CN117454483A - 适用于围护入岩工况的平台预警评估方法 - Google Patents

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CN117454483A CN202311418473.9A CN202311418473A CN117454483A CN 117454483 A CN117454483 A CN 117454483A CN 202311418473 A CN202311418473 A CN 202311418473A CN 117454483 A CN117454483 A CN 117454483A
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Abstract

本发明涉及一种适用于围护入岩工况的平台预警评估方法，包括如下步骤：采集基坑围护墙的实际测斜数据，记作数据组一；将基坑开挖的地质参数、工况参数和力学参数，输入弹性地基梁模型计算基坑开挖阶段围护墙测斜仿真数据，记作数据组二；通过围护墙测斜变形曲率计算整体围护墙的实际弯矩；通过围护墙的实际弯矩与截面极限弯矩计算围护墙弯矩安全余量，判断围护墙弯矩安全余量是否位于安全区间，若是，则基坑围护墙的变形处于正常状态，若否，则需发出警报。本发明解决了现有技术中的围护墙弯矩分布和计算方法难以准确预测围护墙最大弯矩发生位置和大小的技术问题，可结合风险管控平台对基坑工程围护墙安全状态进行实时监测预警。

Description

适用于围护入岩工况的平台预警评估方法
技术领域
本发明涉及基坑工程技术领域，尤其涉及一种适用于围护入岩工况的平台预警评估方法。
背景技术
近年来地下轨道交通、地上地下综合体及地下市政工程日益增多，在构建多层次、立体化城市空间体系的同时，地下工程施工建设过程风险评估和管理控制极其重要，能够有效避免工程事故引起的经济损失、人员伤亡及周围环境扰动破坏等现象。
深基坑工程施工过程围护墙的变形和受力特征是评估风险状态的重要指标。(1)变形特征：较大的结构变形容易引起周边土体移动变形，进而影响周边建(构)筑物、地下管线的正常运营，目前通过实时动态变形监测来确保基坑围护墙变形在安全范围内，预警技术相对成熟；(2)受力特征：围护墙的弯矩承载能力是评估其受力特征和风险状态的关键参数，目前围护墙弯矩定量计算和评估系统技术均不成熟，大多根据实际监测数据本身进行计算处理，造成较大误差和失真性。同时，深基坑工程上软下硬的地质特征会影响围护墙弯矩分布，入岩节点附近测斜曲率差异较大，传统计算方法难以准确预测围护墙最大弯矩发生位置和大小。
经检索，中国专利文献CN103266616A公开了一种基于测斜数据的围护结构风险评估方法及系统，通过测斜数据和围护结构几何和力学参数，利用测斜数据、围护结构几何和力学参数、单元挠度法计算出结构单元弯矩值，进而对围护结构整体弯矩分布情况进行综合风险评估。但是上述专利存在以下不足：(1)采用单元挠度法处理测斜数据无法消除数据误差、造成曲率震荡，对围护结构整体弯矩分析造成困难；(2)该方法取测斜数据中连续三个节点进行计算，无法考虑实际情况中节点的连续性和平滑性，与实际情况不符。中国专利文献CN202110931231.4提出了一种基于测斜数据分析的围护墙弯矩确定和风险评估方法，利用自然三次样条平滑拟合的方法对围护墙测斜数据进行拟合处理，进而结合结构变形-曲率-弯矩理论对围护墙实际弯矩进行计算，得到墙体弯矩安全余量和断裂风险状态。但是上述专利存在以下不足：(1)该方法仅使用围护墙测斜数据描述结构变形形态，没有考虑地质条件对围护墙变形形态及曲率的影响；(2)该方法没有考虑反映基坑施工变形规律的力学模型，不能精准表达围护墙受力变形特征，计算结果存在误差。
因此，亟需研发相应方法和系统计算复杂地质条件下深基坑入岩围护墙弯矩分布及承载能力，判断墙体反弯点附近承载能力是否超过材料允许极限值，作为围护结构风险评估的重要依据。
发明内容
针对上述现有技术中存着的不足之处，本发明提供了一种适用于围护入岩工况的平台预警评估方法，解决了现有技术中的围护墙弯矩分布和计算方法难以准确预测围护墙最大弯矩发生位置和大小的技术问题。
本发明公开了一种适用于围护入岩工况的平台预警评估方法，包括如下步骤：
S1、采集基坑围护墙的实际测斜数据，记作数据组一；
S2、将基坑开挖的地质参数、工况参数和力学参数，输入弹性地基梁模型计算基坑开挖阶段围护墙测斜仿真数据，记作数据组二；
S3、将围护墙实际测斜数据组一带入弹性地基梁模型中，通过最小化数据组一和数据组二之间的误差，来实现基坑力学参数反演分析，经过迭代循环得到最优基坑力学参数值；
S4、将该最优基坑力学参数带入弹性地基梁模型中，得到满足要求的围护墙测斜变形曲率；
S5、通过围护墙测斜变形曲率计算整体围护墙的实际弯矩；
S6、通过施工规范要求获得截面极限弯矩，通过围护墙的实际弯矩与截面极限弯矩计算围护墙弯矩安全余量，判断围护墙弯矩安全余量是否位于安全区间，若是，则基坑围护墙的变形处于正常状态，若否，则需发出警报。
本发明的适用于围护入岩工况的平台预警评估方法进一步改进在于，在执行步骤S5时，围护墙截面的实际弯矩公式如下：
M＝EIφ (1)
其中：M为围护墙截面的实际弯矩；EI为围护墙截面的转动刚度；E为弹性模量；I为围护墙截面惯性矩；φ为围护墙测斜变形曲率。
本发明的适用于围护入岩工况的平台预警评估方法进一步改进在于，在将围护墙实际测斜数据组一带入弹性地基梁模型中时，将围护墙看作竖向的弹性地基梁模型，利用弹性地基梁模型将墙体结构离散成多个单元杆件，运用结构力学求解各单元杆件的力和位移关系，改进弹性地基梁模型，使弹性地基梁模型的变形挠度曲线方程应满足下式：
式中：EI为围护墙截面的转动刚度；p(x)为围护墙被动侧分布荷载；q(x)为围护墙主动侧分布荷载，v(x)为围护墙测斜曲线函数，d为导数微分符号。
本发明的适用于围护入岩工况的平台预警评估方法进一步改进在于，在执行步骤S4时，通过如下公式计算围护墙测斜变形曲率：
其中，v(x)为围护墙测斜曲线函数；φ为围护墙测斜变形曲率，v’(x)为v(x)的一阶导数；v”(x)为v(x)的二阶导数。
本发明的适用于围护入岩工况的平台预警评估方法进一步改进在于，在执行步骤S3时，采用全局优化遗传算法实现实测数据组一和仿真数据组二的反演分析，通过对每一开挖工况进行迭代计算优化基坑开挖的力学参数，直到数据组一与数据组二之间的误差最小时，则得到该最优基坑力学参数值。
本发明的适用于围护入岩工况的平台预警评估方法进一步改进在于，在执行步骤S6时，围护墙弯矩安全余量计算公式如下：
其中：M围护墙截面的实际弯矩；Mu为截面极限弯矩；R为围护墙弯矩安全余量。
本发明的适用于围护入岩工况的平台预警评估方法进一步改进在于，数据组一包括测点深度和测斜值。
本发明的适用于围护入岩工况的平台预警评估方法进一步改进在于，基坑开挖的地质参数包括土层埋深、各土层土体重度、内摩擦角、墙土摩擦角。
本发明的适用于围护入岩工况的平台预警评估方法进一步改进在于，基坑开挖的工况参数包括开挖层数、开挖深度、围护墙长度、围护墙厚度、围护墙支撑位置、围护墙支撑长度及间距、围护墙支撑截面积。
本发明的适用于围护入岩工况的平台预警评估方法进一步改进在于，基坑开挖的力学参数包括土弹簧刚度、支撑系统刚度。
本发明和已有技术相比较，其效果是积极和明显的。本发明通过引入遗传算法和改进的弹性地基梁模型对围护墙的测斜变形进行计算，得到符合工程实际的墙体变形特征，解决了现有技术中的围护墙弯矩分布和计算方法难以准确预测围护墙最大弯矩发生位置和大小的技术问题。本方法实现了复杂地质条件下围护墙入岩反弯点弯矩承载力的计算和评估，可结合风险管控平台对基坑工程围护墙安全状态进行实时监测预警，可广泛推广应用于其他深基坑工程，保证工程顺利安全施工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的适用于围护入岩工况的平台预警评估方法的流程图。
图2为本发明的适用于围护入岩工况的平台预警评估方法的围护墙CX22测点测斜变形曲线图。
图3为本发明的适用于围护入岩工况的平台预警评估方法的遗传算法优化力学参数计算原理图。
图4为本发明的适用于围护入岩工况的平台预警评估方法的围护墙测点挠度分布曲线图。
图5为本发明的适用于围护入岩工况的平台预警评估方法的围护墙测点弯矩分布曲线。
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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例中，设工程的基本数据如下：基坑支护工程用地面积8.75万m2，地下室面积约7.7万m2，基坑周长1129m，开挖深度22.50m～24.30m，设置四层地下室，安全等级为一级。地下连续墙厚度和深度分别为1m和25m，混凝土强度等级为C35。选取其中测点CX22为分析对象，采集基坑施工过程中不同工况下围护墙测点侧向变形数据。
如图1所示，本发明提供了一种适用于围护入岩工况的平台预警评估方法，包括如下步骤：
S1、采集基坑围护墙的实际测斜数据，记作数据组一；
本实施例中，将测点CX22的数据组一中的数据转换成测斜变形曲线图，如图2所示；
S2、如图1所示，将基坑开挖的地质参数、工况参数和力学参数，输入弹性地基梁模型计算基坑开挖阶段围护墙测斜仿真数据，记作数据组二；
本实施例中，基坑开挖地质参数取自地勘报告，工况参数取自现场施工日志，力学参数主要包括支撑系统刚度和土弹簧支撑刚度，将上述参数带入弹性地基梁力学模型中，得到测斜仿真数据组二；
S3、将围护墙实际测斜数据组一带入弹性地基梁模型中，通过最小化数据组一和数据组二之间的误差，来实现基坑力学参数反演分析，经过迭代循环得到最优基坑力学参数值；
S4、将该最优基坑力学参数带入弹性地基梁模型中，得到满足要求的围护墙测斜变形曲率；具体的，最优基坑力学参数带入弹性地基梁模型中得到的最优数据组，该围护墙测斜变形曲率即为最优数据组中的数据转换成测斜变形曲线的曲率；
S5、通过围护墙测斜变形曲率计算整体围护墙的实际弯矩；
S6、通过施工规范要求获得截面极限弯矩，通过围护墙的实际弯矩与截面极限弯矩计算围护墙弯矩安全余量，判断围护墙弯矩安全余量是否位于安全区间，若是，则基坑围护墙的变形处于正常状态，若否，则需发出警报。
优选的，在执行步骤S5时，围护墙截面的实际弯矩公式如下：
M＝EIφ (1)
其中：M为围护墙截面的实际弯矩；EI为围护墙截面的转动刚度；E为弹性模量；I为围护墙截面惯性矩；φ为围护墙测斜变形曲率。
结合弹性体变形-曲率-弯矩理论和公式(1)计算围护墙整体弯矩分布结果，并重点分析入岩处围护墙反弯点弯矩情况。
本实施例中，地下连续墙厚度b＝1000mm，混凝土等级C35，Ec＝3.15×104N/mm2，钢筋等级HRB400,β1＝0.80，fc＝16.7N/mm2，fy＝360N/mm2，保护层厚度约80mm，不考虑钢筋受压部分。结合《混凝土结构设计规范(GB50010-2015)》,取单元宽度墙体1m为分析对象，截面惯性矩I＝bh3/12＝1000×10003/12＝8.3×1010mm4，综合所得：每延米地下连续墙抗弯刚度约为EI＝2.6×1015N·mm2。结合步骤S4计算的曲率，计算结果如图4和图5所示：
最大正弯矩(变形最大处附近)：
M+＝EIφ+＝2.6×1015×6.8×10-7＝1.768×109N·mm2＝1768kN·m
最大负弯矩(反弯点附近)：
M-＝EIφ-＝2.6×1015×8×10-7＝2.08×109N·mm2＝2080kN·m
本实施例中，由上可得围护墙反弯点附近弯矩值为2080kN·m。
优选的，在将围护墙实际测斜数据组一带入弹性地基梁模型中时，将围护墙看作竖向的弹性地基梁模型，利用弹性地基梁模型将墙体结构离散成多个单元杆件，运用结构力学求解各单元杆件的力和位移关系，改进弹性地基梁模型，使弹性地基梁模型的变形挠度曲线方程应满足下式：
式中：EI为围护墙截面的转动刚度；p(x)为围护墙被动侧分布荷载；q(x)为围护墙主动侧分布荷载，v(x)为围护墙测斜曲线函数，d为导数微分符号。
引入非极限主动土压力理论用于改进弹性地基梁模型，非极限土压力的发展过程与墙土摩擦角和土体内摩擦角随墙体变形的过程有关；最后采用全局优化遗传算法实现实测的数据组一和仿真的数据组二的反演分析，输出最优基坑力学参数值。
优选的，在执行步骤S4时，通过如下公式计算围护墙测斜变形曲率：
其中，v(x)为围护墙测斜曲线函数，φ为围护墙测斜变形曲率，v’(x)为v(x)的一阶导数；v”(x)为v(x)的二阶导数。
本实施例中，将基坑最优力学参数带入弹性地基梁模型中，计算最终满足基坑地质条件、工况信息和力学特征的围护墙测斜变形和曲率。计算后结果显示围护墙最大测斜值为67mm，最大正曲率值发生在变形最大处，φ+＝6.8×E-7；最大负曲率发生在入岩反弯点附近，φ-＝8.1×E-7；
优选的，在执行步骤S3时，采用全局优化遗传算法实现实测数据组一和仿真数据组二的反演分析，通过对每一开挖工况进行迭代计算优化基坑开挖的力学参数，直到数据组一与数据组二之间的误差最小时，则得到该最优基坑力学参数值。本实施例中，通过最小化测斜实测值数据组一和测斜仿真值数据组二来优化基坑力学参数值，具体迭代过程如图3所示，通过对每一开挖工况进行迭代计算优化基坑支撑系统刚度和土弹簧支撑刚度，直到仿真结果与实测值之间的误差最小，作为迭代终止的判断条件
优选的，在执行步骤S6时，围护墙弯矩安全余量计算公式如下：
其中：M围护墙截面的实际弯矩；Mu为截面极限弯矩；R为围护墙弯矩安全余量。
本实施例中，为了提高混凝土的使用和安全性能评估，取安全系数为1.2，则经更新后墙体的实际最大弯矩为M′＝2496kN·m。另外，钢筋混凝土截面的开裂弯矩的计算是以混凝土的抗拉强度极限为基础。同时，常用地下连续墙为双筋截面梁受力，固应保证受压钢筋强度充分利用，在此基础之上进行截面设计，计算得到围护墙截面弯矩极限设计值为Mu＝4468kN-m。
围护墙弯矩安全余量因此本实施例中围护墙入岩反弯点附近弯矩安全余量R＝0.44。
根据图2步骤S8：定义安全余量在区间[0.3，0.5]，[0.1，0.3]，[0，0.1]分别为低、中、高风险，作为基坑入岩围护墙反弯点弯矩承载能力风险判断准则。
本实施例中，计算所得围护墙安全余量为0.44，处于低风险水平，结果围护墙反弯点弯矩随着基坑开挖而增大，风险预警等级也不断提高，应引起施工和技术人员的重视。
优选的，数据组一包括测点深度和测斜值。
优选的，基坑开挖的地质参数包括土层埋深、各土层土体重度、内摩擦角、墙土摩擦角。
优选的，基坑开挖的工况参数包括开挖层数、开挖深度、围护墙长度、围护墙厚度、围护墙支撑位置、围护墙支撑长度及间距、围护墙支撑截面积。
优选的，基坑开挖的力学参数包括土弹簧刚度、支撑系统刚度。
本发明通过引入遗传算法和改进的弹性地基梁模型对围护墙的测斜变形进行计算，得到符合工程实际的墙体变形特征，解决了现有技术中的围护墙弯矩分布和计算方法难以准确预测围护墙最大弯矩发生位置和大小的技术问题。本方法实现了复杂地质条件下围护墙入岩反弯点弯矩承载力的计算和评估，可结合风险管控平台对基坑工程围护墙安全状态进行实时监测预警，可广泛推广应用于其他深基坑工程，保证工程顺利安全施工。
本发明中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种适用于围护入岩工况的平台预警评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、采集基坑围护墙的实际测斜数据，记作数据组一；
S2、将基坑开挖的地质参数、工况参数和力学参数，输入弹性地基梁模型计算基坑开挖阶段围护墙测斜仿真数据，记作数据组二；
S3、将围护墙实际测斜数据组一带入弹性地基梁模型中，通过最小化所述数据组一和所述数据组二之间的误差，来实现基坑力学参数反演分析，经过迭代循环得到最优基坑力学参数值；
S4、将所述最优基坑力学参数带入弹性地基梁模型中，得到满足要求的围护墙测斜变形曲率；
S5、通过围护墙测斜变形曲率计算整体围护墙的实际弯矩；
S6、通过施工规范要求获得截面极限弯矩，通过围护墙的实际弯矩与截面极限弯矩计算围护墙弯矩安全余量，判断围护墙弯矩安全余量是否位于安全区间，若是，则基坑围护墙的变形处于正常状态，若否，则需发出警报。
2.根据权利要求1所述的适用于围护入岩工况的平台预警评估方法，其特征在于，在执行步骤S5时，围护墙截面的实际弯矩公式如下：
M＝EIφ (1)
其中：M为围护墙截面的实际弯矩；EI为围护墙截面的转动刚度；E为弹性模量；I为围护墙截面惯性矩；φ为围护墙测斜变形曲率。
3.根据权利要求1所述的适用于围护入岩工况的平台预警评估方法，其特征在于，在将围护墙实际测斜数据组一带入弹性地基梁模型中时，将围护墙看作竖向的弹性地基梁模型，利用弹性地基梁模型将墙体结构离散成多个单元杆件，运用结构力学求解各单元杆件的力和位移关系，改进弹性地基梁模型，使弹性地基梁模型的变形挠度曲线方程应满足下式：
式中：EI为围护墙截面的转动刚度；p(x)为围护墙被动侧分布荷载；q(x)为围护墙主动侧分布荷载；v(x)为围护墙测斜曲线函数；d为导数微分符号。
4.根据权利要求1所述的适用于围护入岩工况的平台预警评估方法，其特征在于，在执行步骤S4时，通过如下公式计算围护墙测斜变形曲率：
其中，v(x)为围护墙测斜曲线函数；φ为围护墙测斜变形曲率；v’(x)为v(x)的一阶导数；v”(x)为v(x)的二阶导数。
5.根据权利要求1所述的适用于围护入岩工况的平台预警评估方法，其特征在于，在执行步骤S3时，采用全局优化遗传算法实现实测数据组一和仿真数据组二的反演分析，通过对每一开挖工况进行迭代计算优化基坑开挖的力学参数，直到数据组一与数据组二之间的误差最小时，则得到所述最优基坑力学参数值。
6.根据权利要求1所述的适用于围护入岩工况的平台预警评估方法，其特征在于，在执行步骤S6时，围护墙弯矩安全余量计算公式如下：
其中：M围护墙截面的实际弯矩；Mu为截面极限弯矩；R为围护墙弯矩安全余量。
7.根据权利要求1所述的适用于围护入岩工况的平台预警评估方法，其特征在于，数据组一包括测点深度和测斜值。
8.根据权利要求1所述的适用于围护入岩工况的平台预警评估方法，其特征在于，基坑开挖的地质参数包括土层埋深、各土层土体重度、内摩擦角、墙土摩擦角。
9.根据权利要求1所述的适用于围护入岩工况的平台预警评估方法，其特征在于，基坑开挖的工况参数包括开挖层数、开挖深度、围护墙长度、围护墙厚度、围护墙支撑位置、围护墙支撑长度及间距、围护墙支撑截面积。
10.根据权利要求1所述的适用于围护入岩工况的平台预警评估方法，其特征在于，基坑开挖的力学参数包括土弹簧刚度、支撑系统刚度。
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