CN115495956A - 一种深大岩质基坑卸荷变形的安全评价方法 - Google Patents

一种深大岩质基坑卸荷变形的安全评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种深大岩质基坑卸荷变形的安全评价方法，包括以下步骤：分析基坑开挖过程中实测数据的变化特征，对基坑开挖周边影响范围进行区域划分，通过围护结构的变形和周边地表的竖向变化反映各因素的影响效果以及对基坑风险等级进行定量评估；本发明在研究基坑开挖变形机理的基础上，整理并分析基坑实际监测数据，利用MIDAS GTS NX数值模拟软件，研究岩质基坑变形特征和规律，以及不同因素对基坑变形的影响，并在此基础上，综合应用现场监测数据，构建岩质基坑施工过程中的安全综合评价体系对基坑施工过程中存在的风险进行识别并进行风险综合评价分析，保证了基坑施工的安全性。

Description

一种深大岩质基坑卸荷变形的安全评价方法
技术领域
本发明涉及基坑施工技术领域，尤其涉及一种深大岩质基坑卸荷变形的安全评价方法。
背景技术
新时代以来，我国城市化水平进一步提高，近几年城市人口增长迅速、城市半径不断扩展，城市化建设逐渐成为重要发展趋势。由于城市内可供使用开发的上部土地空间有限，城市用地趋于饱和，地上交通设施及建(构)筑物已不能完全满足日常生活需求，因此，工程建设开始向地下方向拓展，基坑工程施工也越来越多，大批地下停车场、地铁轨道交通等公共设施相继建成并投入使用。
随着基坑工程向着深大方向快速发展，基坑支护设计与施工技术突飞猛进，近年来我国已是世界上深基坑工程最多、规模最大的国家，在基坑工程中，城市地铁车站基坑工程的施工步骤繁杂，且往往与建(构)筑物相邻，需要通过综合分析多方面监测数据，来避免周边环境的非单一性带来的风险，在基坑施工过程中，不仅要关注其整体变化，更要重视周边区域的受影响范围，尤其是在“上软下硬”的岩质复合型地层，基坑施工进程中变形特征难以探寻，使得施工难度加大。
而为了降低基坑施工难度，对基坑施工中的变形规律进行分析，并建立与之相适应的安全评价方法显得尤为重要，但目前基坑安全风险评估大多是评判围护结构的稳固性，以及对风险因素影响效果进行比较，而对施工过程中数据的定量评判较少，往往着眼于直观的监测值而忽视了对数据的处理及其变化规律的研究，此外，在利用信息化施工所得数据进行综合分析评判时，采用的方法类型较为有限，因此，本发明提出一种深大岩质基坑卸荷变形的安全评价方法用以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种深大岩质基坑卸荷变形的安全评价方法，解决现有的基坑安全风险评估对施工过程中数据的定量评判较少以及采用的方法类型较为有限的问题。
为了实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种深大岩质基坑卸荷变形的安全评价方法，包括以下步骤：
步骤一：以待评价岩质基坑为对象，在岩质基坑的所有支护单元中选择三个具备代表性的支护单元断面，基于不同时间段分析基坑开挖过程中实测数据的变化特征；
步骤二：采用有限元软件MIDAS GTS NX近似还原待评价岩质基坑开挖整体进程，分析基坑在开挖过程中重要施工节点的变形情况，对传统基坑地面沉降经验公式进行修正并用于岩质基坑地表沉降变形估算，然后借助监测结果以及竖直模拟变形云图对基坑开挖周边影响范围进行区域划分；
步骤三：对影响基坑变形的因素进行归纳，与待评价岩质基坑工程实际情况相结合，改变不同支护方案以及施工方案参数，分析围护结构不同嵌入深度、不同锚索预应力锁定值、不同围护桩刚度和不同开挖步施工速度对基坑变形的影响，通过围护结构的变形和周边地表的竖向变化反映各因素的影响效果；
步骤四：基于现场监测数据，建立基坑施工安全评级体系，划分基坑本体及周边环境变化风险等级，综合不同基坑施工安全评价因素，建立基于熵权法的岩质基坑安全评价体系，并借助现场监测数据对基坑风险等级进行定量评估。
进一步改进在于：所述步骤一中，实测数据的变化特征包含围护结构位移、深层岩土体侧向变形、周边地表沉降以及建筑物沉降四个方面。
进一步改进在于：所述围护结构位移包括围护结构水平位移和围护结构竖向位移，所述围护结构水平位移采用全站仪实行监测，所述围护结构竖向位移采用水准仪量控。
进一步改进在于：所述深层岩土体侧向变形采用测斜仪量控，所述周边地表沉降的测点布设在2～3倍的基坑开挖深度范围内，对开挖面周边断面进行监测，监测点布设于基坑角部、各边中点以及垂直于基坑边缘的位置。
进一步改进在于：监测建筑物沉降数据时，在基坑开挖前，按照施工规范要求将沉降监测标记嵌入建筑物角部墙面距离地面0.5m位置处。
进一步改进在于：所述步骤二中，采用有限元软件MIDAS GTS NX近似模拟基坑开挖过程中，基坑的岩土本构选取修正摩尔-库伦本构模型，在剪切压缩条件下，修正摩尔-库伦本构模型计算使用双硬化模型，剪切与压缩屈服面互不关联，组合屈服面在空间表示如下：
Figure BDA0003874894460000041
Figure BDA0003874894460000042
式中f1为剪切屈服函数，f2为压缩屈服函数，
Figure BDA0003874894460000043
为三轴受压强度差异，其中β1与摩擦角关系为
Figure BDA0003874894460000044
Figure BDA0003874894460000045
为三轴受拉强度差异。
进一步改进在于：所述步骤二中，利用Rayleigh分布函数对坑外地面沉降曲线进行修正，得到基坑地面沉降曲线估算公式如下：
Figure BDA0003874894460000046
式中d为距离基坑开挖面距离，单位为m，H为开挖深度，单位为m，δv为预测点竖向变形，单位为mm，δvm为最大竖向变形，单位为mm。
进一步改进在于：所述步骤四中，所述岩质基坑安全评价体系包含基坑本身变化和基坑周边环境变化，所述基坑本身变化包括桩顶部水平位移、桩顶部竖向位移、深层水平位移、锚索内力各个监测项累积值和变化速率，所述基坑周边环境变化包括周边环境地表沉降和建筑物监测项累积值和变化速率、上覆土层厚度、软弱岩体厚度以及地下水位。
进一步改进在于：所述步骤四中，划分风险等级的具体步骤为：依据基坑开挖施工过程中的监测数据，对监测项目控制值进行划分，确定累计值以及变化速率的控制标准，制定四个风险等级，分别为一级安全状态、二级警戒状态、三级预警状态和四级危险状态。
本发明的有益效果为：本发明在研究基坑开挖变形机理的基础上，整理并分析基坑实际监测数据，利用MIDAS GTS NX数值模拟软件，研究岩质基坑变形特征和规律，以及不同因素对基坑变形的影响，并在此基础上，综合应用现场监测数据，构建岩质基坑施工过程中的安全综合评价体系对基坑施工过程中存在的风险进行识别并进行风险综合评价分析，保证了基坑施工的安全性，并对深入研究岩质基坑工程的变形机理与特征具有重要的价值和意义，同时具有一定的必要性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的技术路线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，本实施例提供了一种深大岩质基坑卸荷变形的安全评价方法，包括以下步骤：
步骤一：以青岛地铁鞍山路站基坑作为评价对象，在岩质基坑的所有支护单元中选择三个具备代表性的支护单元断面，基于不同时间段分析基坑开挖过程中实测数据的变化特征，实测数据的变化特征包含围护结构位移、深层岩土体侧向变形、周边地表沉降以及建筑物沉降四个方面，其中围护结构位移包括围护结构水平位移和围护结构竖向位移，围护结构水平位移采用全站仪实行监测，围护结构竖向位移采用水准仪量控，深层岩土体侧向变形采用测斜仪量控，周边地表沉降的测点布设在2～3倍的基坑开挖深度范围内，对开挖面周边断面进行监测，监测点布设于基坑角部、各边中点以及垂直于基坑边缘的位置，监测建筑物沉降数据时，在基坑开挖前，按照施工规范要求将沉降监测标记嵌入建筑物角部墙面距离地面0.5m位置处；
步骤二：采用有限元软件MIDAS GTS NX近似还原待评价岩质基坑开挖整体进程，分析基坑在开挖过程中重要施工节点的变形情况，利用Rayleigh分布函数对传统基坑地面沉降经验公式进行修正，得到基坑地面沉降曲线估算公式如下：
Figure BDA0003874894460000061
式中d为距离基坑开挖面距离，单位为m，H为开挖深度，单位为m，δv为预测点竖向变形，单位为mm，δvm为最大竖向变形，单位为mm，并用于岩质基坑地表沉降变形估算，然后借助监测结果以及竖直模拟变形云图对基坑开挖周边影响范围进行区域划分，采用有限元软件MIDAS GTS NX近似模拟基坑开挖过程中，基坑的岩土本构选取修正摩尔-库伦本构模型，在剪切压缩条件下，修正摩尔-库伦本构模型计算使用双硬化模型，剪切与压缩屈服面互不关联，组合屈服面在空间表示如下：
Figure BDA0003874894460000071
Figure BDA0003874894460000072
式中f1为剪切屈服函数，f2为压缩屈服函数，
Figure BDA0003874894460000073
为三轴受压强度差异，其中β1与摩擦角关系为
Figure BDA0003874894460000074
Figure BDA0003874894460000075
为三轴受拉强度差异；
步骤三：对影响基坑变形的因素进行归纳，与待评价岩质基坑工程实际情况相结合，改变不同支护方案以及施工方案参数，分析围护结构不同嵌入深度、不同锚索预应力锁定值、不同围护桩刚度和不同开挖步施工速度对基坑变形的影响，通过围护结构的变形和周边地表的竖向变化反映各因素的影响效果；
步骤四：基于现场监测数据，建立基坑施工安全评级体系，划分基坑本体及周边环境变化风险等级，依据基坑开挖施工过程中的监测数据，对监测项目控制值进行划分，确定累计值以及变化速率的控制标准，制定四个风险等级，分别为一级安全状态、二级警戒状态、三级预警状态和四级危险状态，综合不同基坑施工安全评价因素，建立基于熵权法的岩质基坑安全评价体系，并借助现场监测数据对基坑风险等级进行定量评估，岩质基坑安全评价体系包含基坑本身变化和基坑周边环境变化，基坑本身变化包括桩顶部水平位移、桩顶部竖向位移、深层水平位移、锚索内力各个监测项累积值和变化速率，基坑周边环境变化包括周边环境地表沉降和建筑物监测项累积值和变化速率、上覆土层厚度、软弱岩体厚度以及地下水位。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种深大岩质基坑卸荷变形的安全评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：以待评价岩质基坑为对象，在岩质基坑的所有支护单元中选择三个具备代表性的支护单元断面，基于不同时间段分析基坑开挖过程中实测数据的变化特征；
步骤二：采用有限元软件MIDAS GTS NX近似还原待评价岩质基坑开挖整体进程，分析基坑在开挖过程中重要施工节点的变形情况，对传统基坑地面沉降经验公式进行修正并用于岩质基坑地表沉降变形估算，然后借助监测结果以及竖直模拟变形云图对基坑开挖周边影响范围进行区域划分；
步骤三：对影响基坑变形的因素进行归纳，与待评价岩质基坑工程实际情况相结合，改变不同支护方案以及施工方案参数，分析围护结构不同嵌入深度、不同锚索预应力锁定值、不同围护桩刚度和不同开挖步施工速度对基坑变形的影响，通过围护结构的变形和周边地表的竖向变化反映各因素的影响效果；
步骤四：基于现场监测数据，建立基坑施工安全评级体系，划分基坑本体及周边环境变化风险等级，综合不同基坑施工安全评价因素，建立基于熵权法的岩质基坑安全评价体系，并借助现场监测数据对基坑风险等级进行定量评估。
2.根据权利要求1所述的一种深大岩质基坑卸荷变形的安全评价方法，其特征在于：所述步骤一中，实测数据的变化特征包含围护结构位移、深层岩土体侧向变形、周边地表沉降以及建筑物沉降四个方面。
3.根据权利要求2所述的一种深大岩质基坑卸荷变形的安全评价方法，其特征在于：所述围护结构位移包括围护结构水平位移和围护结构竖向位移，所述围护结构水平位移采用全站仪实行监测，所述围护结构竖向位移采用水准仪量控。
4.根据权利要求2所述的一种深大岩质基坑卸荷变形的安全评价方法，其特征在于：所述深层岩土体侧向变形采用测斜仪量控，所述周边地表沉降的测点布设在2～3倍的基坑开挖深度范围内，对开挖面周边断面进行监测，监测点布设于基坑角部、各边中点以及垂直于基坑边缘的位置。
5.根据权利要求2所述的一种深大岩质基坑卸荷变形的安全评价方法，其特征在于：监测建筑物沉降数据时，在基坑开挖前，按照施工规范要求将沉降监测标记嵌入建筑物角部墙面距离地面0.5m位置处。
6.根据权利要求1所述的一种深大岩质基坑卸荷变形的安全评价方法，其特征在于：所述步骤二中，采用有限元软件MIDAS GTS NX近似模拟基坑开挖过程中，基坑的岩土本构选取修正摩尔-库伦本构模型，在剪切压缩条件下，修正摩尔-库伦本构模型计算使用双硬化模型，剪切与压缩屈服面互不关联，组合屈服面在空间表示如下：
Figure FDA0003874894450000021
Figure FDA0003874894450000031
式中f1为剪切屈服函数，f2为压缩屈服函数，
Figure FDA0003874894450000032
为三轴受压强度差异，其中β1与摩擦角关系为
Figure FDA0003874894450000033
Figure FDA0003874894450000034
为三轴受拉强度差异。
7.根据权利要求1所述的一种深大岩质基坑卸荷变形的安全评价方法，其特征在于：所述步骤二中，利用Rayleigh分布函数对坑外地面沉降曲线进行修正，得到基坑地面沉降曲线估算公式如下：
Figure FDA0003874894450000035
式中d为距离基坑开挖面距离，单位为m，H为开挖深度，单位为m，δv为预测点竖向变形，单位为mm，δvm为最大竖向变形，单位为mm。
8.根据权利要求1所述的一种深大岩质基坑卸荷变形的安全评价方法，其特征在于：所述步骤四中，所述岩质基坑安全评价体系包含基坑本身变化和基坑周边环境变化，所述基坑本身变化包括桩顶部水平位移、桩顶部竖向位移、深层水平位移、锚索内力各个监测项累积值和变化速率，所述基坑周边环境变化包括周边环境地表沉降和建筑物监测项累积值和变化速率、上覆土层厚度、软弱岩体厚度以及地下水位。
9.根据权利要求1所述的一种深大岩质基坑卸荷变形的安全评价方法，其特征在于：所述步骤四中，划分风险等级的具体步骤为：
依据基坑开挖施工过程中的监测数据，对监测项目控制值进行划分，确定累计值以及变化速率的控制标准，制定四个风险等级，分别为一级安全状态、二级警戒状态、三级预警状态和四级危险状态。
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