基于时空效应的软土深基坑设计与施工技术研究

基于时空效应的软土深基坑设计与施工技术研究

刘建航先生是上海地铁工程的科学家。多年来，他一直在研究和分析软硬土井的时空效应，提出了理论和方法。这是针对密集建筑中狭窄区域和变革区中软土井的建设。在设计施工中，应采用“分层、分段、平衡、对称、有限”的施工方法，控制土壤侵蚀的发生。同时，我们可以保护环境和地下管网的设计、施工理论和方法。时空效应理论将施工过程纳入设计分析的范畴,并在施工中进行适当的实时控制,这一理论联系实际的研究方法,为软土基坑工程面向信息化施工的动态设计奠定了理论基础。1时空效应理论的基本概念1.1施工工序和施工参数设计是确定判断标准在软土基坑围护结构设计中,除了依据地基参数、支护结构参数进行设计外,为考虑时空效应的计算理论和方法,还通过引入施工工序和施工参数作为必需的设计依据,并以切实执行施工工艺和施工参数做为实现设计要求的保证,在设计中科学地、定量地考虑时空效应。从而能以合理而规则地施工,使坑周土体应力路径和土体应力状态的变化、由复杂莫测变为有一定规律,使软土基坑变形预测值可与实测值基本相符。1.1.1结构体系模型对于长条形基坑,为可靠实用,仍采用目前较通用的弹性杆系有限元计算模型和参数项目,但将其中的被动土压力的弹性基床系数修改成为考虑开挖过程的时空效应的等效基床系数,通过对不同施工条件、不同地质条件和支护条件下的基坑施工现场观测的百余万有关基坑变形观测数据的统计、分析,推导而得出反映等效基床系数与各施工参数和土体参数的相关性的数学方程式。对于大宽度、不规则深基坑,由于基坑的内框架支撑体系与挡土结构共同组成一空间结构体系,二者共同承受土体的约束及荷载的作用,对此空间结构体系的变形及内力要按空间框架模型计算。计算中挡土结构被动区的地层水平基床系数,采取考虑时空效应的等效水平基床系数,以使计算的挡墙位移和相应的坑周地层位移以及支撑体系中的三维约束的支撑节点位移,与实际基本相符。此空间计算模型的建立既要符合三维计算要求,又要考虑选取的计算土性参数切合实际。因此,选用的空间结构计算模型是:将挡土结构离散为若干梁单元,在基坑底下单元节点处设非线性弹簧单元,以模拟相应于一定施工条件下综合反映土性及施工时空效应等复杂因素的等效水平基床系数的地基抗力分布,如图1a。经计算过程的子结构凝聚,竖向挡土结构变成为施加于水平向支撑结构上沿周边的法向和切向的弹性约束力,见图1b。考虑挡土结构和支撑结构变形协调,可套用标准的有限元法予以求解这个空间框架结构。由于支护结构的结构形式及计算参数随着施工的进程是逐渐变化的,因此不同工况下支护结构的计算模型不尽相同。在施工工况计算的位移与内力要按求解非线性问题的增量法叠加上前一个施工工况已产生的位移和内力。为使上述方法预测的挡墙水平位移值及挡墙后地面沉降与实际相符,还必须验算基坑抗隆起的安全系数,使与基坑抗隆起安全系数相应的挡墙水平位移不大于按上述方法预测的挡墙水平位移值。1.1.2周土体位移推高在控制变形的基坑设计和施工中,坑周地层均属于小变形范畴,按现场实测资料回归、推导出的经验或半经验公式,可从已知基坑挡墙水平位移推算坑周土体位移。1.2数据处理与反馈在基坑工程关键部位施工过程中,对该部位关键监测点的监测数据,紧跟工况发展进行数据处理与反馈分析。当变形速率的监测数据达到警戒值时,立即进行实时控制,以降低施工风险。使基坑工程坑周环境的安全和质量始终处于可控状态。2时空效应理论与工程控制系统的理论2.1工程控制理论的基本概念1受制对象不稳定因素引起的不稳定由图2可直观地看出开环控制和闭环控制的差别。开环控制表示一个开放的作用过程(控制序列),只能对抗规定由其处理的干扰,其他干扰因素无法消除,只要被控对象自己保持稳定,系统不可能不稳定。闭环控制表示一个闭合的作用过程(控制回环),根据闭环作用原理可增加抗干扰性(负反馈),系统有可能不稳定,也即被控量不再衰减,而是增长到无穷大(理论上)。2控制变量的动态一个闭环控制系统主要组成部分包括:被控对象、量测环节、调节器和执行环节。由框图可见,闭环控制的流程可表示为,首先量测被控量y,从而得到控制误差e=w-y,然后处理控制误差,通过调节量u的变化来减少或消除控制误差。在考虑闭环控制时一般应区分两种不同的情况,一种情况是闭环控制要消除过程中的干扰作用。过程的某些变量,如被控量,应遵循预先确定的给定值,而干扰对过程不具有实质性的影响。这类控制可称为定值控制或干扰控制。另一种情况是,一个过程的被控量必须始终尽可能准确地跟随变动的给定值w。这类控制称为跟踪控制或者随动控制。变动的给定值在此称为整定量。在上述两种情况下,都必须不断量测被控量,并与它的给定值进行比较。如果在被控量的实际值和给定值之间存在偏差(控制误差e),则必须作适当的处理,重新消除控制误差。3系统数学模型的建立最优控制理论通常是在所有可能的控制规律中求一种最优控制规律,使衡量系统工作优劣的性能指标达到最小(或最大)。建立一个最优控制问题,必须预先确定以下4个基本部分:1)确定系统的参数,即系统的状态变量与控制变量,建立系统的状态方程;2)给定状态变量的初始值;3)给出对状态变量和控制变量的约束条件;4)给出一个合理的性能指标函数。所谓状态变量是指能够完全描述系统状态的最小的一组变量。系统的状态方程(或控制方程)也就是受控系统的数学模型,它是描述实际系统各物理量之间关系的数学方程式。一般来说,这种系统数学模型是控制系统分析与综合以及借助模拟、数字或混合计算机进行仿真研究的基础。系统仿真一般可以演示各种工作条件和状态,它们在实际过程中不可能或者必须在比较高的代价条件下才能进行试验,而这些状态对于设计研究又具有重大意义。为了用一个往往已经简化,但又足够准确的数学模型将实际系统的具体行为用抽象形式表示出来,必须要获取(辨识)模型的参数和结构,这一系统辨识的任务可用理论方法(参数反演),亦可用实验方法来完成。对照上述工程控制论的概念可见,软土基坑工程时空效应理论是将基坑工程作为动态系统实施动态控制的理论,它的控制系统框图表示如图3。2.2初始设计可靠性保障工程控制论与软土基坑工程时空效应理论的对应关系如表1。由此可见,时空效应理论的第一部分计算理论和方法的研究,通过在系统的数学模型中合理而可靠确定施工工序和施工参数,使得计算中能科学地定量地考虑时空效应,从而保证了初始设计的可靠性。由于地层的各向异性和不均匀性以及地层在施工扰动时发生的难以预测到的不明确因素,在施工过程的各个阶段还可能发生某些偏离预测值的现象,所以第二部分实时监测和实时控制的研究,通过事先备用的措施降低施工中的风险,使基坑工程坑周环境的安全和质量始终处于可控状态。3深基坑动态设计的主要内容在现行的基坑设计中,一般是假定某一工况下的土压力和弹性基床系数是保持不变的,围护结构应力状态与开挖后围护结构暴露时间、开挖空间大小及开挖次序等施工参数无关,基坑土体应力和变形是在瞬间完成的。这种计算模式的简化,造成计算变形、内力与实测结果相差较远,常使其对工程的实际指导意义不大。随着基坑工程的不断实践,在实测中发现土压力及弹性基床系数是变化的,基坑变形也随时间变化而变化,而且基坑变形除了与土性、支护结构参数相关外,还与基坑的开挖方式、时间、开挖次序、空间等施工参数相关。由此可见,现行的设计模式是一种基于陈旧观念设计规范的静态模式,从控制论角度来分析,设计上应设计成一个开环系统,如图4。该模式将设计与以后的施工过程脱节,使得施工带有很大的随意性,造成了施工状态与原始设计出现较大的偏差,因此在施工中出现了很多事故。例如,由于基坑开挖引起地面和地层的运行常常使建筑物倾倒、开裂甚至破坏,使道路开裂、下陷而影响正常使用,以至地下市政工程管网断裂等,这些影响经常会造成巨大的经济损失和社会稳定问题。这方面的教训是非常深刻的。因此深基坑工程设计一定要分析其施工进程,从而保证设计的可靠性。另外,不管设计多么周到,在实际施工过程中,总是存在方方面面不可遇见的扰动因素,使得施工进程与初始设计有所不同。为了保证真实的施工进程与初始设计过程偏离最小,因此,施工中需要严密监视实际发生的进程(监测)进行对比分析,并采取预先设定的反措施,这实际上是一种控制过程。除此而外,基坑工程开挖前的加固以及地下墙的施工也会引起周围地表的沉降,因此设计中除包括基坑开挖外,还应该考虑基坑开挖前的加固以及地下墙的施工。因此,现今的深基坑开挖设计需要设计研究人员密切结合工程实践,将基坑工程设计成一个闭环系统,如图5,并初始设计具有足够满足施工进程的可靠性,在施工阶段能进行适当的现场监测和反馈分析,及时调整施工方法和采取合理的施工控制措施,从而保证工程安全,节约造价,方便施工,缩短工期,使深基坑的设计水平有较大的进步。由此可见,深基坑动态设计包括初始标称设计、监测方案设计和控制方案设计3个部分,其主要内容包括:1)周围环境调查,确定基坑工程施工各阶段的变形警戒指标(确定了基坑系统的约束条件);2)根据建筑及抗隆起要求,设计基坑工程围护结构;3)开挖前地基加固和地下墙施工设计,以及开挖前地表变形的统计分析预测模型建立;4)软土深基坑开挖设计,以及软土深基坑开挖时考虑时空效应的围护分析,包括围护结构变形和周围地表沉降的预测模型建立;5)监测项目及监测点的布置设计;6)各种辅助控制措施的实时控制方案设计。1)～4)称之为初始标称设计;5),6)分别为监测方案设计和控制方案设计。在初始标称设计中,应选择适当的计算模型,并通过过去类似工程的实测资料,通过辨识确定模型参数和结构,使得软土基坑变形预测值可与实测值基本相符。从而保证了初始标称设计的可靠性,使基坑工程坑周环境的安全和质量处于可控状态。在监测方案设计时,应首先按照基坑周围环境保护要求,设计基坑工程和预测的坑周地层位移分布特征,通过设计分析,确定出关键监测点,对各关键观测点均要经预测计算,提出各重要部位在各层开挖过程中各阶段的变形速率的警戒值,;然后,按照测点的监测内容选择具有相应功能与精度的测试仪器。实时控制方案设计时,应在关键部位施工过程中,对该部位关键监测点的监测数据,要紧跟工况发展进行数据处理与反馈分析,当变形速率的监测数据达到警戒值时,立即进行实时控制,以事先备用的措施将施工中的风险性趋势制止在萌芽状态。使基坑工程坑周环境的安全和质量始终处于可控状态。上述设计内容的技术关键在于:1)软土深基坑工程围护方案的优化设计;2)考虑软土深基坑工程施工全过程的围护结构变形及地表沉降的预测模型建立;3)实时控制模型建立(含监测数据处理规则及其反馈分析模型建立);4)基坑工程专家系统建立。4初始标记设计环1)考虑时空效应的软土深基坑设