（岩土工程专业论文）基坑工程中地基土m值的反演及光纤技术研究.pdf

南京工业大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 一、学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 二、关于学位论文使用授权的声明 南京工业大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社及清华同方光盘股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京工业大学研究生 部办理。 研究生虢趣翩签名勾i 豸同期：选坦 硕士学位论文 摘要 深基坑支护体系具有不确定性、多元性和时域性等动态特性，深基坑支护结构设 计应是动态设计，利用监测数据，通过动态反演将得到的有关土体参数，用于下一阶 段响应的预测，以便及时加强支护结构、修改施工方案或采取其它必要的应急措施， 做到动态设计和信息化施工，这就是利用反分析方法完成深基坑支护结构的动态设 计。由于弹性地基梁法具有计算模式明确、计算过程简单的优点，尤其是卅法较符合 软土基坑工程的实际情况，故选取土体参数m 值进行反分析。本文简单的介绍了反分 析法的研究近况及发展过程，以及在基坑工程中的运用。利用编制的m 法反演分析程 序，分析了研值对围护结构位移的影响，讨论了支护结构各个要索对围护结构位移的 影响，研究了反演参数个数对反演优化值的影响，并用灵敏度分析方法，实现了位移 点对反演分析的优化组合。最后，根据基坑工程实例的位移实测数据，对土层m 值进 行了反演分析，说明基坑工程中采用反映施工动态位移的反分析技术是有必要的，采 用这种技术是可行的。 布里渊光时域反射测量技术是目前国际上近几年才发展成熟的一项高端传感技 术。国内将b o t d r 技术用于土木工程、水利工程等大型基础设施的变形监测的研究 才刚刚起步。本文介绍了基于布里渊散射的分布式光纤传感的原理，探讨了传感光纤 在实际工程中的布设方式和铺设工艺、应变测量的温度补偿方法等问题。并首次将光 纤测试技术引入基坑监测系统中，利用光纤应变测量深层土体变形，结合b o t d r 技术的测试特点和基坑深层土体的变形特点，设计了传感光纤的铺设、都设方案，实 现了将光纤应变转换到土体位移，完成了对某深大基坑深层土体的变形监测将光纤 测试技术运用到基坑监测领域做了有益的尝试。 关键词m 值反演分析支护结构变形b o t d r 布里渊散射光分布式光纤传感 硕士学位论文 a b s t r a c t u n c e r t a i n t y , m u l t i f a c t o ra n dt i m ed o m a i na r et h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h er e t a i n i n g s t r u c t u r eo fd e e pe x c a v a t i o n t h ed e s i g no ft h er e t a i n i n gs t r u c t u r ei sd y n a m i c t h en e x t s t a g er e s p o n s eo f t h er e t a i n i n gs t r u c t u r ei sp r e - e s t i m a t e da c c o r d i n gt ot h ep r o p e r t i e so fs o i l s t r a t ag o tb yt h em e t h o do fb a c k a n a l y s i so nt h eb a s eo ft h em e a s u r e dd a t aa tt h i ss t a g e i n r e s p o n dt ot h ep r e d i c t e dr e s p o n s e ，m e a s u r e sc o u l db et a k e n ，s u c h a sr e i n f o r c i n gt h e r e t a i n i n gs t r u c t u r e s ，r e v i s i n gt h ef o r m e r l yd e s i g no ro t h e rn e c e s s a r yo p e r a t i o n s s ot h i si s t h ec o u r s eo f d y n a m i cd e s i g na n di n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o nb yt h em e t h o do f b a c k a n a l y s i s t h ee l a s t i cf o u n d a t i o nb e a mm e t h o dh a ss o m em e r i t ss u c ha se a s yc a l c u l a t i o np a t t e ma n d d e f i n i t em o d e la n dm m e t h o di sf i tt o p r a c t i c a ls i t u a t i o n ，s om v a l u ei sc a l c u l a t e db y b a c k a n a l y s i s m e t h o du s i n gt h em e a s u r e dd a t ao fd e e pf o u n d a t i o np i t t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h eh i s t o r ya n dt h e s t a t u si nq u oo ft h eb a c k - a n a l y s i sm e t h o d ，a n dt h em e a n st o u s eb a c k - a n a l y s i sm e t h o di n d e e pf o u n d a t i o np i t t h ei n f l u e n c e so fm v a l u ea n d t h e e l 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 ed i s p l a c e m e n to f r e t a i n i n gs t r u c t u r e sa r es t u d i e dw i t h t h em m e t h o db a c k a n a l y s i sp r o g r a m m e a n dt h ev a r i a t i o no fo p t i m i z e dv a l u e sc a u s e db y t h en u m b e r so fd i f f e r e n ti n v e r s i o np a r a m e t e r si sa l s oa n a l y z e d ，a n dac o n c l u s i o ni sd r a w n t h a tap r o p r i e t yp a r a m e t e rn u m b e r ss h o u l db ei nu s eo f b a c k a n a l y s i s ，a n dt h ec o m b i n a t i o n o fo p t i m a lp o i n t si sa s c e r t a i n e dt h r o u 。g ht h ea n a l y s i ss e n s i t i v i t yo fp a r a m e t e r s a tl a s t ， a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e dd a t a ，t h em v a l u eo fs o i ls t r a t ai naf o u n d a t i o np i ti sa n a l y z e d s oi ti sn e c e s s a r ya n df e a s i b l et ou s eb a c k a n a l y s i sm e t h o di nd e e pf o u n d a t i o np i t b r i l l o u i no p t i c a lt i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t e r ( b o t d r ) i sas t a t e o f - t h e a r ts e n s i n g t e c h n o l o g yi n r e c e n ty e a r s t h er e s e a r c ha b o u tt h e a p p l i c a t i o no fb o t d rt oc i v i l e n g i n e e r i n ga n dh y d r a u l i ce n g i n e e r i n gi sa tt h eb e g i n n i n g t h ep r i n c i p l eo ft h ed i s t r i b u t e d s e n s i n gt e c h n o l o g yb a s e do ns p o n t a n e o u sb r i l l o u i nb a c k s c a t t e r i n gi si n t r o d u c e di nd e t a i l s o m er e l e v a n ti s s u e s ，s u c ha st h el a y o u tm e t h o d sa n dt h ei n s t a l l a t i o nt e c h n i q u e so ft h e s e n s i n gf i b e r f o rr e a l s t r u c t u r e s ，t h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nm e t h o d sf o rs t r a i n m e a s u r e m e n tp u r p o s e ，a r ed i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l y b o t d ri sa p p l i e dt ot h es y s t e mo f f o u n d a t i o np i tm o n i t o r i n gf o rt h ef i r s tt i m e ，w h i c hb o t d ri su s e dt o g e t t h es o i l d e e p s e a t e dd i s p l a c e m e n t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h el a y o u tm e t h o d sa n dt h ei n s t a l l a t i o n t e c h n i q u e so ft h es e n s i n gf i b e ri nf o u n d a t i o np i ta n dc o n v e r t st h eo p t i c a ls t r a i nt ot h e d i s p l a c e m e n to ft h ed e e p - s e a t e ds o i l ，w h i c hi sc a r r i e do u ti naf o u n d a t i o np i ti nn a n j i n g a n de x p a n d st h e a p p l i c a t i o no fb o t d ra n di sas i g n i f i c a t i v ee x p e r i m e n tf o rt h e a p p l i c a t i o no f b o t d r 硕士学位论文 k e y w o r d s ：m v a l u eb a c ka n a l y s i s t h ed e f l e c t i o no fr e t a i n i n gs t r u c t u r e sb o t d rb r i l l o u i n s c a t t e r i n gl i g h t d i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e rs e n s i n g 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本文的研究背景 1 1 1 国内外基坑工程的发展及现状 基坑工程是岩上工程领域一个古老而又有时代特点的课题。早在远古时代， 人类就开始进行放坡开挖和简易木桩围护。2 0 世纪以来，伴随着土木工程的发 展，大量高层建筑以及地下工程不断涌现，深基坑工程数量迅速增多。深基坑支 护结构的设计与施工问题成为岩土工程的热点和难点。 t e r z a g l l i l l l 和p e c k l 2 1 等人早在2 0 世纪4 0 年代就提出了预估挖方稳定程度和 支撑荷载大小的总应力法，这一理论一直沿用至今，但已有了许多改进和修正。 b j e r r u m 和e i d e l 3 】在5 0 年代给出了分析深基坑底板隆起的方法。6 0 年代在奥斯 陆和墨西哥城软粘土深基坑中开始使用仪器进行监测。此后大量的实测资料提商 了预测的准确性，并从7 0 年代起制定了相应的指导基坑开挖的法规。 我国7 0 年代以阿的基坑都比较浅，上海高层建筑的地下室大多埋深在4 米 左右。北京在7 0 年代初建成了深2 0 米的地铁区间车站。改革开放以来，我国的 国民经济高速发展，人们的物质生活水平不断提高，对住房、办公、交通条件的 改善要求f 1 益增高。因此，大中城市基本建设规模不断扩大，商层建筑雨后存笋 般拔地而起，基础埋深= ；i _ f i 断增加。我困的工程技术人员丌始对基坑工程进行广泛 的深入研究。 进入9 0 年代以后，大中城市地价不断上涨。人们想方设法提高土地的利用 率，大量高层、超高层建筑相继建成。上海金茂人厦f 高4 2 0 5 m ) 1 4 1 、深圳帝王大 厦( 离3 2 5 m ) 、广州中天大厦( 高3 2 3 m ) 巍然耸立。商层、超高层建筑的涌现，使 得基坑工程向着大深度和大规模的方向发展，基坑的开挖深度已从1 0 m 左右发展 到2 0 m 以上。 进入2 1 世纪以来，伴随高层建筑向上部空间的拓展，地下空问的开发利用 也蓬勃发展。北京、上海、，。东、天津等许多大城市正在修建新的地下铁路工程， 地下车库、人防工程、地卜商业街等地下工程相继出现。三维城市空问已开始作 为一种重要的自然资源加以丌发f ”。向地下发展已成为二f 一世纪土木工程的主 题。 由于我国幅员广阔，几乎遍及全国的高层建筑和其他地下： 程的基坑遇到了 不同的、甚至极其复杂的工程地质和水文地质条件，致使在我国许多城市，基坑 工程迅速成为当地建设： 程中数量多、投资多、难度大、风险也大的组成部分【6 】。 同时，由予大多数城市进入了大规模的旧城改造阶段，许多地卜- 空问的丌挖位于 繁华的建筑密集区内，使得深基坑，1 ：挖与支护的难度h 益增加，摹坑工程事故时 第一章绪论 有发生。特别是重大的深基坑工程事故，如上海轨道交通4 号线的险情，不仅导 致隧道部分坍塌，而且波及到地面建筑、防汛墙等，尽管进行了补救但造成的经 济损失不可估量，教训极其深刻。 1 1 2 基坑工程的特点 基坑工程是受多种复杂因素相互影响的系统工程。它涉及土力学、水力学、 结构力学、材料力学、弹塑性力学、混凝土结构、土与结构的共同作用等多门学 科及专业。实践证明，深基坑工程具有以下特点： 1 、地域性 岩土工程具有明显的地域性，基坑工程同样具有这一特点。在砂土地基、软 粘土地基、黄土地基等工程地质和水文地质条件截然不同的地基中，基坑工程的 差异很大。由于土的性质千变万化，即使足啊一城市的不同区域也往往有差别。 同时，基坑工程设计及施工还与基坑相邻建筑物、构筑物及市政地下管线的位置、 抵御变形的能力以及周围场地条件密切相关。 2 、综合性 深基坑工程涉及土力学中的强度、变形及渗流三个基本课题，三者交融在一 起，需要综合考虑。在不问的基坑：f 程中，强度、变形及渗流的重要性可能完全 不同。 3 、时空效应 深基坑的平面形状及丌挖深度对深基坑的稳定性及变形有较大的影响。因 此，深基坑设计要注意深基坑的空问效应。同时，作用在支护结构上的土压力将 随着时间变化。特别是软粘土，山于其具有较强的蠕变性，将使土体的强度降低。 4 、环境效应 深基坑开挖是一个卸荷过程，必将引起周围地基中地下水位的变化和应力场 的改变，从而导致周圈地基土体的变形，对相邻建筑物、构筑物以及市政地下管 线产生影响。如控制不当，将危及周围环境的安全稳定及萨常使用。 5 、胍险性 一般情况下，基坑工程属于临时工程，为节省投资，其安全储备较小，因此 风险较大。由于深基坑工程的地域性、综合性，设计和施： f | j 涉及的问题，“，因 此，其安全度的随机性较大，事故的发生往往具有突发性。 综上所述，出f 深基坑工程的特殊性，工程技术人员必须有针对性的在理论 分析、模型试验、现场监测等诸多方面进j j 二深入细致的研究，从而保证基坑工程 的顺利实施。 1 1 3 基坑工程的主要计算方法 基坑工程在我国进行厂泛研究始rj ：个【蛙纪8 0 年代初。到了9 0 年代，随着 研究的深入，基坑支护，“7 匕了许多新的没汁计算方法。 硕士学位论文 目前桩墙式围护结构的计算有三种基本方法，即极限平衡法、土抗力法和有 限单元法hj 。 1 、极限平衡法：是日前工程设计人员最常用的方法，其要点是假定作用在 挡土结构前后墙上的土握力分别达到被动和主动土压力，采用经典土力学理论计 算出土压力。在此基础上再作某些力学上的简化，把超静定的结构力学问题简化 为静定问题求解。等值梁法、静力平衡法、太沙基法等都属于此类，圜内采用较 多的足等值梁法和静力平衡法。此类方法难以反映深基坑丌挖过程中各种因素对 支护体上土压力分柿的影响，多是某些特定条件下的近似，且此法无法计算出支 护结构的水平位移，没有反映施工过程中支护体受力的连续性，只是一种浅基坑 或支撑刚度很大情况下的近似，对于支撑层数较多的深基坑，特别是软土地区深 基坑支护结构，其计算结果与实际出入较大。 2 、土抗力法：又称“地基反力法”、“弹性抗力法”、“竖向弹性地基粱的基 床系数法”等。它针对常规设计方法中支护结构内侧被动土压力计算中的问题提 出了改进。引用横向抗力的概念，将外侧主动土压力作为水平荷载施加在墙体上， 用弹性地基梁法计算支护结构的变形和内力。内侧土对墙体的水平支撑用弹性抗 力系数模拟。当前固内常用的方法有四种：张有龄法、“k ”法、“m ”法、“c ” 法。其中“m ”法在我国工程界应用最为普遍。 由于弹性地基梁法( 即坍法) 较适合软二i ：地基因而得到了j 。泛的应用，但是：1 ： 程界对m 值的选墩存在着很大的随意性，规范也只是给出了m 的参考范围，我 国最早应用的m 值引用 二前苏联，后来我困公路部门根据桩的水平静载试验资料 于1 9 7 4 年提出了修j 下的m 值，然而仍较多的依赖于经验进行选取。如何选取合 适的m 值成为一个热点问题。而随着反演理论在软土工程，特别是在基坑工程中 地推“应用，为工程界根据现场崎测资料反分析确定模型计算参数提供了一条新 的途径。 3 、有限元法：它可以从空间、时问】二比较全面的反映各种闲索f 吲结、渗流、 流变) 对支护结构及周围上体应力、位移的影响【8 l i 直接解得墙体侧向位移和地表 沉降及深层沉降，还一，以对分层开挖施工过程进行模拟。有限单元法分为杆系有 限元法、平面和空i h j 问题有限元法。 ( 1 ) 杆系有限元法 围护挡墙的内力和变彤用文克尔弹性地基粱法进行分析。将墙划分为杆竹 元，支撑作为一维的弹簧单i ，在可能产 被动土反力的部位以线性弹簧单元模 拟，土反力与弹簧变位的关系符合文克尔假定，弹簧刚度即卜层反力系数成试 验决定，也可采用经验值。 ( 2 ) 平面问题或空问问题有限元法 第一章绪论 首先应确定挡墙、土体、支撑等的力学模型。土体模型可以假定为线弹性的、 非线性弹性的，如需要确切地反映土体的应力、位移状态，则可采用弹塑性模型 及反映塑性性质的屈服准则。对于平面问题单元的选择，目前应用较多的是四结 点或八结点等参单元。挡墙一般假定为二结点弹性梁单元，支撑为一维弹性杆单 元。 许多学者采用有限元法作为科研的主要计算手段，如河海大学高俊合博士用 有限元模拟了基坑 ：程渗流与固结的耦合作用，同济大学研究人员用有限元模拟 了土体流变和基坑支护结构的空间效应等【9 i 。 1 1 4 基坑工程研究存在的问题 深基坑的开挖卸荷很容易产生土体滑移、支护桩变位、坑底隆起等工程事故， 给国家造成巨大的经济损失及广泛的社会影响。基坑工程面临的条件是复杂的， 而且是动态变化的。目前，我们采取的计算理论和计算方法有很多值得商榷的地 方： 1 、土压力是作用在基坑支护结构上的主要荷载。目前，土压力的确定基本 上还是沿用古老的朗肯、库仑土压力理论。在侧向土压力的计算中，地下水对土 压力影响的认识还不统一，足采用水土合算还是采用水土分算，许多专家各执己 见，并就此展开了大讨论【1 0 。”】。 2 、深基坑开挖过程对上压力有很大影响，基坑的丌挖过程实质上足基坑开 挖面及挡墙面水平方向的卸荷过程。这一过程使地基土的初始应力状态发生了改 变，地下水位发生变化。这些变化对土压力的大小产生了很大的影响。有资料表 明，卸荷状态下粘性土的工程性质与加荷状念有很大差别。 3 、摹坑支护设计中，采用在基坑丌挖前进行的勘察所提出的参数进行设计， 是一种静态的设计，而在实际基坑开挖过程中，土体参数足不断变化的。 深基坑工程是土体与围护结构体相互作用的个动念变化的复杂系统，仅依 靠理论分析和经验估计是难以把握在复杂的开挖条件下基坑支护结构与土体的 变形破坏，也难以完成可靠而经济的基坑设计【1 6 】。 基坑支护设计是个设计一信息化施工一变形预测一反馈与决策一再设计 的动态过程。设计处于动态过程中，随施工过程及反馈信息不断优化调整。通过 施工时对藜个基坑工程系统的监测，可以了解其变化的态势，利用监测信息的反 馈分析，就能较好地预测系统的变化趋势，当出现险情预兆时，可做出预警，及 时采取措施，保证施： 和环境的安伞，j l 安全储备过大时，叮及时修改设计，削 减围护措施，通过反分析，调整计算参数，总结经验，提高设计和施工水平。 1 2 基坑监测系统 在深基坑开挖的施工过程中，基坑内外的上体将山原来的静止土堰力状念向 硕士学位论文 被动土压力状态转变，应力状念的改变引起罔护结构承受荷载并导致圈护结构和 土体的变形。围护结构的内力f 围护结构的内力、支撑轴力或土锚拉力等) 和变形 f 深基坑坑内土体的隆起、基坑支护结构及其周围土体的沉降和侧向位移) 中的任 一量值超过容许值，将造成基坑的失稳破坏或对周围环境造成不利的影响。另一 个方面，岩土体足一个不确定的系统，理论和经验很难把握基坑在开挖过程中基 坑土体和结构的变化。斟此在深基坑施工过程巾，h 有对基坑支护结构、基坑周 围的士体和建筑物进行全面、系统的监测，才能对基坑支护结构、基坑周围的影 响程度有全面的了解，以确保工程的顺利进行。 近年来相继颁布实施的上海基坑工程设计规程、深圳地区建筑深基坑支 护技术规范都对现场监测作了具体规定，将其作为基坑施工中必不可少的组成 部分。 基坑工程施工现场监测的内容分为两大部分，即围护结构本身和相邻环境。 围护结构中包括围护桩墙、支撑、困檩、圈梁、立柱和坑内土层等五部分。相邻 环境中包括相邻土层、地下管线、相邻房屋等三部分，具体见表1 1 【1 7 1 。 光纤传感器自2 0 世纪7 0 年代问世以米，得到了广泛的关注，光纤传感器的 工程应用研究发展迅速。光纤传感器具有抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵 活方便与精度高、频带宽、单位长度上信号衰减小，而且容易实现远距离信号传 输和测量控制，尤其适用于恶劣环境中，因而受到广泛应用。目前，光纤测量技 术在土木工程、航空航天、船舶运输、电力工业、石油化工、医学、核工业等领 域有着非常广泛的应用【”j 。自从1 9 8 9 年美国斫j 朗人学的m e n d e z 等人首次提出将 光纤传感器用于土木工程测量以泉，山于光纤传感器自身优点，并且可以附着在 工程结构的表面，也可以埋设在结构内部，监视其运行过程、缺陷的形成和发展， 许多国家的专家学者丌始将这一高新技术应用 二土木工程的研究，月：发了用于测 量不同参数的光纤传感器，如应变、温度、位移等。近几年来，光纤测量技术在 岩土工程领域也得到越来越广泛的应用，丰要用于桥梁、大坝、隧道、高层建筑、 公路路面等工程结构的安全维护【1 9 】。 前i 里渊光时域反射计( b r i l l o u i no p t i c a lt i m e d o m a i nr e f l e c t o m e t e r ，简称 b 0 1 d r ) 的测量技术是国际上近年来才研发出来的一项用于光通讯和各类建( 构) 筑物应变监测的尖端技术i 加】。b o t d r 足种基于柿里渊散射的分和式光纤应变 监洲技术。应片j 该技术可以测齄光纤沿线的应变分和，如果将光纤埋改在结构物 内部或者粘贴在结构物的表面，可以得到结构物相应位置的应变分布信息。本文 提出利用b o t d r 技术测量蛙坑丌挖过程。l ，土体的深层位移。将光纤附着于普通 测斜管之上，得到光纤沿测斜管的应变分行，并将之转化为测斜管挠度，从而实 现土体深层位移的测量。 第一章绪论 表1 - 1 基坑l ： * 现场监测内容 t a b l e l - 1t h em o n i t o r i n gi t e m si np i t 序号监测对象监测项目监测元件与仪器 ( _ ) 隔护结构 ( 1 ) 桩墙顶水平位移与沉降 经纬仪、水准仪 ( 2 ) 桩墒深层位移测斜仪 1 围护桩墒 ( 3 ) 桩墙池力钢筋应力传感器、频率仪 ( 4 ) 桩墒水l 压力压力盒、孔隙水压力探头、频率仪 2 水平支撑轴力钢筋麻力传感器、位移计、频率仪 ( 1 ) 内力钢筋惠力传感器、频率仪 3 同檩、圈粱 ( 2 ) 水平位移经纬仪 4 立枉乖直沉降与隆起水准仪 5 坑底士体垂直隆起水准仪 6坑内地。f 水水位监测井、孔隙水爪力探头、频率仪 c j 柙邻环境 ( 1 ) 分层沉降分层沉降仪、频率仪 7 相邻士层 ( 2 ) 水平位移经纬仪 ( 1 ) 乖赢沉降水准仪 8地下管线 ( 2 ) 水平位移经纬仪 ( 1 ) 乖直沉降水准仪 9 相邻房埽( 2 ) 倾斜 经纬仪 ( 3 ) 裂缝裂缝监测仪 ( 1 ) 水位 监测井、孔隙水压力探头、频率仪 1 0坑外地下水 ( 2 ) 分层水压孔隙水压力探头、频率仪 1 3 变形预测 在目前地下工程中，特别是1 1 特殊地下工程，利f ； j 监测数据，对地下工程 支护结构及围岩的发展趋势加以预测，从而指导簏工措施的选择和再设计工作。 所采用的预测方法也多种多样，如灰色预测、时帕j 序列分析和神经网络及数值分 析方法等。 灰色系统理论是我幽邓聚龙教授二1 9 8 2 年创立的。灰色理论认为，部分信 息已知、部分信息未知的系统为灰色系统，系统的行为现象尽管是朦胧的，数据 是杂乱的，但它足有序的，具有整体功能，杂乱无章的数据后面必然潜减着内在 规律，通过科学的处理，可以找 其规 - i t 十, t - 。灰色系统理论将一些随机上卜i 波动 时间序列的离散数据序列进行累加，累加生成处理的日的在于减弱数据列随机 性，提高其内在规律，然后进行建模预测【2 1 l 。将基坑变形系统作为一个灰色系统 采用灰色系统预测理沧对基坑变形进行预测f 捌。作为预报用的模型一般为 g m ( n , 1 ) 模型，而应用最多的是g 肼n 1 ) 模型f 2 3 】。灰色预测模型在大多数情况卜 是相对粗糙的，其原凼是这种模型要求累加生成数列具有指数规律，然而，一个 硕士学位论文 非负的时间序列其累加e 成数列事实上常常不具有指数规律1 2 4 1 ，有时具有近似指 数规律，但近似程度不好。同时文献【2 5 1 指出，在基坑变形预测中，狄色建模还 遇到了另一个无法解决的问题。因灰色建模用的数据序列要求为非负的，如果实 测数据全都为负，我们可以不考虑负号进行处理。然而，有些实测数据却是有m 有负，如地下连续墙的水平位移监测数掘，其位移有时向土体方向移动，有时又 向基坑方向移动，j f 负号代表墙体的位移方向，这类数据在用灰色建模处理时， 不能不考虑符号，其累加生成数列根本不具有指数规律，因此不能用狄色建模进 行预测。 时间序列分析主要是指采用参数模型( 如a r ( 甩) 模型) 对所观测到的有序的随 机数据进行分析与处理的一种数据处理方法【2 6 】。时序分析法作为一种动态分析 法，它的目的在于通过对同一监测项的平稳观测序列进行数据处理，找出监测项 的变化特征、变化趋势，用某一代数式去描述监测序列前后之间的数学关系，进 而利用这一关系式对未来某一时刻的监测值进行预报，为工程建设提供依据。时 序分析方法作为纯数学工具引入岩土工程，缺乏对此物理意义上的把握，若时间 序列分析方法建模与岩土工程的物理意义相结合，充分发挥时间序列分析对数据 的预测和过滤功能，对于把工程经验上升到理论的高度将具有一定的作用旧。 上述预测方法通过对j f ；【测数据的处理分析，找出数据变化的规律与特征，获 得变形体的形变信息，从而完成预测工作，用纯数学的手段即数据变化规律来描 述基坑开挖中众多因素的影响。但工程本身的模糊性、非线性特点，很难用传统 数学方法建立显示的输入输出关系。基坑变形的影响因素太多，各种因素的影响 程度又很难确切表达，但它们的影响结果都反映在所监测的变形量中。所以，各 种基于模型的数学方法包括狄色预测等方法进行基坑变形的预测常常误差很大。 神经网络是采用物理可实现的器件或通过计算机来模拟人脑中神经网络的 某些结构与功能，并反过来应用于工程或其他领域。目前应用较多的是b p 网络。 应用神经网络解决具体问题，包括以卜i 四个基本步骤：( 1 ) 分析具体问题以确定 合适的网络结构；( 2 ) 收集整理i ) l l 练和测试样本；( 3 ) 将训练样本输入网络进行训 练，并用测试样本检验刚格性能；( 4 ) 将训练好的网络提供给用户，用以解决实 际问题。神经网络的设计包括输入、输出变量的确定( 即输入、输出层的神经元 数目) 和选择隐层数及隐层单元数目。网络的输入、输出单元数需要根据具体问 题的输入、输出变量确定，输出变量即期望的解，而输入变量是输出变量的影响 凶素。它由大量而简单的处理单兀( 神经元) 7 。泛地相连接而形成复杂系统，具订 很强的容错能力和学习功能。它不需要任何数学模型，只靠过去的经验来学习， 其本身具有的自适应性、非线性和容错性等特性特别适合于处理模糊的、m 线性 的、含有噪声的数据。可用于预测、分类、模式识别、。 f ：线性回归、过程控制等 堑二主竺笙 _ _ - _ - _ _ _ 一一一 各种数据处理的场合【矧。1 3 p 网络中隐层数目和每个隐层的单元数目对4 j i l 练效果 和预测精度有较大影响。理论证明1 2 9 1 ，对于任何在闭区间内的一个连续函数都可 以用一个隐层的b p 网络米逼近，因而一个三层的b p 网络町以完成任意的 维 到。维的映照。但是对于b p 网络而言，隐层单元数的确定是成败的关键，这也 关系到分析结果的准确性，隐层单元数太少，则网络所能获取的用以解决问题的 信息太少，可能训练不出来，或网络不强壮，不能识别以前没有看到的样本，容 错性差，但隐层单元数太多，不仅增加训练时间，更重要的是过多的隐层单元还 可能出现所谓“过度吻合”问题，即网络把训练集旱的一些无关紧要的非本质的 东西，也学得惟妙惟肖，f f i i 当输入新的非训练样本时，网络性能极差。 数值分析方法，主要是通过实际观测信息反分析确定物理力学模型参数，再 对后期响应进行预测，即反分析方法，它是目前在实际土木工程应用方面研究较 多的一种方法。随着基坑工程5 1 ：挖的不断进行，我们对场地的土体介质可以得到 更好的理解和掌握，从而可以有针对性地进行修改。基坑的开挖过程是一个动态 的过程，土体介质性态受开挖影响不断发生的变化，导致计算参数的不确赳。 而利用现场量测信息确定计算参数的反分析方法可以较好地模拟基坑系统的力 学性态1 3 1 】，同时为基坑的变形预报技术和基坑的信息化施工奠定基础。有限元法 是岩土工程问题中最常用、最成熟的一种数值分析方法。在深基坑支护中，有限 元分析可以合理地考虑土和支护结构之问的相互作用，分析开挖卸载条件下土体 和支护体各点的应力与位移。因此和常规设计计算方法相比，有限元法除了可从 整体上分析支护结构及周围土体的应力与位移性状外，还可适用于动态模拟计 算，不仅为事前设计与方案比较而且办为信息反馈施工管理提供适时处理手段。 1 4 本文问题的提出 1 4 - 1 本文的研究思路 理论和监测相结合是指导岩土地下 i 程设i t - , f n 施工的证确途径。由于软土地 卜- 工程中地质条件、荷载条件、材料性质、施_ 条件和外界其它因素的复杂影响， 很难单纯从理论上预测工程可能遇到的问题。凶而在施工过程中跟踪施工活动， 对围护结构的受力和变形情况进行量测，将理论分析与现场工程监测相结合，以 取得的工程数据与预测值相比较，并以现场监测的数据为依据，能较可靠地反映 出工程施工所造成的影响。鉴于此，本文提出基于监测信息的反演分析法，反演 土体参数，预测支护结构的变形，指导基坑施工。 光纤传感器由f 其一i 可比拟的优越性，受到广泛关注。光纤测量技术在岩土 工程领域也得到越柬越广泛的应用，主要用十桥粱、人坝、隧道、高层建筑、公 路路面等工程结构的安全维护，而将光纤测试技术引入基坑工程监测系统是一个 全新的课题。 硕士学位论文 1 4 2 本文的主要工作 1 、介绍反演分析的发展及现状，基于有限元和数学规划的深基坑工程反演 方法。 2 、对位移分量进行灵敏度分析，使用0 - 1 整数规划法选取灵敏度较大的位 移分量组成位移分量的最优组合。 3 、讨论围护结构中支撑位置、支撑刚度、围护桩刚度、圈护桩嵌入深度对 围护桩变形的影响。 4 、编制相应反演分析程序，讨论反演分析结果的适定性，用反演得到的土 体参数计算下一工况的基坑深层土体位移，并与位移实测值进行比较，说明反演 分析的可行性。 5 、首次将光纤测试技术引入基坑监测系统，用于测量在基坑开挖和地一f 室 施工过程中土体的深层位移。解决了在基坑工程中光纤如何埋设、铺设的问题， 并结合基坑工程的特点，提出了将光纤应变转换成变形的计算方法。通过工程实 例，证叫了光纤测试技术测量深层土体位移是呵行的。 第二章深基坑工程反演分析理论 第二章深基坑工程反演分析理论 2 1 概述 深基坑支护体系是一个动态系统，具有不确定性、多元性和时域性等动态系 统特性。虽然深基坑工程是当前的研究热点，并取得了不少成果，但就其设计而 言，一般都侧重于将其作为一种完全可预见的系统，利用施工前所得到的信息， 如场地岩土工程条件、环境条件、荷载状况、基坑形状等，进行分析、计算和设 计。这种事前设计是个深基坑工程的基础，在深基坑开挖之前的这个设计阶段 进行优化设计( 概念设计和优化计算) 也是非常必要的。但是，在施工之前了解到 的信息，其局限性显然存在，如在勘察阶段不一定能完全查明场地内的软弱火层 或透镜体、地下管网或障碍物，不能完全模拟深基坑丌挖时的应力路径进行土的 力学强度试验，未进行专门的水文地质勘察，环境荷载和气候条件往往也存在着 变数。 作为一个动念系统，复杂环境和地层条件f 的深基坑丌挖和支护工程，遵从 以下施工过程力学原理： 1 、在深基坑工程特有的时域内，随着丌挖的深入，土体平衡被破坏，应力 重新分布，其特性随时m 都在变化； 2 、深基坑工程中的上体产生了力，往往又是受力或传力者，如道路、建筑 物荷载通过基坑边坡土体传递到支护结构i ： 3 、基坑工程的动态施工过程，除了支护墙体结构的初始施作外，主要包括【3 2 】： ( 1 ) 土体在平面卜的分区和剖而e 的分层丌挖； ( 2 ) 内支撑结构和锚朴的逐道设置： ( 3 ) 预加荷载的逐级施加、墙体结构的逐次锚固： ( 4 ) 临时性支撑结构的逐道撤除。 此外，还存在于基坑最终开挖深度之下的底部注浆加固及井点降水等辅助性 控制阶段。支护体系和周围土体的响应( 力和变形1 是动态的。基坑幽护系统本质 上是一个对开挖方式及外界环境十分敏感、具有易变性和不可预测的混沌体。因 此在深基坑工程施工过程中，必须实时地模拟施工物理过程，进行动态响应监控； 利用监测数据对支护结构的安伞+ 陀态做出评估，并通过动态反演将得到的有关土 体参数，用于下一阶段响应的预测，以便及时加强支护结构、修改施工方案或采 取其它必要的抢险措簏，做到动念没汁和信息化施工。 由于试验条件的限制、试样的扰动、仪器精度不足、模型小能正确模拟土体 的受力状念、土体性质具有可变异、不均匀等4 ；确定性，通过试验获得的土体参 数往往带有很大的误差，即使采用先进的分析方法，采用数值分析的结果也往往 硕士学位论文 不可靠。因此用基于现场实测位移的反分析方法柬确定土性参数值就具有重要的 理论价值和现实指导意义。另一方面，由于士体的非线性和塑性，土的材料性态 参数是随应力状态、应力历史而变化的，不同应力阶段有不同的数值a 而深基坑 的开挖是一个动念过程，土体被扰动后，其力学状态不同于开挖前，因而参考勘 察报告确定其力学参数用于计算深基坑丌挖和支护的全过程和工况，势必存在着 一定的误差。只有用最新的实测数据去反演它的力学参数j 是最接近实际情况 的，由此计算的结果才是最令人信服的。 2 2 反演分析的现状和发展 2 2 1 概述 自1 9 2 5 年t e r z a g h i 开创现代土力学以来，岩土力学的理论研究已取得了很 大发展。特别是6 0 年代开始，随着计算机技术的不断提高以及岩土介质本构关 系研究的不断深入，岩土工程数值计算取得了巨大的进步，使许多复杂的岩土力 学性质，诸如塑性、粘性、各向异性以及多维固结问题，都能通过数值分析的手 段在一定程度上得以反映，以真实描述岩土介质的力学性念。在实际应用中，为 了建立计算模型并取得必要的计算参数，对钻探、取样以及室内外试验技术也进 行了不断研究，力求通过理论计算分析对实际工程问题进行更为准确的预测，指 导工程设计与施工。尽管如此，在许多实际工程中，理论分析预测结果与实际仍 存在较大的差距，由f 岩土工程问题的复杂性，在设计与理论分析中不可避免地 存在各种不确定因素，如地层分柿、初始边界条件、模型选取以及参数确定等。 事实上，在某种情况下进行理论分析的一些基本条件很难或根本不呵能准确获 取。凶此，传统的设计方法，即施工前确定设计方案并以此指导整个施工过程， 常会导致工程在施工期间或建成后出现诸多问题，严重者使工程失稳或失效。这 些实际工程中出现的问题，不但使岩1 二力学理论研究失去了实际意义，也阻碍了 其进一步发展。 t r e z a g h i 在长期的岩土工程实践中总结提出了观察法( o b s e r v a t i o nm e t h o d ) 并 在许多重大工程中应用取得了成功。其中心思想是：在施工过程中进行观测，将 观测信息与理论分析预测结果进行比较，必要时修改原设计以确保工程安全或节 约工程投资。p e c k 对这方法的具体实施以及利弊都做了较为详尽的阐述。观 察法的提出，为应用二i 二力学的研究丌辟了一条新的途径。后来的研究名们在研究 中又赋予了这种方法以新的名称。m a t s u o 和a s a o k a 将其称为动念设计法 ( d y n a m i cd e s i g np h i l o s o p h y ) ，j 之年h 对应的传统设计方法成为静态设计办法 ( s t a t i cd e s i g np h i l o s o p h y ) 。g i d a 和s a k u r a i 则将其称之为可变( f l e x i b l e ) i 崩, t 法， 而将传统设计方法成为固定( s t i 蜘设计法1 3 3 1 。曾困熙解释了浚方法的艰本含义： 在工程开始尚未施工的阶段，先利用室内外试验的参数按一定方法计算并设计。 第二章深基坑工程反演分析理论 此后，利用施工第一阶段的观测结果反分析所得基本参数修改原设计，并做第二 阶段的设计，又利用第二阶段的观测结果反分析参数进行第三阶段的设计，以此 类推。利用观测结果反分析或推算可以得出比较符合实际的计算结果。出此可见， 利用观测结果反分析基本参数无疑是观测法能否顺利实施的一个重要环节。 2 1 2 2 反演理论研究的发展 反分析方法的研究始于上世纪7 0 年代，由于其具有较强的工程应用价值， 很快受到许多学者和工程师的关注，并在较短时期内取得了大量成采，已逐渐成 为岩土工程学科的一个分支，并初步形成了独立的理论体系，即岩土工程反演理 论。反演分析是基于正演分析的逆过程，它们的有机结合，促进了岩土工程理论 研究在实际工程中的应用。反演分析在一定程度上能揭示出理论研究中存在的一 些问题，推动理论研究的进一步