CN111997108A - 一种综合验证钢板桩受力能力方法 - Google Patents

一种综合验证钢板桩受力能力方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种综合分析钢板桩安全稳定性方法，仪器主要包括测斜仪、全站仪、应变计；所述综合分析钢板桩安全稳定性方法是采用多种计算方法和大量的人工数据处理，建立基于多变量钢板桩安全稳定性评估模型、土体位移随时间变化模型、钢板桩倾斜程度随时间变化模型、钢板桩应力应变随时间变化模型；所述基于多变量钢板桩安全稳定性评估模型能够通过大量的数据和相应的损失函数可以求出一个安全稳定分界曲面，所述三种时间变化模型可以清楚的知道当前变化趋势和预测未来变化趋势，此方法具有效率高、实用性强、没有特定的环境条件等优势，广泛适用于综合分析安全稳定性等问题。

Description

一种综合验证钢板桩受力能力方法
技术领域
本发明涉及钢板桩桩体变形监测技术领域，更具体地，涉及一种综合分析钢板桩安全稳定性方法。
背景技术
在钢板桩作为一种特制的型钢板桩，用打桩机及振动锤将钢板桩压入地下构成一道连续的板桩墙，作为深基坑开挖的临时挡土、挡水围护支撑结构。钢板桩具有很高的强度和刚性、自身结构轻、接合紧密、耐久性好、水密性好、施工简便、速度快、耐久性好、作业占用场地较小、可重复使用的优点。随着我国经济的飞速发展以及城镇化进程的加剧，地下空间的利用率大幅度提高，人们越来越重视地下空间的使用。由于地面空间小、施工场地限制等因素，导致了无支撑维护、放坡开挖的方式逐渐被淘汰。随着城市经济建设的发展钢板桩作为一种围护结构，在市政、房建、码头、工业、桥梁等方面得到了广泛的应用。
目前关于钢板桩受力问题的研究，普遍还只是针对钢板桩施工方法、支护结构、加固钢板桩等进行研究和探讨；但针对钢板桩的受力稳定性、受力破坏等理论，研究还存在很大的不足，没有一套系统的方法去判断钢板桩的安全稳定性问题，对于钢板桩的受力能力的研究，对指导现场安全施工，排除工程上潜在的风险，具有深刻的影响意义。它能够有效准确的反映钢板桩受力的实际情况，根据实际情况可以有选择性的采取一系列有效措施，具有一套系统且完备的科学依据，而不是对钢板桩进行简单的加固和支护。
随着钢板桩在实际工程中的应用越来越广泛，钢板桩的生产也出现了欣欣向荣的局面，对于钢板桩受力问题也开展了一些研究，但是目前的研究还远远不能满足工程生产的需求，急需一套系统的方法对钢板桩的安全稳定性进行系统的评估。
发明内容
在有鉴于此，本发明的目的在于提供一种综合分析钢板桩安全稳定性方法，以解决现有技术中对于钢板桩安全稳定性分析存在的不足，提供一套系统可靠的分析方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种综合分析钢板桩安全稳定性方法，所述综合分析钢板桩安全稳定性方法是利用监测土体位移、钢板桩的整体倾斜程度和钢板桩变形情况来分析其稳定性；仪器主要包括测斜仪、全站仪、应变计；所述土体位移由测斜管（软质）、测斜探头、数字式测读仪（测斜仪）组成，所述钢板桩的整体倾斜程度由反光片、反光片固定钢筋、全站仪、三角架组成；所述钢板桩变形包括应变片、信号传输电缆、数字式测读仪（应变计）、应变片保护装置；所述应变片保护装置包括卸土半圆锥装置、减震弹簧装置、应变片减震保护装置、信号传输电缆保护装置；所述综合分析钢板桩是采用多种计算方法和大量的人工数据处理，建立基于多变量钢板桩安全稳定性评估模型、土体位移随时间变化模型、钢板桩倾斜程度随时间变化模型、钢板桩应力应变随时间变化模型；所述基于多变量钢板桩安全稳定性评估模型能够通过大量的数据和相应的损失函数可以求出一个安全稳定分界曲面，所述三种时间变化模型可以展示出当前变化趋势和模拟预测未来变化趋势。
优选的，所述减震弹簧装置包括活塞杆、弹簧、上部顶板、下部底板、三面围护板。其中弹簧围绕在活塞杆上，弹簧与活塞杆同时与上部顶板和下部底板相连，上部顶板和下部底板不与钢板桩相连。
优选的，所述减震弹簧装置的下部底板与卸土半圆锥相连，上部顶板与应变片减震保护装置相连。
优选的，所述应变片减震保护装置包括减震隔板、下部减震垫、减震海绵、上部减震垫、矩形保护罩，所述应变片与钢板桩用焊接的方式相连，所述减震隔板与钢板桩相连，下部减震垫与减震隔板相连，上部减震垫和下部减震垫分别与减震海绵顶面和底面相连。
优选的，所述信号传输电缆保护装置包括圆筒型减震海绵套，高强度螺栓、半圆型双翼钢板；所述信号传输电缆放入圆筒型减震海绵保护套孔中，其圆筒型减震海绵套用半圆型双翼板覆盖，并用高强度螺栓把半圆型双翼板和圆筒型减震海绵套固定在钢板桩上。
优选的，所述基于多变量钢板桩安全稳定性评估模型，是采用多种计算方法和前期大量的人工数据处理。所述安全稳定分界曲面，是一个三维空间，是根据对大量实测数据和相应的损失函数求出，每一个维度代表一种仪器测量值，通过对大量实测数据模拟统计，用损失函数降低仪器和人为误差，描绘出一个可以界定钢板桩安全稳定的经验数值，根据经验数值界定钢板桩是否安全稳定，且可以对钢板桩安全稳定进行预警。
优选的，所述钢板桩安全稳定预警是根据大量数据预警数据和损失函数求出，可以分别对红橙黄三种预警值，分别进行甄别预警。
优选的，所述的一种综合分析钢板桩安全稳定性方法，其特征在于，所述土体位移随时间变化模型、钢板桩倾斜程度随时间变化模型、钢板桩应力应变随时间变化模型，横轴以时间为自变量，竖轴分别以单位时间土体位移最大值、单位时间钢板桩倾斜程度、单位时间钢板桩应力应变为因变量，此三种模型可以分别展示出当前土体位移、钢板桩倾斜程度、钢板桩应力应变变化趋势和模拟预测未来变化趋势。
优选的，所述三种时间变化模型，当前的实测值或者预测值，放在基于多变量钢板桩安全稳定性评估模型中，可以对当前的实测值或者预测值的安全稳定性进行评估，并给出相应的结论。
本发明的有益效果为。
（1）在卸土半圆锥和应变片保护装置中间设置弹簧减震，是为了减小卸土半圆锥随着钢板桩打入土层受力增加对应变片保护装置的影响，弹簧中间套入了活塞杆，其具有双重缓冲受力的作用，可以有效的减小随着钢板桩的插入土层，受力增加对应变片装置的影响。
（2）设置减震隔板是为了更好的与钢板桩固定在一起，且减小钢板桩对应变片的振动效应；减震垫和减震海绵是为了给周围受力对应变片的影响可以起到一个缓冲的作用，更好的保护应变片，使之确保测量数据具有更高的准确性。
（3）信号传输电缆上设置保护装置，其圆筒型减震海绵套，高强度螺栓、半圆型双翼钢板；圆筒型减震海绵套上留有信号传输电缆安装孔，是为了更好的保护信号传输电缆在钢板桩插入土层和土压力的条件下，能够完好，数据测量能够准确的进行。
（4）基于多变量钢板桩安全稳定性评估模型，可以直接对当前实测值和预测值进行安全稳定性评估，给出评估结论。并对实际工程施工安全具有科学的指导意义。
（5）土体位移随时间变化模型、钢板桩倾斜程度随时间变化模型、钢板桩应力应变随时间变化模型,可以呈现出钢板桩应力应变当前变化趋势和模拟预测未来变化趋势。
附图说明
图1为本发明设备总体结构示意图。
图2为本发明设备俯视图示意图。
图3为本发明设备主视图示意图。
图4为本发明应变片矩形保护装置的示意图。
图5为本发明信号传输电缆上保护装置示意图。
图6为本发明土体深层水平位移数据采集系统示意图。
图7为本发明钢板桩应力应变数据采集系统示意图。
图8为本发明钢板桩整体倾斜程度数据采集系统示意图。
图9为本发明多变量钢板桩安全稳定性评估模型以两个变量为例示意图。
图10为本发明钢板桩应力应变随时间变化模型为例示意图。
附图标记说明。
1、土体；2、测斜管（软质）；3、反光片固定钢筋；4、反光片；5、信号传输电缆；6、高强度螺栓；7、圆筒型减震海绵；8、半圆形双翼钢板；9、矩形保护罩安装孔；10、减震隔板；11、下部减震垫；12、减震海绵；13、上部减震垫；14、矩形保护罩；15、应变片；16、弹簧装置上部顶板；17、活塞杆；18、弹簧；19、弹簧装置下部底板；20、卸土半圆锥；21、钢板桩；22、信号传输电缆安装保护孔；23、安全点；24、不安全点；25、安全稳定性界面；26、黄色预警界面；27、橙色预警界面；28红色预警界面；29、测斜探头；30、数字式测读仪（测斜仪）；31、电脑；32、数字式测读仪（应变计）；33、全站仪；34、三面围护板。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1所示，所述综合分析钢板桩安全稳定性方法是利用监测土体位移、钢板桩的整体倾斜程度和钢板桩变形情况；仪器主要包括测斜仪、全站仪、应变计；所述土体位移由测斜管2（软质）、测斜探头29、数字式测读仪（测斜仪）30组成；所述钢板桩的整体倾斜程度由反光片3、反光片固定钢筋4、全站仪33、三角架组成；所述钢板桩变形包括应变片15、信号传输电缆5、数字式测读仪（应变计）32、应变片保护装置；应变片保护装置包括卸土半圆锥装置20、减震弹簧装置、应变片减震保护装置、信号传输电缆保护装置。所述综合分析钢板桩是采用多种计算方法和大量的人工数据处理，建立基于多变量钢板桩安全稳定性评估模型、土体位移随时间变化模型、钢板桩倾斜程度随时间变化模型、钢板桩应力应变随时间变化模型；所述基于多变量钢板桩安全稳定性评估模型能够通过大量的数据和相应的损失函数可以求出一个安全稳定分界曲面，所述三种时间变化模型可以展示出当前变化趋势和模拟预测未来变化趋势。
结合图1所示，所述减震弹簧装置包括活塞杆17、弹簧18、上部顶板16、下部底板19、三面围护板34。其中弹簧18围绕在活塞杆17上，弹簧18与活塞杆17同时与上部顶板16和下部底板19相连，上部顶板16和下部底板19不与钢板桩21相连。
结合图1所示，所述减震弹簧装置的下部底板19与卸土半圆锥20相连，上部顶板16与应变片减震保护装置相连。
如图1和图5所示，所述应变片减震保护装置包括减震隔板10、下部减震垫11、减震海绵12、上部减震垫13、矩形保护罩14，所述应变片15与钢板桩21用焊接的方式相连，所述减震隔板10与钢板桩21相连，下部减震垫11与减震隔板10相连，上部减震垫11和下部减震垫13分别与减震海绵12顶面和底面相连。
本实施例中，所述应变片保护装置内部设置四层减震层，分别是减震隔板层10、下部减震垫层11、减震海绵层12、上部减震垫层13，其中减震隔板10、下部减震垫层11、减震海绵层12中部预留有应变片外型凹槽和安装孔，便于信号传输电缆5和应变片15的安装。卸土半圆锥20的三角形截面应与钢板桩21相连。
如图1和图5所示，所述信号传输电缆保护装置包括圆筒型减震海绵套7，高强度螺栓6、半圆型双翼钢板8；所述信号传输电缆5放入圆筒型减震海绵7中间信号传输电缆安装保护孔22中，其圆筒型减震海绵套7用半圆型双翼板8覆盖，并用高强度螺栓6把半圆型双翼板8和圆筒型减震海绵套7固定在钢板桩21上。
本实施例中，所述信号传输电缆保护装置中的信号传输电缆5从应变片减震装置安装孔9口出来，并用圆筒型减震海绵套7住，信号传输电缆5在钢板桩21的顶部，需要留有足够的长度，方便其信号传输电缆保护装置整体与应变片减震装置相连并固定在钢板桩21上面。
如图9所示，以二维模型为例，所述基于多变量钢板桩安全稳定性评估模型，是采用多种计算方法和前期大量的人工数据处理。所述安全稳定分界曲面25，是一个三维空间，是根据对大量实测数据和相应的损失函数求出，每一个维度代表一种仪器测量值，通过对大量实测数据模拟统计，用损失函数降低仪器和人为误差，描绘出一个可以界定钢板桩安全稳定的经验数值，根据经验数值界定钢板桩是否安全稳定，且可以对钢板桩安全稳定进行预警。
如图9所示，所述钢板桩安全稳定预警是根据大量数据预警数据和损失函数求出，可以分别对红橙黄三种预警值，分别进行甄别预警。
在上述实施例的基础上，本实施例中，交叉熵损失函数的具体计算公式如下。
Figure 49886DEST_PATH_IMAGE002
。
分类问题所对应的损失函数为0-1损失，其是分类准确度的度量，对分类正确的估计值取0，反之取1。
Figure 38571DEST_PATH_IMAGE004
。
模型1：安全稳定性界面=1；黄色预警界面=0。
模型2：黄色预警界面=1；橙色预警界面=0。
模型3：橙色预警界面=1；红色预警界面=0。
本实例中更具体的，由于我们知道安全稳定性界面、黄色预警界面，橙色预警界面、红色预警界面的先后顺序，所以只需要按顺序两两组合赋值，每一组合的赋值运用交叉熵损失函数，当函数值最小值时，便可以求出相应的分界界面。
如图10所示，以钢板桩应力应变随时间变化模型为例，所述土体位移随时间变化模型，横轴以时间为自变量，竖轴以单位时间土体位移最大值为因变量，此模型可以展示出土体位移当前变化趋势和模拟预测未来变化趋势。
本实施例中，关于土体位移与土压力关系的方法，可参考相应的有限元计算公式，对实测值数据进行计算分析和结论评估。
如图10所示，以钢板桩应力应变随时间变化模型为例，所述钢板桩倾斜程度随时间变化模型，横轴以时间为自变量，竖轴以单位时间钢板桩倾斜程度为因变量，此模型可以展示出钢板桩倾斜程度当前变化趋势和模拟预测未来变化趋势。
本实施例中，关于钢板桩倾斜程度计算方法，可参考桩墙支护结构增量法计算，增量法模拟加支点和开挖过程，采用荷载增量法，计算施工每一步增量荷载对支护结构产生的内力和位移增量。最后结果为各增量步结果的叠加。每一增量步支护结构内力和变形的计算可采用结构力学方法或杆件有限元法对弹性地基梁进行计算。
如图10所示，所述钢板桩应力应变随时间变化模型，横轴以时间为自变量，竖轴以单位时间钢板桩应力应变最大值为因变量，此模型可以展示出钢板桩应力应变当前变化趋势和模拟预测未来变化趋势。
具体的，本实施例中，钢板桩应力应变具体计算公式如下。
①变传感器计算公式。
δ =Es·K·(fi 2-f0 2)。
式中: δ -钢板桩应力变化值(KPa)。
Es -钢的弹性模量(KPa) 碳钢 : 2.0-2.1x108 KPa。
K -应变传感器的标定系数(10-6/Hz2)。
fi -应变传感器任- -时刻观测值(Hz)。
f0 -应变传感器的初始观测值(零值)。
②力传感器(钢筋计)计算公式。
δ =K·(fi 2-f0 2)。
式中: δ -钢板桩应力变化值(KPa)。
K -测力传感器的标定系数(KPa/Hz2)。
fi -测力传感器任一时刻观测值(Hz)。
f0 -测力传感器的初始观测值(零值)。
如图9和图10所示，以钢板桩应力应变随时间变化模型为例，所述三种时间变化模型，当前的实测值或者预测值，放在基于多变量钢板桩安全稳定性评估模型中，可以对当前的实测值或者预测值的安全稳定性进行评估，并给出相应的结论。
本发明提供的综合分析钢板桩安全稳定性方法在使用时，设备的保护装置安装应按照相关顺序进行安装，所描述的三种计算方法，只需要在前期建立基于多变量钢板桩安全稳定性评估模型时，先对数据处理进行计算，对数据进行结论分析后，把实测值数据输入到多变量钢板桩安全稳定性评估模型中，并给出相应的结论，当输入数据充足时，就可以用交叉熵损失函数，描绘出分界曲面，模型经过大量的数据模拟后，此时，就可以不需要计算公式对数据进行处理，只需要输入实测值或预测值，运用模型分析，就能给出相应的结论。相应的公式和方法是为了让不同的数据相互之间产生联系，可以把三种不同的实测值放在一个空间中分析，可以让数据更加合理可靠，如图9和图10中的安全稳定性分界曲面，安全点23、不安全点24和随时间变化数值点，其数据不具备任何意义。图9是以一个二维平面举例概念评估模型的示意图，不是本发明的关于多变量钢板桩安全稳定性评估模型，图10是钢板桩应力应变随时间变化模型，与钢板桩倾斜程度随时间变化模型、土体位移随时间变化模型的建立是相似的，在专利中就没过多的展示；图9和图10是为了更好的理解本专利而画的举例示意图。
综上，本发明提供的一种综合分析钢板桩安全稳定性方法具有以下有益效果。
（1）在卸土半圆锥和应变片保护装置中间设置弹簧减震，是为了减小卸土半圆锥随着钢板桩打入土层受力增加对应变片保护装置的影响，弹簧中间套入了活塞杆，其具有双重缓冲受力的作用，可以有效的减小随着钢板桩的插入土层，受力增加对应变片装置的影响。
（2）设置减震隔板是为了更好的与钢板桩固定在一起，且减小钢板桩对应变片的振动效应；减震垫和减震海绵是为了给周围受力对应变计的影响可以起到一个缓冲的作用，更好的保护应变片，使之确保测量数据具有更高的准确性。
（3）信号传输电缆上设置保护装置，其圆筒型减震海绵套，高强度螺栓、半圆型双翼钢板；圆筒型减震海绵套上留有信号传输电缆安装孔，是为了更好的保护信号传输电缆在钢板桩插入土层和土压力的条件下，能够完好，数据测量能够准确的进行。
（4）基于多变量钢板桩安全稳定性评估模型，可以直接对当前实测值和预测值进行安全稳定性评估，给出评估结论。并对实际工程施工安全具有科学的指导意义。
（5）土体位移随时间变化模型、钢板桩倾斜程度随时间变化模型、钢板桩应力应变随时间变化模型,可以呈现出钢板桩应力应变当前变化趋势和模拟预测未来变化趋势。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种综合分析钢板桩安全稳定性方法，其特征在于，所述综合分析钢板桩安全稳定性方法是利用监测土体位移、钢板桩的整体倾斜程度和钢板桩变形情况来分析其稳定性；仪器主要包括测斜仪、全站仪、应变计；所述土体位移由测斜管（软质）、测斜探头、数字式测读仪（测斜仪）组成，所述钢板桩的整体倾斜程度由反光片、反光片固定钢筋、全站仪、三角架组成；所述钢板桩变形包括应变片、信号传输电缆、数字式测读仪（应变计）、应变片保护装置；所述应变片保护装置包括卸土半圆锥装置、减震弹簧装置、应变片减震保护装置、信号传输电缆保护装置；所述综合分析钢板桩安全稳定性方法是采用多种计算方法和大量的人工数据处理，建立基于多变量钢板桩安全稳定性评估模型、土体位移随时间变化模型、钢板桩倾斜程度随时间变化模型、钢板桩应力应变随时间变化模型；所述基于多变量钢板桩安全稳定性评估模型能够通过大量的数据和相应的损失函数可以求出一个安全稳定分界曲面，所述三种时间变化模型可以展示出当前变化趋势和模拟预测未来变化趋势。
2.根据权利要求1所述的一种综合分析钢板桩安全稳定性方法，其特征在于，所述减震弹簧装置包括活塞杆、弹簧、上部顶板、下部底板、三面围护板；其中弹簧围绕在活塞杆上，弹簧与活塞杆同时与上部顶板和下部底板相连，上部顶板和下部底板不与钢板桩相连。
3.根据权利要求2所述的一种综合分析钢板桩安全稳定性方法，其特征在于，所述减震弹簧装置的下部底板与卸土半圆锥相连，上部顶板与应变片减震保护装置相连。
4.根据权利要求1所述的一种综合分析钢板桩安全稳定性方法，其特征在于，所述应变片减震保护装置包括减震隔板、下部减震垫、减震海绵、上部减震垫、矩形保护罩，所述应变片与钢板桩用焊接的方式相连，所述减震隔板与钢板桩相连，下部减震垫与减震隔板相连，上部减震垫和下部减震垫分别与减震海绵顶面和底面相连。
5.根据权利要求1所述的一种综合分析钢板桩安全稳定性方法，其特征在于，所述信号传输电缆保护装置包括圆筒型减震海绵套，高强度螺栓、半圆型双翼钢板；所述信号传输电缆放入圆筒型减震海绵保护套孔中，其圆筒型减震海绵套用半圆型双翼板覆盖，并用高强度螺栓把半圆型双翼板和圆筒型减震海绵套固定在钢板桩上。
6.根据权利要求1所述的一种综合分析钢板桩安全稳定性方法，其特征在于，所述基于多变量钢板桩安全稳定性评估模型，是采用多种计算方法和前期大量的人工数据处理；
所述安全稳定分界曲面，是一个三维空间，是根据对大量实测数据和相应的损失函数求出，每一个维度代表一种仪器测量值，通过对大量实测数据模拟统计，用损失函数降低仪器和人为误差，描绘出一个可以界定钢板桩安全稳定的经验数值，根据经验数值界定钢板桩是否安全稳定，且可以对钢板桩安全稳定进行预警。
7.根据权利要求1所述的一种综合分析钢板桩安全稳定性方法，其特征在于，所述钢板桩安全稳定预警是根据大量数据预警数据和损失函数求出，可以分别对红橙黄三种预警值，分别进行甄别预警。
8.根据权利要求1所述的一种综合分析钢板桩安全稳定性方法，其特征在于，所述土体位移随时间变化模型、钢板桩倾斜程度随时间变化模型、钢板桩应力应变随时间变化模型，横轴以时间为自变量，竖轴分别以单位时间土体位移最大值、单位时间钢板桩倾斜程度、单位时间钢板桩应力应变为因变量，此三种模型可以分别展示出当前土体位移、钢板桩倾斜程度、钢板桩应力应变变化趋势和模拟预测未来变化趋势。
9.根据权利要求1所述一种综合分析钢板桩安全稳定性方法，其特征在于，所述三种时间变化模型，当前的实测值或者预测值，放在基于多变量钢板桩安全稳定性评估模型中，可以对当前的实测值或者预测值的安全稳定性进行评估，并给出相应的结论。
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