CN109101776B - 基于挡墙侧移监测数据的基坑反分析方法 - Google Patents

基于挡墙侧移监测数据的基坑反分析方法 Download PDF

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CN109101776B CN201811169118.1A CN201811169118A CN109101776B CN 109101776 B CN109101776 B CN 109101776B CN 201811169118 A CN201811169118 A CN 201811169118A CN 109101776 B CN109101776 B CN 109101776B
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Abstract

发明提供基于挡墙侧移监测数据的基坑反分析方法。该方法通过开挖初步阶段挡墙侧移监测值与挡墙侧移理论计算值进行比较，逐步反求校核土体参数，把上一开挖阶段求得的新土体参数用于下一步开挖的挡墙侧移预测，如此反复，其预测精度逐步提高，保证开挖到既定深度的挡墙侧移预测值和监测值误差很小。同时该方法将可靠度设计的概念融入到了挡墙侧移的预测中，考虑了土体变异性，更加符合工程实际。本发明计算简便，工程可操作性强，可供基坑有关设计施工人员使用，有效地预测基坑变形，动态调整支护结构设计。本发明可编写成简单的程序软件，适合推广使用。

Description

基于挡墙侧移监测数据的基坑反分析方法
技术领域
本发明涉及土木工程建设领域，特别涉及一种基坑反分析方法。
背景技术
随着城市建设发展，城市人口密度大，而可利用的土地资源越来越有限，从而地下空间的开发利用是具有非常广大的前景的。因此在城市建设中出现了越来越多的深基坑工程。城市中高层建筑深层地下车库、地铁车站、地下商场等深基坑工程呈现高密度、高难度趋势，周围施工环境越来越复杂，对勘察、设计、位移监测与信息处理都要求更高更苛刻。
在基坑工程的建设过程中，基坑的有关监测数据能否有效及时处理，直接影响到基坑后续开挖的支护结构设计的调整，从而关系到基坑工程能否安全施工。现有技术中，有关基坑监测数据进行土体参数反分析的方法多集中于数值分析方法，工程可操作性较弱，计算复杂。
因此亟须提供一种计算简便的基坑反分析方法，供基坑有关设计施工人员使用。
发明内容
本发明的目的是提供基于挡墙侧移监测数据的基坑反分析方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，基于挡墙侧移监测数据的基坑反分析方法，包括以下步骤：
1)在基坑挡墙外侧土体的多个部位进行勘察取样。对样本的土体参数进行统计分析。所述土体参数包括标准化土体剪切强度
Figure BDA0001821974930000011
和标准化土体刚度比
Figure BDA0001821974930000012
得到样本的标准化土体剪切强度比均值
Figure BDA0001821974930000013
标准化土体剪切强度比变异系数COV1、样本的标准化土体刚度比均值
Figure BDA0001821974930000014
和标准化土体刚度比变异系数COV2。其中，Cu为土体不排水剪切强度，σ′v为土体竖向有效应力，E50为土体割线刚度。
2)采用样本的标准化土体剪切强度比均值
Figure BDA0001821974930000021
作为总体标准化土体剪切强度比均值
Figure BDA0001821974930000022
的初始矩估计。采用样本的标准化土体刚度比均值
Figure BDA0001821974930000023
作为总体标准化土体刚度比均值μx2的初始矩估计。得到标准化土体剪切强度比标准差
Figure BDA0001821974930000024
和标准化土体刚度比的标准差
Figure BDA0001821974930000025
3)对样本土体参数的数据统计值进行正态性检验。当土体参数服从正态分布时，得到标准化土体剪切强度比
Figure BDA0001821974930000026
标准化土体刚度比
Figure BDA0001821974930000027
当土体参数服从对数正态分布时，得到标准化土体剪切强度比x1＝exp(λ1+ζ1x′1)，标准化土体刚度比x2＝exp(λ2+ζ2x′2)。其中，x′为当量正态化函数自变量，
Figure BDA0001821974930000028
4)得到基坑挡墙侧移理论模型如式(1)所示。
Figure BDA0001821974930000029
式中，B为基坑开挖宽度，m。T为软土层厚度，m。γ为土体容重，kN/m。hi为第i步基坑开挖深度，m。
Figure BDA00018219749300000210
为自然对数形式的系统刚度。EI为挡墙刚度。γw为水的重度kN/m。μw为水位校正因子，取0.8。
5)得到第i步开挖基坑挡墙侧移理论计算值和监测值的误差函数为
Figure BDA00018219749300000211
其中，
Figure BDA00018219749300000212
为第i步开挖基坑挡墙侧移监测值。令目标函数
Figure BDA00018219749300000213
6)令误差函数
Figure BDA0001821974930000031
求解x′1和x′2满足目标函数为最小值d(x)min。其中，x′sat1和x′sat2为满足条件的最优解。第i步开挖反演后的标准化土体剪切强度比为xsati和标准化土体刚度比为xsati。
7)在基坑开挖过程之中，根据前步工况的量测信息反演确定基坑挡墙侧移理论模型参数
Figure BDA0001821974930000032
和
Figure BDA0001821974930000033
将参数
Figure BDA0001821974930000034
和
Figure BDA0001821974930000035
值代入基坑挡墙侧移理论模型，对基坑下一步开挖阶段挡墙将要出现的侧移进行预报。根据预报结果，将预报值与实测值进行对比，改正预报参数，采取相应的工程措施实施下一步开挖，直到施工结束。
进一步，步骤3)中，通过极大似然估计法确定样本土体参数的分布类型。
进一步，步骤6)中，当土体参数为正态分布时，反演后的标准化土体剪切强度比
Figure BDA0001821974930000036
标准化土体刚度比
Figure BDA0001821974930000037
当土体参数为对数正态分布时，反演后的标准化土体剪切强度比xsati＝exp(λ1+ζ1x′sati)，标准化土体刚度比xsati＝exp(λ2+ζ2x′sati)。
进一步，步骤7)中，使用基于第i步开挖基坑挡墙侧移监测值反演得到的土体参数xsati替换标准化土体剪切强度比
Figure BDA0001821974930000038
xsati替换标准化土体刚度比
Figure BDA0001821974930000039
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A.在进行基坑土体参数反分析的过程中，将可靠度设计的概念融入到了挡墙侧移的预测中，考虑了土体变异性，更符合工程实际情况；
B.在进行挡墙侧移理论计算值的计算中，采用挡墙侧移预测模型，计算简便；
C.在进行基坑土体参数反分析的过程中，把上一开挖阶段求得的新土体参数用于下一步开挖挡墙侧移的预测，其预测精度不断提高，保证开挖到既定深度的挡墙侧移预测值和监测值误差很小。
附图说明
图1方法流程图；
图2为基坑横截面示意图；
图3为实施例1中土体参数反演变化折线图；
图4为实施例1中基坑挡墙侧移预测值变化图；
图5为实施例2中土体参数反演变化折线图；
图6为实施例2中基坑挡墙侧移预测值变化图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
自然土体是在漫长的地质年代中，经受各种复杂的地质作用而形成，致使土体的性质差异很大。就是在同一地区，同一土体内，也会存在地质特性的强烈变化性，这就决定了土体参数本身的变异性。
现有基坑分析方法通常将土体考虑成各向同性的均质体，难以对工程的实际情况作出客观的评价。本实施例引入以概率为基础的可靠度分析方法，结合实际工程，将土体的标准化土体剪切强度比
Figure BDA0001821974930000041
和标准化土体刚度比
Figure BDA0001821974930000042
作为变量考虑对监测数据反分析，从而有效地预测基坑变形，动态调整支护结构设计。
参见图2，本实施例挡墙贯入硬土层深度为3～5m。本实施例公开基于挡墙侧移监测数据的基坑反分析方法，包括以下步骤：
1)在基坑挡墙外侧土体的多个部位进行勘察取样。对样本的土体参数进行统计分析。参见表1，所述样本的土体参数包括标准化土体剪切强度
Figure BDA0001821974930000043
和标准化土体刚度比
Figure BDA0001821974930000044
统计指标包括标准化土体剪切强度
Figure BDA0001821974930000045
和标准化土体刚度比
Figure BDA0001821974930000046
统计项目包括样本容量、分布区间、均值和变异系数。得到样本的标准化土体剪切强度比均值
Figure BDA0001821974930000047
标准化土体剪切强度比变异系数COV1、样本的标准化土体刚度比均值
Figure BDA0001821974930000051
和标准化土体刚度比变异系数COV2。其中，Cu为土体不排水剪切强度，σ′v为土体竖向有效应力，E50为土体割线刚度。
表1
Figure BDA0001821974930000052
2)采用样本的标准化土体剪切强度比均值
Figure BDA0001821974930000053
作为总体标准化土体剪切强度比均值
Figure BDA0001821974930000054
的初始矩估计。采用样本的标准化土体刚度比均值
Figure BDA0001821974930000055
作为总体标准化土体刚度比均值
Figure BDA0001821974930000056
的初始矩估计。得到标准化土体剪切强度比标准差
Figure BDA0001821974930000057
和标准化土体刚度比的标准差
Figure BDA0001821974930000058
变异系数COV1＝COV2＝0.15。
3)通过极大似然估计法判断样本土体参数总体服从正态分布。则标准化土体剪切强度比
Figure BDA0001821974930000059
标准化土体刚度比
Figure BDA00018219749300000510
4)将基坑开挖宽度B＝21m，软土层厚度T＝22m，土体容重γ＝17.3kN/m；第一步基坑开挖深度h1＝2m，基坑支护系统刚度
Figure BDA00018219749300000511
标准化土体剪切强度比
Figure BDA00018219749300000512
标准化土体刚度比
Figure BDA00018219749300000513
水位校正因子μw＝0.8，代入基坑挡墙侧移理论计算公式，则可以得到基坑挡墙侧移理论计算值：
Figure BDA0001821974930000061
5)第一步开挖基坑挡墙侧移监测值为
Figure BDA0001821974930000062
则第一步开挖基坑挡墙侧移理论计算值和监测值的误差函数为
Figure BDA0001821974930000063
令目标函数
Figure BDA0001821974930000064
在本实施例中，基坑监测数据如表2所示。
表2
Figure BDA0001821974930000065
6)令误差函数g(x)＝0，求解x′1和x′2满足目标函数为最小值d(x)min，此步可以由计算机快速解出。满足上述条件的最优解为x′1＝1.27，x′2＝0.57。则经过第一步开挖基坑挡墙侧移监测值反演后的标准化土体剪切强度比
Figure BDA0001821974930000066
和标准化土体刚度比
Figure BDA0001821974930000067
7)将基于第一步开挖基坑挡墙侧移监测值反演得到的标准化土体剪切强度比x1＝0.298和标准化土体刚度比x2＝162.8替换初始的标准化土体剪切强度比
Figure BDA0001821974930000068
和标准化土体刚度比
Figure BDA0001821974930000069
8)重复步骤，直到基坑开挖结束，根据基坑每步开挖的挡墙侧移监测值不断反演土体参数，表3即为基于每一步开挖基坑挡墙侧移监测值反演得到的标准化土体剪切强度比和标准化土体刚度比，图3为标准化土体剪切强度比和标准化土体刚度比反演变化折线图，从而得到基于每一步开挖基坑挡墙侧移监测值反演得到的基坑挡墙侧移预测值如图4，从图4可以看出随着反演次数的不断增加，基坑挡墙侧移预测值精度越来越高。
表3
Figure BDA0001821974930000071
实施例2：
本实施例挡墙贯入硬土层深度为3～5m。本实施例公开基于挡墙侧移监测数据的基坑反分析方法，包括以下步骤：
1)在基坑挡墙外侧土体的多个部位进行勘察取样。对样本的土体参数进行统计分析。参见表4，所述土体参数包括标准化土体剪切强度
Figure BDA0001821974930000072
和标准化土体刚度比
Figure BDA0001821974930000073
统计指标包括标准化土体剪切强度
Figure BDA0001821974930000074
和标准化土体刚度比
Figure BDA0001821974930000075
统计项目包括样本容量、分布区间、均值和变异系数。得到样本的标准化土体剪切强度比均值
Figure BDA0001821974930000076
标准化土体剪切强度比变异系数COV1、样本的标准化土体刚度比均值
Figure BDA0001821974930000077
和标准化土体刚度比变异系数COV2。
表4
Figure BDA0001821974930000078
2)采用样本的标准化土体剪切强度比均值
Figure BDA0001821974930000079
作为总体标准化土体剪切强度比均值
Figure BDA0001821974930000081
的初始矩估计。采用样本的标准化土体刚度比均值
Figure BDA0001821974930000082
作为总体标准化土体刚度比均值
Figure BDA0001821974930000083
的初始矩估计。得到标准化土体剪切强度比标准差
Figure BDA0001821974930000084
和标准化土体刚度比的标准差
Figure BDA0001821974930000085
变异系数COV1＝COV2＝0.15。
3)本实施例样本土体参数服从对数正态分布。则标准化土体剪切强度比x1＝exp(λ1+ζ1x′1)，标准化土体刚度比x2＝exp(λ2+ζ2x′2)，其中
Figure BDA0001821974930000086
Figure BDA0001821974930000087
可以得到标准化土体剪切强度比x1＝exp(λ1+ζ1x′1)＝exp(-1.525+0.149x′1)，标准化土体刚度比x2＝exp(λ2+ζ2x′2)＝exp(5.000+0.149x′2)。
4)将基坑开挖宽度B＝12.2m，软土层厚度T＝22m，土体容重γ＝19.1kN/m；第一步基坑开挖深度h1＝4.7m，基坑支护系统刚度
Figure BDA0001821974930000088
标准化土体剪切强度比x1＝exp(λ1+ζ1x′1)，标准化土体刚度比x2＝exp(λ2+ζ2x′2)，水位校正因子μw＝0.8，代入基坑挡墙侧移理论计算公式，则可以得到基坑挡墙侧移理论计算值：
Figure BDA0001821974930000089
5)第一步开挖基坑挡墙侧移监测值为
Figure BDA00018219749300000810
则第一步开挖基坑挡墙侧移理论计算值和监测值的误差函数为
Figure BDA00018219749300000811
Figure BDA00018219749300000812
令目标函数
Figure BDA00018219749300000813
在本实施例中，基坑监测数据如表5所示。
表5
Stage 1 Stage 2 Stage 3 Stage 4
开挖深度/h(m) 4.7 7.9 11.3 12.2
挡墙侧移/δ<sub>h,M</sub>(mm) 143.9 156.0 163.0 162.1
6)令误差函数g(x)＝0，求解x′1和x′2满足目标函数为最小值d(x)min，此步可以由计算机快速解出。满足上述条件的最优解为x′1＝-1.16，x′2＝3.41。则经过第一步开挖基坑挡墙侧移监测值反演后的标准化土体剪切强度比x1＝exp(λ1+ζ1x′1)＝0.131和标准化土体刚度比x2＝exp(λ2+ζ2x′2)＝124.7。
7)将基于第一步开挖基坑挡墙侧移监测值反演得到的标准化土体剪切强度比x1＝0.131和标准化土体刚度比x2＝124.7替换初始的标准化土体剪切强度比
Figure BDA0001821974930000091
和标准化土体刚度比
Figure BDA0001821974930000092
8)重复步骤，直到基坑开挖结束，根据基坑每步开挖的挡墙侧移监测值不断反演土体参数，表6即为基于每一步开挖基坑挡墙侧移监测值反演得到的标准化土体剪切强度比和标准化土体刚度比，图5为标准化土体剪切强度比和标准化土体刚度比反演变化折线图，从而得到基于每一步开挖基坑挡墙侧移监测值反演得到的基坑挡墙侧移预测值如图6，从图6可以看出随着反演次数的不断增加，基坑挡墙侧移预测值精度越来越高。
表6
Figure BDA0001821974930000093

Claims (4)

1.基于挡墙侧移监测数据的基坑反分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在基坑挡墙外侧土体的多个部位进行勘察取样；对样本的土体参数进行统计分析；所述土体参数包括标准化土体剪切强度
Figure FDA0001821974920000011
和标准化土体刚度比
Figure FDA0001821974920000012
得到样本的标准化土体剪切强度比均值
Figure FDA0001821974920000013
标准化土体剪切强度比变异系数COV1、样本的标准化土体刚度比均值
Figure FDA0001821974920000014
和标准化土体刚度比变异系数COV2；其中，Cu为土体不排水剪切强度，σ′v为土体竖向有效应力，E50为土体割线刚度；
2)采用样本的标准化土体剪切强度比均值
Figure FDA0001821974920000015
作为总体标准化土体剪切强度比均值
Figure FDA0001821974920000016
的初始矩估计；采用样本的标准化土体刚度比均值
Figure FDA0001821974920000017
作为总体标准化土体刚度比均值
Figure FDA0001821974920000018
的初始矩估计；得到标准化土体剪切强度比标准差
Figure FDA0001821974920000019
和标准化土体刚度比的标准差
Figure FDA00018219749200000110
3)对样本土体参数的数据统计值进行正态性检验；当土体参数服从正态分布时，得到标准化土体剪切强度比
Figure FDA00018219749200000111
标准化土体刚度比
Figure FDA00018219749200000112
当土体参数服从对数正态分布时，得到标准化土体剪切强度比x1＝exp(λ1+ζ1x′1)，标准化土体刚度比x2＝exp(λ2+ζ2x′2)；其中，x′为当量正态化函数自变量，
Figure FDA00018219749200000113
4)得到基坑挡墙侧移理论模型如式(1)所示；
Figure FDA0001821974920000021
式中，B为基坑开挖宽度，m；T为软土层厚度，m；γ为土体容重，kN/m；hi为第i步基坑开挖深度，m；
Figure FDA0001821974920000022
为自然对数形式的系统刚度；EI为挡墙刚度；γw为水的重度kN/m；μw为水位校正因子，取0.8；
5)得到第i步开挖基坑挡墙侧移理论计算值和监测值的误差函数为
Figure FDA0001821974920000023
其中，
Figure FDA0001821974920000024
为第i步开挖基坑挡墙侧移监测值；令目标函数
Figure FDA0001821974920000025
6)令误差函数
Figure FDA0001821974920000026
求解x1′和x′2满足目标函数为最小值d(x)min；其中，x′sat1和x′sat2为满足条件的最优解；第i步开挖反演后的标准化土体剪切强度比为xsati和标准化土体刚度比为xsati；
7)在基坑开挖过程之中，根据前步工况的量测信息反演确定基坑挡墙侧移理论模型参数
Figure FDA0001821974920000027
和
Figure FDA0001821974920000028
将参数
Figure FDA0001821974920000029
和
Figure FDA00018219749200000210
值代入基坑挡墙侧移理论模型，对基坑下一步开挖阶段挡墙将要出现的侧移进行预报；根据预报结果，将预报值与实测值进行对比，改正预报参数，采取相应的工程措施实施下一步开挖，直到施工结束。
2.根据权利要求1所述的基于挡墙侧移监测数据的基坑反分析方法，其特征在于：步骤3)中，通过极大似然估计法确定样本土体参数的分布类型。
3.根据权利要求1所述的基于挡墙侧移监测数据的基坑反分析方法，其特征在于：步骤6)中，当土体参数为正态分布时，反演后的标准化土体剪切强度比
Figure FDA00018219749200000211
标准化土体刚度比
Figure FDA0001821974920000031
当土体参数为对数正态分布时，反演后的标准化土体剪切强度比xsati＝exp(λ1+ζ1x′sati)，标准化土体刚度比xsati＝exp(λ2+ζ2x′sati)。
4.根据权利要求1所述的基于挡墙侧移监测数据的基坑反分析方法，其特征在于：步骤7)中，使用基于第i步开挖基坑挡墙侧移监测值反演得到的土体参数xsati替换标准化土体剪切强度比
Figure FDA0001821974920000032
xsati替换标准化土体刚度比
Figure FDA0001821974920000033
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