CN103984995B - 基于利危平衡点的深基坑工程风险预警指标的判定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明基于利危平衡点的深基坑工程风险预警指标的判定方法，具体指一种用于房屋建筑、轨道交通、市政设施等工程的基于利危平衡点的深基坑工程施工风险预警指标的判定方法，涉及建筑监测预警技术领域。方法包括建立不同施工风险因素作用下的深基坑工程数值计算模型；对数值模拟所得的深基坑围护墙顶部水平或竖向位移数据进行曲线拟合，得出深基坑围护墙顶部水平或竖向位移随施工风险因素变化的趋势曲线图；利用利危平衡点划分趋势曲线图中的安全区域和非安全区域；结合规范规定的报警值和安全区域与非安全区域的面积之比，确定四级风险预警值等步骤。通过本发明使风险等级的评估更客观，有针对性地进行深基坑施工风险的预防和控制，保证施工安全。

Description

基于利危平衡点的深基坑工程风险预警指标的判定方法
技术领域
本发明涉及建筑监测预警技术领域，具体指一种用于房屋建筑、轨道交通、市政设施等工程的基于利危平衡点的深基坑工程施工风险预警指标的判定方法。
背景技术
为了尽量避免深基坑工程事故的发生，在施工过程中要对深基坑的土体特征、支护结构、地下水等进行实时的监测，根据工程特点和控制目标设置合理的预警指标；当监测数据超过预警指标时，相关人员需及时采取风险应对措施或者调整施工方案，来保证施工安全。深基坑施工过程中的监测方案一般根据实际需要选择监测项目，同时根据各个阶段的工程概况和施工工艺及工程要求和目标设置项目的预警指标，包括变化量、变化速率、累计变化量和累计变化速率等；监测点数据反映在外部荷载作用下基坑变化情况，当基坑变化发展到一定程度时，就可能会引起基坑风险事故，因此，可将风险与监测预警联系起来，建立不同风险等级与监测预警指标之间的联系。目前预警指标的建立一般通过以下几种方法：
一、主观预判，即根据专家经验判断设置预警指标；
二、理论分析，将相关规范条文等理论作为衡量判定预警指标的一种尺度；
三、频度统计法，即对相关的数据进行研究统计，选用频率较高的数据作为预警指标。
以上方法均是定性地给出将要出现风险时的预警指标，无法考虑各种施工工况的情况下基坑处于不同风险等级时对应的预警指标。
发明内容
本发明的目的在于克服现有风险预警指标判定存在的上述问题，提供一种新的基于利危平衡点的深基坑风险预警指标判定方法。
如所周知，在经济学中的盈亏平衡点又称零利润点、保本点，以盈亏平衡点为界限，当销售收入高于盈亏平衡点时企业盈利；反之，企业就亏损。
以此类比，在建筑领域中的风险等级评价中引入盈亏平衡点的原理，建立“利危平衡点”概念，即当施工风险因素量超过“利危平衡点”时，需要及时采取措施保证深基坑安全；反之，则深基坑处于相对安全状态。
本发明将数值模拟和经济领域中的盈亏平衡点原理相结合，提出基于利危平衡点的深基坑风险预警值判定方法并基于如下前提：
一、将深基坑施工风险划分为四个等级:绿色风险(一级风险)、黄色风险(二级风险)、橙色风险(三级风险)、红色风险(四级风险)；等级越高，风险越大；当深基坑施工风险等级达到橙色风险(三级风险)时，深基坑处于较危险状态，此时相关单位人员必须采取相应措施，保证深基坑施工安全。
二、深基坑围护墙顶部水平或竖向位移越大，深基坑施工风险越大，当深基坑围护墙顶部水平或竖向位移到达一定值时，深基坑施工风险即从一个风险等级转到更高一级的风险等级，该水平或竖向位移临界值即为每个风险等级的风险预警值，如黄色风险(一级风险)预警值、蓝色风险(二级风险)预警值、橙色风险(三级风险)预警值和红色风险(四级风险)预警值。
三、施工风险因素的变化会引起深基坑围护墙顶部水平或竖向位移的变化；当深基坑围护墙顶部水平或竖向位移达到橙色风险预警时，此时对应的施工风险因素量即为利危平衡点。
所述施工风险因素，包括超挖、堆载、基坑降水。
所述施工风险因素量，包括超挖量、堆载量、基坑降水水位。
本发明所述方法的具体步骤如下(如附图1所示)：
第一步：深基坑工程数值建模
运用有限元分析软件，依照具体工程案例，建立不同施工风险因素作用下深基坑工程的数值模型；
其中，有限元分析软件，为PLAXIS2D/3D，ANSYS，FLAC2D/3D，MIDAS或ABAQUS等。
第二步：获取围护墙顶部水平或竖向位移数据
通过对数值模型进行模拟计算，获得随施工风险因素量变化的深基坑围护墙顶部的水平或竖向位移数据。
第三步：曲线拟合
运用有曲线拟合功能的软件对获取的数据进行曲线拟合，得到深基坑围护墙顶部水平或竖向位移随施工风险因素量变化的趋势曲线(如附图2所示)。
所述运用有曲线拟合功能的软件，如MATLAB、ORIGIN等。
第四步：橙色和绿色风险预警值的确定
根据相关监测规范对基坑围护墙顶部水平或竖向位移的监测报警值做了相应规定，当深基坑围护墙顶部水平位移累计绝对值为25～30mm，或竖向位移累计绝对值为10～20mm时，便达到监测报警值。
本方法取监测报警值的上限值作为橙色风险预警值，取橙色风险预警值乘以安全系数0.5，作为绿色风险预警值作为绿色风险预警值；以水平位移为例，取30mm作为橙色风险预警值，30mm×0.5＝15mm作为绿色风险预警值(如附图3所示)。
第五步：利危平衡点的确定
深基坑围护墙顶部水平或竖向位移达到橙色风险预警值时所对应的施工风险因素量即为利危平衡点。
第六步：趋势曲线图区域划分
由趋势曲线，利危平衡点，橙色、绿色风险预警值，最大位移值和最大施工风险因素值共同围成的若干区域，包括定义的安全区域和危险区域。
所述安全区域包括绝对安全区域As0、较安全区域As1和安全区域As2；
所述危险区域包括较危险区域Ds1，危险区域Ds2。
由y轴、x轴、最大施工风险因素值、绿色风险预警值围成为绝对安全区域As0。
由y轴、利危平衡点、绿色风险预警值、趋势曲线围成为安全区域As2。
由y轴、趋势曲线、橙色风险预警值围成为较安全区域As1。
由橙色风险预警值、最大施工风险因素值、趋势曲线围成为较危险区域Ds1。
由最大位移值、利危平衡点、趋势曲线围成了危险区域Ds2。
利用趋势曲线区域面积的比值，确定黄色风险预警值和红色风险预警值(如附图4所示)。
第七步：四级风险预警值的确定
选取影响深基坑施工的主要施工风险因素，重复第一至六步骤，确定各施工风险因素下深基坑的四级风险等级预警值(如附图5所示)，每个风险等级选取预警值的最小值作为最终风险预警值。
如上所述，本发明在建筑领域的风险等级评价中，将数值模拟和经济领域中的盈亏平衡点原理相结合，运用现代计算机技术，通过几个步骤，多快好省地，克服了现有技术存在的只能定性地给出将要出现风险时的预警指标，无法考虑各种施工工况的情况下基坑处于不同风险等级时对应的预警指标等问题。
附图说明
图1为本发明基于利危平衡点的深基坑工程风险预警指标的判定方法的工作流程框图；
图2为本发明不同超挖工况下基坑围护墙顶水平位移曲线图；
图3为本发明超挖施工风险因素下橙色、绿色风险预警值的确定；
图4为本发明基于利危平衡点的不同风险等级预警值的确定；
图5为本发明不同堆载工况下基坑围护的四级风险等级预警指标。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述
第一步：深基坑工程数值建模
运用PLAXIS2D软件，建立上海某工程深基坑在超挖和堆载情况下，深基坑围护墙顶部水平位移的数值模型。
第二步：
通过对数值模型进行模拟计算，获得深基坑围护墙顶部的水平位移随超挖量、堆载量变化时的变形数据(见表1、表2)。
表1 不同超挖量情况下深基坑围护墙顶部水平位移值
表2不同堆载量情况下深基坑围护墙顶部水平位移值
第三步：曲线拟合
在超挖施工因素下，采用ORIGIN软件，用指数函数y＝18.88819+4.69745e8.515x拟合深基坑围护墙顶部水平位移随超挖量变化的趋势曲线(如附图2所示)。
第四步：橙色和绿色风险预警值的确定
深基坑围护一般采用地下连续墙形式，规范规定的地下连续墙顶部水平位移监测报警值(如表3所示)。
表3 地下连续墙顶部水平位移监测报警值
监测报警值中，取围护墙顶部水平位移累计绝对值的上限作为橙色风险预警值，即30mm；橙色风险预警值取安全系数0.5，作为绿色风险预警值，即15mm如(附图3所示)。
第五步：利危平衡点的确定
由第三步曲线拟合得到的趋势曲线图中可以看出，在超挖的施工风险因素下，橙色风险预警值对应的超挖量为11％，该值即为利危平衡点。
第六步：趋势曲线图区域划分
由趋势曲线，利危平衡点，橙色、绿色风险预警值，最大地连墙水平位移值和最大超挖量值共同围成了若干区域，未超过利危平衡点的区域为安全区域，超过利危平衡点的区域为危险区域。
安全区域包括绝对安全区域As0、较安全区域As1和安全区域As2；危险区域包括较危险区域Ds1，危险区域Ds2。
y轴、x轴、最大超挖量值、绿色风险预警值围成为绝对安全区域As0。
y轴、利危平衡点、绿色风险预警值、趋势曲线围成为安全区域As2。
y轴、趋势曲线、橙色风险预警值围成为较安全区域As1。
橙色风险预警值、最大超挖量值、趋势曲线围成为较危险区域Ds1。
最大地连墙水平位移值、利危平衡点、趋势曲线围成为危险区域Ds2(如附图4所示)。
利用趋势曲线区域面积的比值，确定黄色风险预警值和红色风险预警值，即：
黄色风险预警值＝绿色风险报警值+(橙色风险报警值-绿色风险报警值)×(较安全区域面积/安全区域面积)＝15+(30-15)×(As1面积)/(As2面积)≈27mm。
红色风险报警值＝橙色风险报警值+(最大位移值-橙色风险报警值)×(危险区域面积/较危险区域面积)＝30+(45-30)×(Ds2面积/Ds1面积)≈41mm。
第七步：四级风险预警值的确定
选取表2中不同堆载量情况下深基坑围护墙顶部水平位移值，重复第一至六步，得到堆载情况下深基坑的四级风险等级预警值(如附图5所示)。
综合两个施工因素考虑，取预警值的最小值作为各风险等级的预警值(如表4所示)。
表4 深基坑施工四级风险等级的预警值
综上所述，本发明在建筑领域的风险等级评价中，将数值模拟和经济领域中的盈亏平衡点原理相结合，运用现代计算机技术，运用PLAXIS2D软件，建立上海某工程深基坑在超挖和堆载情况下，深基坑围护墙顶部水平位移的数值模型，通过几个步骤，对该深基坑四级风险等级预警值进行判定。多快好省地，克服了现有技术存在的只能定性地给出将要出现风险时的预警指标，无法考虑各种施工工况的情况下基坑处于不同风险等级时对应的预警指标等问题。本发明具有简单、快速、准确，低成本，易于推广等优势。

Claims (4)

1.一种基于利危平衡点的深基坑工程风险预警指标的判定方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
第一步：深基坑工程数值建模
运用有限元分析软件，依照具体工程案例，建立不同施工风险因素作用下深基坑工程的数值模型；
第二步：获取围护墙顶部水平或竖向位移数据
通过对数值模型进行模拟计算，获得随施工风险因素量变化的深基坑围护墙顶部的水平或竖向位移数据；
第三步：曲线拟合
运用有曲线拟合功能的软件对获取的数据进行曲线拟合，得到深基坑围护墙顶部水平或竖向位移随施工风险因素量变化的趋势曲线；
第四步：橙色和绿色风险预警值的确定
取监测报警值的上限值作为橙色风险预警值，取橙色风险预警值乘以安全系数0.5，作为绿色风险预警值；
第五步：利危平衡点的确定
如所周知，在经济学中的盈亏平衡点又称零利润点、保本点，以盈亏平衡点为界限，当销售收入高于盈亏平衡点时企业盈利；反之，企业就亏损；
以此类比，在建筑领域中的风险等级评价中引入盈亏平衡点的原理，建立“利危平衡点”概念，即当施工风险因素量超过“利危平衡 点”时，需要及时采取措施保证深基坑安全；反之，则深基坑处于相对安全状态；
深基坑围护墙顶部水平或竖向位移达到橙色风险预警值时所对应的施工风险因素量即为利危平衡点；
第六步：趋势曲线图区域划分
由趋势曲线，利危平衡点，橙色、绿色风险预警值，最大位移值和最大施工风险因素值共同围成的若干区域，包括定义的安全区域和危险区域；
所述安全区域包括绝对安全区域As0、较安全区域As1和安全区域As2；
所述危险区域包括较危险区域Ds1，危险区域Ds2；
由y轴、x轴、最大施工风险因素值、绿色风险预警值围成为绝对安全区域As0；
由y轴、利危平衡点、绿色风险预警值、趋势曲线围成为安全区域As2；
由y轴、趋势曲线、橙色风险预警值围成为较安全区域As1；
由橙色风险预警值、最大施工风险因素值、趋势曲线围成为较危险区域Ds1；
由最大位移值、利危平衡点、趋势曲线围成为危险区域Ds2；
利用趋势曲线区域面积的比值，确定黄色风险预警值和红色风险预警值；
第七步：四级风险预警值的确定
选取影响深基坑施工的主要施工风险因素，重复第一至六步，确定各施工风险因素下深基坑的四级风险等级预警值，每个风险等级选取预警值的最小值作为最终风险预警值。
2.如权利要求1所述的一种基于利危平衡点的深基坑工程风险预警指标的判定方法，其特征在于，所述第一步中，有限元分析软件，为PLAXIS2D/3D，ANSYS，FLAC2D/3D，MIDAS或ABAQUS。
3.如权利要求1所述的一种基于利危平衡点的深基坑工程风险预警指标的判定方法，其特征在于，所述第三步中，有曲线拟合功能的软件，为MATLAB或ORIGIN。
4.如权利要求1所述的一种基于利危平衡点的深基坑工程风险预警指标的判定方法，其特征在于，所述施工风险因素，包括超挖、堆载、基坑降水；施工风险因素量，包括超挖量、堆载量、基坑降水水位；
所述第四步，监测报警值，根据相关监测规范对基坑围护墙顶部水平或竖向位移的监测报警值做了相应规定，当深基坑围护墙顶部水平位移累计绝对值为25—30mm，或竖向位移累计绝对值为10—20mm时，便达到监测报警值。
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