CN116306120B - 邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法 - Google Patents
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Abstract
本发明关于一种邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法，包括以下步骤：S1、获取土层参数，土层参数包括土体物理力学参数的均值μ、变异系数σ、水平波动范围δh、竖向波动范围δv、沿深度变化率k；S2、建立数值分析模型，数值分析模型包括土层参数、基坑参数、既有结构物参数；S3、根据数值分析模型，生成N个随机分析模型，并计算位移场；S4、根据位移场划分影响分区。本发明通过考虑土层参数的空间变异性和参数均值沿深度变化，得到大量模型的位移场，通过统计分析位移等值线的位置，得到基坑开挖对周边环境的影响分区，该方法分区准确，能为工程施工对周边环境的影响控制提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及基建领域，特别是一种邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法。
背景技术
基坑开挖造成的土体卸载，会使得基坑周边土体发生位移，支护结构的存在虽然会阻挡一部分的土体变形，但不能完全消除。为了评估基坑开挖对土体影响，一般根据土体变形划分不同等级土体影响分区。既有结构物(如隧道)的存在会影响基坑开挖过程中影响分区的大小，为了评估既有结构物旁侧基坑开挖对周边环境(包含既有结构物)的影响程度，从而更好地为基坑开挖过程中对周边环境采取响应加固措施，必须提出既有结构物内邻近基坑开挖对周边环境的影响分区方法。
天然土体在沉积过程以及沉积后的各种物理、化学作用下，导致土体参数在空间上存在一定的变异性。这种变异性体现在在土体中相邻近两点的岩土体参数存在一定的差异性，同时也伴随着一定的相关性。由于土体沉积过程一般都是竖向沉积，因此岩土参数在竖向的变异性比水平向的变异性更加明显。长期以来，地下工程开挖对周边环境的影响分区都是采用的确定性分析方法，如《城市轨道交通工程监测技术规范》提出的基坑开开挖对周边环境的影响分区方法，这种分区方法没有考虑岩土参数的变异性与参数沿深度的变化，因此，现有的基坑开挖对土体影响分区方法具有明显的缺陷。
现有的一些基坑开挖对下卧既有隧道的工程影响分区划分方法，同样没有考虑土体参数的变异性，且不适用于隧道埋深小于基坑开挖深度的情形。因此，必须提出新的基坑开挖对周边环境的影响分区方法，以控制基坑开挖对周边环境的影响控制提供依据。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
第一方面，本发明提供了一种邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法，包括以下步骤：
S1、获取土层参数，土层参数包括土体物理力学参数的均值μ、变异系数σ、水平波动范围δh、竖向波动范围δv、沿深度变化率k；
S2、建立数值分析模型，数值分析模型包括土层参数、基坑参数、既有结构物参数；
S3、根据数值分析模型，生成N个随机分析模型，并计算位移场；
S4、根据位移场划分影响分区。
本发明所述的一种邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法，通过考虑土层参数的空间变异性和参数均值沿深度变化，得到大量模型的位移场，通过统计分析位移等值线的位置，得到基坑开挖对周边环境的影响分区，该方法分区准确，能为工程施工对周边环境的影响控制提供参考。
作为本发明优选地技术方案，步骤S1中，土体物理力学参数包括土体弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、孔隙比。
作为本发明优选地技术方案，土体物理力学参数在同一土层内至少在两个深度内取样，同一钻孔位置同一深度处应至少取五个样进行试验。
作为本发明优选地技术方案，步骤S2中，数值分析模型还包括支护结构参数。
作为本发明优选地技术方案，步骤S3包括以下步骤：
S31、提取数值分析模型中土层部分所有单元编号、节点编号、节点坐标，并计算得到每个单元的中心坐标(xi，yi)，其中i＝1，2，…，i，…，I，I为土层单元数目；
S32、计算土层的自相关矩阵
Ki,j＝[ρi,j] (1)
其中，自相关矩阵中元素ρi,j的表达式为：
式中(xi，yi)为第i个单元的中心坐标；δh，δv分别为水平向和竖向的波动范围；
S33、对自相关矩阵K进行Cholesky分解或K-L分解，得到上三角矩阵ST和下三角矩阵S：
K＝STS (3)
S34、计算第k个力学参数的标准高斯随机场：
Hk(xi,yi)＝STZ (4)
其中，Z＝{z1,z2,...,zI}T为独立抽样生成的随机变量；
S35、将第k个力学参数的随机场值赋值给数值分析模型；
S36、重复步骤S34至S35，生成N个随机分析模型，并计算位移场。
作为本发明优选地技术方案，步骤S4包括以下步骤：
S41、提取N个随机分析模型计算的位移场；
S42、分别绘制N个模型的位移为s1、s2、s3的位移等值线；
S43、将可靠度分位值为p的位移等值线的位置作为影响分区的边界的，所述可靠度分位值大于90％；
S44、将位移大于s1的区域划分为主要影响区域，位移介于s1至s2之间的区域划分为次要影响区域，位移介于s2至s3之间的区域划分为一般影响区域，位移小于s3区域划为微弱影响区域。
作为本发明优选地技术方案，步骤S2中，既有结构物包括隧道、管道、线缆、建筑基础。
第二方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如以上任一项所述的邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法。
第三方面，本发明还提供了一种电子设备，包括：
存储器，其上存储有计算机程序；
处理器，用于执行所述存储器中的所述程序，以实现如以上任一项所述的邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明所述的一种邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法，通过考虑土层参数的空间变异性和参数均值沿深度变化，得到大量模型的位移场，通过统计分析位移等值线的位置，得到基坑开挖对周边环境的影响分区，该方法分区准确，能为工程施工对周边环境的影响控制提供参考。
附图说明
图1为实施例1的流程示意图；
图2为实施例2中一簇位移等值线的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，本发明所述的一种邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法，包括以下步骤：
步骤一、获取土层参数。
获取的土层参数包括土体物理力学参数(土体物理力学参数包括土体弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、孔隙比等)的均值μ、变异系数σ、水平波动范围δh、竖向波动范围δv、沿深度变化率k；为了得到土体物理力学参数，地质勘探时，同一钻孔位置同一深度处应至少取五个样进行试验。
土体物理力学参数的水平波动范围δh、竖向波动范围δv是衡量土体的变异性的重要指标，可以通过地层物理力学参数统计分析得到；此外，土体物理力学参数在同一土层内至少在两个深度内取样。
土体物理力学参数沿深度变化率k是以均值μ为自变量，取样深度为应变量，利用局部线性拟合得到的斜率。
步骤二、建立数值分析模型。
利用ABAQUS、FLAC等工程模拟有限元软件建立的数值分析模型中包括土层参数、基坑参数、支护结构参数、既有结构物参数。
在基坑邻近存在既有结构物时，邻近既有结构物会改变土体内部应力状态和传力路径，从而影响基坑开挖过程中土体的变形分布，因此在分析基坑开挖对周边环境的影响时，必须考虑邻近既有结构对基坑开挖引起的周边环境变形影响。
步骤三、生成N个随机分析模型。
1、提取数值分析模型中土层部分所有单元编号、节点编号、节点坐标，并计算得到每个单元的中心坐标(xi，yi)，其中i＝1，2，…，i，…，I，I为土层单元数目。
在数值分析模型中，已有的数据是节点坐标和单元编号，为了计算模型的参数分布，需要计算每个单元的中心点坐标，计算方法可以采用单元的节点坐标的算术平均值计算。
传统数值分析模型中，土层参数仅考虑了土体的分层，层内的土体的参数是均匀的，这与实际的土层参数分布不一致。实际土层参数由于沉积和应力历史的作用，导致土层参数在空间上分布呈现变异性。
2、计算土层的自相关矩阵。
Ki,j＝[ρi,j] (1)
其中，自相关矩阵中元素ρi,j的表达式为：
式中(xi，yi)为第i个单元的中心坐标；δh，δv分别为水平向和竖向的波动范围。
自相关矩阵中的元素表示数值分析模型中第i，j个相关系数的大小。
3、对自相关矩阵K进行Cholesky分解或K-L分解，得到上三角矩阵ST和下三角矩阵S：
K＝STS (3)
4、计算第k个力学参数的标准高斯随机场：
Hk(xi,yi)＝STZ (4)
其中，Z＝{z1,z2,...,zI}T为独立抽样生成的随机变量，随机变量的均值和变异系数符合步骤一中得到的土层参数沿深度变化规律。
为了实现土层参数的空间变异性和均值沿深度的变化，可以将独立随机变量Z中的每一个元素进行单独随机抽样，抽样时的均值和方法根据土层深度进行选取。
5、将第k个力学参数的随机场值赋值给数值分析模型。
计算得到的参数随机场数值与数值分析模型中单元的材料参数值一一对应，参数赋值的操作即是将每个参数值赋值给数值分析模型中的每一个单元。
6、重复步骤4至5，生成N个随机分析模型，并计算位移场。
步骤四、根据随机有限元计算结果划分影响分区。
1、提取N个随机分析模型计算的位移场。
2、分别绘制N个模型的位移为s1、s2、s3的位移等值线。
3、将可靠度分位值为p的位移等值线的位置作为影响分区的边界的，所述可靠度分位值大于90％。
随机分析模型会分别得到一簇等值线，如N个数值分析模型会得到N条5mm位移等值线，为了得到确定的分区位置，由于影响分区位移越大，对于工程而言则越安全，因此可以取一定分位值时的等值线位置作为不同影响分区的边界。
4、将位移大于s1的区域划分为主要影响区域，位移介于s1至s2之间的区域划分为次要影响区域，位移介于s2至s3之间的区域划分为一般影响区域，位移小于s3区域划为微弱影响区域。
本实施例所述的一种邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法，通过考虑土层参数的空间变异性和参数均值沿深度变化，得到大量模型的位移场，通过统计分析位移等值线的位置，得到基坑开挖对周边环境的影响分区，该方法分区准确，能为工程施工对周边环境的影响控制提供参考。
实施例2
本发明所述的一种邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法，在实施例1的基础上，选取邻近既有隧道的基坑开挖对周边环境影响分区案例。
左线隧道距离基坑边缘的最小距离为10m，隧道埋深为18m。
根据步骤一，获取的土体物理力学参数包含弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角各自的均值分别为20mPa、0.3、20kPa、28°，各自的变异系数分别为0.15、0.02、0.15、0.15，各自沿深度变化率k分别为5、0、0.8、0，水平波动范围δh为10m，竖向波动范围δv为2m。
根据步骤二，建立的数值分析模型中包括土层参数、基坑参数、支护参数、隧道参数，土层参数包括上述的土体物理力学参数，隧道参数包括上述的隧道埋深和隧道距离基坑边缘的最小距离。
根据步骤三，生成1000个数值分析模型，导出模型中的单元坐标，计算单元中心坐标；计算土体的自相关矩阵，并对矩阵进行Cholesky分解；采用式(4)计算每个单元处的材料参数，并将材料参数赋值给数值分析模型；最后将1000个数值分析模型提交分析计算，计算位移场。
根据步骤四，提取1000个随机分析模型计算的位移场，绘制的位移等值线s1、s2、s3的值分别为20mm、10mm、5mm；随机分析模型得到的一簇5mm位移等值线(如图2所示)，取95％分位值的等值线位置作为一般影响区域和微弱影响区域的分界线；采用同样的方法，可以得到主要影响区域和次要影响区域之间的分界线，以及得到次要影响区域和一般影响区域之间的分界线，从而确定主要影响区域、次要影响区域、一般影响区域和微弱影响区域的范围。
实施例3
本发明所述的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如实施例1所述的邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法。
计算机可读存储介质用于存储各种类型的数据以支持在该电子设备的操作，这些数据例如可以包括用于在该电子设备上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据；计算机可读存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，PROM)，只读存储器(Read-Only Memory，ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
实施例4
本发明所述的一种电子设备，包括：
存储器，其上存储有计算机程序；
处理器，用于执行所述存储器中的所述程序，以实现如实施例1所述的邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法。
作为本实施例的一个优选方案，该电子设备可以包括：处理器、存储器，该电子设备还可以包括多媒体组件、输入/输出(I/O)接口、以及通信组件中的一者或多者。
其中，处理器用于控制该电子设备的整体操作，以完成上述邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法中的全部或部分步骤。
存储器用于存储各种类型的数据以支持在该电子设备的操作，这些数据例如可以包括用于在该电子设备上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据；存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，PROM)，只读存储器(Read-Only Memory，ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
多媒体组件可以包括屏幕和音频组件，其中屏幕例如可以是触摸屏，音频组件用于输出和/或输入音频信号；例如，音频组件可以包括一个麦克风，麦克风用于接收外部音频信号，所接收的音频信号可以被进一步存储在存储器或通过通信组件发送；音频组件还包括至少一个扬声器，用于输出音频信号。
I/O接口为处理器和其他接口模块之间提供接口，上述其他接口模块可以是键盘，鼠标，按钮等；这些按钮可以是虚拟按钮或者实体按钮。
通信组件用于该电子设备与其他设备之间进行有线或无线通信；无线通信，例如Wi-Fi，蓝牙，近场通信(Near Field Communication，NFC)，2G、3G、4G或5G，或它们中的一种或几种的组合，因此相应的该通信组件可以包括：Wi-Fi模块，蓝牙模块，NFC模块，手机通讯模块。
作为本实施例的一个优选方案，该电子设备可以被一个或多个应用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、数字信号处理设备(Digital Signal Processing Device，DSPD)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，PLD)、现场可编程门阵列(Field ProgrammableGate Array，FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法。
另外，本公开实施例提供的计算机可读存储介质即可以为上述包括程序指令的存储器，上述程序指令可由电子设备的处理器执行以完成上述邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法。
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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取土层参数，土层参数包括土体物理力学参数的均值μ、变异系数σ、水平波动范围δh、竖向波动范围δv、沿深度变化率k；
S2、建立数值分析模型，数值分析模型包括土层参数、基坑参数、既有结构物参数；
S3、根据数值分析模型，生成N个随机分析模型，并计算位移场：
S31、提取数值分析模型中土层部分所有单元编号、节点编号、节点坐标，并计算得到每个单元的中心坐标(xi，yi)，其中i＝1，2，…，i，…，I，I为土层单元数目；
S32、计算土层的自相关矩阵
Ki,j＝[ρi,j] (1)
其中，自相关矩阵中元素ρi,j的表达式为：
式中(xi，yi)为第i个单元的中心坐标；δh，δv分别为水平向和竖向的波动范围；
S33、对自相关矩阵K进行Cholesky分解或K-L分解，得到上三角矩阵ST和下三角矩阵S：
K＝STS (3)
S34、计算第k个力学参数的标准高斯随机场：
Hk(xi,yi)＝STZ (4)
其中，Z＝{z1,z2,...,zI}T为独立抽样生成的随机变量；
S35、将第k个力学参数的随机场值赋值给数值分析模型；
S36、重复步骤S34至S35，生成N个随机分析模型，并计算位移场；
S4、根据位移场划分影响分区：
S41、提取N个随机分析模型计算的位移场；
S42、分别绘制N个模型的位移为s1、s2、s3的位移等值线；
S43、将可靠度分位值为p的位移等值线的位置作为影响分区的边界的，所述可靠度分位值大于90％；
S44、将位移大于s1的区域划分为主要影响区域，位移介于s1至s2之间的区域划分为次要影响区域，位移介于s2至s3之间的区域划分为一般影响区域，位移小于s3区域划为微弱影响区域。
2.根据权利要求1所述的邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法，其特征在于，步骤S1中，土体物理力学参数包括土体弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、孔隙比。
3.根据权利要求1所述的邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法，其特征在于，土体物理力学参数在同一土层内至少在两个深度内取样，同一钻孔位置同一深度处应至少取五个样进行试验。
4.根据权利要求1所述的邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法，其特征在于，步骤S2中，数值分析模型还包括支护结构参数。
5.根据权利要求1-4任一项所述的邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法，其特征在于，步骤S2中，既有结构物包括隧道、管道、线缆、建筑基础。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任一项所述的邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法。
7.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器，其上存储有计算机程序；
处理器，用于执行所述存储器中的所述程序，以实现如权利要求1-5任一项所述的邻近既有结构物的基坑开挖对周边环境影响分区方法。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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2023
- 2023-03-02 CN CN202310192361.XA patent/CN116306120B/zh active Active
Patent Citations (6)
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