（地质工程专业论文）信噪分离技术在深水群桩基础受力分析中的应用.pdf

摘要 苏通大桥桥位区临近长江阴，河床覆盖层松软且深厚，位于深水环境的超大型群 桩基础受双淘强潮汐的影响，潮位涨落使群桩基础承受的浮力存在2 m n 的波动； 高度达3 0 0 4 m 的索塔在日照辐射的影响下将产生周日的倾斜变形。这些环境因素使 基桩轴力豹原型观测数据包含强烈的嗓声，严重干扰基桩承载力预测模型的建立和群 桩基础传力枫理的分析。本文依托国家球十一五科技支撑项霉一“苏通大桥建设关 键技术研究耜群苏通大桥索塔地基基础稳定及安全鳖测 ，竣主桥毒乏索塔群桩基础 为研究对象开展以下工作： ( 1 ) 在阐述桥位区水文气象条件和地基基础组成结构以及主体工程施工过程的 基础上，深入分析了影响基桩轴力的外在因素。 ( 2 ) 在对比舀前常用的数据粮差识别方法的基础上，裉据基桩轴力原型观测数 据的特点，结合实例阐述了小波分析方法在基褫轴力监测数据粗差识别和剔除中的应 蔫。 ( 3 ) 根据论文研究需要，开展苏邋大桥桥使区潮位等环境因素、主桥基桩轴力 和索塔应力的专题同步观测，获取了大量原型观测数据。 ( 4 ) 采用回归分析鞠小波分层消噪技术相结合的方法，对样本大的高频度自动 采集数据进行信嗓分离处理，逐层分离出潮位、日照辐射和季节性温差对基桩轴力的 影响，并据以建立了考虑环境因素影响的基桩辅力修正公式。这个公式同样可以用于 定麓人工观测数据的环境因素修正。 ( 5 ) 剥用修正公式，对主体工程施工过程中的基摭轴力人工观测数据进行潮健、 日照辐射和季节性温差的修正，从而得到基桩轴力与工程荷载的全过程时程曲线，为 基桩承载力预测模型的建立奠定了基础。 关键词：苏通大桥，基桩轴力，原型观测，租差，环境因素，小波，信嗓分离 a b s t r a c t 弧es 渤n gb 矗d g ei sn c a fy 黻啦e 黜v e re 咖删w h m er i v 硒c do v 咖w d c i li ss 旅 爨md e e p ， h es h p 静蝣翡p i l e 黜i l p 如穗堪8 囊i o ni s 翁髑肇e e d 姆s 撼疆g 嶙d i 姆e 磊攒l 鲢熏量& ，如 b u o y 嬲c yc h 搬g ec a ：u s e db y 醐ec 熊r e a 婊2 0 0 m n ；娃蝣3 。4 mc a b l e 幻w 嚣诚l l 秘醛戤e i n c l i 燃岖o nd 啪m l a t i o nd a yb yd a 孓a l lo ft l l e s e 以l v i r o m n e n t a l 燃m a k e 璩ep r o t o t y p e o b s 髓v 斑晤撼o fa x 主a | 硒o ff o m 通a 矗o np 程e 髓t a 诹s 昀n gn o i s 豁，w b ic _ hm a k ei th a r dt o 颤戚搬酣或纽筘赫兹鲳b 始矗鲳e 神撕哆o f 涮艇o n 缚l 懿褫d 耄。黼a l y z e 馈撼 l o a d 硇嬲至巍搬e c h 黻i s 搬o f 耍l e 罂拱攀w i 魄盘e 囊落p 跹s c i 攒赡e 麓避协| 。溉o l o 窑：y 躐嘲脚撼g i t 蝴o f “e l e v 雠m f i v e ，讲l i c hc o n c l u d e s “r e s 倒r c ho nk e yt e d 搬o l o 蹦i nc o n s 觚c t i o i lo f s 娥嘲瓤d 辨”a 聪“孙糯d a 基雠& 玉i l 姆雒ds 鑫数y 毂i 搬诬go f 壤ee 揪苗翔w 嚣o f & 嘲弧毫寥”，溺e a 糕漱髂。建瓤联烛e 幽l e 沁w 燃鑫糙a s 熟l l o w s ： ( 董) m e l o 嘲蛰l o 垂e 鑫差a 薹迭o c e a 憝。髫翟挈撼c 弱攒纛捌醛，鞠噎坤o s 瓣滩s 觚c t 疆奄o f 董b 鼍毽d 鑫蛙。娃， c o n s m 丑c t i o np 舯c 锱so fm a i np r o j e c ta r ed e 8 c r i b e d ；i i l f l 懈l c i n gf a c t o r st l l a ta f r e c ta x i a lf o r c e o f 鼬m d 鑫i 溅瘁l ea 熊搬a l y z 西， ( 2 ) m e 瓤难so f 糙g 砖i z i 糕g 耄：魏譬豁口s s e 翔a f e 整p 越尊d ，a e e o 稚i f 塔稔 斑e ，7c h a r a c t e 娃s 毫i 谌o fm ed a t ao fa x i 啦f o f o f 国u l 心a t i o n 西l 瓠l l o ww a v e l e l8 毂赫y s i sm 则 c 融b e 憾甜t o 糟c o 鲥鹅鲫s s r i s d 瓤i e d 蜘翮抵e d ( 3 ) 骶d ea n do t h e r 铷v i r o n m e n t a lf 沁t o r s ，a x i a lf o r c eo f 内u n d a t i o np i l e ，c a b l et o w c r s 汹e s 躺嫩躐睽琵随，溅遗鑫歉嘏謦罄稔姊e 秘s 燃v 毒d 莲蘸e s 黼或斑删 ( 4 ) b o mo fr e g f e s s i 雌a l l 烈y s i s 黼d 攮ew a v e l e ll a y e f e dd 昏i s i 端皴e 璐硪埝s 哮a 城e 鑫o i s c s 蠹漱黻建。魅艇ce 舔l l e 畦e d 莲蘸e s ，瓤曩醢懿e eo f 畦莲e ，s o l 磊薹蹦i 趣潍缀ds e 鑫s o 匿滋 t e 娜e r a t u r ed i 船r 铋c eu p o na x i a l 街r c eo ff o u n d a t i o np i l ea ms 神_ a r a t e ds t 印_ b y - s t 印 m o m 蠢甜勤倒雌鑫鑫鲑鹚重量艟i 趟聪黻e 豁o f 黼v 童魅搬黼l 采蠡g 幻堪i 豳c o _ 翻畦鑫瓣凳髓鑫越t o c a l 硼a t en l c 觚i a l 氛醒c eo f 豉m n d a t i o np i l e ，畦地m o d i 蠡舐氨m 姗l 鑫舔s oc 鑫娃b e 潞e d 妻o c a l 棚a t er c g 诽a rm a 芏l u 艇o b s e f v a t i o nd a t a ( 5 ) b yu s i n gt 量博瓣o d i 螽e d 融m u l 巩t h ei n 董l u 糊c e so ft i d o ，s o l a rr a d i a t i o na n ds e a s o n a l l e 耋】噙e r 熊秘e 攒糕b f e 致c oo 稳鑫x i 舔稻r c eo ff o 疆通a 镪搬p i l ea 糟m o 饿蠡酣，t l l e 汉躺，es h o w i n g b wa x i 舔氢粼eo f 麟a 专i 强搏l e 旗雒g 髂豁强蕾辩两蚤gl o 耐w a s 建鼯l i ，呔凌戮i 盘濂 f o u n d a t i o nf o r 缃u n d i l l gt h ep r e d i c t i o nm o d d so f p i l eb e 撕n gc a p a c i 啦 k i 翻拍州蒜：s 蜘甥黼d g e ，蕊舔纛艄eo f 董；凇聪a t i 傩p i l e ，p m 谂t y p e 拍s 嚣懈，g s s e 爨端镭蛾内嬲鼹罐f 氇攒q 搭，w 揪l e 学位论文独刨性声明： 本人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 褥的研究成果。尽我所知，除了文中特剔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。与我一阍工作的同事对 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。如不 实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 牡劣孵年月侈冒 学位论文使用授权说明： 河海大学、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) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 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。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅 和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办 理。 论文作者( 签名梵苍缒壅 埘年歹胃眵墨 1 、 第一章绪论 l 。l 阍题的提出 第一章绪论 群桩基础是最古老的基础形式之一。有关文献瓷料表暖，在史翦酶建筑活动中， 人类就已经在地基主条件不费的滗谷和沼泽地里采用群桩基础来建造房屋【l 。由于 麟桩基础具有承载力高、沉降速率低、沉降量较小藤且均匀、施工工艺成熟、施工设 备普及率高、施工风险小等特点【3 】，从而在高层建筑、重型或高耸构筑物以及桥梁工 程巾得到了广泛应用。随着国民经济的迅速发展和社会需求的增加，高层建筑物及特 大羹桥梁的规模越来越大，建设条件越来越恶劣，建设标准也越来越高，结构也越来 越笺杂，这些都对群桩基础豹承载力和稳定链提出了更高麴要求。 苏通太轿桥位区河床覆盖羼深簿( 超过2 7 慨) ，且临近长江霉，受双自强潮汐的 影峨，冲剁阅题突出【4 棚，必了使主塔基础能满足承载力和沉降的要求，并保证基础赝 引起的冲刷问题最小，故全桥所有基础均采用群桩基础。其中，主桥索塔基础采用了 长1 1 7 m 、宜径为2 8 州2 5 m 的变径超长大直径钻孔灌注桩群桩基础。虽然到目前为止， 国内矫已发表了大量有关桩基在垂向荷载、水平向荷载、偏心荷载、循环荷载、地震 蔫载俸蒡l 下酶桩基上部结构共祸诈溺、桩主糯互作用、桩基工作性态等的研究论文， 毽是苏通大桥工程翦期的静载试验翻、爨平衡试验、离心模型试验和数德模拟等酶辐 关研究均表明，超长大直径钻孔灌注群桩基础的承载性能弱显不弱予普遥的中长桩、 短桩，其承载性能除与土层条件有关外，还受长径比、桩土刚度比、尺寸效应及施工 因素的影响。因此，为了揭示超长大直径钻孔灌注桩的传力机理，确保施工过程中群 桩基础的安全与稳定，对群桩基础进行安全监测是至关重要的。 利用代先进的传惑器惑知技术对群桩基础进行安全蓝溯能够充分采集反映桥 梁施工和运营时鲢各辩参数帮数据，获取原型观测资料，实时发现不安全因素，扶两 可殴及时地对基础的安全状嚣做出评价，提出辅助决策建议，傈证桥梁工程及其群桩 基础施工和运行的安全。 随着自动化监测仪器的出现，安全监测可以获褥连续的实时监测数据。大量的监 测数据，为了解群桩基础的状态提供了基础。但是，就目前的科学技术发展水平而言， 安全监测仍仅能实现对现象( 响应量) 或作用( 原因量) 的观测【3 1 ，原始的监测数据 往往只麓展示事物的直观表象，同时传感器不霹避免地受到各种干扰甚至欺骗，原始 河海大学硕士学位论文信噪分离技术在深水群桩基础受力分析中的应用 监测数据总是信息和噪声的混合结果；受观测条件的影响，任何监测资料都可能存在 误差。因而虽有大量观测数据，仍很难据此对群桩基础的安全状况做出直接的评判， 要深刻地揭示规律和做出判断，从繁多的监测资料中找出关键问题，还必须对监测数 据进行解析、提炼和概括，这就要对监测数据进行分析处理。 苏透大桥桥位区临近长江鼋，处于感潮河段的深水环境，体积巨大的主桥群桩基 础的承台位于涨跌水位范围内，在钢套箱割除翦，l m 的潮位变化将弓随大约5 6 脒 的浮力变化。对于自动采集仪的数据，由于同一测次的数据采集所需的时间较短，可 以认为同一测次的潮位是相同的。而采用人工观测时，由于监测点数量多，完成一次 观测所需的时间较长( 1 个主墩基础约需4 h ) 。故同一测次中的不同测点所对应的潮 位不同，从而使得同一测次中的不同测点的测值所受潮位的影响也将有较大的差异， 使得同测次中的不同测点所对应的荷载存在较大差羿；苏通大桥主塔高3 4 撒，属 侧囱刚度较弱的离耸构筑物，受嚣照辐射的影响，向阳面的混凝土温度比背阳悉混凝 土湿度高，这种温差盼存在必将导致向阳面的混凝土产生膨胀变形，从而使索塔产生 倾斜变形。素塔的倾斜变形将引起承台一侧受拉而另侧受压，这种响应最终会作用 在群桩基础上；苏通大桥桥位区高温达4 2 ，低温达1 3 ，这种季节性的温差变化 也将对群桩基础的受力产生影响。显然，群桩基础安全监测的原始观测数据中叠加了 潮位、日照辐射、季节性温差变化和风载等许多外在因素的影响，这种影响在很大程 度上干扰了对群摭基础承载性憨的预测和判断。如何从原始观测数据中分离高潮位、 嗣照辐射、季节性温差变化对群桩基础的影响，从丽使监测数据只反映施工荷载引起 的基桩轴力响应，为桩基传力模型的建立提供合理精确的数据是监测数据分析中急待 深入研究的问题。本文在深入分析了桥位区的水文地质和工程地质条件的基础上，应 用传统的回归分析并结合新兴的小波分析理论对群桩基础的监测数据进行了分析处 理，逐步分离出了潮位、日照辐射、季节性温差变化对群桩基础的影响，建立了桩顶 荷载与潮位、日照辐射、季节性温差变化的关系式，为揭示桩基受力机理和保证桥梁 的安全施工提供了可靠的数据保障，网时也检验了基础设计的合理性。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 群桩受力机理的研究现状 群桩基础具有承载力高、沉降速率低、沉降量较小而且均匀等特点在高层建筑、 重型或高耸构筑物以及桥梁工程中得到了广泛应用。随着新材料的出现和桩基分析设 2- 第一肇绪论 计理论以及施工工艺的发展和完善，桩基的类型和工艺都有了长足的发展和飞跃，从 最初的木桩经历了钢管桩、人工挖孔桩最终发展到了目前广泛采用的钻孔灌注桩。钻 我灌注桩戮萁低嗓音、小震动、无挤土、投资少、施工风险小、工期短、施工工艺院 较成熟、对瀑流东沙条粹影响比较小( 与沉并提比) ，瓣阕围环境及邻近建筑耪影晌 小，能穿越各种复杂地层翻形成较大的单桩承载力，适应各种地震条件和不霹规模建 筑物等优点，在桥梁、高层建筑物、水王建筑物( 构筑物) 等工程中均得到广泛的应 用，现已成为深基础的重要型式之：贵阳绕城公路西南环线上的金朱大桥【9 】采用桩 径为2 2 m 的钻孔灌注桩；上海国际航运中心的集装箱深水港不可少的配套工程东海 大群糍采用桩径2 。5 m ，桩长约n o m 的大直径钻孔灌注桩；南昌市外环线上跨越赣江 连按南薹、蓦北酶生米大桥嘲、南京长江二桥【潮、三桥3 l 均为大直径钻孔灌注桩；位 子广莲南宁市懿金风凰南湖獭景工程【瓣、嚣安毒南郊的融侨紫薇馨苑嘲、上海世鞲 会重要配套工程5 0 0 如地下变电站【1 6 】、宁波真汉子离层建筑【1 露等离屡建筑亦采用钻孔 灌注桩。 ， 在实际的工程中，单群桩基础一般满足不了设计的要求，所以应用较少，为了满 足承载力、沉降以及整体稳定性的需要，群桩綦础往往设计成群桩基础。目前许多已 建和在建盼大跨度桥梁工程其基础都采用大规模的群桩基础，此类基础般通过承台 将大的上部蓊载传递绘基桩，这就决定了基桩具有大直径、超长、密集分毒的特点， 从蔼使褥此类基础具有群桩效应。在群桩效应的影响下，群桩基礁中的每个摭的受力 情况及其荷载传递的机理都不同于相应情况下的单桩。因此对群桩基础进行分板，深 入了解其荷载的传递机理，以便确定群桩基础的承载性能，这对大型群桩基础的设计 来说意义重大。 群被基础通常南若干根桩组成，桩身全部或部分埋入土中，顶部由承台联成一体， 爵在承台上修筑上部建筑。上部结构酶蘅载最终壶承台、桩和体共弱承担，桩共 网作霜的最终表现总是摭酶萄载一流降越线和桩身侧阻力鳇分布和变化规律。然焉影 响桩土共阕作用酶蹿素众多，不圆的桩基类型具有不同的工作特点，燕相同类型的基 桩在不同的土层中的表现又各有其特点，因蔗要正确地认识和分析群桩基础的惹载传 递机理，从而确定其承载力和沉降是十分困难的。总的来说，目前研究群桩传力机理 的方法可以归纳为三大类：原型监测法、模型试验法、数值分析法。 ( 1 ) 原型监测法。对群桩基础传力机理和承载性能开展原型监测工作，通过埋 设在结构中麴转感器来获褥基槛薛辘力、沉降、链移等数据，得到的结采较模型试验 河海大学硕士学位论文信噪分离技术在深水群桩基础受力分析中的应用 和数值模拟的结果要准确许多，所得的结果与工程实际也较吻合，不失为一种好的方 法。，但是由于进行这一研究所需的人力、物力、财力耗费较大，且前期埋设工作的 工期较长，目前研究的还不是很多。南京水利科学研究所、上海工业建筑设计院于1 9 7 5 年一1 9 7 9 年对软土上大型筒仓群桩基础进行了从施工到正常运转的原位观测渊；陈志 坚瑟翅对江阴大桥群桩基穑进行了现场监测，在群桩基础及上部结构施工期闻至通车运 营后2 个月前后共3 a 多时间内，6 4 个测点7 0 多次桩基轴力实测资料表明：该基础方 案毖确保将1 2 1 0 6 k n 的垂向荷载传递至地表以下2 触的地基岩体中，桩基嵌岩后 其承担的荷载能够很快地扩散到桩周岩体中；韩煊、张乃瑞【2 0 】进行了单桩、不同桩距 条件下3 根桩、6 根桩共6 组现场测试试验，在此基础上对比分析了单桩和群桩、群 桩中桩数和桩距以及端承条件不同( 纯摩擦与端承摩擦) 等影响因素下，不同方案所 得到的桩侧、桩端阻力随荷载水平、位移变化的分布特点和发展性状，总结了北京地 区群桩基础侧阻力、端阻力的分布特点和模式；贺武斌瑟1 l 进行了与工程实际相符合的 现场群桩试验，遵过安设的测试仪器对承台下土的反力、桩侧摩阻力、桩端阻力等进 行了测定，根据监测数据分析了基桩的桩侧摩阻力和桩端阻力特性，总结了此群桩基 础的荷载传递规律。 7 ( 2 ) 模型试验法。为了验证一种新的计算分析方法或为了能比计算分析方法考 虑更多的影响因素，麓较全面，而又形象地反映出群桩基础破坏失稳阶段的全貌，模 型试验是必不可少的手段。模型试验方法是按一定的毙例将原型缩小，通过在模型试 件上安装监测仪器来获得所需要的数据，从焉进行分析。模型所用的材料性质要与原 型保持一致，以保证模型的相似性和试验的精确性。模型试验一般比原型要小许多， 从而做出较多的模型来进行对比和统计分析，模型试验相比于现场试验来说，试验所 需的人力物力较少，且周期较短，是研究群桩传力机理、揭示其规律的一种较好的方 法。目前应用这种方法来研究群桩的传力机理的成果也较多。上海闵行砂桩试验小组 1 9 6 2 年在阂行进行了原型群桩承载力试验研究；唐由铁道学院的赵善锐也于1 9 6 2 年 在砂箱中进行了单桩与群桩关系的模型群摭试验研究；中国建筑科学研究院地基研究 所于1 9 6 4 年在黄浦江边亚粘土冲积层中做了野终大比例尺打入桩群模型试验，对群 桩的承载力和变形特性进行了研究；山东黄河河务局予2 0 世纪7 0 年代末在黄河边的 间有亚粘土夹砂的粉土冲积层中进行了大比例尺钻孔桩群的大规模试验研究，包括桩 群2 8 组、双桩2 3 组、单桩2 3 根，得到一些颇有价值的结论，并为以后类似工程的 设计提供了数据依据【1 弼；中国建筑科学研究院于2 0 世纪8 0 年代初在由东济南市进行 4 第一章绪论 了粉土中的钻孔群桩工作性能的试验研究，试验取得了高水平的研究成果【矧；谢涛【2 3 】 等人通过模型试验的研究，分析了群桩的承载性状，试验得出了在该试验条件下，对 于低承台群桩基础来说，由于承台和桩壁传递的竖向荷载，使桩间土的竖向压力和侧 向压力变大，从而提高了土体的强度，其结果会使群桩基础中基桩的承载力较单桩有 所提高；刘金砺【2 4 】通过不同土质中一系列大型群桩试验，提示了其在竖向荷载下群桩 侧阻力、端阻力、承台土抗力的变化和分布规律，据此得出了一些颇有价值的结论； 王年刮2 5 】通过1 8 根和6 4 根群桩的离心模型试验，获得了荷载沉降关系曲线、桩身 轴力分布，研究了在竖向荷载作用下超大型群桩基础的承载变形特性，分析了桩身轴 力分布、桩顶荷载分布等的变化规律：朱小军、杨敏f 2 6 】等在室内进行了三桩( 1 长有 短，桩间距4 d 及甜) 、九桩( 全短桩、1 长8 短及l 长8 短长桩带扩大头) 的长短桩 组合群桩基础模型试验，对长短桩组合群桩基础的荷载与沉降的关系、桩身侧摩阻力 分布、桩身内力以及长短桩组合群桩基础中长桩和短桩承载性状发挥状况等问题进行 了分析，得到了一些规律性的、有价值的结论。 ( 3 ) 数值模拟法。数值模拟计算能够较好地考虑材料的各向异性、非均质特性 及其随时间的变化、复杂边界条件等因素，随着现代大型高速电子计算机的迅速发展 和大规模计算技术的发展，数值计算方法在求解复杂工程问题中的应用也越来越广 泛，目前数值模拟方法已成为研究岩土工程问题的十分重要的工具，也为研究桩土共 同作用这类复杂的工程问题提供了新的思路。目前常用的数值分析方法有：有限元法、 有限差分法、边界单元法等。但从实用性和适用范围来说，有限单元法由于理论基础 明确，克服了有限差分法、边界单元法等其它各种方法在理论上的局限性，它能够在 计算中同时考虑桩基的诸多因素，如群桩效应、非线性变形、桩土接触效应等。所以， 可以用有限单元法来模拟群桩基础的施工工序，分析群桩基础的受力机理和承载能 力，并以此作为定量化指标和依据来指导实际工程的设计和安全判定。可以说，有限 单元法已经成功渗透到岩土工程领域的各个方面，是最被广泛采用的一种有效的数值 计算方法之一。 现在，许多工程师都运用有限元法来对群桩的传力机理和承载性能进行研究。曾 友金暖7 】用a n s y s 软件对某特大桥索塔哑铃型承台群桩基础与土体共同作用进行了三 维弹塑性有限元分析，较好地模拟了竖向荷载作用下特大型群桩基础桩土间的相互作 用，整理得到了承台沉降与承台荷载的关系曲线、桩顶轴力分布、桩项轴力随承台荷 载变化的关系曲线，深入分析了群桩基础的承载变形特性；王幼青、衣北宇【2 8 】用 河海大学硕士学位论文信噪分离技术在深水群桩基础受力分析中的应用 a n s y s 有限元对不同桩距的4 桩和9 桩足尺寸低承台群桩基础进行了数值模拟试验 分析，研究了不同桩数、不同桩距、不同承台尺寸对群桩基础工作性状的影响，指出 了同一承台下不同位置的基桩轴力发挥性值不同，角桩、边桩、中心桩轴力发挥依次 减小；张雄文【2 9 】运用三维非线性有限元方法对苏通大桥群桩基础进行了模拟分析，得 到了基桩轴力分布规律和桩侧摩阻力发展情况，指出了桩项辘力在平面上的分布具有 很强的不均匀性，周边桩( 尤其是角桩) 的轴力明显大于中间桩；不同部位的基桩其 桩侧摩阻力发挥程度不同；王瑞芳【3 镄用有限元来模拟九桩低承台群桩的工作机理，透 过数值分析，指出基桩的侧摩阻力和端阻力均是角桩最大，边中桩次之，中心桩最小， 为充分发挥群桩的工作特性，可采取加密边桩、减少中心桩数量的措施来进行工程设 计；吴鹏【3 l 】将有限元法和荷载传递法相结合，利用大型通用有限元软件a b a q u s 对 超大直径超长桩组成的群桩基础的承载性状进行了参数分析，分析了桩数、桩距、桩 长、桩径、土变形模量、土粘聚力等因素对群桩的荷载一位移曲线以及桩顶轴力分布 的影响规律；张慧吲等采用三维菲线性有限元无限元接触面单元耦合数值模型，研 究了承台下土体承担荷载比例和不同桩长、桩间距条件下群桩基础中承台下土体反力 分布特征；江涛【3 3 埔a b a q u s 有限元软件对不同桩躐和不同桩数条件下的群桩作了 三维有限元计算，分析了基桩轴力、桩侧摩阻力、桩端阻力随桩距和桩数改变的变化 规律，结合工程实例，对苏通大桥超大型群桩基础进行了三维非线性有限元分析，探 讨了大直径超长桩群桩基础的传力机理，研究了桩顶轴力、桩身轴力、桩侧摩阻力、 桩端阻力以及桩基沉降的分布和变化规律。 l 。2 。2 安全监控理论的研究现状 随着公路的发展、轻质建桥材料的生产和重型起吊设备的制成，为适应社会生产 发展，需要建造大量的跨海、越江大跨径桥梁，丽这些桥梁的建设条件越来越恶劣， 建设标准也越来越高，结构也越来越复杂，为了保障桥梁建设的安全进行和能够及时 判断桥梁状态、改进设计和施工，必须对桥梁进行安全监测以此来实现施工过程的信 息化。 在国外，在桥梁建设领域的信息化程度已经比较嵩，桥梁施工安全监控的自动化 程度也比较高，近年来随着我国经济地增长和人力投入的增加，我国桥梁施工监控技 术也褥到了长足发展。安全监控【3 4 4 s 】技术在桥梁工程中的发展主要表现为： ( 1 ) 安全监测仪器的发展 变形监测仪器的发震。沉降和不均匀沉降是反映群桩基础施工安全和施工质 6 第一颦绪论 量豹重要指标，通常可采用大地测量方法来测量。随着高精度微压传感器技术、光电 式静力水准技术和剖面沉降观测技术的研究和应用，可以大大提高基础交形监测的精 度。 割面沉降瓣溅技术楚在桥梁承套孛预埋剽蘧沉降管( 包括纵桥淹和横桥向) ，采 用移动式商精度剖巍沉降仪进行定期人工蕊测。横据需要随时开展定期观测，溪测时 间灵活；戏测点间距可根据需要确定，最小测点闻距可采用2 0 镰l ，可获德超大型群桩 基础沉降的平面分布规律( 或承台的挠曲变形) ； 静力水准观测技术是在超大型承台顶面定点布置由多个静力水准仪构成的静力 水准蕊测系统，各静力水准仪之间通过连通管建立水力联系和大气连通，利用液面平 篱原理实现各静力水准点之闻的差异沉降观测，特别适合那些要求高精度蓝测垂直位 移的场合，可以监测到o 0 3 倒畦垂冬高程变纯； 微压传感器作为水位传感器使用时，其测量原理和静力水准系统是一样的，只是 据读数直接计算出的是压力差，还需通过压力差转化为禽程差，从两霉导如各测点沉降 值。美国g e o k o n 公司生产的g k 4 5 8 0 型振弦式微压传感器，可以测量出0 2 h u n 的 高稷变化。 差动电阻式传感器的发展。差动电阻式传感器近年来解决了长导线电阻、总 线电阻交差对测值的影响，并实现爨动纯遥测，褥到缀大发震。尽管其健饺器熊发展 和进步，已在某些方藿对差阻式仪器的瘦惩产生影响，但从国内工程已经使鲻万支缀 的绝对数量上着，差阻式仪器的自动化测量仍具有重大意义。因前差阻式仪器出3 线 制改为5 线制测量方式，仪器电阻、电阻比测量精度、遥测距离、抗干扰能力均优于 国外厂家，处于国际先进水平。 掇弦式传感器的发展。振弦式仪器自2 0 世纪3 0 年代发明以来，由予其独特 酶优异特牲如绥构篱单、精度离、抗于撬能力强戮及对毫缆要求低蔼一或受到工程界 的注基。然恧，由于各种原霹，振弦式仪器的长期稳定性一壹是争议的话题。童到2 0 世纪弛年代，随着现代电子读数仪技术、材料及生产工艺的发展，振弦式仪器技术 才得以完善并真正能满足工程应用的要求。以美国g e o k 搬公闭为代表的弦式仪器专 业制造商生产的仪器，具有令人满意的长期稳定性。 ( 2 ) 安全监测自动采集系统的发展。早期安全监测时数据采集都是采用人工进 行，并置是入工输入，有整数据分析工作也要靠人工来完成，自动化程度很低，消耗 了大量的人力，花费较长的时闻，蔼数据采集量却相当酌少，不能及时掌握建筑物及 7 河海大学硕士学位论文倍噪分离技术在深水群桩撼础受力分析巾的应用 其基础的实际运行状态。绝大多数建筑物的破坏过程都不是突然发生的，一般都有一 个缓慢豹从量变到矮交的发生过程，为了能及黠发现事故蓠兆，簇患予来然，必须减 小数据采集间隔，增大数据采集量。随着科举技术的发展，安全监测自动化采集系统 褥捌了长足熬发展。霹前，毙较有代表性的安全监测鑫动纯采集系统有赛京叁动傀设 备总厂开发的f w c 2 0 0 0 监测系统、瑞士g e 0 m o m t o r 自动采集系统、澳大利亚d a t “敬e f 翻动采集系统和美国基康m 站嚣0 鱼动采集系统。这此系统豹共同特点是： 分布式的体系结构，采用分布式的结构，测量控制单元可以安装靠近传感器 的遗方，传感器的信号可以不 嘉要赞输较远的距离，信号熬衰减弱并界熊于扰可以大 大减轻，系统既适合于传感器分布广，分布不均匀，传感器数量多、种类多、总线距 离长黧大中型工程爨动纯簸测系统审，也适合予传感器数量少艉小型工程静塞动纯釜 测系统中。 透信方式多样纯，霹以采用鸯线、无线、毙纤等。 供电方式多样化，系统致力于提高性能，设计了各种电源管理电路，可以利 用交流电、直流电和蓄电熬来供电。 1 2 3 监测数据分析研究现状 安全监溅是掌握桥梁的施工稻运营状态、保证桥粱安全运行鳃重要措施，瞧是检 验设计成果、检察施工质量和认识桥梁的各种物理量变化规律的有效手段。大量的监 测数据，筠了解轿梁的状态提供了基础。煎是，原始的监测数据往往只熊展示事物酶 赢观表象，要深刻地提示规律和做出判断，从繁多的监测资料中找出关键问题，还必 须对釜测数据进行解析、提炼帮概括，这就要对盐测数据进行分析处理涔垂越。 1 2 3 1 监测数据粗差识别的研究现状 受观测条件的影响，任何变形监测资料都可能存在误差，只不过误差的大小耩性 质有所不阉。粗差是误差的一种，它是数据的监测和采集时不琏确的操作引起的错误。 在安全监测工作中，直接分析含有糨差酶数据会使得结果不合理甚至难予解释，对参 数的估计亦不准确，所建的安全监控模型和预报模型也就必然失真。粗差的识别是进 行安全监测数据分析和安全性态评估之前必须完成的z 作。传统的粗差谈剐方法有三 倍标准差法、格鲁布斯( g 鹏b s ) 法、狄克逊( d i x 0 n 法【4 2 删等。随着支持恕量机理 论的完善帮广泛应用，支持向量机也逐渐被应用于数据粗差的识别中，刘大伟瞵l 基于 支持向量规理论对苏透大耩主锉墩( 北索塔基础) 4 锱桩顶测点进行了分析，采用恰 第一章绪论 当的核函数，有效地识别出了监测数据中的粗差，为后续监控资料地分析与安全监控 模型的建立提供了保证。 小波分析终“甥( w 甜d e ta n 舔y s i s ) 是2 0 世纪8 0 年代中后期发震起来的新兴学科， 是釉晡锉分析的发展和重大突破。傅立叶变换虽然能识剐数据的糨差，但却不能确定 粗差点的位置。小波变换的突变点和极值点与监测数据的突变点和极值点具有对应关 系，且小波变换能够同时在时域和频域突出信号的局部特性，从而对含有粗差的数据 进行小波变换，可以有效地识别粗差，并能确定粗差点的具体位置。吴维勇、王英惠 将包含粗差的测量数据作为带有突变的离散信号，利用小波变换进行分解，通过对高 频信号的分析，准确地确定出了粗差数据的位置；朱洪俊、秦树入等通过模拟算例和 应用实例证明即使在有严重噪声干扰的情况下，小波交换也能容易地实现对监测数据 粗差点的准确检测和精确定位。 1 2 3 2 监测数据信噪分离的研究现状 原始观测数据本身既隐含着桥梁的实际状态信息，又带有外界偶然因素随机作用 所造成的干扰，从而必须对这些干扰进行辨析识别，才能显示出真实的信息；影响桥 梁状态的多种内外因素是交织在一起的，观测值是其综合反应，为了将影响因素加以 分解，找出主要因素及各个因素的影响程度，也必须对测值进行信嗓分离处理；只有 将多个测点、多次测值放在一起综合考虑，相互补充、稆互验证，才能了解测值在空 闻分布上和时闻发展上的联系，找燃变动特殊的部位和薄弱环节，了解变化的过程和 发展趋势，并对未来做出预测。 2 0 世纪7 0 年代以前主要采用定性分析方法，即通过绘制位移、应力过程曲线并 计算特征值来提取出由施工荷载引起的结构的真实响应，以分析桥梁的运行状态。2 0 世纪7 0 年代中期，河海大学陈久宇教授等【5 0 j 将统计回归分析法应用于大坝原型观测 资瓣的分析，该方法通过统计分析，可以确定一个因变量与多个自变量( 影响因素) 之闯的相关关系，从焉可以从大量的观测数据中提取出隐藏在各种影响因素中的桥梁 真实状态信息。近十多年来，随着测量仪器的发展及计算机的广泛应用，使得回归分 析不仅能运算大量的观测数据( 很大的予样) ，蔗且还能处理多因子( 很多变量) 之 间的关系，并从这些因子中抽选重要的因子，建立最优的回归方程【5 l 】。回归分析已经 成为数据分析中一个甚为有用的数学工具。武利军【钩采用回归分析法求解安稳大桥桥 面铺装层曲线方程，取得了良好的效果，为大跨度混凝土梁桥面线形的控制提供了新 的思路；张忠坤【5 3 运用多元线性回归分析理论，探讨了单桩承载力与静力触探成果之 9 河海大学硕士学位论文信嗓分离技术在深水群桩熬础受力分析中的应用 间的相关关系，探索出地区性单桩承载力的经验公式。 安全监测数据序列可以描述为一种随时间变化的信号。由于监测仪器的安装方 法、工作环境和采集方式都会导致观测数据包含噪声，因此，安全监测所获得的变形 信号包括了有用信号和噪声嚣部分，两噪声的存在严重干扰了信号的本来面冒，不利 于对信号进一步分析和处理。 在信号处理领域中，人们根据实际信号的特点和噪声的统计特征，基予统计估计 原理，发展了许多的去噪方法，有时域的，有频域的。在这些传统的降噪滤波的方法 中，有的方法需要事先知道待检测信号的先验知识( 如卡尔曼滤波) ，有的方法只对 长期持续的周期性信号有效( 如傅立叶变换) ，而安全监测数据是一种无太多先验知 识的菲线性的信号，用传统的方法对其去嗓效果不是很理想。 近年来，随着小波理论的曩臻完善和对小波研究的不断深入，小波分析褥到了广 泛的应用，小波分析在信号的噪声处理方面表现出了较强的优势【矧。小波分析是将信 号分解到不同尺度上，从而得到信号在各个尺度上分量值，并能对其进行不失真重构。 复杂的安全监测信号包含了各种频率成分，但有效信息集中在低频段，干扰则分布在 高频段，因此，可以通过小波分析提取低频段有效信息，来消除干扰，以分析桥梁的 运行状态。 小波消噪盼溺在土木工程数据处理方面得到了广泛的应用。圈胜利、周拥军【朝 等利用小波去噪技术，对一组建筑物变形监测数据进行了去噪处理，计算结果表明： 小波去噪能够识别观测噪声和有用信息，不需要待检测信号的先验知识，特别适合于 建筑物变形监测的数据处理；郭健、顾正维等【5 8 】将小波分析用在桥梁健康监测中，实 现了对结构振动测试数据的信号去噪、信号检测和特征提取；赵燕容、袁宝远【5 9 】利用 小波分解与重构手段对润扬长江公路大桥南锚碇排桩冻结法深基坑的变形监测数据 进行消嗓滤波处理，结采表明，小波消噪可以有效地从误差干扰的变形监测数据中提 敬数据所反应的原始特征；张宁宁【6 0 】应用小波分层去噪技术对苏通大桥用于观测沉降 和不均匀沉降的微压传感器、光电式静力水准和剖面沉降观测数据进行去噪预处理， 提取出了与荷载相对应的实际沉降量，为后面的数据融合提供了精确的数据。 1 3 主要研究内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 本文结合国家重点基础研究发展规划项目( 9 7 3 项目) “灾害环境下重大工 l o 第一章绪论 程安全性的基础研究，国家“十一五 科技支撑项目“苏通大桥建设关键技术 研究和江苏省交通科学研究计划项目描超大型钻孔桩群桩基础关键技术研究， 依托苏逶大桥主桥索塔地基基础稳定及安全监测工程实践，以北索塔为研究对象开展 铁下工作； ( 1 ) 详细阐述桥位区的水文气象条件、地基土鲍缱成结构耧分森、群桩基础的 组成结构和布置形式，指毖了苏通大桥的建设需要挑战“超深、超大型 和“深水强 潮汐环境”等技术难题。为了揭示深水条件下超长大直径钻孔灌注桩的传力机理，实 现施工的信息化，对群桩基础进行安全监测是至关重要的。 ( 2 ) 在介绍了监测数据糯差产生的原因和传统的粗差识别方法的基础上，详细 潮述了小波分析震予数据粗差谖嗣豹原理帮处理过程。采用小波分析可以很好邃识潮 出桩基监测数据中的粳差数据。 ( 3 ) 对予处在潮汐河段深水环境下的群桩基础，原始监测数据往往包含有强烈 的噪声。为了客观评价和预测群桩基础的承载性能，必须分离环境因素的影响。通过 对基桩监测数据进行回归分析和小波分层消噪处理，成功地逐层分离出了潮位、日照 辐射和季节性温差对基桩轴力的影响，并对基桩轴力的计算公式进行了修正。 l 。3 2 技术路线 本文主要技术路线觅图1 1 所示。 河海大学硕士学位论文信噪分离技术在深水群桩纂础受力分析中的应用 对于强潮汐河段的深水群桩基础，安全监测是必备的措施。 安全监测的宗旨蹩；及时检蹴异常并防患于未然l 所戳： 施工过程中的监测工作十分重要，但以定期人工观测为生。 复杂环境因素使虢测数据包含强烈的噪声，严重干扰预测。 噪声必须分离，但样本量小的人工数据难以分离。 施工过程中的定期人工酱测 建立不含臻境因素影嚷酶 全过稷时程曲线 目的明确的高频度跟踪观测 潮挝溪溅卜 一潮链磲声 修正潮挝影响卜叫采建回麴分析确定并剔除潮位孝瞧 修正日照辐射影响 修正季节性瀑差影晌 索塔湿度麓溅 瑟照辐射噪声 采矮小波去嗓分离露j 鼹辐射影魄 溢度应变蕊测 季节性溢差噪声 采震加减法分离瀣度应变影嚼 建立轴力修正公式 图1 1 技术路线图 1 2 数据难免包含粗差必须首先分离 第二章苏通大桥主桥群桩基础概况与监测点布置 第二章苏通大桥主桥群桩基础概况与监测点布置 苏通大桥位于南通市和常熟市之间，西距江阴大桥约8 佻难，东距长江入海口约 1 1 0 k m ，是江苏省公路主骨架之一赣榆至吴江高速公路的主要组成部分和跨越长江的 主要公路交通通道，在国家及江苏省公路运输网中均占有重要地位。建设苏通大桥对 于完善江苏省干线公路网，增强上海经济辐射作用，促进苏北经济发展，合理布局长 江下游过汪通道，改善过汪设施、缓解过江交通压力，减少对长江航道的干扰、保证 航运安全等具有重要意义。苏逯大耩是超千米跨径斜拉桥建设的首次尝试，它的建成 将打破超千米跨径桥梁一直被悬索桥垄断的局面，提高斜拉桥的竞争力，促进世界桥 梁建设技术发展，提高我国参与国际桥梁建设的竞争力。 2 1 群桩基础工程概况 苏通大桥跨江大桥长8 2 0 6 m ，主航道桥采用主跨1 0 8 8 m 的双塔钢箱梁斜拉桥方案。 桥位区位于长江下游潮汐河段，邻近长江入海霉，水文气象条件恶劣，风暴潮问题突 出，且江露宽阔，水深流急，松软河床覆盖层深厚。 苏通大桥主桥索塔由北索塔和南索塔组成，均采用倒“y 字型结构，并在主梁 下方设置下横梁一道。索塔总高3 0 0 4 m ，在桥面以上的高度为2 3 0 。4 l m ，高跨比为 o 2 1 2 。塔柱采用空心箱形断面，上塔柱为对称单箱单室，外尺寸由9 0 0 8 0 0 c m 变化 到1 0 8 0 1 7 4 0 c m ，壁厚在斜拉索锚固面为1 0 0 c l l l ，非锚固面为1 2 0 c i i l ；中、下塔柱为 不对称单箱单室断面，井尺寸由l 8 2 6 5 0 锄变化到15 8 0 0 c m ，壁厚1 2 0 c m 、 1 5 0 c 嫩。下塔柱和中塔柱的上、下游塔肢与水平面的夹兔均为约8 2 8 l 。 苏通大桥主桥索塔基础为钻孔灌注桩群桩基础，2 个索塔的基桩数量均为1 3 l 梭， 桩径均为2 8 m 2 5 m ( 上段2 8 m ，下段2 5 m ) ，其中北索塔的桩长为1 1 7 m 、南索塔的 桩长为1 1 4 m ，南、北索塔承台的尺寸和结构形式相同，北索塔群桩基础的组成结构如 图2 1 所示，基桩在平面上呈梅花形布置( 如图2 2 所示) ，桥轴线方向布置9 排，间 距5 4 5 m ，墩轴线( 横桥向) 方向布置3 3 排，间距3 3 7 5 m 。按摩擦桩迸行设计。 承台的整体平面形状为哑铃形，出上、下游承台和系梁组成。每个塔柱的承台平 恧尺寸为5 1 3 5 雉4 8 。l o 搬，其厚度由边缘的5 瓣变化到最厚处的1 3 3 2 翻童，系梁的平 面尺寸为1 1 0 5 m 2 8 1 0 搬、厚6 m 。为了给承台创造干施工条件，采用了钢套箱方案， 1 3 河海大学硕士学位论文信噪分离技术在深水群桩基础受力分析中的应用 其封底混凝土厚度为3 o m 。 l l煳荫；1 ，滋辙，k 。搬_ 阢一踟一 。， “k 0i 可83 2 4 一l 5 j b 4 钧， 一i 。4 钧j占p 可83 2 4 量 ， _ _ 高嘲豫螨绔 ， ”三：矿；纂、培- ，蛐期彩缀笏彩瓣，- ，一1 口 u l一、l l 彩缓笏缓缓缓彩黝； _ 一70 ：承叁羼 5 彤z z z ，删彩够纾嬲彭巧够形髟力 菇j ； 、# 略藿女m 一 2 ，5 ：霸器i j 蘸 啪1 扩渤4 2 荔她面缴 厨豫弼强剐黼豫明酬髓隔 3 1 捌 0 量0 0。一 1 口一s 2 1 0 滠太；第磁 属豫锅职鼹髓蕊勰秘鼹掰 暑一 可护簏凌高程 冕 一 一 口2 孕0 1 3 1 残! 弱i ，。一 _ 。一 夏二! 丝：笋。 图2 1 苏通大桥索塔群桩基础横剖面图 l塑上 ! ! 坠一 图2 2 苏通大桥索塔群桩基础平面图 1 4 第二章苏通夭桥主桥群桩基础概况与监测点布置 2 2 桥位区工程地质条件 2 2 。l 桥位区地层分布与特征 桥位区广泛分布第三纪及第四纪地层，厚度在3 0 0 搬l o o o l l l 。其中，前第理纪地 层主要见有上第三系( n ) 、三叠系下统( t 1 ) ，岩面标高在一2 8 7 m 一2 7 6 m 。上第三 系( n ) 仅桥位南侧有揭露，顶板标高一2 6 9 2 m 。岩性为棕黄色褐黄色夹灰白亚粘 、砂土、砾石( 区域资料上亦定为砂岩、砂砾岩) ，半胶绪、半成岩状态。三叠系 下绕( 零l 基豢面标高一2 7 3 撒，岩性为灰岩，棕红色，碎块拭。 撬位区第嚣纪地层必一套以浅海、泻漳、河、湖相为主韵地层，簿度在2 溉 3 0 0 搬之闻。因受基崧起伏控制，厚度变化较大。 下更新统( q 1 ) ：以河流相灰色含砾粗砂为主，底板埋深2 7 嗽左右。 中更新统( q 2 ) ：的上部为褐黄色、兰灰色硬塑粘土夹粉砂，含铁锰质结核，为 河湖裙；下部为灰色含砾细砂、粗砂，底部为泥质含量较高的粉砂，为河流、河床相。 项教标高为一董3 泌左右，分布稳定。 上更薪统( ) ；斡上部为灰色粉绸砂，下帮以灰色含砾串程移为主，局部夹亚 糕。 全新统( q 4 ) ：的上部在桥位区深楷的分稚存在差异，北侧以灰色粉砂为主，