（岩土工程专业论文）深基坑工程分步开挖变形监测反分析研究.pdf

摘要 摘要 以新光快速路第一标段泵站基坑监测项目为工程背景，实现了原位监测在一个实际 工程中的应用；总结了基坑变形监测的基本要求、监测工作实施过程等，系统分析了浚 基坑在分步开挖过程中侧向变形的特点。以弹性地基梁法为基础，运用分步开挖逐步加 撑反演分析的思想，即在常规的反分析过程中引入隧步丌挖和隧道支撑的动态施工因 素，反算反映基坑土体性态的m 值，以求仿真模拟深基坑工程实际施工情况，在位移反 分析过程中加入了地基水平抗力系数比例系数的衰减系数，考虑开挖施工过程中m 的衰 减，从数值分析上，利用开挖深度与珊值的曲线关系得到衰减系数。进而为下一工况的 变形预报提供可靠保证。最后通过一个工程实例的计算值与实测值对比分析，验证了该 法在基坑支护结构设计和施工过程中是合理可行性的。 关键词：朋值法，基坑，支护结构，水平位移，反分析，衰减系数 三圣三兰奎兰三兰堡圭兰堡兰兰 a b s t r a c t t h i sa r t i c l es u 咖a r i z e dt h eb a s i cd e m a n d s ，d i f f i c u l t i e s ，e x e c u t e dp r o c e s sa b o u t s a f e t ys t r a i n m o n i t o r i n g b a s e do nt h ee l a s t i cf o u n d a t i o nb e a m m e t h o dt h i sp a p e r p r e s e 兀t st h ei d e a so fb a c ka n a l y s i so f 州 c o n s t r u c t i v ep r o c e s s ， i e ， a c o n s t r u c t i o np r o c e s so fe x c a v a t i o na n ds u p p o r ti ns t a g ei si n t r o d u c e di n t ot h e c o i i 】i n o nb a c ka n a l y s i s ，a n dp r o v i d i 兀gr e l i a b l eg u a r a n t e ef o rp r e d i c t i n gt h e d e f o r m a t i o n si ns u c c e s s i o nc o n s t r u c t i o ns t a g e s g r o u n d e do nt h ei n c r e m e n t a l m e a s u r e dd a t u mb e t w e e nt w oa r b i t r a r ys t a g e s ，s u c ha st h eh o r i z o n t a ld e f o r m a t i o n o fr e t a i n i n gs t r u c t u r e s ，a ndb yu s eo ft h eb a c k a na n a l y s i sm e t h o do ff e m ， t h ee l a s t i cm o d e l so fs e v e r a ll a v e r so fs o i l sa l ec a l c u l a t e da n d b a c k a n a l y s i s e d f i n a l l yt h em e t h o di sp r o v e dt ob ef e a s i b l et oc a l c u l a t ea n d t op r e d i c tt h ed i s p l a c e m e n t so fr e t a i n i n gs t r u c t u r e so nt h eb a s i so fad e e p f o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n g k e yw b r d s ：朋m e t h o d ；p i t ；r e t a i n i n gs t m c t u r e ；d i s p l a c e m e n t ；b a c k a m l y s i s ；硼d e n to f a n e n u a t i o n ： i j 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着我国经济发展和城市建设现代化的不断提高，高层建筑将越来越多，同 时为了满足各种使用功能的需要，建造地下室也将越来越多，随之而来的便是深 大基坑的开挖与支护问题，尤其在软土地基中深基坑开挖支护工程的设计与施 工，给岩土工程师提出了许多问题和挑战。深基坑开挖的各种技术虽然均已比较 成熟，但是都处于半经验半理论的水平上，同时对于处于不良地质条件以及较高 环境保护条件下的基坑开挖，无论在设计上还是在施工上都存在着很大的难度。 因此，如何正确地分析围护结构的工作性状对基坑工程本身的安全以及周围环境 的保护均具有重大意义。 建筑施工中基坑支护工程的倒塌事故时有发生，造成事故发生的原因很多， 土体计算参数取值的困难是其主要原因之一；如果计算参数取值不准确，再完善 的计算模型和计算理论也会得不到合理的计算结果。因此，研究土体参数的取值 问题具有非常重要的意义。由于弹性地基梁法在深基坑支护结构设计时简便实 用，被大多规程所推荐。大量工程实践和计算结果均表明，土体m 值对支护结构 的内力和变形的影响很大，但是由于跏值无法用室内试验方法得到，目前工程上 往往凭经验取值，而大多规程也只是给出了一个变化范围，而且各个地区的土体 性质又是千差万别的，因而m 值的选取具有很大的随意性和变异性，从而导致事 故或浪费。为了得到准确反映土体性态的埘值，运用考分步开挖的位移反分析法 对聊值进行反演分析，得出的m 值不仅能反映开挖侧土体本身的性态，而且也 是整个支护结构体系某些未知因素的体现。通过位移反分析法来确定m 值对在基 坑工程中实现按变形控制设计就具有重要的现实意义，这是因为：一方面在实际 工程中可以利用已完成工况的实测位移信息来反分析确定埘值，并以此来预测下 一个工况的支护结构的位移，实现动态优化设计；另一方面可以通过地质条件等 相近的大量工程的反分析来给出这类条件下土层的m 值范围，用以指导基坑工程 的设计与实践。 由于基坑附近的地质条件较为复杂，各种物质的力学参数不全，要求出应力、 广东工业大学工学硕士学位论文 应变和位移的数值解也是相当困难的，更不可能求出解析解。因此，实际工程中， 以设计为主，现场位移监测为辅的手段来控制施工进度。进行监测工作时，为使 监测点尽可能埋设在有代表性的点附近，在进行应变计的埋设前应进行一般性的 数值计算，根据计算结果与经验确定埋设应变计位置。由经验与常规的计算不能 准确地确定危险点所在地，为确保能更准确的知道危险点的所在，在有了一些观 测值后，还必需进彳亍必要的反分析，根据观测所得数据，进行反分析计算。 1 2 原位监测的重要性及基本原则 岩土体的性质十分复杂，岩土力学又是一门新的科学，尚属半经验半理论的 性质，在时间和空间上对岩土工程的安全度作出准确的判断还有很大的困难，有 关岩土工程安全问题的解决，更多的是依靠测试和原位监测。监测工作既是完善 岩土工程设计方法的关键性环节，又是进行施工、运行技术决策的重要依据。因 此，安全监测工作正在我国的水利水电、工民建、铁路交通、煤炭矿山等行业的 岩土工程中得到迅速发展和广泛应用，并日益受到工程技术人员和各级工程决策 机构的重视。 监测设计由于无规范性的实施方案可循，很难做到经济合理、安全可靠。尤 其是针对工程和地质结构特点进行监测，使其做到行之有效并经济合理尚缺乏经 验。故工程监测设计多以工程安全施工和安全运行为主要目的。此外还包括：施 工控制、诊断不利事情的特性、检验设计的合理程度、证明施工技术的适应程度、 检验工程的长期优良险能、检验依据技术规范施工的情况以及为促进科学技术的 进步和发展等。监测的项目要突出重点，兼顾全面，相互验证，互相协调，统一 规划，逐步实施。施工期监测的项目要简单，不干扰施工，取得数据要快；为了 预报施工和运行安全程度时，应确定一项多用、数据长期可靠的项目；为了校核 和修改设计、施工技术方案时，应选定起控制作用的项目；选择项目要有针对性， 如对危及建筑物稳定的关键问题和控制性问题要重点监测；探查不稳定部位或影 响稳定的因素时，应尽可能采用系统项目；长期监测项目，应能较全面地反映建 筑物的实际运行情况，力求少而精；确定监测项目要考虑仪器设备的经济、使用 方便及可靠性等条件。 工程监测设计应看成是整个工程设计中的一个组成部分。设计应以现场水文 第一章绪论 与地质条件、环境条件及其与建筑物问的相互作用等为基础，对工程条件资料进 行广泛的收集分析，必要时进行现场调查、勘测和试验，查清工程的薄弱点和敏 感区；根据工程条件明确地确定监测目的，确定能够最好地描述工程性状的物理 变量f 监测参数) ，预测参数的变化范围；预测工程的运行性状，建立表述时空效 应状态、地质结构状态和应力变形状态的监测系统参照模型；以预测为依据，选 定所需的仪器以及仪器的精度范围，选择仪器布置时的定位与方向，确定仪器的 数量、密度和分布；确定对工程整体安全起调节作用的控制单元或关键部位，在 最重要的部位进行最详细的全面监测，在其他部位进行一种或几种不同详细程度 的监测，切实布置好一个完整的监测系统：监测系统设计还包括监测系统的土建 工程设计、仪器设备布置设计、电缆走线设计、仪器安装程序及埋设规程编制等。 监测成果的可靠性和应用的及时性，很大程度上取决于仪器的性能及其使用 条件。应了解仪器正常运行过的最长年限和使用环境、仪器事故率、准确度和精 度的变化范围等；要有可靠、能保证仪器工作性能的制造厂家：仪器要有足够的 准确性，而且耐久性、可重复使用性和校正的一致性应具有足够的可靠性：仪器 选择时，要根据工程性态的预测结果、物理量的变化范围、使用条件和使用年限 来确定仪器的类型和型号等。 监测系统的布置原则为： f 1 ) 监测系统的布置要按工程需要、地质条件、结构特点和观测项目来确定， 选择有代表性的部位布置仪器，仪器布置要合理，注意时空关系，控制关键部位。 ( 2 1 埋设仪器位置选择能反映出预测的施工和运行情况，特别是关键部位、 最不利的部位和关键施工阶段的情况。尽量在开工初期进行仪器埋设和初值观 测，以便得到连续完整的记录。 ( 3 ) 位置选择应具有灵活性，以便根据施工中的具体资料修改仪器的具体位 置设计。为了掌握岩土介质的固有特性和建筑物性能，要准备随机布置量。 ( 4 ) 在监测断面上，应考虑岩体和结构的性态变化规律、结构物的尺寸与形 状、预计的变形、应力和其他参量的分布特征布置测点。测点的数量，在考虑结 构特征和地质代表性之后，依据上述特性变化情况和预计参数变化梯度来确定。 ( 5 ) 监测布置要考虑便于将计算与参照模型比较和验证。对重要的部位，仪 器布置宣适当地重复和平行观测，以便进行校核。随着对建筑物形状了解的不断 广东工业大学工学硕士学位论文 加深，可以放弃一些仪器，或再补充安装其他一些仪器，使系统优化。 ( 6 ) 现场巡回观察是监测的重要手段之一，应列入设计内容，并编制计划、 对检查项目、部位、线路、记录格式、时间等应作出规定。检查记录、文字描述 应作为资料文件存入数据。仪器设备布置总的原则是：突出重点f 重点工程、重 点部位、重点项目1 且要兼顾全局，力求达到少而精。仪器的布置应以建筑物安 全为主，并满足建立安全监控数学模型的需要，同时应兼顾指导施工，校对设计， 达到提高设计水平的目的。 1 3 反分析研究的历史与现状 反分析也可称为反问题( i n v e r s ep r o b l c m ) 【l l 是正分析的一种逆过程，在正分 析的基础上发展起来。所谓正分析即通常所说的在已知的地质材料参数和确定的 初始条件、边界条件下，根据相应的数学公式及数值方法，计算结构的某些响 应量，如应力、应变、渗压等。伴随着计算机技术的发展和有限元( ( f e m ) 、边界 元( ( b e m ) 等数值方法在工程结构分析中的广泛应用，正分析的理论和计算方法 逐渐成熟，观测仪器的精度也逐步提高，这些都为反分析的发展提供了条件。所 以反分析近些年逐近地发展起来并逐步得到人们的重视，这将使得原本就该是一 完整“闭路系统”【2 】的规划设计一施工建设一运行监测真正构成“闭路系统”f 图 1 1 ) 。改变以往人们只注意正分析，不注意反分析，即只侧重于工程的规划设计 和施工建设，而对施工中和建成后的原型观测资料分析利用不够重视的状况，不 但可在一定程度上提高并保证水利工程的安全运行，也可为新建工程的设计施工 提供可靠保障。 第一章绪论 图1 1 规划设计一施工建设一运行监测闭路系统 f i g u r e l - ls ) 噶t e mo f d e s i 粤1 - c o n s t r u c t i o n m o n i t o r 反分析方法的研究开始于2 0 世纪6 0 年代，随着科学的发展，国内外学者对 反分析理论及其应用进行了大量广泛深入的研究，其大致经历了三个发展阶段： ( 1 ) 6 0 年代至8 0 年代中期一反分析的初期阶段。此阶段主要进行反分析理 论的研究以及计算方法的建立，研究较多的是线性问题的逆反分析法，并开始在 水电工程中应用。 早在1 9 6 0 年，p h i l i d 【3 l 发表了题为“g e n e r a lm e t h o d o f e x a c ts o l u t i o no f t h ec o n c e n t r a t i o nd e p e n d e md i f m s i o ne q u a t i o n ”论文，文中提出了求解一维非 线性渗流反问题的精确解法；后来在1 9 6 9 年，太沙基提出了观察设计法 ( o b s e r v a t i o nd e s i g r l m e t h o d ) ，利用现场的观测资料修正参数和设计；自从 k a v a n a g h 和c l o u 曲【4 】在1 9 7 2 年提出了反算弹性模量的有限元法后，极大的促进 了反分析方法的发展；1 9 7 6 年k i r s t e n 5 在约翰尼斯堡( j o h a m k s b u r 曲的岩土工程 勘测研讨会上提出了量测变形分析法；紧接着gm a i c r 【6 】于1 9 7 7 年提出了岩石力 学中的模型辨识问题，k o v a d 阴则提出了反算地层压力参数的方法；1 9 8 0 年， g i o d a 【8 】采用单纯形等优化方法求解岩体的弹性及弹塑性力学参数，并讨论了不 同优化方法在岩土工程反分析中的适用性。1 9 8 1 年中国科学院地质研究所杨志 法 9 】等提出了地层综合弹性模量e 、作用在衬砌结构上的水平向地层荷载p 值反 演确定平面应变问题有限元图解反分析和图表反分析，利用事先建立的图谱反演 广东工业大学工学硕士学位论文 围岩地应力分量及弹性模量。1 9 8 3 年a r a i 【l 川采用二次梯度法求解弹性模量和泊 松比；1 9 7 9 年、1 9 8 3 年s a l ( u r a i 【l l m l 分别提出了反算隧洞围岩地应力及岩体弹性 模量的逆解法。1 9 8 3 年冯紫良、杨林德【1 3 】，将地应力分为均布构造应力和自重 应力，用有限元法求自重应力场产生的围岩位移差值，反算岩体的均布构造应力； 郭怀志、马启超根据实际工程的地应力实测资料，运用有限元数学模型回归分 析方法求解了岩体初始应力场：c i v i d m i ，提出了贝叶斯反分析方法。 ( 2 ) 8 0 年代中期至9 0 年代初一反分析的发展阶段。 1 9 8 5 年，同济大学杨林德【5 等考虑初始地应力由构造应力及自重应力组成进 行线性和非线性位移反分析；王芝银【1 5 】利用少量实测位移由拉格朗日插值法反算 粘弹性地层初始地应力。1 9 8 6 1 9 8 7 【1 6 1 7 】年郑颖人用边界元法在应力空间及应变 空问中进行弹塑性位移反分析，根据围岩位移反算初始地应力和弹性模量，可用 于解决二维和三维问题；在考虑时间相关性、空间效应、消除量测前丢失位移的 影响等方面，1 9 8 8 1 9 8 9 年，王芝银、刘怀恒【1 争19 1 ，等人针对m a n v e l l ，k e l v i n ， p o y t 吨- t h o r n s o n 、广义k e l v i i l 及b u r b g e r s 五种常用流变模型进行了有限元法和 边界元法位移反分析的系统研究，提出了逆解回归法和逆解优化法：1 9 8 9 年， 朱维申【2 7 l 考虑时空效应对三个地下巷道或隧道进行了反演分析；1 9 9 0 年，吴中 如和陈久宇口8 1 等水工建筑物的安全监测和反分析方面做了大量研究工作，提出了 有关变形参数、热学参数、断裂参数、等价摩擦系数、徐变度等的反分析方法。 通过文献阅读，还发现许多学者应用黄金分割法、单纯形法、变量替换法、 p o r c l l 法和r o s e n b m k 法等进行弹塑性问题的反分析。 1 9 9 0 年王芝银等人采用递解法与优化法相耦合的方法进行围岩弹塑性位移 反分析；同年，莫海鸿、杨林德等人研究分析了浅埋地下巷道或隧道的围岩的初 始地应力不再是均匀分布，其与陶振宇等人分别对初始地应力或边界分布荷载的 线性或函数分布形式进行了反演分析的研究。后来王芝银等人把这些成果应用于 粘弹性及弹塑性反分析中。 在平面位移反分析的发展过程中，三维反演反分析同样受到人们的重视，有 考虑隧道衬砌所进行的三维弹性反分析，有弹性、粘弹性地层初始地应力及力学 参数反演计算的有限元法和边界元法，也有空间轴对称蠕变位移反分析的研究。 6 第一章绪论 1 9 8 6 1 9 8 7 年，s a k u r a l 等人、1 9 9 1 年熊顺成等人研究分析了非均质岩体( 多介质 材料) 的反演问题。考虑量测位移及参数先验信息的随机性和不确定性，c i v i d i n 认， g i o 氓g e n s a 等人将b a y e s 法、最大似然法等数学方法引进来反演岩体的力学特 性参数。 自从s s a k u r a i 提出种现场量测辅助设计技术之后，国内外不少研究者 注意了反分析应用问题的研究。从围岩、支护的弹性、弹塑性变形预测，到利用 考虑时空效应的流变反分析结果，进行粘弹性、粘弹塑性分析、预测围岩或支护 后期变形及安全度，对工程给出事先的预测。 1 9 8 5 年，陈相震等人应用反演方法求解了引水隧道围岩地应力和部分力学 参数。1 9 8 7 年，朱维申等人反演分析了地下巷道与隧道围岩地应力及力学参数。 1 9 8 8 年，吴凯华通过建立灰色动态模型或灰色预测模型预测未来的位移，并由 所预测的位移进行位移反分析后，再利用之分析对围岩或支护的安全度作出超前 预测。1 9 9 1 年，朱岳明1 2 0 】等人利用大坝观测资料反算坝体的渗透系数；顾强康川 等人将反分析法用于确定地基土的土性参数。1 9 9 1 年，刘怀恒【2 2 】等人研究处理 了同时利用量测位移与量测荷载、量测位移中既有相对值又有绝对值的问题。 1 9 9 2 年，刘波洋、陶纪南口卅等人研究了有关量测误差的处理、测点布置方式的 优化问题。 f 3 ) 9 0 年代初至今，反分析方法得到了迅速发展，向各个领域推广，它广泛 应用在土木工程、水利工程、机械工程、航空航天工程、地质勘探、石油物探以 及医疗等领域。 近几年有运用系统论、信息论、最优控制论、决策论以及模型识别技术研究 岩土介质系统物理本构关系的反演建模、模型可信度、模型鉴别、检验理论和逆 问题统一理论等。此外，神经网络、遗传算法等现代优化方法在岩土工程中开始 应用。 1 9 9 3 年，李素华应用四种优化方法进行了弹性横观各向同性及弹塑性互 层岩体的优化反演分析。同年，袁勇等以系统辨识理论和连续介质力学原理为根 据，较系统地阐述了岩土介质系统逆问题的建模、参数优化辨识及目标函数构造 的原则和方法，研究了岩土工程反演分析的模型辨识问题，进一步完善了概率反 广东工业大学工学硕士学位论文 分析( ( b a y e s 反分析，极大似然反分析等) 理论。刘维宁将信息论引入到位移反分 析，建立了岩土工程逆问题的信息论基本框架。基于信息论的观点，认为综合考 虑被反演参数的观测信息、理论预测信息和经验性信息，将会给出关于被反演参 数的更高信息含量的信息表达。其可表达为 后验信息量( 未知信息量) = 先验信息量十观测信息量十理论信息量 在这个理论基础上，其还研究了认识系统参数后验信息的技术途径及反分析结果 的唯一性和稳定性问题。 1 9 9 6 年，孙钧( 2 4 】等人基于b a y e s i a n 原理，考虑荷载、变形的不确定性及参 数的先验信息，认为： 量测值= 确定性趋势项十随机项 以随机过程理论为基础，提出了广义参数反分析法，这种方法可推广到现有的几 种不确定性反分析上去。如b a ”s i a l l 反分析，最大似然反分析等。 1 9 9 4 年黄宏伟将系统论引入反分析。1 9 9 5 杨志法1 2 9 1 等人提出了要在位移反 分析中考虑松动圈影响的反演正算综合预测法。1 9 9 7 年，邓建辉1 3 0 】等利用优化 反分析方法进行多介质边坡的弹性模量反演；沈振中口1 1 利用可变容差法进行三维 粘弹塑性位移反分析，从而进行大坝施工期间的安全监测和反馈设计。1 9 9 8 年， 陈国荣口2 】等利用阻尼最小二乘法进行三元件模型的粘弹性反演分析，并应用到高 速公路路基反分析及沉降预测：1 9 9 8 2 0 0 0 年，朱合华p 3 。3 4 】等在动态施工反分析 方面做了大量研究工作，分别结合深基坑工程、高速公路隧道进行动态施工增量 反分析，利用某一施工阶段的增量位移信息，反演得到弹性模量，进而预测相继 施工阶段的结构变形及内力取得了很好效果。1 9 9 9 年，冯夏庭应用神经网络结 合有限元法进行位移反分析；2 0 0 0 年，高强应用遗传算法进行粘弹性位移反分 析。 综上所述可以看出，反分析研究越来越受到人们的重视。在二十一世纪，随 着各种基础理论的完善、计算机技术的飞速发展和各种先进观测仪器的广泛应 用，在反分析研究的深度和广度方面必将出现更大的突破。但是，反分析研究是 第一章绪论 一种交叉学科，涉及面广、范围大，使得目前该课题的研究存在大量急需解决的 问题。例如应变监测反分析理论的研究；复杂介质性质及大扰动的研究；多参数 联合反演方法的研究：反问题的不充分信息、不适定性和数值稳定性研究；反演 的非线性方法的研究；反问题理论的实验及工程实际的结合等等。本文的主要工 作总结了广州市新光快速路第一标段泵站工程变形安全监测过程，并对应变观测 成果进行分析总结，提出了变行反分析理论在施工某阶段对下一阶段变形的预测 的应用，同时结合实际工程，将理论在实践中进行验证和进一步推广应用。 1 4 反分析在基坑中的应用以及存在的问题 1 4 1 反分析在基坑中的应用 反分析计算方法就是由工程施工中或竣工后实测到的现场工程资料，利用选 择的本构模型，反过来计算原始的应力或力学参数。由于位移的测量既经济又方 便，而且能反映具体问题的实际情况，所以近年来位移反分析技术在岩土工程中 得到了广泛的应用。 1 4 2 存在的问题 由于弹性地基梁法【3 8 “1 在深基坑支护结构设计时简便实用，被大多规程所推 荐。大量工程实践和计算结果均表明，土体脚值对支护结构的内力和变形的影响 很大，但是由于川值无法用室内试验方法得到，目前工程上往往凭经验取值，而 大多规程也只是给出了一个变化范围，而且各个地区的土体性质又是千差万别 的，因而肌值的选取具有很大的随意性和变异性，从而导致事故或浪费。在基坑 开挖过程受到各种不利因素的影响，例如开挖扰动等，土体的卅值会因此而降低， 但在传统的反分析方法中，没有体现到这一点。 1 5 本文研究的思路及内容 1 5 1 研究思路 以变形大小作为控制手段的深基坑动态设计方法正受到人们的普遍重视。支 护结构的变形是基坑开挖过程中支护结构与土相互作用的直观反映，又是支护设 广东工业大学工学硕士学位沦文 计应用于现场实际与现场地质和施工情况的相互作用的具体反映。如果能根据支 护周围土体参数和支护结构的相关参数事先预测支护结构的变形量，将最不利情 况的预测值作为控制支护结构变形的警戒值，将对保证基坑安全施工具有重要的 意义。利用深基坑支护开挖过程中所获工况的监测信息，采用优化反分析来反演 土体及支护结构力学参数；然后通过有限元计算预测下一工况的桩墙变形量、内 力及支撑力，把计算值作为支护结构的控制值，通过现场实际调整施工方案和支 护参数。随着施工的进行，继续采集下一施工阶段的相应信息，进行参数反演， 计算预测下一工况的桩墙变形量等，如此反复循环，提高预测值精确度。 1 5 2 研究内容 对国内外反分析理论方法的参考文献以及研究资料进行收集，基本掌握和了 解了当前该领域的研究现状以及实际应用情况，并对这些最新研究成果进行吸 收、整理和总结。本文主要工作和研究内容如下： 1 1 实现了一个实际工程原位变形监测工作，包括：水位观测、桩顶水平位 移、支护结构深层水平位移和支撑轴力观测。 2 1 总结广州市新光快速路第一标段泵站工程原位监测的基本要求、变形监测 的难点及采取的技术措施和应变工作的实施，并获得的应变观测资料进行分析总 结，对其进行了综合分析。 3 1 针对目前国内传统的弹性地基梁反分析法中埘值不随基坑的开挖而改变 的缺陷，本文引入了衰减系数d ，从而求得真正反映地基坑实际工作性态的聊值， 将此位移反分析理论应用于广州市新光快速路第一标段泵站工程，反分析土体的 m 值。 第二章反分析基本理论与方法 第二章反分析基本理论与方法 2 1 反分析的基础一正分析 正分析是反分析的基础，为反分析提供与观测值相对照的计算值。其计算模 型是否正确、计算精度是否满足要求直接关系到反分析结果的可信程度。对于许 多反分析问题，不管是弹性的、弹塑性的，还是粘弹性的、粘弹塑性的，也不管 是二维问题还是三维问题，经过多年的研究和不断改进，它们的计算模型f 即系 统控制方程) 和求解方法已经比较成熟。近年来，内时理论、损伤力学等模型研 究也很活跃并逐步得到应用。这些正分析计算模型为正分析的正确求解打下了基 础。 如果计算模型比较简单，几何边界也比较规则，一般解析方法就可以求得精 确解。然而实际工程中遇到的大多数非线性问题，其计算模型复杂、几何边界形 状也不规则，这时解析法就很难求解。解决这一问题一般情况采用数值方法如有 限差分法、有限单元法、边界单元法等等。有限差分法是数值方法的基础，后来 被有限单元法取代。 在有限单元法的基础上，又产生了多种数值分析方法及各种方法的耦合法， 如适宜求解无线域和半无限域及应力集中问题的边界元；能够模拟非连续节理岩 体的离散元；模拟不连续结构面的位移间断元；可以处理固体的滑移、断裂和接 触问题的刚体一弹簧元；模拟远场应力、应变规律的无限元等等。这些数值方法 广泛应用于工程分析的各个方面。其应用由弹性力学的二维平面问题扩展到三维 空间问题、板壳问题，由静力平衡扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析 对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性及复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、 热传学等连续介质力学领域。 在实际应用时，可根据研究对象的具体情况，在确定了正确的计算模型和计 算参数后，选择上述数值方法的一种或几种的祸合法可解决所求问题。通过不同 单元形式的合理组合和网格的合理划分，即在关键部位网格的尺寸适当加密，非 关键部位可以相对稀疏一些，来保证划分后的网格可以最大程度地模拟和逼近求 解域，从而使计算结果更加接近实际情况，保证正分析结果的正确性和精度的可 广东工业大学：l = 学硕士学位论文 靠性，为进行反分析求解做好准备。 2 2 反分析的类型 反分析分为模型参数的反分析和模型识别过程的反分析，其中模型参数的 反分析又可分为确定性反分析和不确定性反分析。模型识别过程的反分析是参数 反分析的更高层次，它使本构模型的选用由经验向理论发展。一般情况下，根据 前期工程地质资料，基本上可以确定介质性态的模型类别，随着勘测资料的积累， 模型类别可以从最初的集合逐步演化到尽可能小的集合。原则上，最初的模型类 别可描述岩土介质的多方面性质，如各向异性、非连续性、流变性等。反分析问 题的重要特点是解的不确定性，即可能有多个模型都可能用来描述介质的力学响 应，并都可在一定程度上反映介质的响应，但是符合选模原则的最佳模型只有一 个，这样就可以依据模型识别理论选出描述介质性态的最佳模型。 2 2 1 确定性反分析 确定性反分析根据计算方法可划分为解析法和数值法。解析法的优点是可直 接得出待估参数的数学表达式，从而直接基于系统响应得出待估参数值，该法概 念明确、计算速度快。但很明显，解析法需要在能够建立系统响应和待估参数之 间的显式表达式的基础上进行，故只适宜求解简单几何形状和边界条件下的线粘 弹性和无支护洞室问题。而在实际工程中，由于问题本身的复杂性，解析法很难 用于实际工程结构。数值法主要用于解决复杂工程性态和非线性问题，因此数值 法对于复杂的岩土工程问题更具有普遍的适应性。根据数值方法实现反分析的过 程不同，可以划分为逆反分析法、正反分析法、图谱法、正反耦合法，和神经网 络法等。 ( 1 ) 逆反分析法 确定性逆反分析法是采用与f 分析相反的解析过程，使用矩阵求逆的方法建 立待求未知量即系统参数与己知输入量( 通常为现场量测数据) 之间的关系式，通 过该关系式求解方程组即得系统参数解。为了能进行逆反分析，有必要在系统待 求参数与己知输入量( 这里指现场量测位移u + ) 之间建立一个线性关系。对于均质 第二章反分析基本理论与方法 材料，单元刚度矩阵k 。可表示为 k 。= 雕；+ g 磁 ( 2 2 1 ) 其中，b 为体积模量，g 为剪切模量。则有限元控制方程k u = ，中，系统 整体刚度矩阵k 可表示为： 2 h 世= n 世。 ( 2 2 2 ) 其中n 为不同材料个数，a 为相应材料的体积模量或剪切模量。 假定测得的位移个数为m ，则有限元控制方程可表示为以下形式 划荆射 ( 2 2 3 ) 其中u ? 为实测位移向量，u ：为其它未知位移，为m 维实数向量：， 为己知 节点等效荷载。由上式可导出： ( k 1 l q k 2 1 ) u = ：一烈 ( 2 2 4 ) 式中： 将式( 2 2 3 ) 代入得 其中： q = 世2 世丢 ( 2 2 5 ) p ，r f = _ 一娥 = ( k l 一k 2 i ，) u ? ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 劲度矩阵芷。和如。是在令第f 项待求参数为1 ，而其余参数为o 的情况下求得的。 式( 2 2 6 ) 亦可写为以下形式： 即= 石一线 ( 2 27 ) 1 3 广东工业大学工学硕士学位论文 式中，月= “l 屹i _ l 。要求得未知系统参数p ，己知量r 的维数不 得小于p 的维数，即要求m 2 n 。当满足该条件时，p 可用下式求解： r 7 r p = r 7 ( z q ) ( 2 2 8 ) 以上即为逆反分析的基本列式。当然，在上述逆反分析过程中，所讨论的计 算方法为有限元法，但逆反分析并不仅局限于此，亦可采用其它计算方法如边界 元、无界元甚至于流体中有关参数的反演等。另外，建立系统参数p 与实测位移 【，+ 之间关系时，亦可采用包括其它物理量而非仅仅是体积模量b 和剪切模量g 。 基于其它计算模型或物理量的逆反分析方法，在此不再一一赘述。 由上可见，对于逆反分析，它的优点是可一次解出系统参数p ，效率较高， 从而可迅速将反演结果应用于现场施工，但这需要建立在系统未知量p 与实测系 统输出量u 之间存在一种简单关系( 如线性关系) 的基础之上。而在工程实践中， 由于在非线性本构关系等因素的影响下，使得建立这种简单关系是十分困难甚至 是不可能的。为解决这类非线性问题，较合理的方法即是采用下文将要讨论的确 定性优化反分析方法。 ( 2 ) 正反分析法 对于弹塑性问题反分析，由于力学模型比较复杂，模型参数也较多，且不同 的具体模型其参数个数不尽相同，因此多采用正反分析法，也称优化反分析法。 该法的基本思路是：借助于正分析的方法，预先假定一个初始值b ，然后利用正 分析法求得在该假定参数下的系统响应u ，将计算值u 与实测值了进行比较， 并按一定的方法对u 与u + 之间的差值进行优化，进而求得系统参数p 。 ( 3 ) 正反耦合法 正反祸合法是基于区域分裂法的原理将优化反分析和逆反分析法相结合的 算法。即将岩体弹性区域和塑性区域分开计算，弹性区域上用反算法，塑性区域 上用正算法，再利用区域分裂法通过弹性区域与塑性区域之间的重叠部分将二者 结合起来，从而使整个计算区域的问题得以求解。就岩土工程而言，大部分发生 1 4 第二章反分析基本理论与方法 的是弹性变形，将弹塑性区域划分开来，则反算的非线性有限元数目可以大大减 少，这对减少计算工作量、提高分析效率有着积极的意义。但由于其计算收敛的 前提条件是每步计算的结果必须唯一，而目前尚不能很好解决反分析解的唯一性 问题，因此该法在实际计算中常常难以收敛。 ( 4 ) 神经网络法 人工神经网络是一高度非线性的模型，它无需预先知道实际的模型结构，只 要有输入、输出的样本数据，网络通过自学习，不断调整网络的连接权，最后由 学习结束后网络稳定下来的权系矩阵隐含实际系统的输入、输出关系。 基于b p 神经网络进行力学反问题的求解，只要有大量的体现其力学系统输 入、输出关系的样本，将力学系统的输入作为b p 网络的输出，而将力学系统的 输出作为b p 网络的输入，网络通过学习最终逼近输入、输出样本数据，建立起 求解反问题的神经网络。 具体做法： ( 1 ) 首先进行正问题的求解。通过正问题计算，得到一定数量的体现力学系 统输入与输出关系的样本：或通过实测，得到一定数量的输入、输出的实测数据 样本。 ( 2 ) 网络训练( 网络学习) 。将正问题的输出作为神经网络的输入，正问题的输 入作为神经网络的输出。实测数据同样按实际情况分为网络输入和网络输出，进 行网络训练。网络训练分为两个阶段：第一阶段对于给定的网络输入，通过现有 的连接权，向前传播到隐节点，经过作用函数后，再把隐节点的输出信息传播到 输出节点，给出各个单元的实际输出。第二阶段由网络输出与期望输出( 样本值) 之间的误差，由输出层经隐含层向输入层逐层修正权值。这样反复交替进行，最 终使输出误差最小，网络趋向收敛，网络间的连接权不再改变，网络训练完毕。 ( 3 ) 反问题求解。将要进行反问题求解的已知值( 实测值) 输入到己训练好的神 经网络，通过网络计算，得到网络输出值，该输出值即是反问题的解。基于b p 网络求解力学反问题的流程图如图2 1 所示。 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 1 基于b p 网络求解力学反问题的流程图 f i g i l r e 2 - lt h ec h a r to fb a c k - a 1 1 a l y s i sp r o b l e mo f m e c h a n i c sb a s e do nb ps y s t e m 但人工神经网络中被辩识系统的基本特性属于完全辩识问题，亦即“黑箱问 题。而工程上的辩识问题多为“灰箱问题”。因此它在求解学习过程中，无法对 己有的先验信息加以区别和利用。 2 2 2 非确定性反分析 非确定性反分析是指应用概率论、数理统计、随机过程、模糊数学、灰色系 统理论或分形几何等不确定性数学工具来分析量测信息的不确定性、反演模型的 非确定性，并考虑参数的先验信息r 即量化的工程师经验，实验室的试验结果以 第二章反分析基本理论与方法 及一切关于被反演参数的己知量化信息与有关的基本定律等) 等，建立不同的目 标函数，以之来进行不确定性参数的反分析。目前应用较多的是建立在随机理论 基础上的极大似然( m a x i m u m l i k e l i h 0 0 d ) 反分析“、贝叶斯( b a y e s ) 反分析、卡 尔曼滤波( k a l m a nf i l t e r i n g ) 反分析”2 等。 1 、极大似然反分析法 极大似然反分析法是利用极大似然率的概念，在考虑量测位移的统计特性的 前提下，建立似然函数 ( x ) = 七f ( 甜i z ) ( 2 2 9 ) 式中七任意常量 ，( “l x ) 表示在量测到的位移“的条件下，待求参数x 取一定值的概率。 显然，使三( x ) 取极大值的x 即为待求参数的最佳估计值，由此导出的目标函 数便是概率反分析的目标函数。就极大似然法的定义而言，它仅考虑了观测信息 的统计特性，忽略了待求参数的不确定性。 2 卡尔曼滤波反分析 普通的确定性反分析，是将某一时刻t 的系统响应实测值作为输入，计算并 输出系统的待估参数。它考虑的是某一确定性的值，对于t 时刻之前的系统响应 对当前系统响应实测值的影响，以及待估参数与系统响应之间关系的动态变化过 程全然不加考虑，这显然是有其不合理之处的。因此，有必要认为通过实测所获 取的系统响应值是一个与时间相关的随机过程。实测资料中的任一组数据只能反 映某一特定时刻下系统的实际情况。在引入系统最优控制理论中较为实用和成熟 的卡尔曼滤波器后，即可将待估参数p 视为随机过程中的状态变量加以研究，从 而比一般的反分析方法更具有合理性。卡尔曼滤波反分析就是将结构的被观测量 的随机过程按建立在状态空间法和正交投影理论上的线性差分方程表示，采用离 散时间滤波器，进行有限元法迭代优化计算。 广东工业大学工学硕士学位论文 第三章新光快速路泵站基坑工程变形监测 3 1 问题提出 在深基坑的设计施工过程中，由于地质条件、荷载条件、材料性质、施工条 件和外界其它条件的影响，以及当前土压力计算理论和边坡计算模型的局限性， 很难单纯从理论上预测工程中可能遇到的问题。所以在基坑的开挖施工中，对支 护结构、基坑邻近建筑物、地下管线以及周围土体等在理论分析指导下有计划的 监测，以此监测数据为依据，对基坑支护进行动态设计，是十分必要的。 3 。2 地质条件 基坑外型呈凸字型，西边收窄，主体结构为现浇钢筋混凝土沉井，顶板标高 为7 2 0 0 m ，垫层底标高为2 2 1 8 m ，开挖深度9 4 2 m ，开挖深度较大。围护结构 采用钻孔灌注桩、搅拌桩加钢管内支撑的支护形式。 地质资料表明基坑影响深度范围内的土体主要为：海陆交互相淤泥土、淤泥 质土、淤泥砂层；其下为冲洪积砂层，底部为残积亚粘土，下伏基岩为砂质泥岩、 泥岩。地下水位埋深较浅，距现状地面约2 m ，受大气降水及珠江水、涌水侧向 补给，水量较大。 段内覆盖层为海陆交互相淤泥，淤泥质砂层，冲洪积亚粘土，淤泥及砂层， 残积粘土，亚粘土，下伏白垩系下统白鹤洞猴岗段红层碎屑岩。短内涌河发育， 主要有大围冲河，宽约3 5 m ，与珠江相连，受珠江潮水的影响，每天基本有二涨 二落，往复流十分明显，日平均潮差为1 5 2 o m 左右。地下水分为第四系空隙 水及基岩裂隙水。 3 3 基坑的监测 3 3 1 监测内容 根据国家有关规范和设计单位要求、建设单位意见并结合本工程现场实际情 况。监测项目包括： 1 桩顶水平位移 第三章新光快速路泵站基坑工程变形监测 在围护桩压顶梁( 冠梁) 上共设置1 0 个测点，其中长边每边设置4 个测点， 短边每边设置2 个测点，编号为：s r s l 0 ，其平面布置见附图。 2 支撑轴力 原设计方案为三层内支撑，每层选5 个测点，在施工过程中依据现场监测的 结果，将设计优化为两层内支撑，最终的具体测点布置为：每层选4 根对撑、一 根角撑，在中部设置一点，每点设置2 个应变计，共2 0 个应变计，编号为：第 一层支撑：z l 卜1 a 、z l 卜1 b z l 卜5 a 、z l l 5 b ；第二层支撑：z l 2 1 a 、z l l 2 一l b z l 2 5 a 、z l 2 5 b 。 3 地下水位 在基坑4 边土体内各设置1 个水位观测孔( 深度1 5 m ) ，编号为：s l “s 4 ，其 平面布置见附图。第一道支撑：z l 卜l a z l 卜5 a ，z l 卜1 b z l 卜5 b ，第二道支 撑：z l 2 一l a “z l 2 5 a ，z l 2 1 b z l 2 5 b 其平面布置见附图。 4 支护结构变形( 围护桩侧向变形) 在围护结构内设置1 1 个测斜管( 长度1 5 m ) ，其中长边每边4 个，短边每边 1 个，外加角桩1 个，编号为：p c x l “p c x l l ，其平面布置见附图；其中p c x 3 ，p c x 5 ， p c x 6 ，在下钢筋笼时遭到破坏，后改为在紧靠围护桩外侧地基土中( 原布置点旁 边) 重新埋设，其平面布置见附图。 3 3 2 测点的安装 1 桩顶水平位移 在围护结构( 冠梁) 顶预埋测钉，并采用红漆标志。采用全站仪进行测量。 2 支撑轴力 ( 1 ) 设备一频率仪、应变计及电脑 频率仪和应变计一般均采用钢弦式。应变计型号及量程必须与设计轴力相匹 配。电脑用于现场处理由频率仪测得的数据。 ( 2 ) 应变计的安装 在选取的钢管支撑梁中部中截面位置的对称各安设两只应变计，将导线引 1 9 广东工业大学工学硕士学位论文 出，用细扎丝或者胶布将导线固定在钢支撑底面，引出到基坑边沿，做好测线的 保护标示，以防破坏。 ( 3 ) 测试方法 将频率仪的两个测头与应变计的两个导线端口相接，即可从频率仪上读得所 需数据( 应变计频率) ，进而计算所测的应力。构件的轴力则利用平截面假定由 所测得的应力推算。 3 地下水位 ( 1 ) 设备一水位管、水位计及电脑 水位管为铸模成型的塑料管，管内壁钻有孔洞。脑用于现场处理观测数据和 整理图表，内装有专业监测分析软件。 ( 2 ) 水位管埋设 根据拟定埋设位置，将水位管埋设在基坑外侧地基土中，一般采用中1 0 8 钻