CN114707225B - 考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估方法及装置，根据岩土体的三轴试验和施工过程，确定工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失规律；根据工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失，确定土压力、地下水位、锚索预应力随时间变化的表达式；结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系；同时考虑土体的流变特性、锚索预应力损失和地下水变化，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑地下水水位波动及支护时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值。本发明使基坑支护结构的性能评估更加精确、符合客观实际；能够全面、客观、准确地评估临时基坑支护结构的性能。

Description

考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估方法及装置
技术领域
本发明涉及地下土建工程技术领域，尤其公开了一种考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估方法及装置。
背景技术
伴随着国民经济的快速发展、土地资源的相对匮乏以及地下空间的加速利用，产生了大量的基坑工程；且基坑工程也为了满足各种开发使用功能的需求而不断朝着大面积、大深度的趋势发展，因此，为满足施工安全，对基坑支护结构的性能也提出了越来越高的要求，支护结构的安全也愈发重要。桩锚式基坑支护结构主要承担地面超载和基坑开挖卸载产生的侧向水土压力荷载，以保证基坑开挖过程中的稳定，是一种基坑施工临时支护结构。评价基坑支护结构稳定性主要是用抗力效应与荷载效应的比值作为安全系数来评价基坑支护结构的稳定性，但开挖过程中围护结构的实际弯矩往往与计算值有所差距，且计算所用的参数具有随机性、计算模式存在不确定性等，因而计算所得的安全系数本身不能真正反映支护结构的稳定与安全程度。
目前，基坑工程采用的支护形式多为挖钻孔灌注桩、深层搅拌桩、钢筋混凝土桩等刚性桩与锚杆或土钉的结合，可以有效地对基坑工程进行支护与加固。然而，基坑工程和地下施工所处的环境较为复杂和不确定，使得基坑受周围土压力、水压力及其他不确定荷载的影响较大，引起支护结构产生较大的内力和位移而出现意外事故，严重威胁基坑内施工人员和机械设备的安全。
因此，将支护结构的性能实时反馈，并形成一套基坑支护性能评估体系，及时、准确、快速地对基坑工程支护结构的性能评估于预警，是基坑支护工程亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估方法及装置，旨在解决现有技术中没有对基坑支护结构的性能进行有效评估的技术问题。
本发明的一方面涉及一种考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估方法，包括以下步骤：
根据岩土体的三轴试验和施工过程，确定工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失规律；
根据工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失，确定土压力、地下水位、锚索预应力随时间变化的表达式；
结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系；
同时考虑土体的流变特性、锚索预应力损失和地下水变化，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑地下水水位波动及支护时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值。
进一步地，根据岩土体的三轴试验和施工过程，确定工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失规律的步骤中，工程现场土体的流变特性通过岩土的三轴压缩试验得到，土体粘聚力和内摩擦角随时间的变化关系用下式表示：
其中，c(t)为某一时刻的粘聚力，为某一时刻的内摩擦角；c(∞)为长期极限黏聚力，φ(∞)为长期极限内摩擦角，c(∞)为一极小值，/>相当于残余内摩擦角；c(0)为按标准方法测定的黏聚力，/>为按标准方法测定的内摩擦角；t为任意时刻；t0为测定粘聚力和摩擦角的标准方法所需的时间；α、β、γ分别为无量纲拟合系数，其中，0＜α＜1，β＞0，γ＞0；
地下水位的动态预测由如下的模型表示：
hω(t)＝f(t)+V(t)+M(t)+εt
其中，hω(t)为地下水位高度；f(t)为趋势项变化函数；V(t)为周期项变化函数；M(t)为平稳性干扰项；εt为随机性干扰项；
锚索预应力损失由四参数预应力损失模型计算确定：
其中，Ri(t)为锚索预应力；A为锚索横截面积；E1、E2、η1、η2均为可测定初始值。
进一步地，根据工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失，确定土压力、地下水位、锚索预应力随时间变化的表达式的步骤包括：
考虑地下水水位波动及支护时效土压力和锚杆拉力，基坑底面以上深度z处的主动土压力用下式表示：
其中，Pa(t)为某一时刻基坑底面以上深度z处的主动土压力；γ0为开挖深度范围内主动区土体容重，c(t)为开挖深度范围内主动区某一时刻的粘聚力，q0为地面超载；Ka(t)为某一时刻的主动土压力系数；
某一时刻，基坑底面以上深度z处的静水压力用下式表示：
Pω(t)＝γ0·(z-hω)＝γ0z-γ0hω
其中，Pω(t)为某一时刻基坑底面以上深度z处的静水压力；hω为地下水位深度；z为支护桩的埋深；
锚杆拉力的计算公式如下：
Ti(t)＝Ri(t)cosθ+KiSi(t)
其中，Ti(t)为锚杆拉力，Ri(t)为第i道锚索的预应力；Ki为第i道锚杆的刚度系数；Si(t)为第i道锚杆处的实际水平位移；θi为第i道锚杆的水平交角。
进一步地，结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系的步骤包括：
假定支护桩基坑底面以上为悬臂梁、基坑底面以下为弹性地基梁，并结合锚杆和桩身的变形协调关系，得到桩身的变形协调方程如下：
其中，S1(t)为支护桩在z＝H1处的实际水平位移；S2(t)为支护桩在z＝H2处的实际水平位移；S3(t)为支护桩在z＝H3处的实际水平位移；Sa1(t)为主动土压力在z＝H1处产生的水平位移；Sa2(t)为主动土压力在z＝H2处产生的水平位移；Sa3(t)为主动土压力在z＝H3处产生的水平位移；ST11(t)为T1(t)作用下支护结构在z＝H1处的水平位移；ST22(t)为T2(t)作用下支护结构在z＝H2处的水平位移；ST33(t)为T3(t)作用下支护结构在z＝H3处的水平位移；ST12(t)为T1(t)作用下支护结构在z＝H2处的水平位移；ST13(t)为T1(t)作用下支护结构在z＝H3处的水平位移；ST21(t)为T2(t)作用下支护结构在z＝H1处的水平位移；ST23(t)为T2(t)作用下支护结构在z＝H3处的水平位移；ST31(t)为T3(t)作用下支护结构在z＝H1处的水平位移；ST32(t)为T3(t)作用下支护结构在z＝H2处的水平位移；Sw1(t)为水压力在z＝H1处产生的水平位移；Sw2(t)为水压力在z＝H2处产生的水平位移；Sw3(t)为水压力在z＝H3处产生的水平位移；r1＝H-H1，r2＝H-H2，t3＝H-H3；y0(t)为基坑底面以下桩身的位移；θ0(t)为基坑底面以下桩身的位移。
进一步地，同时考虑土体的流变特性、锚索预应力损失和地下水变化，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑地下水水位波动及支护时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值的步骤包括：
根据推导出的支护水平位移与锚杆拉力之间的关系式，求解得到位移与锚杆拉力，其方程组如下：
其中，K1为第一道锚索的抗拉刚度，K2为第二道锚索的抗拉刚度，K3为第三道锚索的抗拉刚度；R1(t)为第一道锚索的初始预应力，R2(t)为第二道锚索的初始预应力，R2(t)为第三道锚索的初始预应力；θ1为第一道锚杆的水平交角，θ2为第二道锚杆的水平交角，θ3为第三道锚杆的水平交角；T1(t)为第一道锚杆的拉力，T2(t)为第二道锚杆的拉力，T3(t)为第三道锚杆的拉力。
本发明的另一方面涉及一种考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估装置，包括：
第一确实模块，用于根据岩土体的三轴试验和施工过程，确定工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失规律；
第二确定模块，用于根据工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失，确定土压力、地下水位、锚索预应力随时间变化的表达式；
第三确定模块，用于结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系；
推导模块，用于同时考虑土体的流变特性、锚索预应力损失和地下水变化，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑地下水水位波动及支护时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值。
进一步地，第一确实模块中，工程现场土体的流变特性通过岩土的三轴压缩试验得到，土体粘聚力和内摩擦角随时间的变化关系用下式表示：
其中，c(t)为某一时刻的粘聚力，为某一时刻的内摩擦角；c(∞)为长期极限黏聚力，φ(∞)为长期极限内摩擦角，c(∞)为一极小值，/>相当于残余内摩擦角；c(0)为按标准方法测定的黏聚力，/>为按标准方法测定的内摩擦角；t为任意时刻；t0为测定粘聚力和摩擦角的标准方法所需的时间；α、β、γ分别为无量纲拟合系数，其中，0＜α＜1，β＞0，γ＞0；
地下水位的动态预测由如下的模型表示：
hω(t)＝f(t)+V(t)+M(t)+εt
其中，hω(t)为地下水位高度；f(t)为趋势项变化函数；V(t)为周期项变化函数；M(t)为平稳性干扰项；εt为随机性干扰项；
锚索预应力损失由四参数预应力损失模型计算确定：
其中，Ri(t)为锚索预应力；A为锚索横截面积；E1、E2、η1、η2均为可测定初始值。
进一步地，第二确定模块中，考虑地下水水位波动及支护时效土压力和锚杆拉力，基坑底面以上深度z处的主动土压力用下式表示：
其中，Pa(t)为某一时刻基坑底面以上深度z处的主动土压力；γ0为开挖深度范围内主动区土体容重，c(t)为开挖深度范围内主动区某一时刻的粘聚力，q0为地面超载；Ka(t)为某一时刻的主动土压力系数；
某一时刻，基坑底面以上深度z处的静水压力用下式表示：
Pω(t)＝γ0·(z-hω)＝γ0z-γ0hω
其中，Pω(t)为某一时刻基坑底面以上深度z处的静水压力；hω为地下水位深度；z为支护桩的埋深；
锚杆拉力的计算公式如下：
Ti(t)＝Ri(t)cosθ+KiSi(t)
其中，Ti(t)为锚杆拉力，Ri(t)为第i道锚索的预应力；Ki为第i道锚杆的刚度系数；Si(t)为第i道锚杆处的实际水平位移；θi为第i道锚杆的水平交角。
进一步地，第三确定模块中，假定支护桩基坑底面以上为悬臂梁、基坑底面以下为弹性地基梁，并结合锚杆和桩身的变形协调关系，得到桩身的变形协调方程如下：
其中，S1(t)为支护桩在z＝H1处的实际水平位移；S2(t)为支护桩在z＝H2处的实际水平位移；S3(t)为支护桩在z＝H3处的实际水平位移；Sa1(t)为主动土压力在z＝H1处产生的水平位移；Sa2(t)为主动土压力在z＝H2处产生的水平位移；Sa3(t)为主动土压力在z＝H3处产生的水平位移；ST11(t)为T1(t)作用下支护结构在z＝H1处的水平位移；ST22(t)为T2(t)作用下支护结构在z＝H2处的水平位移；ST33(t)为T3(t)作用下支护结构在z＝H3处的水平位移；ST12(t)为T1(t)作用下支护结构在z＝H2处的水平位移；ST13(t)为T1(t)作用下支护结构在z＝H3处的水平位移；ST21(t)为T2(t)作用下支护结构在z＝H1处的水平位移；ST23(t)为T2(t)作用下支护结构在z＝H3处的水平位移；ST31(t)为T3(t)作用下支护结构在z＝H1处的水平位移；ST32(t)为T3(t)作用下支护结构在z＝H2处的水平位移；Sw1(t)为水压力在z＝H1处产生的水平位移；Sw2(t)为水压力在z＝H2处产生的水平位移；Sw3(t)为水压力在z＝H3处产生的水平位移；r1＝H-H1，r2＝H-H2，r3＝H-H3；y0(t)为基坑底面以下桩身的位移；θ0(t)为基坑底面以下桩身的位移。
进一步地，推导模块中，根据推导出的支护水平位移与锚杆拉力之间的关系式，求解得到位移与锚杆拉力，其方程组如下：
其中，K1为第一道锚索的抗拉刚度，K2为第二道锚索的抗拉刚度，K3为第三道锚索的抗拉刚度；R1(t)为第一道锚索的初始预应力，R2(t)为第二道锚索的初始预应力，R2(t)为第三道锚索的初始预应力；θ1为第一道锚杆的水平交角，θ2为第二道锚杆的水平交角，θ3为第三道锚杆的水平交角；T1(t)为第一道锚杆的拉力，T2(t)为第二道锚杆的拉力，T3(t)为第三道锚杆的拉力。
本发明所取得的有益效果为：
本发明提供一种考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估方法及装置，根据岩土体的三轴试验和施工过程，确定工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失规律；根据工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失，确定土压力、地下水位、锚索预应力随时间变化的表达式；结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系；同时考虑土体的流变特性、锚索预应力损失和地下水变化，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑地下水水位波动及支护时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值。本发明提供的考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估方法及装置，充分考虑了工程现场土体的流变特性、地下水位变化以及锚索预应力损失的影响，进而推导的支护结构在开挖过程中性能随时间变化的计算公式可以使基坑支护结构的性能评估更加精确、符合客观实际；计算结果与时间紧密联系，清晰反映了基坑支护性能随时间的变化曲线，可以动态评估基坑支护的性能，对后续的施工工序进行指导，克服了传统的静态评估、模糊评估的缺点；通过规范变形限定值、全过程的基坑支护实测变形数据和计算结果的对比验证，能够全面、客观、准确地评估临时基坑支护结构的性能，为临时基坑工程的安全施工提供依据。
附图说明
图1为本发明提供的考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估方法一实施例的流程示意图；
图2为本发明提供的考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估方法中基坑模型受力简图的上部分示意图；
图3为本发明提供的考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估方法中基坑模型受力简图的下部分示意图；
图4为本发明提供的考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估方法中某文化广场基坑支护示意图；
图5为本发明提供的考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估方法中桩身水平位移计算结果图；
图6为本发明提供的考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估装置一实施例的功能框图。
附图标号说明：
10、第一确实模块；20、第二确定模块；30、第三确定模块；40、推导模块。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
如图1至图5所示，本发明一实施例提出一种考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估方法，包括以下步骤：
步骤S100、根据岩土体的三轴试验和施工过程，确定工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失规律。
工程现场土体的流变特性通过岩土的三轴压缩试验得到，土体粘聚力和内摩擦角随时间的变化关系用下式表示：
在公式(1)中，c(t)为某一时刻的粘聚力，φ(t)为某一时刻的内摩擦角；c(∞)为长期极限黏聚力，为长期极限内摩擦角，c(∞)为一极小值，相当于残余内摩擦角；c(0)为按标准方法测定的黏聚力，/>为按标准方法测定的内摩擦角；t为任意时刻；t0为测定粘聚力和摩擦角的标准方法所需的时间；α、β、γ分别为无量纲拟合系数，其中，0＜α＜1，β＞0，γ＞0。
地下水位的动态预测由如下的模型表示：
hω(t)＝f(t)+V(t)+M(t)+εt (2)
在公式(2)中，hω(t)为地下水位高度；f(t)为趋势项变化函数；V(t)为周期项变化函数；M(t)为平稳性干扰项；εt为随机性干扰项。
锚索预应力损失由四参数预应力损失模型计算确定：
在公式(3)中，Ri(t)为锚索预应力；A为锚索横截面积；E1、E2、η1、η2均为可测定初始值。
步骤S200、根据工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失，确定土压力、地下水位、锚索预应力随时间变化的表达式。
考虑地下水水位波动及支护时效土压力和锚杆拉力，基坑底面以上深度z处的主动土压力用下式表示：
在公式(4)中，Pa(t)为某一时刻基坑底面以上深度z处的主动土压力；γ0为开挖深度范围内主动区土体容重，c(t)为开挖深度范围内主动区某一时刻的粘聚力，q0为地面超载；Ka(t)为某一时刻的主动土压力系数。
某一时刻，基坑底面以上深度z处的静水压力用下式表示：
Pω(t)＝γ0·(z-hω)＝γ0z-γ0hω (5)
在公式(5)中，Pω(t)为某一时刻基坑底面以上深度z处的静水压力；hω为地下水位深度，即hw(t)；z为支护桩的埋深。
锚杆拉力的计算公式如下：
Ti(t)＝Ri(t)cosθ+KiSi(t) (6)
在公式(6)中，Ti(t)为锚杆拉力，Ri(t)为第i道锚索的预应力；Ki为第i道锚杆的刚度系数；Si(t)为第i道锚杆处的实际水平位移；θi为第i道锚杆的水平交角。
基坑底面以下的桩身位移计算公式为：
基坑底面以下的桩身转角计算公式为：
在公式(8)中，α为特征系数，q为嵌入岩土体部分支护所受荷载；Q0为等效剪力；M0为等效弯矩。
的计算公式为：
步骤S300、结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系。
假定支护桩基坑底面以上为悬臂梁、基坑底面以下为弹性地基梁，并结合锚杆和桩身的变形协调关系，得到桩身的变形协调方程，其表达式如下：
在公式(13)中，S1(t)为支护桩在z＝H1处的实际水平位移；S2(t)为支护桩在z＝H2处的实际水平位移；S3(t)为支护桩在z＝H3处的实际水平位移；Sa1(t)为主动土压力在z＝H1处产生的水平位移；Sa2(t)为主动土压力在z＝H2处产生的水平位移；Sa3(t)为主动土压力在z＝H3处产生的水平位移；ST11(t)为T1(t)作用下支护结构在z＝H1处的水平位移；ST22(t)为T2(t)作用下支护结构在z＝H2处的水平位移；ST33(t)为T3(t)作用下支护结构在z＝H3处的水平位移；ST12(t)为T1(t)作用下支护结构在z＝H2处的水平位移；ST13(t)为T1(t)作用下支护结构在z＝H3处的水平位移；ST21(t)为T2(t)作用下支护结构在z＝H1处的水平位移；ST23(t)为T2(t)作用下支护结构在z＝H3处的水平位移；ST31(t)为T3(t)作用下支护结构在z＝H1处的水平位移；ST32(t)为T3(t)作用下支护结构在z＝H2处的水平位移；Sw1(t)为水压力在z＝H1处产生的水平位移；Sw2(t)为水压力在z＝H2处产生的水平位移；Sw3(t)为水压力在z＝H3处产生的水平位移；r1＝H-H1，r2＝H-H2，r3＝H-H3；y0(t)为基坑底面以下桩身的位移；θ0(t)为基坑底面以下桩身的位移。
步骤S400、同时考虑土体的流变特性、锚索预应力损失和地下水变化，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑地下水水位波动及支护时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值。
根据推导出的支护水平位移与锚杆拉力之间的关系式，求解得到位移与锚杆拉力，其方程组如下：
在公式(14)中，K1为第一道锚索的抗拉刚度，K2为第二道锚索的抗拉刚度，K3为第三道锚索的抗拉刚度；R1(t)为第一道锚索的初始预应力，R2(t)为第二道锚索的初始预应力，R2(t)为第三道锚索的初始预应力；θ1为第一道锚杆的水平交角，θ2为第二道锚杆的水平交角，θ3为第三道锚杆的水平交角；T1(t)为第一道锚杆的拉力，T2(t)为第二道锚杆的拉力，T3(t)为第三道锚杆的拉力。
将锚杆拉力的计算结果代入位移表达式，即可得到各个时期支护桩各个位置产生的水平位移，本实施例中针对设置3道锚杆的锚杆拉力进行求解，对于未设置锚杆条件下可直接进行支护变形的计算，对于设置i(i＝1、2或i≥4)道锚杆的情况依然可以通过建立位移与拉力的方程组推导求解。
随着时间的增长，桩顶位移也随之增大，其残余性能可按下式确定：
在公式(15)中，η残为残余性能系数，S位移为位移计算值，S限定为规范规定的桩顶位移限定值。
本实施例提供一种考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估方法，同现有技术相比，根据岩土体的三轴试验和施工过程，确定工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失规律；根据工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失，确定土压力、地下水位、锚索预应力随时间变化的表达式；结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系；同时考虑土体的流变特性、锚索预应力损失和地下水变化，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑地下水水位波动及支护时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值。本实施例提供的考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估方法，充分考虑了工程现场土体的流变特性、地下水位变化以及锚索预应力损失的影响，进而推导的支护结构在开挖过程中性能随时间变化的计算公式可以使基坑支护结构的性能评估更加精确、符合客观实际；计算结果与时间紧密联系，清晰反映了基坑支护性能随时间的变化曲线，可以动态评估基坑支护的性能，对后续的施工工序进行指导，克服了传统的静态评估、模糊评估的缺点；通过规范变形限定值、全过程的基坑支护实测变形数据和计算结果的对比验证，能够全面、客观、准确地评估临时基坑支护结构的性能，为临时基坑工程的安全施工提供依据。
下面依据本实施例提供的考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估方法，计算分析湖南文化广场基坑开挖工程。基坑开挖深度11m，地面超载20kPa，其土层参数如表1所示，基坑共设置3道锚杆，距地面的垂直距离分别为2.5、5.0和7.5m，锚索刚度系数为16476、19301和23297kN/m，支护方案如图4所示。
表1基坑不同土层的相关力学参数
依据该工程具体基坑相关参数，根据本实施例提供的考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估方法，计算基坑开挖后桩顶位移结果如图5所示。
由桩顶位移计算结果图可知，本发明计算得到的桩顶最大位移17.0mm，桩顶位移随时间的增加呈现先增大后上下波动的趋势，其实际监测结果和计算结果的位移曲线整体基本一致，表明本发明的计算结果与实际相符，适用于基坑桩锚式支护结构的变形及性能分析，且图3可得半年、1年的位移预测值，建筑基坑工程监测技术标准[附条文说明]GB50497-2019)规定，桩顶最大位移值取为40mm，根据式15可得半年、1年的支护残余性能分别为62％、60％。
请见图6，图6为本发明提供的考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估装置一实施例的功能框图，在本实施例中，该考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估装置包括第一确实模块10、第二确定模块20、第三确定模块30和推导模块40，其中，第一确实模块10，用于根据岩土体的三轴试验和施工过程，确定工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失规律；第二确定模块20，用于根据工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失，确定土压力、地下水位、锚索预应力随时间变化的表达式；第三确定模块30，用于结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系；推导模块40，用于同时考虑土体的流变特性、锚索预应力损失和地下水变化，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑地下水水位波动及支护时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值。
工程现场土体的流变特性通过岩土的三轴压缩试验得到，土体粘聚力和内摩擦角随时间的变化关系用下式表示：
在公式(16)中，c(t)为某一时刻的粘聚力，为某一时刻的内摩擦角；c(∞)为长期极限黏聚力，为长期极限内摩擦角，c(∞)为一极小值，/>相当于残余内摩擦角；c(0)为按标准方法测定的黏聚力，/>为按标准方法测定的内摩擦角；t为任意时刻；t0为测定粘聚力和摩擦角的标准方法所需的时间；α、β、γ分别为无量纲拟合系数，其中，0＜α＜1，β＞0，γ＞0。
地下水位的动态预测由如下的模型表示：
hω(t)＝f(t)+V(t)+M(t)+εt (17)
在公式(17)中，hω(t)为地下水位高度；f(t)为趋势项变化函数；V(t)为周期项变化函数；M(t)为平稳性干扰项；εt为随机性干扰项。
锚索预应力损失由四参数预应力损失模型计算确定：
在公式(18)中，Ri(t)为锚索预应力；A为锚索横截面积；E1、E2、η1、η2均为可测定初始值。
考虑地下水水位波动及支护时效土压力和锚杆拉力，基坑底面以上深度z处的主动土压力用下式表示：
在公式(19)中，Pa(t)为某一时刻基坑底面以上深度z处的主动土压力；γ0为开挖深度范围内主动区土体容重，c(t)为开挖深度范围内主动区某一时刻的粘聚力，q0为地面超载；Ka(t)为某一时刻的主动土压力系数。
某一时刻，基坑底面以上深度z处的静水压力用下式表示：
Pω(t)＝γ0·(z-hω)＝γ0z-γ0hω (20)
在公式(20)中，Pω(t)为某一时刻基坑底面以上深度z处的静水压力；hω为地下水位深度，即hw(t)；z为支护桩的埋深。
锚杆拉力的计算公式如下：
Ti(t)＝Ri(t)cosθ+KiSi(t) (21)
在公式(21)中，Ti(t)为锚杆拉力，Ri(t)为第i道锚索的预应力；Ki为第i道锚杆的刚度系数；Si(t)为第i道锚杆处的实际水平位移；θi为第i道锚杆的水平交角。
基坑底面以下的桩身位移计算公式为：
基坑底面以下的桩身转角计算公式为：
在公式(23)中，α为特征系数，q为嵌入岩土体部分支护所受荷载；Q0为等效剪力；M0为等效弯矩。
的计算公式为：
假定支护桩基坑底面以上为悬臂梁、基坑底面以下为弹性地基梁，并结合锚杆和桩身的变形协调关系，得到桩身的变形协调方程，其表达式如下：
在公式(28)中，S1(t)为支护桩在z＝H1处的实际水平位移；S2(t)为支护桩在z＝H2处的实际水平位移；S3(t)为支护桩在z＝H3处的实际水平位移；Sa1(t)为主动土压力在z＝H1处产生的水平位移；Sa2(t)为主动土压力在z＝H2处产生的水平位移；Sa3(t)为主动土压力在z＝H3处产生的水平位移；ST11(t)为T1(t)作用下支护结构在z＝H1处的水平位移；ST22(t)为T2(t)作用下支护结构在2＝H2处的水平位移；ST33(t)为T3(t)作用下支护结构在z＝H3处的水平位移；ST12(t)为T1(t)作用下支护结构在z＝H2处的水平位移；ST13(t)为T1(t)作用下支护结构在z＝H3处的水平位移；ST21(t)为T2(t)作用下支护结构在z＝H1处的水平位移；ST23(t)为T2(t)作用下支护结构在z＝H3处的水平位移；ST31(t)为T3(t)作用下支护结构在z＝H1处的水平位移；ST32(t)为T3(t)作用下支护结构在z＝H2处的水平位移；Sw1(t)为水压力在z＝H1处产生的水平位移；Sw2(t)为水压力在z＝H2处产生的水平位移；Sw3(t)为水压力在z＝H3处产生的水平位移；r1＝H-H1，r2＝H-H2，r3＝H-H3；y0(t)为基坑底面以下桩身的位移；θ0(t)为基坑底面以下桩身的位移。
根据推导出的支护水平位移与锚杆拉力之间的关系式，求解得到位移与锚杆拉力，其方程组如下：
在公式(29)中，K1为第一道锚索的抗拉刚度，K2为第二道锚索的抗拉刚度，K3为第三道锚索的抗拉刚度；R1(t)为第一道锚索的初始预应力，R2(t)为第二道锚索的初始预应力，R2(t)为第三道锚索的初始预应力；θ1为第一道锚杆的水平交角，θ2为第二道锚杆的水平交角，θ3为第三道锚杆的水平交角；T1(t)为第一道锚杆的拉力，T2(t)为第二道锚杆的拉力，T3(t)为第三道锚杆的拉力。
将锚杆拉力的计算结果代入位移表达式，即可得到各个时期支护桩各个位置产生的水平位移，本实施例中针对设置3道锚杆的锚杆拉力进行求解，对于未设置锚杆条件下可直接进行支护变形的计算，对于设置i(i＝1、2或i≥4)道锚杆的情况依然可以通过建立位移与拉力的方程组推导求解。
随着时间的增长，桩顶位移也随之增大，其残余性能可按下式确定：
在公式(30)中，η残为残余性能系数，S位移为位移计算值，S限定为规范规定的桩顶位移限定值。
本实施例提供一种考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估装置，同现有技术相比，根据岩土体的三轴试验和施工过程，确定工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失规律；根据工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失，确定土压力、地下水位、锚索预应力随时间变化的表达式；结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系；同时考虑土体的流变特性、锚索预应力损失和地下水变化，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑地下水水位波动及支护时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值。本实施例提供的考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估装置，充分考虑了工程现场土体的流变特性、地下水位变化以及锚索预应力损失的影响，进而推导的支护结构在开挖过程中性能随时间变化的计算公式可以使基坑支护结构的性能评估更加精确、符合客观实际；计算结果与时间紧密联系，清晰反映了基坑支护性能随时间的变化曲线，可以动态评估基坑支护的性能，对后续的施工工序进行指导，克服了传统的静态评估、模糊评估的缺点；通过规范变形限定值、全过程的基坑支护实测变形数据和计算结果的对比验证，能够全面、客观、准确地评估临时基坑支护结构的性能，为临时基坑工程的安全施工提供依据。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据岩土体的三轴试验和施工过程，确定工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失规律；
根据工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失，确定土压力、地下水位、锚索预应力随时间变化的表达式；
结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系；
同时考虑土体的流变特性、锚索预应力损失和地下水变化，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑地下水水位波动及支护时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值；
所述根据岩土体的三轴试验和施工过程，确定工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失规律的步骤中，所述工程现场土体的流变特性通过岩土的三轴压缩试验得到，土体粘聚力和内摩擦角随时间的变化关系用下式表示：
其中，c(t)为某一时刻的粘聚力，为某一时刻的内摩擦角；c(∞)为长期极限黏聚力，/>为长期极限内摩擦角，c(∞)为一极小值，φ(∞)相当于残余内摩擦角；c(0)为按标准方法测定的黏聚力，/>为按标准方法测定的内摩擦角；t为任意时刻；t0为测定粘聚力和摩擦角的标准方法所需的时间；α、β、γ分别为无量纲拟合系数，其中，0＜α＜1，β＞0，γ＞0；
地下水位的动态预测由如下的模型表示：
hω(t)＝f(t)+V(t)+M(t)+εt
其中，hω(t)为地下水位高度；f(t)为趋势项变化函数；V(t)为周期项变化函数；M(t)为平稳性干扰项；εt为随机性干扰项；
锚索预应力损失由四参数预应力损失模型计算确定：
其中，Ri(t)为锚索预应力；A为锚索横截面积；E1、E2、η1、η2均为可测定初始值，ε0为蠕变系数。
2.如权利要求1所述的考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估方法，其特征在于，所述根据工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失，确定土压力、地下水位、锚索预应力随时间变化的表达式的步骤包括：
考虑地下水水位波动及支护时效土压力和锚杆拉力，基坑底面以上深度z处的主动土压力用下式表示：
其中，Pa(t)为某一时刻基坑底面以上深度z处的主动土压力；γ0为开挖深度范围内主动区土体容重，c(t)为开挖深度范围内主动区某一时刻的粘聚力，q0为地面超载；Ka(t)为某一时刻的主动土压力系数；
某一时刻，基坑底面以上深度z处的静水压力用下式表示：
Pω(t)＝γ0·(z-hω)＝γ0z-γ0hω
其中，Pω(t)为某一时刻基坑底面以上深度z处的静水压力；hω为地下水位深度；z为支护桩的埋深；
锚杆拉力的计算公式如下：
Ti(t)＝Ri(t)cosθ+KiSi(t)
其中，Ti(t)为锚杆拉力，Ri(t)为第i道锚索的预应力；Ki为第i道锚杆的刚度系数；Si(t)为第i道锚杆处的实际水平位移；θi为第i道锚杆的水平交角。
3.如权利要求1所述的考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估方法，其特征在于，所述结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系的步骤包括：
假定支护桩基坑底面以上为悬臂梁、基坑底面以下为弹性地基梁，并结合锚杆和桩身的变形协调关系，得到桩身的变形协调方程如下：
其中，S1(t)为支护桩在z＝H1处的实际水平位移；S2(t)为支护桩在z＝H2处的实际水平位移；S3(t)为支护桩在z＝H3处的实际水平位移；Sa1(t)为主动土压力在z＝H1处产生的水平位移；Sa2(t)为主动土压力在z＝H2处产生的水平位移；Sa3(t)为主动土压力在z＝H3处产生的水平位移；ST11(t)为T1(t)作用下支护结构在z＝H1处的水平位移；ST22(t)为T2(t)作用下支护结构在z＝H2处的水平位移；ST33(t)为T3(t)作用下支护结构在z＝H3处的水平位移；ST12(t)为T1(t)作用下支护结构在z＝H2处的水平位移；ST13(t)为T1(t)作用下支护结构在z＝H3处的水平位移；ST21(t)为T2(t)作用下支护结构在z＝H1处的水平位移；ST23(t)为T2(t)作用下支护结构在z＝H3处的水平位移；ST31(t)为T3(t)作用下支护结构在z＝H1处的水平位移；ST32(t)为T3(t)作用下支护结构在z＝H2处的水平位移；Sw1(t)为水压力在z＝H1处产生的水平位移；Sw2(t)为水压力在z＝H2处产生的水平位移；Sw3(t)为水压力在z＝H3处产生的水平位移；r1＝H-H1，r2＝H-H2，r3＝H-H3；y0(t)为基坑底面以下桩身的位移；θ0(t)为基坑底面以下桩身的位移。
4.如权利要求3所述的考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估方法，其特征在于，所述同时考虑土体的流变特性、锚索预应力损失和地下水变化，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑地下水水位波动及支护时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值的步骤包括：
根据推导出的支护水平位移与锚杆拉力之间的关系式，求解得到位移与锚杆拉力，其方程组如下：
其中，K1为第一道锚索的抗拉刚度，K2为第二道锚索的抗拉刚度，K3为第三道锚索的抗拉刚度；R1(t)为第一道锚索的初始预应力，R2(t)为第二道锚索的初始预应力，R2(t)为第三道锚索的初始预应力；θ1为第一道锚杆的水平交角，θ2为第二道锚杆的水平交角，θ3为第三道锚杆的水平交角；T1(t)为第一道锚杆的拉力，T2(t)为第二道锚杆的拉力，T3(t)为第三道锚杆的拉力。
5.一种考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估装置，其特征在于，包括：
第一确实模块(10)，用于根据岩土体的三轴试验和施工过程，确定工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失规律；
第二确定模块(20)，用于根据工程现场土体的流变特性、地下水变化以及锚索预应力的损失，确定土压力、地下水位、锚索预应力随时间变化的表达式；
第三确定模块(30)，用于结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系；
推导模块(40)，用于同时考虑土体的流变特性、锚索预应力损失和地下水变化，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑地下水水位波动及支护时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值；
所述第一确实模块(10)中，所述工程现场土体的流变特性通过岩土的三轴压缩试验得到，土体粘聚力和内摩擦角随时间的变化关系用下式表示：
其中，c(t)为某一时刻的粘聚力，φ(t)为某一时刻的内摩擦角；c(∞)为长期极限黏聚力，为长期极限内摩擦角，c(∞)为一极小值，/>相当于残余内摩擦角；c(0)为按标准方法测定的黏聚力，/>为按标准方法测定的内摩擦角；t为任意时刻；t0为测定粘聚力和摩擦角的标准方法所需的时间；α、β、γ分别为无量纲拟合系数，其中，0＜α＜1，β＞0，γ＞0；
地下水位的动态预测由如下的模型表示：
hω(t)＝f(t)+V(t)+M(t)+εt
其中，hω(t)为地下水位高度；f(t)为趋势项变化函数；V(t)为周期项变化函数；M(t)为平稳性干扰项；εt为随机性干扰项；
锚索预应力损失由四参数预应力损失模型计算确定：
其中，Ri(t)为锚索预应力；A为锚索横截面积；E1、E2、η1、η2均为可测定初始值，ε0为蠕变系数。
6.如权利要求5所述的考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估装置，其特征在于，所述第二确定模块(20)中，考虑地下水水位波动及支护时效土压力和锚杆拉力，基坑底面以上深度z处的主动土压力用下式表示：
其中，Pa(t)为某一时刻基坑底面以上深度z处的主动土压力；γ0为开挖深度范围内主动区土体容重，c(t)为开挖深度范围内主动区某一时刻的粘聚力，q0为地面超载；Ka(t)为某一时刻的主动土压力系数；
某一时刻，基坑底面以上深度z处的静水压力用下式表示：
Pω(t)＝γ0·(z-hω)＝γ0z-γ0hω
其中，Pω(t)为某一时刻基坑底面以上深度z处的静水压力；hω为地下水位深度；z为支护桩的埋深；
锚杆拉力的计算公式如下：
Ti(t)＝Ri(t)cosθ+KiSi(t)
其中，Ti(t)为锚杆拉力，Ri(t)为第i道锚索的预应力；Ki为第i道锚杆的刚度系数；Si(t)为第i道锚杆处的实际水平位移；θi为第i道锚杆的水平交角。
7.如权利要求5所述的考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估装置，其特征在于，所述第三确定模块(30)中，假定支护桩基坑底面以上为悬臂梁、基坑底面以下为弹性地基梁，并结合锚杆和桩身的变形协调关系，得到桩身的变形协调方程如下：
其中，S1(t)为支护桩在z＝H1处的实际水平位移；S2(t)为支护桩在z＝H2处的实际水平位移；S3(t)为支护桩在z＝H3处的实际水平位移；Sa1(t)为主动土压力在z＝H1处产生的水平位移；Sa2(t)为主动土压力在z＝H2处产生的水平位移；Sa3(t)为主动土压力在z＝H3处产生的水平位移；ST11(t)为T1(t)作用下支护结构在z＝H1处的水平位移；ST22(t)为T2(t)作用下支护结构在z＝H2处的水平位移；ST33(t)为T3(t)作用下支护结构在z＝H3处的水平位移；ST12(t)为T1(t)作用下支护结构在z＝H2处的水平位移；ST13(t)为T1(t)作用下支护结构在z＝H3处的水平位移；ST21(t)为T2(t)作用下支护结构在z＝H1处的水平位移；ST23(t)为T2(t)作用下支护结构在z＝H3处的水平位移；ST31(t)为T3(t)作用下支护结构在z＝H1处的水平位移；ST32(t)为T3(t)作用下支护结构在z＝H2处的水平位移；Sw1(t)为水压力在z＝H1处产生的水平位移；Sw2(t)为水压力在z＝H2处产生的水平位移；Sw3(t)为水压力在z＝H3处产生的水平位移；r1＝H-H1，r2＝H-H2，r3＝H-H3；y0(t)为基坑底面以下桩身的位移；θ0(t)为基坑底面以下桩身的位移。
8.如权利要求7所述的考虑水位波动及支护时效的基坑支护性能评估装置，其特征在于，所述推导模块(40)中，根据推导出的支护水平位移与锚杆拉力之间的关系式，求解得到位移与锚杆拉力，其方程组如下：
其中，K1为第一道锚索的抗拉刚度，K2为第二道锚索的抗拉刚度，K3为第三道锚索的抗拉刚度；R1(t)为第一道锚索的初始预应力，R2(t)为第二道锚索的初始预应力，R2(t)为第三道锚索的初始预应力；
θ1为第一道锚杆的水平交角，θ2为第二道锚杆的水平交角，θ3为第三道锚杆的水平交角；T1(t)为第一道锚杆的拉力，T2(t)为第二道锚杆的拉力，T3(t)为第三道锚杆的拉力。
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