CN114153141A - 基于轴力及位移优化的基坑支撑体系液压伺服控制方法 - Google Patents

基于轴力及位移优化的基坑支撑体系液压伺服控制方法 Download PDF

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CN114153141A CN202111298260.8A CN202111298260A CN114153141A CN 114153141 A CN114153141 A CN 114153141A CN 202111298260 A CN202111298260 A CN 202111298260A CN 114153141 A CN114153141 A CN 114153141A
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Abstract

本发明公开了一种基于轴力及位移优化的基坑支撑体系液压伺服控制方法，包括在基坑内安装若干并排并列设置的支撑结构；获取支撑结构的布置参数、支撑结构的几何及物理力学参数、设计参数以及测量装置的初读数；采集一定时间内各时刻支撑轴力测量装置和激光测距仪的读数，计算支撑结构相对于初始位置的位移值以及位移速率；将支撑结构的位移值和支撑结构的轴力均分别按大小进行排序，建立以支撑结构位移值从大到小编列的位移和轴力数组；在同时满足支撑结构的位移值小于支撑结构的容许位移值、支撑结构的位移速率小于支撑结构的容许位移速率、支撑结构的支撑轴力小于支撑结构的容许支撑轴力的条件下，进行后续施工。

Description

基于轴力及位移优化的基坑支撑体系液压伺服控制方法
技术领域
本发明涉及深基坑钢支撑系统的技术领域，尤其是一种基于轴力及位移优化的基坑支撑体系液压伺服控制方法。
背景技术
随着我国地下工程的高速发展，地铁沿线、高架道路及隧道等附近的大型深基坑工程越来越多，钢支撑系统逐渐成为深基坑内支撑系统的主导施工模式，智能钢支撑轴力补偿及基坑变形监控系统作为钢支撑系统施工的首选设备，需求量越来越大。因此，研发出能够实现轴力补偿、基坑变形监控的钢支撑系统成为市场所需。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种基于轴力及位移优化的基坑支撑体系液压伺服控制方法，通过液压伺服系统控制支撑结构的位移值、位移速率以及支撑轴力，保证了支撑结构工作的可靠性。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种基于轴力及位移优化的基坑支撑体系液压伺服控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
在基坑内安装若干并排并列设置的支撑结构，所述支撑结构包括依次连接的第一支座、伺服加载系统、单体液压支柱以及第二支座，所述第一支座和所述第二支座分别设于所述基坑内壁两侧，所述第一支座和所述第二支座上分别安装有激光标靶和激光测距仪，以测量所述支撑结构的长度，所述伺服加载系统设有支撑轴力测量装置，以测量所述支撑结构的支撑轴力；
获取所述支撑结构的布置参数、所述支撑结构的几何及物理力学参数、设计参数以及测量装置的初读数；
采集一定时间内各时刻所述支撑轴力测量装置和所述激光测距仪的读数，计算所述支撑结构相对于初始位置的位移值以及位移速率；将所述支撑结构的位移值和所述支撑结构的轴力均分别按大小进行排序，建立以所述支撑结构位移值从大到小编列的位移和轴力数组；
在同时满足所述支撑结构的位移值小于所述支撑结构的容许位移值、所述支撑结构的位移速率小于所述支撑结构的容许位移速率、所述支撑结构的支撑轴力小于所述支撑结构的容许支撑轴力的条件下，进行后续施工；若不满足，对所述支撑结构的位移值、所述支撑结构的位移速率以及所述支撑结构的支撑轴力进行调整，直至满足要求。
所述支撑结构的布置参数包括支撑结构排数N、支撑结构列数M、支撑结构编号定义No(i,j),其中，i＝1,2,3......N，j＝1,2,3......M；
所述支撑结构的几何及物理力学参数包括横截面积A(i,j)、支撑长度L(i,j)、支撑结构材料弹性模E(i,j)、量容许应力[σ(i,j)]；
所述设计参数包括所述容许位移值[U(i,j)]、所述容许支撑轴力[P(i,j)]、基坑开挖方式、所述容许位移速率[V(i,j)]、支撑初始加载方式、加载量；
所述测量装置的初读数包括所述支撑轴力测量装置的初读数P0(i,j)和所述激光测距仪的初读数D0(i,j)。
设置时间序列tk＝tk-1+Δt，其中，Δt＝c，c为时间增量，且c大于等于计算工期T，k＝1，2，3…，t0＝0；
采集各测点距离监测数据D(i,j,tk)，计算测点相对于初始位置的位移值U(i,j,tk)＝D(i,j,tk)-D0(i,j)；
采集所述伺服加载系统中支撑轴力P(i,j,tk)；
计算所述支撑结构的位移速率
Figure BDA0003337433000000021
计算ti时间所述支撑结构的位移最大值Umax(i,j,tk)，按大小进行排序，并排列出对应测点编号；
计算ti时间所述支撑结构的轴力最大值Pmax(i,j,tk)，按大小进行排序，并排列出对应测点编号；
建立以所述支撑结构位移从大到小编列的位移和轴力数组U(l)和P(l)，其中，l＝1,2,…,L，L＝N×M。
当所述支撑结构的位移值、所述支撑结构的位移速率以及所述支撑结构的支撑轴力不满足条件时，通过两种调压控制路径调节所述伺服加载系统：
其一为在U(i,j,tk)≥[U(i,j)]或V(i,j,tk)≥[V(i,j)]且P(i,j,tk)＜[P(i,j)]的支撑状态下，将支撑轴力在P(i,j,tk)调高ΔP，压力增量采用公式
Figure BDA0003337433000000031
计算；
其二为在U(i,j,tk)＜[U(i,j)]及V(i,j,tk)＜[V(i,j)]且P(i,j,tk)≥[P(i,j)]的支撑状态下，将支撑轴力在[P(i,j)]调低ΔP，压力增量采用公式
Figure BDA0003337433000000032
计算。
设置测点位移偏差识别控制参数；
当所述支撑结构的位移值小于所述测点位移偏差识别控制参数的绝对值时，对当前时间tk，取时间序列{tk-n,tk-n+1,......,tk}的n个连续位移读数值进行最小二乘拟合获得tk-n≤t≤tk时段内的测点位移分布函数，在按该回归函数计算U(i,j,tk)作为测点位移控制变量值，设形函数为F(t)，可取二次函数F(t)＝at2+bt+C或指数函数F(t)＝a+beCt，根据最小二乘法，误差函数为
Figure BDA0003337433000000033
将解方程组
Figure BDA0003337433000000034
得拟合系数{a,b,C}，将tk将代入F(t)可获得经随机误差处理后的测点位移值，以该值作为伺服控制参数；
当所述支撑结构的位移值不小于所述测点位移偏差识别控制参数的绝对值时，当前测量位移为错误信息，舍去相应位移测量值进入轴力控制模式，依据支撑轴力变化进行伺服控制：当P(i,j,tk)≥[P(i,j)]时，调整支撑轴压为P(i,j,tk+1)＝[P(i,j)]；当P(i,j,tk)＜[P(i,j)]时，调整支撑轴压力为
Figure BDA0003337433000000041
本发明的优点是：基于基坑位移与支撑轴力综合优化的基坑支护理念，融合高精度激光实时测距、综合优化、智能控制技术，开发适用于软土地层深基坑工程的位移与支撑轴力双重控制的液压伺服支撑系统；形成设计计算方法，建立相应技术指标和评价方法，并在示范应用的基础上形成技术产品；填补相关领域的不足。
附图说明
图1为本发明伺服加载系统控制流程图；
图2为本发明激光监测位移数据误差处理流程图；
图3为本发明第一调压控制路径示意图；
图4为本发明第二调压控制路径示意图；
图5为本发明支撑结构安装示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-5所示，图中标记1-5分别表示为:第一支座1、伺服加载系统2、单体液压支柱3、第二支座4、激光标靶5、激光测距仪6、钢围檩7、地墙结构8、坑外土体9。
实施例：本实施例涉及一种基于轴力及位移优化的基坑支撑体系液压伺服控制方法，如图5所示，在基坑内安装若干并排并列设置的支撑结构，支撑结构包括依次连接的第一支座1、伺服加载系统2、单体液压支柱3以及第二支座4，坑外土体9内壁设有地墙结构8，地墙结构8上安装有钢围檩7，第一支座1和第二支座4均设于钢围檩7上，第一支座1和第二支座2上分别安装有激光标靶5和激光测距仪6，以测量支撑结构的长度，伺服加载系统2设有支撑轴力测量装置(液压传感器)，以测量支撑结构的支撑轴力。其方法具体包括以下步骤：
1、初始数据输入：
1)支撑结构布置参数：
①液压支撑结构排数(水平)N；
②液压支撑结构列数(竖向)M；
③支撑编号定义No(i,j),i＝1,2,3......N；j＝1,2,3......M。
2)支撑结构几何及物理力学参数：
①横截面积A(i,j)，(i＝1,2,3......N；j＝1,2,3......M)；
②支撑长度L(i,j)，(i＝1,2,3......N；j＝1,2,3......M)；
③支撑结构材料弹性模E(i,j)，(i＝1,2,3......N；j＝1,2,3......M)；
④量容许应力[σ(i,j)]，(i＝1,2,3......N；j＝1,2,3......M)。
3)设计参数(设计规范、技术标准等)：
①容许位移[U(i,j)]，(i＝1,2,3......N；j＝1,2,3......M)；
②容许支撑轴力[P(i,j)]，(i＝1,2,3......N；j＝1,2,3......M)；
③基坑开挖方式(与伺服控制相关性分析后确定是否需要)；
④容许位移速率[V(i,j)]，(i＝1,2,3......N；j＝1,2,3......M)；
⑤支撑初始加载方式(分级加载或一次性加载——设置条件选项)；
⑥加载量(多支撑同步、协调，设定加载值——不进入计算)。
4)传感器初读数(按支撑架设方式确定循环计算方式)：
①支撑轴力初读数P0(i,j)，(i＝1,2,3......N；j＝1,2,3......M)；
②激光测距仪初读数D0(i,j)，(i＝1,2,3......N；j＝1,2,3......M)。
2、监测数据自动读取：
1)设置数据库(按数组形式[I,J]或根据需要设置时间序列)。
2)设置时间序列：
设置时间序列tk＝tk-1+Δt，k＝1，2，3…，为实现对应时点的参数计算将时间离散化，且t0＝0；Δt＝c，c为设定的时间增量，即前后时点的数据采集间隔，保证各种参数的对应，该时间间隔要求大于等于计算工期(数据计算处理所需的时长)T，并且c小于数据处理及反馈控制时间，设定数据采集时间间隔并定时自动采集传输至数据库，有线或无线(确保网络畅通)后续数据处理计算时间小于Δt/2。
3)读入各测点距离监测数据D(i,j,tk)，(i＝1,2,3......N；j＝1,2,3......M)计算测点相对于初始位置的位移值U(i,j,tk)＝D(i,j,tk)-D0(i,j)，(i＝1,2,3......N；j＝1,2,3......M)。
4)读入液压系统中支撑轴力P(i,j,tk)，(i＝1,2,3......N；j＝1,2,3......M)。
5)计算位移速率V(i,j,tk)，(i＝1,2,3......N；j＝1,2,3......M)，V(i,j,tk)有多种计算方法，本实施例中，按任意两时点的平均速度计算
Figure BDA0003337433000000061
也可先建立位移时间函数然后按求导计算。
3、计算部分：
程序进入时间序列、自动循环，直至风险预警或工程完成。
3.1按位移大小顺序伺服控制：
1)计算ti时间的位移最大值Umax(i,j,tk)，(i＝1,2,3......N；j＝1,2,3......M)并按大小进行排序，并排列出对应测点编号；
2)计算ti时间的轴力最大值Pmax(i,j,tk)，(i＝1,2,3......N；j＝1,2,3......M)并按大小进行排序，并排列出对应测点编号；
3)重新建立以位移从大到小编列的位移和轴力数组(一维)U(l)和P(l)(l＝1,2,…,L；L＝N×M)。
3.2按支撑编号顺序进行参数比较与伺服反馈控制：
①时间t0＝0，进入控制循环，累进时间步段Δt，计算工期T。
②比较U(i,j,tk)是否大于容许位移[U(i,j)]：
i)Umax(i,j,ti)<[U(i,j)]，进入后续程序，比较位移速率；
ii)U(i,j,tk)大于等于[U(i,j)]，比较P(i,j,ti)<[P(i,j)]；
iii)满足荷载条件时，计算荷载增量并反馈加载控制位移，否则报警并进行风险预案处理。
③比较V(i,j,tk)是否大于容许位移速率[V(i,j)]：
i)V(i,j,tk)<[V(i,j)]，进入后续程序，比较支撑轴力；
ii)V(i,j,tk)≥[V(i,j)]，比较P(i,j,ti)<[P(i,j)]，满足荷载条件时，计算荷载增量并反馈加载控制位移，否则报警并进行风险预案处理。
④当满足U(i,j,tk)＜[U(i,j)]和V(i,j,tk)＜[V(i,j)]，进入支撑荷载比较。
i)P(i,j,ti)<[P(i,j)]，保持当前支撑及施工参数，进入后续工序；
ii)P(i,j,ti)≥[P(i,j)]，进行ΔP卸载后进入后续工序，如图1所示。
4、伺服控制实施关键问题处理：
4.1激光位移监测值处理：
1)激光位移计误差特性：
激光位移传感器存在两方面的误差：i)系统偏差(各传感器有差异，约15mm)；ii)随机误差(<1mm)。
此外，监测过程中环境因素突变(光路上出现短时遮挡)、传感器损坏等，具可能导致传感器读数的错误信息。
同时，根据现场传感器预先调试结果，正常工作条件下传感器的随机误差为±1mm。
2)位移读数规则：
①直接读入各测点距离值，单位为m；
②然后根据前后两次读数计算位移值U(i,j,tk)，该计算位移值可消除激光位移传感器的系统偏差；
③设每天测量次数Nd，当前读数次数k，取(k-Nd)～k的各次读数的平均值计算平均位移速率(对接规范对位移速率的要求)。
3)错误信息处理：
设置测点位移偏差识别控制参数，即考虑位移测量值的信噪误差，本实施例中测点位移偏差识别控制参数的绝对值为5mm，即|ξ|＝5mm，当U(i,j,tk)≥|ξ|，当前测量位移为错误信息，直接舍去相应位移测量值进入轴力控制模式，单纯依据支撑轴力变化进行伺服控制：P(i,j,tk)≥[P(i,j)]，调整支撑轴压为P(i,j,tk+1)＝[P(i,j)]；P(i,j,tk)＜[P(i,j)]时，调整支撑轴压力为
Figure BDA0003337433000000081
4)系统偏差处理：
系统偏差存在于每一次距离的测量读数中，且每次读数时的偏差值基本不变。因此，在通过式U(i,j,tk)＝D(i,j,tk)-D0(i,j)计算位移时基本消除，不必另行处理。换算后位移U(i,j,tk)只残留有随机误差。
5)随机误差条件下位移测量值：
当U(i,j,tk)＜|ξ|，考虑测量信息为误差，进入测量误差修正状态。对当前时间tk，取时间序列{tk-n,tk-n+1,......,tk}的n个连续位移读数值进行最小二乘拟合获得tk-n≤t≤tk时段内的测点位移分布函数，在按该回归函数计算U(i,j,tk)作为测点位移控制变量值。设形函数为F(t)(可取二次函数F(t)＝at2+bt+C或指数函数F(t)＝a+beCt)，根据最小二乘法，误差函数为
Figure BDA0003337433000000082
解方程组
Figure BDA0003337433000000083
得拟合系数{a,b,C}，
将tk代入F(t)即可获得经随机误差处理后的测点位移值(以该值作为伺服控制参数)。
6)处理流程：
原始数据处理流程如图2所示。
4.2伺服控制调压方法
根据伺服控制总流程图，液压支撑伺服调压技术路径有两种，见图1中第一调压控制路径和第二调压控制路径，分别概述如下：
1)第一调压控制路径：
在U(i,j,tk)≥[U(i,j)]或V(i,j,tk)≥[V(i,j)]且P(i,j,tk)＜[P(i,j)](支撑轴力尚有调高可能空间)的支撑状态下，简便起见，直接将支撑轴力在P(i,j,tk)上直接调高ΔP，如图3所示。压力增量采用公式
Figure BDA0003337433000000091
计算。
2)第二调压控制路径：
在U(i,j,tk)＜[U(i,j)]及V(i,j,tk)＜[V(i,j)]且P(i,j,tk)≥[P(i,j)](支撑轴力超限)的支撑状态下，简便起见，直接将支撑轴力在[P(i,j)]上直接调低ΔP，如图4所示。压力增量采用公式
Figure BDA0003337433000000092
计算。
虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。

Claims (6)

1.一种基于轴力及位移优化的基坑支撑体系液压伺服控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在基坑内安装若干并排并列设置的支撑结构，所述支撑结构包括依次连接的第一支座、伺服加载系统、单体液压支柱以及第二支座，所述第一支座和所述第二支座分别设于所述基坑内壁两侧，所述第一支座和所述第二支座上分别安装有激光标靶和激光测距仪，以测量所述支撑结构的长度，所述伺服加载系统设有支撑轴力测量装置，以测量所述支撑结构的支撑轴力；
获取所述支撑结构的布置参数、所述支撑结构的几何及物理力学参数、设计参数以及测量装置的初读数；
采集一定时间内各时刻所述支撑轴力测量装置和所述激光测距仪的读数，计算所述支撑结构相对于初始位置的位移值以及位移速率；将所述支撑结构的位移值和所述支撑结构的轴力均分别按大小进行排序，建立以所述支撑结构位移值从大到小编列的位移和轴力数组；
在同时满足所述支撑结构的位移值小于所述支撑结构的容许位移值、所述支撑结构的位移速率小于所述支撑结构的容许位移速率、所述支撑结构的支撑轴力小于所述支撑结构的容许支撑轴力的条件下，进行后续施工；若不满足，对所述支撑结构的位移值、所述支撑结构的位移速率以及所述支撑结构的支撑轴力进行调整，直至满足要求。
2.如权利要求1所述的一种基于轴力及位移优化的基坑支撑体系液压伺服控制方法，其特征在于，
所述支撑结构的布置参数包括支撑结构排数N、支撑结构列数M、支撑结构编号定义No(i,j),其中，i＝1,2,3......N，j＝1,2,3......M；
所述支撑结构的几何及物理力学参数包括横截面积A(i,j)、支撑长度L(i,j)、支撑结构材料弹性模E(i,j)、量容许应力[σ(i,j)]；
所述设计参数包括所述容许位移值[U(i,j)]、所述容许支撑轴力[P(i,j)]、基坑开挖方式、所述容许位移速率[V(i,j)]、支撑初始加载方式、加载量；
所述测量装置的初读数包括所述支撑轴力测量装置的初读数P0(i,j)和所述激光测距仪的初读数D0(i,j)。
3.如权利要求2所述的一种基于轴力及位移优化的基坑支撑体系液压伺服控制方法，其特征在于，
设置时间序列tk＝tk-1+Δt，其中，Δt＝c，c为时间增量，且c大于等于计算工期T，k＝1，2，3…，t0＝0；
采集各测点距离监测数据D(i,j,tk)，计算测点相对于初始位置的位移值
U(i,j,tk)＝D(i,j,tk)-D0(i,j)；
采集所述伺服加载系统中支撑轴力P(i,j,tk)；
计算所述支撑结构的位移速率
Figure FDA0003337432990000021
4.如权利要求3所述的一种基于轴力及位移优化的基坑支撑体系液压伺服控制方法，其特征在于，
计算ti时间所述支撑结构的位移最大值Umax(i,j,tk)，按大小进行排序，并排列出对应测点编号；
计算ti时间所述支撑结构的轴力最大值Pmax(i,j,tk)，按大小进行排序，并排列出对应测点编号；
建立以所述支撑结构位移从大到小编列的位移和轴力数组U(l)和P(l)，其中，l＝1,2,…,L，L＝N×M。
5.如权利要求4所述的一种基于轴力及位移优化的基坑支撑体系液压伺服控制方法，其特征在于，
当所述支撑结构的位移值、所述支撑结构的位移速率以及所述支撑结构的支撑轴力不满足条件时，通过两种调压控制路径调节所述伺服加载系统：
其一为在U(i,j,tk)≥[U(i,j)]或V(i,j,tk)≥[V(i,j)]且P(i,j,tk)＜[P(i,j)]的支撑状态下，将支撑轴力在P(i,j,tk)调高ΔP，压力增量采用公式
Figure FDA0003337432990000031
计算；
其二为在U(i,j,tk)＜[U(i,j)]及V(i,j,tk)＜[V(i,j)]且P(i,j,tk)≥[P(i,j)]的支撑状态下，将支撑轴力在[P(i,j)]调低ΔP，压力增量采用公式
Figure FDA0003337432990000032
计算。
6.如权利要求5所述的一种基于轴力及位移优化的基坑支撑体系液压伺服控制方法，其特征在于，
设置测点位移偏差识别控制参数；
当所述支撑结构的位移值小于所述测点位移偏差识别控制参数的绝对值时，对当前时间tk，取时间序列{tk-n,tk-n+1,......,tk}的n个连续位移读数值进行最小二乘拟合获得tk-n≤t≤tk时段内的测点位移分布函数，在按该回归函数计算U(i,j,tk)作为测点位移控制变量值，设形函数为F(t)，可取二次函数F(t)＝at2+bt+C或指数函数F(t)＝a+beCt，根据最小二乘法，误差函数为
Figure FDA0003337432990000033
将解方程组
Figure FDA0003337432990000034
得拟合系数{a,b,C}，将tk将代入F(t)可获得经随机误差处理后的测点位移值，以该值作为伺服控制参数；
当所述支撑结构的位移值不小于所述测点位移偏差识别控制参数的绝对值时，当前测量位移为错误信息，舍去相应位移测量值进入轴力控制模式，依据支撑轴力变化进行伺服控制：当P(i,j,tk)≥[P(i,j)]时，调整支撑轴压为P(i,j,tk+1)＝[P(i,j)]；当P(i,j,tk)＜[P(i,j)]时，调整支撑轴压力为
Figure FDA0003337432990000035
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