根据各种土质的分布范围确定每一线性四面体元的弹性模量和泊松比，在有限元分析系统中建立每一线性四面体元的单元刚度矩阵，然后，集成每一单元刚度矩阵得到整体刚度矩阵[K]；

(3.2)在有限元分析系统中计算出每一线性四面体元的体积，再根据各种土质的分布范围确定每个线性四面体元的密度并逐一算出每个线性四面体元的重力，然后将该重力平均分配到对应的线性四面体元的4个节点上；

(3.3)先将所确定的边界分布力按其作用方式和作用力大小的分布情况分配到所作用的线性四面体元上，再均分到该线性四面体元上的4个节点上；

(3.4)将每个线性四面体元的4个节点上的重力和边界分布力按线性四面体元及其节点编号对应叠加得到整体荷载列阵{F}；

(3.5)根据每一桩体测斜仪所测得的测量桩的倾斜角，算出每一测量桩所经过的每一线性四面体元网格节点的竖向位移和水平位移；

(3.6)根据弹性力学原理建立线性方程组[K]{U}＝{F}，令所述的长方体的四个侧面和底面的竖向位移和水平位移为零，并将其与步骤(3.5)所得到的每一测量桩所经过的线性四面体元网格节点的竖向位移和水平位移都作为边界条件引入所对应的线性方程中；所述线性方程组[K]{U}＝{F}中的{U}为所有线性四面体元网格节点的位移列阵；

(3.7)求解线性方程组[K]{U}＝{F}，得到每一线性四面体元网格节点的一个竖向位移VD和水平位移，并由所述的水平位移推算出垂直于基坑墙壁方向的水平位移HD；然后将所得到的水平位移HD和竖向位移VD除以到达此位移所经历的天数，得到每一线性四面体元节点的水平位移的变化速率LRC与竖向位移的变化速率VC；

(4)将步骤(3.7)所得到的水平位移HD、竖向位移VD、变化速率LRC和变化速率VC分别与《规范》中表8.0.4所规定的墙顶水平位移与竖向位移的累计值及变化速率进行对应比较，一旦水平位移HD、竖向位移VD、变化速率LRC和变化速率VC中有一项大于或等于《规范》中表8.0.4的规定值则报警。

为了提高运算速度，上述方案中求解所述线性方程组[K]{U}＝{F}的方法是，先用乘大数法对所引入边界条件进行处理，然后用SuperLU求解器求解。

由于基坑上口最薄弱而且塌方的土体总是朝垂直于基坑上口边缘的方向滑移，而所述桩体测斜仪具有两个相互垂直的两个敏感方向，因此本发明所述桩体测斜仪有一个敏感方向与其所在基坑墙顶的墙壁垂直，以提高检测的灵敏度和准确性。

本发明所述的测量桩可以是常见的钢筋混凝土灌注桩，也可以预制的圆截面的钢筋混凝土柱，还可以是普通的圆截面的钢管或圆截面的硬质塑料管。所述的测量桩的植入方法如下所述：先在预设的位置钻深度与基坑深度相等的竖向植柱孔，然后在竖向植柱孔内建钢筋混凝土灌注桩，或者在竖向植柱孔内埋入直径与竖向植柱孔相等的圆截面的钢筋混凝土柱、圆截面的钢管或圆截面的硬质塑料管。

本发明上述预警方法中，所述的《规范》为中华人民共和国住房和城乡建设部于2009年9月1日颁布并实施了《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2009)的简称。

本发明上述预警方法中，所述的基坑均为垂直深基坑。

本发明所述预警方法较《规范》中所规定的完全靠人工监测、统计的报警方式具有以下有益效果：

1、采用现代信息技术的科学手段，使得整个预警过程完全自动化，反应速度快，给安全部门采取补救措施赢得更长的时间；

2、事先对基坑周围容易产生变形区域(即勘察区域)的土质和勘察区域的外力分布情况进行了周密的勘察，并在此基础上采用桩体测斜仪对基坑侧墙壁最危险部位进行重点监测，把将所获得的水平位移HD、竖向位移VD作为边界条件引入有限元分析系统进行有限元分析，以少数几个监测点位移数据获得整个易产生变形区域每一性四面体元网格节点的位移信息，使预警结果既符合《规范》要求，又具有前瞻性；

3、预警过程完全自动化，不仅可避免监测人员玩忽职守所导致的塌方事故，而且还可节约宝贵的人力资源。

4、采用测量桩和桩体测斜仪监测水平位移HD和竖向位VD的方案，显著提高系统的可靠性。

附图说明

图1一个具体垂直深基坑的支护平面布置简图。

图2为根据图1所示基坑所确定的勘察区域的三维立体图。

图3为图2上表面A(基坑3顶面)的平面布置示意图。

图4为桩体测斜仪在图2的上表面A的分布图。

图5和图6为测斜桩设置和桩体测斜仪安装状态示意图，其中，图5为图4的A—A剖视放大图，图6为图5的A向放大图，图中箭头表示桩体测斜仪的敏感方向。

图7为无线预警系统的原理图。

图8为有线预警系统的原理图。

图9为有限元分析及预警的流程图。

具体实施方式

一、确定勘察区域并进行勘察

参见图1，该基坑为多办形的垂直深基坑，其总长为64m，宽为41m，深度为10.4m；采用灌注桩支护方式，其中灌注桩1的头部由冠梁2连成一体。

由图1所示的结构和尺寸，依据《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2010以及《建筑地基基础设计规范》GB5007-2011)，所确定的勘察区域4如图2所示。参见图2，所述的勘察区域4为长方体，基坑3位于所述长方体的中部，基坑3的顶面与所述长方体的上表面平齐，基坑3的墙壁与所述长方体四个侧面的距离分别42m，基坑3的底面与所述长方体下表面的距离为100m。参见图2，所述长方体的长为148m，宽为125m，高为100m。

确定了勘察区域4后即可对勘察区域4内的土质、各种土质的分布范围和各种土质的分布范围在勘察区域4内的位置进行勘察。本例所述勘察区域4内各种土质的物理与土力学参数见下表1。其中所述各种土质的分布范围为一种曲面包围的实体空间，因此各种土质的分布范围可用所述曲面上的特征点的坐标值来表示。接下来，即可对勘察区域4内基坑3周围的环境进行调查，以确定所述勘察区域的边界分布力的分布情况及其大小作用方式。本例中，勘察区域4的上表面在图3所示位置建有一面积为30m2的建材库5，库内存放有100吨水泥。

表1  土参数列表

二、设计监测系统

1、选择测斜仪

由于基坑的塌方事故是由某种突发因素导致基坑墙壁的土体滑移所造成的，因此采用测斜仪是一种理想的选择。本例采用北京七维航测科技股份有限公司生产的SDI-ZTT-008型桩体测斜仪，可显著提高系统的可靠性。

2、设计预警系统

SDI-ZTT-008型桩体测斜仪有两种传输方式，根据需要可设计成如图7所示的无线预警系统，也可设计成如图8所示的有线预警系统。参见图7，所述的无线预警系统由一组SDI-ZTT-008型桩体测斜仪、无线接收终端和计算机组成，其中SDI-ZTT-008型桩体测斜仪将检测到的测量柱倾斜角度经无线接收终端无线传送入计算机。参见图8，所述的有线预警系统由一组SDI-ZTT-008型桩体测斜仪、RS485-RS232转换器和计算机组成，其中SDI-ZTT-008型桩体测斜仪将检测到的测量柱倾斜角度经RS485-RS232转换器传送入计算机。

三、设置监测点并安装桩体测斜仪

对于垂直深基坑来说，最薄弱的地方则是基坑的各墙壁中间的上部，因此布置监测点时至少要在基坑3顶面垂直于各墙壁的中线上方设置一个监测点。参见图4，按基坑3上口的边长，在基坑墙壁B1～B6所对应的基坑墙的顶面依次对应设置3只、3只、1只、1只、1只和3只桩体测斜仪6。其中，B1、B2和B6三个基坑墙壁顶面上相邻两桩体测斜仪6之间的距离为16m，且以相应的墙壁的中心向两边对称分布；每个基坑墙壁顶面上的桩体测斜仪6与所对应的基坑墙壁之间的水平距离为4m。

参见图5和图6，测斜桩7为直径为160mm圆截面钢管。桩体测斜仪6水平固定在测斜桩7的上端面，且使得桩体测斜仪6有一个敏感方向与其所在基坑墙顶的墙壁垂直。参见图5，测斜桩7放置在竖直孔内，其上桩头露出基坑墙的顶面，下桩头与基坑3的底面平齐(在同一个水平面上)。由于测斜桩7与水平面的垂直度直接影响测量结果的准确性，因此所述的竖直孔最好采用具有随钻测斜仪的钻孔机开设。

四、有限元分析、预警

图7或图8所示的计算机中用源软件Tetgen将图2所示的中部设有基坑3的勘察区域4(六面体)剖分为有限个线性四面体元，然后将其结果作为一个离散域导入MATLAB有限元分析系统中进行以下分析处理并预警(见流程图9)：

1、输入由每一线性四面体元所对应的的弹性模量和泊松比，调用MATLAB的TetrahedronElementStiffness函数建立线性四面体元的单元刚度矩阵，然后，调用MATLAB的Tetrahedronassemble函数集成每一单元刚度矩阵得到整体刚度矩阵[K]；

2、输入重力加速度和每个线性四面体元所对应的密度，先调用MATLAB的TetrahedronElemenVolume函数计算出每一线性四面体元的体积，再逐一计算出每个线性四面体元的重力，然后将每个线性四面体元的重力平均分配到对应的线性四面体元的4个节点上；

3、将建材库5内存的100吨水泥所产生的压力作为边界分布力均分到所作用的30m2内的每个线性四面体元上，再均分到每个线性四面体元上的4个节点上；

4、将每个线性四面体元的4个节点上的重力和边界分布力按线性四面体元及其节点编号对应叠加得到整体荷载列阵{F}；

5、参见图8并结合图6，假设某桩体测斜仪6所测得的测量桩7的倾斜角θ，测量桩7所经过的节点1、节点2、……、节点i滑移至节点1’、节点2’、……、节点i’，那么线性四面体元网格节点i的竖向位移V＝L×sinθ×sin(θ/2),水平位移H＝L×sinθ；算出每个线性四面体元网格节点的竖向位移和水平位移后，再将其变换到所述有限个线性四面体元所在的坐标系中；

6、根据弹性力学原理建立线性方程组[K]{U}＝{F}，令所述的长方体的四个侧面和底面的竖向位移和水平位移为零，并将其与步骤5所得到的每一测量桩7所经过的线性四面体元网格节点的水平位移和竖向位移都作为边界条件引入所对应线性方程中；

7、先用乘大数法对所引入边界条件进行处理，然后调用SuperLU求解器求解线性方程组[K]{U}＝{F}，得到每一线性四面体元网格节点的一个竖向位移VD和水平位移，并由所述的水平位移算出垂直于基坑墙壁方向的水平位移HD；然后将所得到的水平位移HD和竖向位VD移除以到达此位移所经历的天数，得到每一线性四面体元节点的水平位移的变化速率LRC与竖向位移的变化速率VC；

8、将步骤7所得到的水平位移HD、竖向位移VD、变化速率LRC和变化速率VC分别与《规范》中表8.0.4所规定的墙顶水平位移与竖向位移的累计值及变化速率进行对应比较，一旦水平位移HD、竖向位移VD、变化速率LRC和变化速率VC中有一项大于或等于《规范》中表8.0.4的规定值则报警。

Claims (5)

1.一种垂直深基坑失稳塌方的预警方法，该方法由以下步骤组成：

(1)对垂直深基坑及其周围区域进行地质勘察，获得勘察区域内每一种土质的分布范围及其在勘察区域中的位置和勘察区域的边界分布力的分布与作用方式；所述的勘察区域为长方体，基坑位于所述长方体的中部，基坑的顶面与所述长方体的上表面平齐，基坑的墙壁与所述长方体四个侧面的距离等于基坑深度的3～5倍，基坑的底面与所述长方体下表面的距离等于所述基坑的宽度的2～3倍；检测勘察区域内每一种土质的物理与土力学参数，即密度、弹性模量和泊松比；

(2)在所述基坑墙壁的顶面自每一墙壁的中心向两边在每相隔10～20m设一竖直的测量桩，并使得，每一测量桩距基坑上口的边缘3～5m；每一测量桩的下端与基坑的底面位于同一水平面上，每一测量桩的上端露出基坑墙顶面；将桩体测斜仪水平固定在所述测量桩的上端，然后将每一桩体测斜仪与计算机进行有线或无线连接；

(3)在所述的计算机中用四面体网格生成软件将所述中部设有基坑的长方体剖分成有限个线性四面体元，然后将剖分结果作为一个离散域导入有限元分析系统中进行以下分析处理：

(3.1)根据各种土质的分布范围确定每一线性四面体元的弹性模量和泊松比，在有限元分析系统中建立每一线性四面体元的单元刚度矩阵，然后，集成每一单元刚度矩阵得到整体刚度矩阵[K]；

(3.2)在有限元分析系统中计算出每一线性四面体元的体积，再根据各种土质的分布范围确定每个线性四面体元的密度并逐一算出每个线性四面体元的重力，然后将该重力平均分配到对应的线性四面体元的4个节点上；

(3.3)先将所确定的边界分布力按其作用方式和作用力大小的分布情况分配到所作用的线性四面体元上，再均分到该线性四面体元上的4个节点上；

(3.4)将每个线性四面体元的4个节点上的重力和边界分布力按线性四面体元及其节点编号对应叠加得到整体荷载列阵{F}；

(3.5)根据每一桩体测斜仪所测得的测量桩的倾斜角，算出每一测量桩所经过的每一线性四面体元网格节点的竖向位移和水平位移；

(3.6)根据弹性力学原理建立线性方程组[K]{U}＝{F}，令所述的长方体的四个侧面和底面的竖向位移和水平位移为零，并将其与步骤(3.5)所得到的每一测量桩所经过的线性四面体元网格节点的竖向位移和水平位移都作为边界条件引入所对应的线性方程中；所述线性方程组[K]{U}＝{F}中的{U}为所有线性四面体元网格节点的位移列阵；

(3.7)求解线性方程组[K]{U}＝{F}，得到每一线性四面体元网格节点的一个竖向位移VD和水平位移，并由所述的水平位移推算出垂直于基坑墙壁方向的水平位移HD；然后将所得到的水平位移HD和竖向位移VD除以到达此位移所经历的天数，得到每一线性四面体元节点的水平位移的变化速率LRC与竖向位移的变化速率VC；

(4)将步骤(3.7)所得到的水平位移HD、竖向位移VD、变化速率LRC和变化速率VC分别与《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2009)中表8.0.4所规定的墙顶水平位移与竖向位移的累计值及变化速率进行对应比较，一旦水平位移HD、竖向位移VD、变化速率LRC和变化速率VC中有一项大于或等于《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2009)中表8.0.4的规定值则报警。

2.根据权利要求1所述的一种垂直深基坑失稳塌方的预警方法，其特征在于，所述的测量桩为圆截面的钢筋混凝土灌注桩、圆截面的预制钢筋混凝土柱、圆截面的钢管或圆截面的硬质塑料管。

3.根据权利要求2所述的一种垂直深基坑失稳塌方的预警方法，其特征在于，所述的桩体测斜仪有一个敏感方向与其所在基坑墙顶的墙壁垂直。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种垂直深基坑失稳塌方的预警方法，其特征在于，所述的有限元分析系统为MATLAB。

5.根据权利要求4所述的一种垂直深基坑失稳塌方的预警方法，其特征在于，求解所述线性方程组[K]{U}＝{F}的方法是，先用乘大数法对所引入边界条件进行处理，然后用SuperLU求解器求解。