《基于改进后灰色模型的某深基坑变形预测》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
＇＇；－’、心．ｒ＼卢．乂分类号密级＿＿＿＿＿＿＂ｕＤｃ编号—－奔ｒ文乂奇／参瞧；＞嚇硕壬学位论文．變巧＇题名和副题名基于改进后灰色模型的某深基坑变形预测———作者姓名周英．－巧＂＊＇指导教师姓名及职称张莲花副教授ｔ、‘：＜＞一＾＇＞；店，申请学位级别硕古专业名称建筑与±木工程心；；蔡．Ｍ￣－＇－．．－乂．专＇式｝；玄；．如＇’＂论文提交日期１５／６／６论文答辩日期２（ｎ５／６／６笔２０学位授予单位和日期成都理工大学（年月）答辩委员会主席＿巧‘苗：评阅人￣—＾￣．｜豐霉５巧．每＾ｆｃ令！．矿為笔辕謂２０１５年。６月！變講Ｖ．邏麵．＇，．；．．产躬坟鄉參镇．‘成；冷雌獻‘Ｖ？、银，托姻换梦巧、‘金巧务’气新‘軒獅論戀．．始巧＃爱然質 ６目分类号学校代码：１０１ＵＤＣ学号：密级成都理工大学硕±学位论文基于改进活灰色模型的某深基坑变形预测周英指导教师姓名及职称张莲花副教授申请学位级别硕±专业名称建筑与±木工程论文提交日期２０１５／６／６论文答辩日期２０１５／６／６学位授予单位和日期成都理工大学（ＷＣＴ年＾月）答辩委员会主席句成评阅人（ｆ）＾！（ｊ１＾２０１５年０６月 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加Ｗ标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得成都理工大学或其他教一育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的人员对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：■ｗ／ｉ年（月曰学位论文版权使用授权书本学化论义化者宗今了解成都理工大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。龙人授权成都理工大学可Ｗ将学位论文的全部或部分内容编入有关数、、汇据库进行检索，可采用影印缩印或扫描等复制手段保存编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：巧采学位论文作者导师签名：７年月曰胃《《 摘要基于改进后灰色模型的某深基坑变形预测摘要基坑开挖带来了一系列的环境、安全和岩土问题，对于研究基坑开挖引起支护结构变形和环境问题非常重要。对于成都地区的深基坑一般处于砂卵石和卵石中，地质结构较为良好，可是如不适当控制由于开挖造成的影响也可能引起一定的损失。本文以成都西部（医药）贸易中心项目为依托，利用灰色理论、数值统计和数值模拟重点分析设计、施工、监测和预测。主要研究工作如下：（1）论文整理相关勘察资料和设计资料，分析结构支护方案的计算方法。以5号钻孔为基础，分析了支护结构的三种计算方法即放坡+桩锚、放坡部分直接转化均布荷载和考虑土钉对土体的加固作用，为放坡+桩锚支护结构计算提供借鉴。（2）本文对监测资料进行了详细地分析，总结了监测方案选择中应考虑那些因素。对监测数据进行整理，分析各监测点的变形规律以及相邻监测点的相互影响。（3）以勘察报告、设计和施工资料为依据，利用FLAC3D软件对基坑进行数值模拟。分析下部土体的开挖对土钉轴力影响，了解对于放坡+桩锚结构中土钉的作用并通过模拟中的结果进一步证明土钉的作用。利用有限元差分软件可以详细了解各开挖工况下坑内外土体的变形，并对土体的变形进行分析，找到其变化规律并与同一工况下的实测值进行对比检验模型的实用性。本文中选用预应力锚索，而监测中并没有对锚索的内力进行监测，通过数值模拟可以进一步了解锚索的工作状态。围护结构—桩是最重要的构件之一，桩的变形的大小和方向直接影响着整个结构的安全，本文对桩的变形进行分析并利用实测值来检验模型的准确性。（4）利用灰色理论建立了引入时变参数的多因素GM(1n)模型，模型考虑了时间不等、基坑的空间效应和改正了修正值，并将其引入工程中，对比分析预测值和实测值检验模型的可行性。然后为进一步检验灰色模型的可靠性，将改进后灰色模型与FLAC3D模型得到的值进行对比。最后，利用Verhulst模型与改进后灰色模型对比，进一步检验本文建立的模型具有一定的实用价值。关键词：砂卵石土层基坑工程预测灰色理论I 成都理工大学硕士学位论文PredictionofDeformationinDeepFoundationPitBasedontheimprovedGreyModelAbstractAseriesofenvironmental,safetyandgeotechnicalproblemsarecausedbythefoundationpitexcavation,soitisveryimportantthatresearchonthedeformationofcontainmentstructureandenvironmentalproblems.InChengduthedeepfoundationpitareaisgenerallyinthegravelandsand,geologicalstructureisrelativelygood,butifitisnotproperlycontrolledduetotheimpactofexcavationwillcausealotofdamage.TakingChengduWest(Medicine)TradeCenterprojectasthebackground,takingadvantageofthegreytheory,statisticsandnumericalsimulationfocusesonanalysisthedesign,construction,monitoringandcalculating.Themainresearchcontentofthispaperareasfollows:(1)Thepaperreorganizestherelatedsurveydataanddesigndata,analysisofthecalculationmethodofsupportingscheme.OnthebasisofNo.5drilling,analysisthreekindsofcalculationmethodsinthesupportingstructure,toprovidereferencefortheslopeandpileanchorsupportingstructurecalculation.(2)Thisarticlehascarriedonthedetailedanalysisofmonitoringdata,monitoringprojectselectionshouldconsiderthosefactors.Arrangementofmonitoringdatas,analysisofdeformationlawofeachmonitoringpointandthemutualinfluenceofadjacentmonitoringpoints.(3)Investigationreporttoprovidereconnaissanceunitsasthebasis,usedfornumericalsimulationFLAC3Donthefoundation.Theexcavationofbottomsoilhaveinfluencetonailingaxialforce,understandingthefunctionofsoilnailinginslope-pileanchorstructureandusingthesimulationresultsfurtherdemonstrateit.Byusingthefinitedeformationsoftwarecanbeadetailedunderstandingofthepitexcavationcondition,analysisthesoildeformation,findingthechangingrulesandcontrastingwithmeasuredinthesameconditiontoprovethepracticabilityofthemodel.Thisprojectusedtheprestressedanchor,becauseofhavingnomonitoringtheinternalforce,itcanfurtherunderstandthebolt'sworkstatusbynumericalsimulation.Pileasaretainingstructureisoneofthemostimportantcomponents,themagnitudeanddirectionofthepilehavedirectlyrelatedtothesafetyofthesystem,thispaperII Abstractfocusesonanalysisthedeformationofpileandusesthemeasuredvaluestotesttheaccuracyofthemodel.(4)Theintroductionoftime-varyingparametersinGM(1n)modelconsidersdifferenttimeandcorrectthecorrectionvalue,anditfoundthepredictedvalueandmeasuredvalueisveryclosethatproveitspracticabilityinproject.Finally,byusingVerhulstmodelandtheimprovedgreymodelcomparison,themodelestablishedinthispaperhasfurthertestedthepracticalvalue.Keywords:SandpebblesoilThefoundationpitengineeringForecastGreyTheoryIII 目录目录第1章引言............................................................................................................11.1选题依据及研究意义.............................................................................................11.2国内外研究现状.....................................................................................................21.2.1基坑工程特点...............................................................................................21.2.2数学模型变形预测方法研究现状...............................................................31.2.3数值模拟方法研究现状...............................................................................41.3研究内容与研究思路.............................................................................................51.3.1研究内容........................................................................................................51.3.2研究思路及技术路线...................................................................................5第2章工程概况........................................................................................................82.1工程介绍.................................................................................................................82.2工程条件.................................................................................................................92.2.1水文条件.......................................................................................................92.2.2场地区域地质构造特征.............................................................................102.2.3地形地貌.....................................................................................................112.2.4地层岩性.....................................................................................................112.3支护结构方案以及设计.......................................................................................112.3.1确定支护结构方案.....................................................................................112.3.2支护结构设计.............................................................................................142.4深基坑现场监测...................................................................................................172.4.1深基坑监测目的.........................................................................................172.4.2深基坑监测方案布置原则.........................................................................182.4.3深基坑监测内容和技术方法.....................................................................19第3章深基坑监测数据处理分析与报警..............................................................213.1监测数据处理基本原理.......................................................................................213.2监测监控报警值的确定.......................................................................................213.2.1确定围护结构的监控报警值.....................................................................213.2.2确定周围环境的监控报警值.....................................................................223.3坡顶监测变形数据整理和分析...........................................................................233.4冠梁监测变形数据分析.......................................................................................25第4章FLAC3D在基坑工程中的应用.................................................................274.1FLC3D软件简介..................................................................................................274.2本构模型原理以及适用范围...............................................................................274.2.1弹性模型.....................................................................................................28i 成都理工大学硕士学位论文4.2.2弹—塑性模型.............................................................................................304.2.3硬化本构模型.............................................................................................324.2.4小变形本构模型.........................................................................................364.3FLAC3D数值模拟分析深基坑的开挖...............................................................374.3.1本构模型的选择和确定模型参数.............................................................374.3.2确定模型尺寸和边界条件.........................................................................424.3.3施工过程的模拟.........................................................................................424.3.4结果分析.....................................................................................................424.4结论.......................................................................................................................50第5章改进后多因素GM(1n)模型在支护结构变形预测中的应用..................525.1改进后多因素灰色GM(1n)模型的变形预测...................................................525.1.1GM(1n)模型的建模基础...........................................................................525.1.2引入时变参数的多因素GM(1n)模型的建立.........................................535.1.3改进GM（1n）模型的误差检验............................................................555.2引入时变参数的多因素灰色GM（1n）模型在工程中的应用......................565.3Verhulst模型在本工程中的运用.........................................................................585.3.1建立Verhulst模型.....................................................................................595.3.2对比Verhulst模型与改进后多因素灰色模型在工程中应用.................615.4结论.......................................................................................................................62结论..........................................................................................................................63致谢..........................................................................................................................64参考文献......................................................................................................................65攻读学位期间取得学术成果......................................................................................65ii 第1章引言第1章引言1.1选题依据及研究意义许多科学家称“开发地下部分将从21世纪开始进入一个全新的时代，并推测21世纪末可能有近30%的人口生活在这片区域内”。目前，由于地上资源有限，许多国家已将目光转向地下区域的开发，这将有利于解决人口多、资源不足、环境差三大危机并能有效医治“城市综合症”、实现可持续发展的重要途径。地下空间不断被利用促进了基坑工程的产生和快速发展，与此同时技术人员也面临着越来越严峻考验。基坑通常被认为是为了满足建设的需要所开挖的坑，如房屋建筑、地下建筑物等。基坑主要分为两种，一种是浅基坑，另外一种是深基坑。对于开挖深度大于等于6m或者虽未达到6m，但地质条件复杂、对周围环境影响大的基坑统称为深基坑。浅基坑一般不需要支护或者进行简单支护，深基坑主要是通过支护结构保证其稳定性，且深基坑对周围影响很大、开挖土层多样，故研究深基坑更有价值。将为了确保地下结构按时按质完成和减少环境影响的一种临时性或部份的永久工程称为深基坑工程。深基坑工程的研究在土木领域内一直被称为古老的、复杂的课题,涉及学科多如：（1）土力学中强度、稳定、变形等；（2）流体力学中渗流、水土耦合等；（3）结构力学、材料力学和理论力学中的基本理论；（4）地质学中岩土基本性质和相关构造；（5）施工管理中管理方法和管理措施等。社会的进步必然会对人们提出更高、更难的要求，如地下空间的开发产生深基坑。目前，深基坑逐渐从小而浅变为大而深、形状由简单到复杂、支护结构型式从单一到多样等特点，但是理论的研究却满足不了基坑所带来的新问题。技术人员只能根据自己和他人的经验一步步摸索着前进。正是如此，给国家、人民带来了很大的灾难和损失，据2006年的事故数据统计得出的结论是一般事故率达到20%，甚至有些地方比这还高。2005年12月2日，北京地铁十号线正在底板施工时坑壁突然发生坍塌，凹陷面积达500平方米，并且事故造成4家通信企业电缆折断；2005年7月21日，广州市中心一基坑发生大面积的倒塌，桩、锚索和周边建筑滑入坑底，该事故造成很大的损失并对全国工程界影响深刻。基坑工程一般处于人多、交通复杂地段，人民、企业和国家所希望看见事故的发生，因此，针对基坑工程安全防治研究工作意义重大。1 成都理工大学硕士学位论文由于我国基坑支护设计理论还处于半理论半经验，导致事故频繁发生。造成深基坑事故的原因很多：首先是岩土、地质和水文条件复杂，勘察所得的数据离散大，而且勘察报告所提供的地质信息只是几个有代表点，并不能完整的反应土质情况；其次是基坑所处环境复杂，如周围有建（构）筑物、地下埋设管网设施等都影响着基坑的安全；最后是设计不当、施工不合理、防护措施不完善、投资方等造成结构本身或周围环境破坏。对水、土体与围护结构三相组合的一个复杂的动态变化基坑系统要达到设计合理和施工安全与可靠仅依靠不成熟的理论和经验是不能满足的。在基坑的施工过程中可以对其进行监测，定时对监测数据进行处理，并利用有效数据来检验设计是否合理和了解变形变化趋势，判断工程的安全性，及时采取措施解决存在的不安全问题，将即将发生却没发生的事故厄制在摇篮中。此外利用现有原始资料可以通过一定的手段对基坑后期变化进行预测如灰色模型、有限差分软件等，尽可能做到提前预防、提前处理。1.2国内外研究现状1.2.1基坑工程特点基坑工程的特点可以概括为：（1）临时性即大部份基坑工程是一种临时性工程，它的目的就是保证主体结构地下部分能正常施工和减少对周围环境的影响。（2）区域性强即不同地质对基坑支护影响不同，有时在同一个城市的不同区域也会造成不同的影响。（3）独特性即每个基坑都具有自身的个性，因基坑工程所处的地理位置不同、周围环境不同、埋深不同、基坑大小和形状不同、设计和施工侧重点不同等都会导致基坑有很大差异。（4）综合性强即基坑是一个多样的系统；是一个多因素相互影响、相互制约的一个综合性工程；是一个具有很大发展空间的一个综合性学科。（5）空间效应即基坑并不是一个简单的二维平面问题，而是一个复杂三维空间问题,而且基坑的变形是非线性变形，与时间有很大的关联。基坑的长宽比、深度、阳角、阴角等对支护结构变形和周围环境有很大差异。（6）风险性大即基坑工程是临时性工程，基坑方面的研究还不成熟，人民对基坑工程重要性认识不够深刻，一味的追求减少成本、压缩工期，且基坑工程本身就是一个复杂的、综合的工程。（7）影响因素多即基坑的安生性受很多因素控制，包括确定性因素和不确定性因素。由于地下地质条件难以控制，水、土以及支护结构相互影响的复杂性，2 第1章引言周围环境不断的变化，会产生很多随机因素，从而增加了更多的不确定性因素，使得基坑安全受到更大的威胁。综上所述，对基坑工程在施工前进行数值模拟，找出其变形规律；在施工中进行监测，并利用所测数据进行预测，及时发现可能存在不安全因素，为施工单位提供有效的指导是非常有必要的。1.2.2数学模型变形预测方法研究现状数学模型变形预测方法主要有：神经网络预测预报方法、模糊数学预测分析法、灰色系统预测预报法、动态施工反演分析法等。朱合华、杨林德等利用反分析法推算出土的E，并在此基础上提出土压力的[7]计算，然后对墙和土体的变形进行预报。张伟丽以灰色系统理论为基础建立了GM(11)模型，并将实测值作为原始数[8]据进行后期预测。周宁根据灰色系统理论信息处理原则，在传统灰色预测模型中引入Legen-[9]dre时变参数和监测时间不连续性，并用实测值进行验证，得到结果比较合理。刘军勇等对灰色理论进行分析并将不等时序引入到GM(11)模型，利用实测值建立了灰色模型，通过计算实测值与预测值的方差、平均值等发现均在均匀范[10]围内。王穗辉将传统的单一元素扩展到多个即GM(1n)模型，但是得到的结果并不[11]理想。刘寒冰对GM(1n)模型进行了背景值优化，在一定程度上可以满足变形预测[12]的要求。王昕等以工程实例为基础，利用时间序列方法试图建立AR(n)数学模型来[13]预测支护结构的变形，通过对比两者相差较小，总体上精度比较好。尹盛斌、丁红岩通过分析其它模型的不足并分析其原因，提出考虑时间和非[14]线性拟合性能的时序-投影寻踪回归模型，通过实例证明具有一定的可靠性。袁云辉等对传统GM(11)模型进行修改，将修改后的模型用于实际工程的地表沉降预测中，并与实测值相比较，发现修改后的灰色模型在短期沉降的预测比[15]较准确，可是对于长期预测误差偏大。陈晓斌，张家生，安关峰将GM(11)和GM(21)模型分别用于预测锚索内力、坑外竖向和侧向变形。通过对比分析这两种模型发现，GM(11)模型较适用[16]于短期预测，而GM(21)模型较适合于中长期预测。数学模型预测种类繁多，主要是因为测量数据的离散性太大，有很多确定以及不确定的因素均会影响到实测值的真实性。所以，目前没有一种模型适用于所有的基坑工程，需有针对性根据工程的特点选择适合本工程的具体预测模型。3 成都理工大学硕士学位论文1.2.3数值模拟方法研究现状在基坑数值研究计算方法中，方法主要有：有限差分法(FDM)、有限单元法(FEM)、离散单元法(DEM)等其他方法。[17]Clough等人在1971年第一次将有限元理论引入研究挡土墙变形机理。Andrew.J.w等利用有限元对波士顿邮政大楼的停车场进行了模拟，并参照[18]模拟结果对设计进行优化，这是首次将有限元原理引入到结构设计中。Sunil.S.Rishnami在1993年深基坑的研究过程中，运用数值模拟对渗流、[19]土体以及支护结构之间的相互作用关系进行研究，并分析其模拟结果。MartinLings和Charlesw.Ng在1995年引入了非线性砌块模型，并分别在[20]有无支护的状态下进行模拟，结果表明这种模型模拟得到的结果较为合理。ChiouD.C和Ou.C.Y在对深基坑进行有限元分析时，对其最小单元的划分提出了不同见解，采取了较为有效的网格划分方式，最大限度的提高了有限元计[21]算的精度，取得了较好的效果。沈健、王卫东、王建华提出了模拟分区开挖和盆式开挖所对应的被动区土体基床系数的计算公式，且用考虑时间效应的时间方程作为坑内被动区土体基床系[22]数的比例系数(m值)，并用实例进行证明，得到此计算方法具有一定的实用性。商卫东等以工程实例基础，利用FLAC3D软件对某双排桩深基坑的施工工况进行模拟，对模拟得到结果进行分析对比，并讨论了双排桩的刚度变化对支护[23]变形趋势的影响。赖冠宙等建立了考虑了各构件的相互作用的三维模型，明确了土压力和地基等效刚度的计算方法，并将模型计算结果与二维模型计算结果进行对比，得出建[24]三维模型的必要性和重要性。张思峰等建立考虑空间效应的三维模型分析基坑变形规律和趋势，并对此进[25]行探讨，得出了一些有效的结论。龚晓南，俞建霖利用三维有限元模拟基坑开挖过程中的桩体位移和侧压力，并分析基坑中是否存在尺寸效应，并与二维平面计算进行分析，得出三维有限元[26]能更为形象的模拟了基坑变形的全过程。宋二祥，娄鹏等应用ANSYS软件建立了锚索支护的特深基坑三维模型，通过对基坑稳定性的非线性分析得出其大概的锚索应力以及土体变形量，并分析[27]模型参数的选择对模拟结果的影响，对基坑的稳定性进行了一定的评价。高文华，杨林德通过建立了可以考虑基坑的空间效应和基坑渗流对支护结构变形的影响三维模型，模型中可以基本的了解在任意时刻下基坑的位移变形情况[28]。4 第1章引言有限元分析的基本原理比较符合实际情况，但是它的参数设置、模型的选择存在一定偏差，主要原因在于土质的非均质、多相、复杂的变形，无法精确测量，也无法明确的物理定义。1.3研究内容与研究思路1.3.1研究内容论文以成都西部（医药）贸易中心项目作为研究对象，了解成都西部（医药）贸易中心项目地质条件、周围情况、安全保障、施工组织，并对施工过程中的监测数据进行整理。在此基础上重点对成都西部（医药）贸易中心项目预测方法和数值模拟展开分析、研究，并选取带有转角的几个监测点进行预测，预测其变形规律和发展趋势，为施工单位提供变形依据，及时采取保护措施。拟定如下主要研究内容。（1）了解成都西部（医药）贸易中心项目地质条件、周围环境、安全措施、施工组织，整理监测数据，并分析水平变形和沉降的发展规律；（2）研究成都西部（医药）贸易中心项目数值模拟选择何种本构模型，以便更好的、较真实的模拟基坑工作状态、水平变形以及沉降情况；（3）成都西部（医药）贸易中心项目预测方法研究，包括预测原理、原始数据、预测公式中考虑因素的选择等；（4）预测方法合理性评价研究；（5）利用有限差分软件模拟基坑的开挖，进行一步深入了解基坑变形机理。1.3.2研究思路及技术路线以成都西部（医药）贸易中心项目作为背景，了解成都西部（医药）贸易中心项目地质条件、周围环境、安全措施、施工组织，并对施工过程中的监测数据进行整理。在此基础上重点对成都西部（医药）贸易中心项目预测方法和数值模拟展开分析、研究，并选取带有转角的几个监测点进行预测，预测其变形规律和发展趋势，为施工单位提供变形依据，及时采取保护措施。本文研究思路如下：（1）了解成都西部（医药）贸易中心项目地质条件、周围环境、安全措施、施工组织，整理监测数据，并分析水平变形和沉降的发展规律采用查阅相关设计和施工资料以及现场调查的方式收集研究区基本地质环境资料和各监测点的数据资料，包括水位变化、地形地貌、地质构造、周围环境、市政管道、暴雨侵蚀时相关资料、地震引起基坑变化的相关资料。（2）研究成都西部（医药）贸易中心项目数值模拟选择何种本构模型5 成都理工大学硕士学位论文在结合前人已有的研究成果的基础上，分析多种本构模型其适用范围、优缺点，并对成都西部（医药）贸易中心项目实际情况进行研究分析，选择一种更适合本工程的本构模型。（3）成都西部（医药）贸易中心项目预测方法研究结合前人已有的研究成果的基础上，通过分析前人研究成果的优点和不足，学习其优点，找办法弥补不足，根据本工程实际监测特点选择合适的数学模型预测法。（4）预测方法合理性评价研究在明确采用改进的灰色模型预测时，通过实测值与计算值对比分析，确定相对误差、中误差、比误差、总拟合方差和小概率方差。（5）深入了解基坑变形状态选取基坑的1/4作为数值模拟对象，利用有限差分软件进行模拟，分析模拟得到的支护结构变形、周围沉降以及坑内隆起变化情况，并与实测值比较，检验模型的正确性，进行一步了解基坑工程中土和支护结构的变形。本文研究技术路线如下：6 第1章引言图1-1论文研究技术路线图7 成都理工大学硕士学位论文第2章工程概况2.1工程介绍成都西部（医药）贸易中心是由成都天湖投资有限公司投资开发，位于成都新都区北部商城区域，东临人民北路北延线，北侧为新竹大道，西侧为农村自建住宅，南侧为农田。由于地处新城镇开发，经过勘察发现场地周围无相邻市政管网和河流，周围的小区和商业楼离场地比较远，可不考虑基坑的施工对其造成的影响。该工程场地内地形较平坦，周边环境条件一般。2整个项目占地面积为291600m，施工场地分为四个，分别为A、B、C和D片区，B、C和D片区作为一期工程，A为二期工程。每个片区为一个多塔式多层办公楼，每个区域内设置4层地下室车库，结构形式主要为框架和框架剪力墙，基础拟采用独立基础或桩基，估计基础埋置深度-14.0～-14.8m，建筑物对下沉要求敏感，本工程拟建物详细情况参见表2-1。表2-1拟建物详细清单表建筑结构层数及地下室基础埋基础形基底平均对不均分区类型高度（m）层数深（m）式荷载匀沉降（KN）敏感度2B区框架2-7F四层-14.0独立基25KN/m敏感/8-39.7m础或桩基C区框架5-7F/四层-14.8独立基165000敏感29.0-39.5m础或桩基D区框架剪5-7F/四层-14.8独立基敏感力墙29.0-39.5m础或桩基一期项目的基坑支护分为B、C和D三区，C和D区的基坑形状近似为正方形，而B区基坑形状类似“凹”字形。三个基坑的开挖深度均达到20.6m，属于深基础工程，基坑间距大于开挖深度，基坑间的影响较小，在计算中没有考虑基坑间的相互作用，每个基坑作为一个独立体系进行设计，整个场地的分布情况和周围环境见图2-1。8 第2章工程概况图2-1整个场地分布和周围环境2.2工程条件2.2.1水文条件依据建设方提供的水文资料，该场地属大陆季风型气候，其气候特征主要有以下五点：（1）气温：年均温度为16.2°，夏季最高可达到39.3°，冬天最低在零下5.9°，白天与晚上温度之差最大为12°。（2）降雨量：成都地区下雨较多的时期一般在7～9月份，在此期间可以达到207.50mm/d和28.1mm/h，一年内下雨总量为947.00mm。（3）蒸发量：多年平均为1025.5mm。（4）积雪量：最大积雪厚度40mm。（5）风向、风速：多年平均风速为1.35m/s，最大风速（10分钟平均最大风速）为14.8m/s，瞬间极大风速为27.4m/s，全年主导风向为NNE风，出现频率为11%。9 成都理工大学硕士学位论文场地内主要存在地下水类型为赋存于砂卵石层中的第四系孔隙潜水，靠大气降水和上游地下水补给，水量丰富。测得丰水期场地地下水稳定水位为2.80～3.80m，标高505.19～507.62m。地下水位变化较大，年平均水位变化范围为2.00～3.00m，场地历年最高水位标高在508.00m左右。场地内砂卵石层的透水性和富水性较好，砂卵石层的渗透系数可达到25m/d。根据水质检测结果表明：场地地下水对混凝土结构及钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。2.2.2场地区域地质构造特征该区域构造属新华夏系第三沉降带四川盆地西部，成都坳陷中部东侧，处于北东走向的龙门山断裂带和龙泉山断裂带之间（见图2-2）。由于受喜马拉雅山造山运动的影响，两构造带相对上升，在坳陷盆地内堆积了厚度不等的第四系冰水堆积层和冲洪积层，形成现今平原景观。在成都平原下伏基岩内存在北东走向的蒲江—新津断裂和新都—磨盘山断裂及其他次生断裂。但除蒲江—新津断裂在第四纪以来有间隙性活动外，其它隐伏断裂近期无明显活动表征。总体而言，该区域地质构造稳定，未发现新构造活动形迹，亦可不考虑隐伏断裂以及龙门山断裂带和龙泉山断裂的影响，属相对稳定地块。隆起褶断带龙第四系沉降区安县绵阳低山丘陵门西部山地四凹陷盆地隐伏断裂山成褶北断灌县彭州龙都安德镇金堂带新都郫县成都泉川平大邑山安仁新津简阳原褶蒲江彭山断名山盆带地图2-2成都平原位置及构造略图10 第2章工程概况2.2.3地形地貌场地位于成都新都区北新干道西侧围城路。规划用地主要为农田，地形平坦，视野开阔，交通方便。场地地貌单元上属沱江水系一级阶地。测得整个场地地面高程509.10～510.74m，高差1.64m，地形整体较为平坦。2.2.4地层岩性根据投资方委托的勘察单元提供的《成都西部医药贸易配送中心B、C、D区项目场地详细勘察阶段岩土工程勘察报告》，场地地层主要由第四系全新统人mlal+pl工填土（Q4）、第四系全新统河流冲洪积（Q4）成因的粉质粘土、粉土、细砂、中砂及卵石组成。场地内各土层工程特征详见表2-2，基坑侧壁典型地质剖面图见图2-3。2.3支护结构方案以及设计2.3.1确定支护结构方案围护结构的受力形式主要有：被动受力、主动受力和组合受力。由于基坑的开挖深度越来越深、开挖的条件更加复杂和开挖面积大，采用单一的受力形式在一定程度上满足不了工程的要求，所以更多的组合受力结构形式在工程中得到开发和应用，如复合土钉支护。从理论上来讲，组合结构受力更加牢靠，适用范围更广，而且与单一受力结构相比更加经济，满足了支护体系稳定、变形和经济三个方面的要求。近年来组合结构更加受岩土工程师的青睐，越来越多的组合结构[26]在实际工程得到证明。龚晓南认为在复合土钉支护中主要是依靠土钉来对土体进行加固，并结合其它辅助措施来提高土坡的稳定性如土体表面喷射水泥砂浆。复合土钉可以根据工程特点，组合成不同的支护形式，如土钉+预应力锚索（杆）、土钉+超前微桩、土钉+搅拌桩及土钉+桩锚，这几种在工程中的应用较广，并取得很好的经济效益和社会效益。综合考虑工程所在地的地质条件、基础的埋深和周围建筑安全要求，并借鉴成都地区已完工程的经验和现有的技术水平，在满足安全、保护环境和经济的条件下，选用上部放坡，下部采用单排桩+锚索支护。本工程的开挖深度为20.6m，由于周围绿化和规划道路的限制，不允许放坡太长，初步设定上部放坡高度为6m，按1:0.5进行放坡，并设置三排土钉水平和竖直间距为1.5m；下部设置钻孔桩并布置三排锚索，入射角为15度；上部坡面和桩间土均喷设C20砼和布置钢筋网。11 成都理工大学硕士学位论文表2-2场地内各土层工程特征表成因土层土层厚度土层特性类别名称（m）第四系杂填土0.40～1.40杂色、深灰色等；松散；稍湿。由碎砼块、瓦砾、砖等建全新统筑垃圾及粘性土、少量卵石组成,堆填时间3～5年人工填素填土0.40～5.80褐色、黑灰色，松散，稍湿；主要为粘性土，表层含少量土植物根茎，部分地段含少量砖瓦块，在场地内普遍分布，ml（Q4）堆填时间5～7年粉质0.40～3.90褐黄色、褐灰色，可塑，局部硬塑；无光泽，无摇震反应，粘土干强度中等，韧性中等，局部地段底部含少量的粉土夹层0.50～3.50褐黄色，湿，密实为主，局部稍密、中密；主要由粉粒物粉土质及云母粉等组成，含铁锰质氧化物，粘粒含量较重。摇振反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低细砂0.30～3.60浅灰色、灰黄色，稍湿、松散，主要成分为石英和长石，见少量云母碎屑和其它黑色矿物0.30～3.40黄色、灰色，饱和、松散，主要成分为石英和长石，见少中砂量云母碎屑和其它黑色矿物,主要以透镜体分布于卵石层第四系中全新统主要以花岗松散卵石：卵石粒径大于2mm，含量河流冲岩、石英岩、50%～55%，粒径一般2～5cm，孔隙间洪积闪长岩等组充填物主要为砂及圆砾（Qal+pl4成，呈亚圆形，稍密卵石：卵石稍有接触，含量55%～）微～中等风60%，粒径一般2～6cm，孔隙间充填物化，一般粒径主要为砂及圆砾，顶部含少量粘性土卵石未揭穿2～10cm，大者中密卵石：卵石多数接触，含量60%～可达15cm以70%，粒径一般3～8cm，孔隙间充填物上，卵石含量为砂粒及砾石，局部地段夹薄层密实卵约55%～80%，石隙间充填砂、密实卵石：80%以上的卵石互相接触，卵圆砾及少量粘石含量70%以上，粒径一般30～100mm，性土孔隙间充填物为砂粒及砾石12 第2章工程概况图2-3基坑侧壁典型地质剖面图13 成都理工大学硕士学位论文2.3.2支护结构设计本工程的支护形式是土钉+桩锚，这种组合结构用“理正”深基坑软件无法进行整体计算。为了计算的方便，岩土工程师们认为土钉只是取到加固作用，在计算中往往没有考虑土钉的影响，上部土钉的计算采用常规方法，下部桩锚计算则采用上部直接放坡计算或者将上部坡面转化为附加荷载。显然这两种方法是非常保守的，既没考虑下部开挖对土钉安全系数的影响，也没考虑施加土钉对桩锚[45]影响。王秀丽利用有限元软件模拟土钉+桩锚支护结构发现，当开挖到坡底时，土钉墙内的最危险滑面在坡角，随着下部桩锚土体开挖，潜在滑动面向后移。这主要是下部土体的开挖使得坡体位移场发生变化，使得潜在滑动面后移，减小土[29]~[37]钉的有效抗拔段，从而减小了安全系数。综合考虑上下结构的相互作用，由于软件计算的限制，将组合结构分为两部计算，上部土钉按常规方法计算并考虑土钉抗拔折减系数，下部桩锚计算。由于桩锚的计算比较复杂，常规方法没有考虑上部结构的作用，而且由于增加土钉结构后，作用在桩顶的荷载不再是平均分布，而是分为加强段、减弱段和平均段。在其他条件不变的情况下，以5钻孔为参考地质参数详表2-3，只改变桩上荷载方式对桩和锚索的影响。根据地质勘察报告卵石的粘聚力为0，这个值是地勘单位为了偏于保守的面而取的。研究表明随着粘聚力在一定范围内的增加，柱顶位[36]移会发明显的变化，变化范围可能达到从几十毫米到几毫米。对于砂卵石粘聚力可以取3~10KPa，所以本工程取5KPa。设地面附加荷载为20KN,上部6m的平均荷载为117.9KN，三种计算方法荷载如图2-4。表2-35号钻孔为地质参数土类名称层厚重度粘聚力内摩擦角3(m)(kN/m)(kPa)(度)上部放坡土素填土0.7018.05.005.00层（厚度为粘性土3.2019.522.0011.006m）细砂0.4019.50.0025.00稍密卵石0.5021.05.0040.00松散卵石0.6020.02.0037.00稍密卵石0.6021.05.0040.00下部土层稍密卵石0.4021.05.0040.00中密卵石0.7022.05.0045.00密实卵石20.0022.55.0050.0014 第2章工程概况方法一方法二方法三图2-4三种方法荷载计算图图2-5方法一桩身位移图2-6方法二桩身位移图2-7方法三桩身位移图2-8方法一桩身弯矩图2-9方法二桩身弯矩图2-10方法三桩身弯矩表2-4是不同桩锚支护计算模型计算结果比较，方法一得到的桩身弯矩明显大很多，后面两种很相近，利用方法一桩的配筋更大，不经济且过于保守。但是根据桩身位移曲线来看，方法一得到结果要更加符合实际位移，后两种方法得到15 成都理工大学硕士学位论文桩顶位移表现为挤压土，这种反位移与实际情况不符，出现反位移主要因为是桩顶附加荷载较大的缘故，对于一般土钉+桩锚结构不会在桩顶出现反位移，所以通过桩顶位移比较方法更优。比较锚索的轴力和长度发现，这三种方法得到的结果还是很相近的。比较方法二和方法三发现，方法二得到的地面沉降量为22mm,比方法三得到的大37%,方法三与方法一的沉降值比较接近，进一步证明了土钉具有提高结构整体稳定的作用。综合上述分析，采用方法一较为保守，方法二计算的结果不是很理想，方法三结果比较符合实际情况，较为经济，但是方法三得到桩身位移不符合实际情况，所以对于土钉+桩锚结构可以采用方法三配筋结果和利用方法一的位移作为控制条件。表2-4不同计算方法结构计算结果上部直接放坡（方法将上部放坡转换为荷考虑土钉作用（方法一）载（方法二）三）桩身最大655.87470.36390.79变矩值（KN.m）桩计算结桩身最大7.4611.268.54果比较位移（mm）桩顶位移6.2-5.9-4.8（mm）第一道锚索轴向拉力457.22412.5412.5设计值(KN)第一道锚索自由长8.08.08.0度）/m第一道锚索锚固长度5.55.05.0/m第二道锚索轴向拉力531.51535.8498.6设计值(KN)第二道锚索自由长度7.06.56.5/m第二道锚索锚固长度6.06.05.5/m第三道锚索轴向拉力528.73585.69555.13设计值(KN)第三道锚索自由长度6.56.56.5/m第三道锚索锚固长度6.06.56.5/m地面最大沉降量132216（mm）16 第2章工程概况借鉴已完成工程的经验以及结合成都地区的特殊情况，以地质勘察报告所给的地质参数为基础，利用理正软件中的单元结构进行设计。根据计算结果选取三排土钉长度分别为6m、5m、4m，锚索的长度分别为24m、21m、18m，具体的支护情况见支护结构立面图2-11。图2-11支护结构剖面图2.4深基坑现场监测2.4.1深基坑监测目的在基坑工程开挖前，土体处于静力平衡状态，由于基坑内土体开挖相当于应力释放，使得坑内外应力得不到平衡，土颗粒间产生相对运动，无论采用刚性还是柔性支护方式都无法避免产生相对位移。当相对位移超过某个范围时，都会对支护结构和周围环境造成很大的破坏，甚至引起重大安全事故。岩土变形的研究是一个极其复杂的，目前为止，无论采用何种软件和何种手段都很难模拟实际工17 成都理工大学硕士学位论文程的工作状态，因此在设计和施工都是以一个近似值作为参考依据。那么对于解决目前一直引起争议的问题如：土压力模型是否合理、地勘报告提供的参数能否达到设计要求、支护结构受力形式、如何保证施工质量和安全措施、出现问题的补救措施是否正确等，只有建立一个适合的、有根据的、综合的系统监测，才能及时了解和掌握工作状态，也为进一步的施工提供可靠的依据。对基坑进行监测的目的主要有：①通过分析对比监测结果与设计值，检验设计的荷载大小和方式是否正确、选用的设计方法是否合理，并为设计修改提供进行一步的参考；②通过监测数据反馈的结果，可反映支护结构和周围环境的状态，为是否需要采用安全补救措施提供帮助，也可以进一步检验施工方法是否可行，结构的质量是否达标；③可根据现有的监测资料对结构以后的变形进行预测，做到防患于未然；④通过有效的监测数据，并结合三维有限元计算方法，可为方案的优化、理论的研究和更全面的了解基坑工程工作状态提供宝贵的资料。2.4.2深基坑监测方案布置原则监测工作越来越受到重视，国家明文规定监测依据和实施方法，这是保证主体结构安全施工的一项重要的安保措施。监测工作的主要目的是得到有效的监测数据，它的成功与否离不开合理监测方法和监测点的布置位置。根据相关规定和[38]~[41]一些参考文献，监测方案布置的原则主要有以下几点：①布置的有效性和可靠性这是保证监测任务完的首要原则，监测点的布置应选择不易破坏且不影响工程的正常施工，并在一定程度上更能反应结构的实际状态；另外，监测仪器的选择应根据技术和施工环境，确定其可靠性。②经济适用性在不影响监测工作的有效性的情况下，以节约为目标，对于一些基坑等级低且土质良好、有相似工程可以借鉴、周期短且开挖面小的基坑，可以尽量少测一些项目，仪器满足精度即可。③抓重点区域对于易产生较大位移、破坏后果严重以及需要严格控制变形处应作为重点监测对象，并应当适当增加监测频率，做到特殊部位特殊处理。④综合原则所谓综合原则就是在监测方案设计中不仅要考虑能否验证设计的合理性还要考虑施工的可操作性，多角度、全面的考虑各个阶段的特点。⑤多面性监测18 第2章工程概况多面性监测主要在于选择监测方法时，应以仪器监测作为主要监测方法，以日常巡查作为辅助方法以；仪器上以机测为主，并且尽量选用不同原理，做到相互检验；测点应覆盖到所有部位，并根据不同部位设置合适的测点数。2.4.3深基坑监测内容和技术方法变形监测的作用是能有效预防由于基坑开挖引起周围建筑物不均匀沉降和保护在建建筑物的安全，本工程的监测项目主要有为基坑平面及垂直位移监测、降水地面与建筑物和邻近建筑物的沉降斜监测、桩身内力监测、锚索内力监测等。（1）基坑顶部变形和地表沉降监测：每一项设置137个监测点，监测点间距约为22m。其中C号基坑共在坡顶设43个测点用于测是坡顶位移，在冠梁顶上设43个测点用于测量冠梁水平位移和轴向位移，在地面上设43个点用于测量周围环境的沉降，测点位置如图2-12所示。（2）桩身和锚索内力监测：对于新布的桩，需进行桩身内力监测，选择一定数量的锚索进行内力监测。注：“+1”为监测点及编号，坡顶和冠梁监测点在同上纵向平面内，分别用JC1和GL1表示。图2-12C号基坑监测点位置示意图由于工程的特殊性，基坑需加强监测的力度与密度。监测手段基本满足《建[61]筑工程监测技术规范》（GB50497-2009）相关规定，实行信息化管理以及施工，抓重点，加强监测动态管理。当位移累计值达到30mm，或存在连续三天变19 成都理工大学硕士学位论文化范围达到3mm/d时，应采取一定的安全措施；当累积变形值达到变形值的70%时，此时结构已处于不安全状态，应当停止原计划施工，对基坑进行全面的分析找出其原因，在能保证结构安全的前提下才能继续作业。具体监测频率见下表2-5。表2-5监测频率基坑类别施工进度基坑设计深度10~15m开挖深度(m)小于等于51次/1d5~102次/1d大于102次/1d一级底板浇筑后时间(t)小于等于72次/1d7~141次/1d14~281次/2d大于281次/3d20 第3章深基坑监测数据处理分析与报警第3章深基坑监测数据处理分析与报警3.1监测数据处理基本原理在深基坑监测中会遇到很多类型的数据，有些数据难以直观反应其监测点的变化情况，还有些由于环境、监测点的破坏等因素造成数据的失真，故必须对原始数据进行整理并进行分类，将其做成图表形式以便更加客观的反应测点的变化规律。对于监测数据的处理与分析主要是计算和控制累计变化量和变化速效率。若累计变化量超过预警值表明体系可能处于危险状态，而变化速率过快表明结构在未来可能发生危险。累计变化量是对目前整个体系当时工作状态，变化速率是对体系未来工作状态的一种预测，以便提早发现问题。对监测数据的分析评价主要有以下几个方面：（1）对围护结构的进行位移变化量和变化速率分析。在实际监测任务中，围护变形监测包括水平和竖直位移，一般以水平位移控制为主。用图表示围护结构本身的变化情况，当发现位移最大值较大和位移变化过快时应分析原因，必要时可取相应加固措施。（2）对周围土体的沉降或隆起进行累计变化和变化速率分析。土体的沉降或隆起主要由两个原因：一是围护结构的侧移；二是地下水位变化。（3）综合分析各监测结果，并对监测结果进行互相检验和比较。利用监测数据与设计情况对比，以便检验施工的合理性。（4）一旦发生安全事故，监测资料可以作为分析原因的依据。3.2监测监控报警值的确定上节中已说明监测数据的分析主要是累计变化量和变化速率，那么量多大、速率多快表明结构有可能发生破坏呢？在第一章中分析的基坑的特点，那么对于报警值的确定也应用考虑基坑的特殊性。根据本工程基坑特殊性，主要确定围护结构和周围环境的报警值。3.2.1确定围护结构的监控报警值[61]对于报警值的确定在《建筑基坑工程监测技术规范》中有明确规定对于基坑所处周围环境良好、不存在环境问题的重力式和悬臂式支护结构可以参照被动土压力的极限位移乘以安全系数，如表3-1所示。对于需要保护周围环境的支护结构，用根据结构的安全等级来确定预警值，如图表3-2所示。21 成都理工大学硕士学位论文表3-1围护结构允许位移表一支护类型硬土软土悬臂式（顶部）（0.5~1.0）H%（1.0~2.0）H%重力式（顶部）1.0H%2.0H%桩墙—锚定（最大处）50mm100mm桩墙—内支撑（最大处）30mm50mm土钉墙（0.3~0.4）H%表3-2围护结构允许位移表二安全等级一级二级三级变形控制值（0.1~0.25）H%（0.2~0.5）H%（0.3~1.0）H%注：H为监控开挖深度；对于周围环境复杂应取较小值。本工程的围护结构主要有土钉、锚索和围护桩。土钉和锚索主要监测其内力，应以设计轴力作业监控值。对于围护桩应重点控制水平位移速率，当达到2.5~5.5mm/d时作为报警值；桩的竖直沉降累计值不超过10mm，变化速率不应大于2mm/d；桩的最大位移不超过50mm；对桩的弯矩和轴力应以设计值的80%作为控制值；若工程监测项目中有桩身位移监测，当存在明显的转折点时也应进行报警。对于坡顶超过20mm，此时也应进行报警，加以重视。3.2.2确定周围环境的监控报警值[6]根据《建筑地基基础设计规范》，由于构筑物的沉降差异能力不同，沉降变形量应为基坑开挖引起的变形和构筑物已产生的变形之和，其累加值应符合表3-3。表3-3单层和多层建筑的地基变形允许值变形特征地基变形允许值中、低压缩性土低高压缩性土砌体承重结构的局部倾斜0.0020.003建筑物相邻桩基的沉框架结构0.002L0.003L降差砖石墙填冲的边排桩0.0007L0.001L当基础不均匀沉降时0.005L0.005L不产生附加应力的结构桥式吊车轨面的倾斜纵向0.004横向0.00322 第3章深基坑监测数据处理分析与报警3.3坡顶监测变形数据整理和分析成都西部医药贸易项目监测时间为从2012年12月22号至2014年5月20号，对于C号基坑监测次数为60次。由于后期基坑位移变化不大，论文中对C号基坑前33次监测编号为JC20~JC35的相对水平位移监测成果进行整理并绘制各监测点的位移变化曲线，如图3-1和3-2。从图3-1中可以看出监测点JC30~JC35中最大相对位移为22.3mm,未超过预警值。由于监测周期一般为8天左右，周期较长使得得到的相对水平位移波动较大，有时前后两次监测值之差达到了17mm。相对位移曲线前期出现明显的波动主要是因为开挖过快，土体应力得到释放，支护结构产生更大的侧向变形，从而造成上部土体移动较大。随着锚索施加并逐渐进行入工作状态，锚索对土体在一定程度上取加固作用，且约束着竖向围护结构的水平位移，从而减少了上部坡体的水平位移和沉降。注：从2012-12-30至2013-10-21共监测32次，平均以每间隔8天测一次。图3-1C号基坑监测点JC30~JC35水平变形图3-2是监测点JC20~JC35在12月30号和1月10号位移大小。JC20~JC35是C号基坑南侧带两个转角附近上的点，在C号基坑南侧和东侧旁边是项目施工场地内规划道路，规划道路的另一侧是B号和D号基坑，基坑之间的距离大于基坑开挖深度，从理论上来说可忽略基坑间的的相互作用。从图3-2中可以发现左侧转角（JC33~JC35）的相对位移明显比右侧大，且左侧各监测点间的位移变化大，表明了C号基坑左侧受基坑开挖影响比右侧大。造成这种现象的原因是左侧红线外有公用道路和已完建筑物，根据现场调查发现在此道路距坑边较近23 成都理工大学硕士学位论文且车流量较大，在施工过程中并没有对此处采取加强措施。在1月10号J35达到最大值为20.4mm，虽并超过预警值，但前后两次位移变化很大且累计位移较大，在施工过程中应对C号基坑左侧重点监测，必要时可采取加固措施。图3-2C号基坑监测点JC20~JC35水平变形根据监测方提供的资料，监测方在2012年12月22至2013年3月8日对C号基坑进行了四次坡顶沉降监测，对数据进行整理，根据剔除粗差，减小系统误差和偶然误差，采用平差原理的原则，得到C号基坑北侧测点JC1~JC14如图3-3所示变化图。从图中可以看出整体上各监测点是沉降，只有少数几个是隆起，沉降最大值为6.1mm，隆起最大值为2.3mm，均在预警值范围内。监测点JC1至JC7沉降量变化不大，而JC8至JC14从沉降到隆起，变化较大，在平视检查中应该重点检查这些区域。图3-3C号基坑JC1~JC14沉降24 第3章深基坑监测数据处理分析与报警3.4冠梁监测变形数据分析根据C号监测冠梁（桩顶）水平位移数据绘制如图3-4和3-5曲线图。从图3-4可以看出，这三个测点的最大累计变形量为31.3mm往坑内方向变形，小于预警值处于安全状态。从每条变形曲线走势可以看出，刚开始增大，随后桩体出现回弹，最后又不断增大。桩顶冠梁位移刚开始增大是因为一道锚索对桩的约束力小于上部土体对桩的侧压力大；其后随着第二道锚索和第三道锚索进入工作后增加了桩体侧向位移的约束，桩体出现回弹；最后开挖结束后土体的位移随时间慢慢增大，最后趋平缓状态。从图中可以看出，从布置桩到开挖结束后桩顶位移变化很大，开挖结束后位移变化还是比较小。刚开始变化快是因为锚索的竖向距离为5m，在此段内桩体约束力几乎不变，而土体的侧向压力不断增加，引起支护结构向坑内位移加剧。图3-4C号冠梁监测点编号为GL20~GL22水平变形根据C号基坑南侧冠梁顶部沉降监测数据绘制如图3-5曲线图。由图可知，沉降量在南侧的中间部位达到最大，在1月26号和3月9日监测点GL25分别达到5.5mm、7mm，方向向下。从曲线走势可知，离转角越远沉降量越大，即两端小中间大，这也进行一步证明基坑工程具有空间效应，转角的存在有利于减少支护结构的位移，对基坑工程的安全是有利的。根据曲线的走势表明，采用传统的二维平面进行设计得到的位移估算值偏大，也可以检验支护结构的安全储备，反分析支护结构设计的合理性。25 成都理工大学硕士学位论文图3-5基坑南侧测点沉降26 第4章FLAC3D在基坑工程中的应用第4章FLAC3D在基坑工程中的应用上一章对监测数据进行处理和分析，但由于监测条件、技术等因素监测数据只能反应某一时刻该监测点的变形情况。对于无法监测、监测点破坏的部位，而且监测点有一定的距离，有可能在监测点间位移达到最大，上述这些情况仅仅依靠监测手段是无法实现的。为了更好的了解各个工作状态下基坑的变形形态，本章利用三维有限差分软件对基坑开挖的实际状态进行模拟。4.1FLC3D软件简介连续介质快速拉格朗日分析简称为FLAC是由ITASCA公司于1986研发的一款岩土有限差分软件。FLAC最早可以追溯到19世纪70年代，当时只是采用传统的正方形网格和小应变的有限差分程序，直到19世纪80年代初期雏形才逐渐形成。FLAC中“fast”并不代表程序计算很快，PeterCundall的本意只是表达[42]希望更快。由于FLAC具有以下优点：（1）有限差分与有限元相比，前者控制方程组的可以通过应力和位移的代数进行转换，在每步计算结束时生成新的有限差分方程，也就是说，FLAC采用的是“显式”时程方法，从而大大缩短运算时间；而后则应力和位移是通过函数式来指定每个单元内的变化，计算方法一般是将各个单元矩阵式组合成总刚度矩阵式；在某些特定的条件下，这两种方法得到的结果是一样的，只不过是通过不同的计算过程得到。（2）利用不同单元离散法得到应力、应变和偏量来模拟联合粘性和塑性流动，有效避免了局部区域不可压缩造成的“网格锁定”和“刚度过大”，该方法得到的结果比离散集成法更加可靠且合理。（3）FLAC提供了十一种材料模型和五种计算模式，能够满足各种工程的需求，且具有强大的FISH语言以及采用开方式模块，使得学者可以自由开发能满足要求的计算方式，而不是仅局限软件自带的功能。正是由于FLAC具有上述优点，推出后深受各领域的学者们推崇和喜爱，特别在岩土工程中。我国是19世纪90年代中期才开始引入FLAC软件，目前广泛应用于基坑、边坡、隧道等其他岩土工程，是全面了解岩土工程工作状态的常用软件之一。4.2本构模型原理以及适用范围FLAC中常用岩土本构模型很多，但是没有一个本构模型适合所有的岩土工程，也就是说需要针对不同的工程特点选择合适的本构模型。每种本构模型具有自身的局限性，只适用于某种特定的岩土材料在特定的条件下的工作状态，对于不同材料和不同条件下是否适用还需研究和试验，所以在进行数值模拟时要试算来确定所选本构模型得到的结果是否合理。土体变形非常复杂，既有塑性变形27 成都理工大学硕士学位论文和剪胀变形，而且还是非线弹性，受各种因素综合控制，选择适合本工程土体变形的本构模型是数值分析的主要问题。本构模型如何选择，是盲目的乱套用还是准确的选择，这就需要我们对模型的原理和适用范围有一定的了解。经过几百年的历史，学者们提出几百种不同的本构模型，这里主要根据本构模型原理主要有[42]~[51]以下四类：弹性模型、弹—塑性模型、硬化模型和小应变模型。4.2.1弹性模型弹性本构模型主要包括弹性模型、各向同性弹性模型和Ducan-Chang（邓肯-张）模型。弹性本构模型是基于弹性理论，它不能反映土体的塑性变化，也不能很好的模拟基坑开挖或回填引起刚度的变化等问题。目前在基坑工程中运用较多的是Ducan-Chang模型，并且很多学者为了更好的满足工程的要求对模型进行了改进如冷先伦和盛谦将邓肯-张E-B运用到基坑工程中，发现能较准确的反应基坑开挖过程中的位移变化，为指导施工提供有价值的资料。下面简单介绍下该模型的原理。Ducan-Chang模型是以广义虎克定律为基础，以应力-应变为非线线性关系为依据，可以近似认为考虑塑性变形部分。Kondner等人发现应力-应变关系与双曲线很相似，可以用下式方程表示：(4-1)ab11其中，a，b，Ei为原点切线斜率。将上述双曲线方程13Eiult通过转换成直线方程：ab(4-2)28 第4章FLAC3D在基坑工程中的应用图4-1应力-应变关系(a)图为应力-应变双曲线关系(b)图为应力-应变直线关系根据规范规定a和b值可以取应力水平的70%和95%两点连成的直线求解，但丁磊和张林洪研究发现采用规范法有时得到的结果并不符合，提出一种叫适线法，就是选取最合适的试验点进行拟合，可是这种方法的试验点具有不定性和随机性，操作过程比较复杂。1963年简布做了很多实验并分析数据发现E与大气i压Pa成有关，且与最小应力成正比，Ei可以表式为：3nEKPa()(4-3)iPa其中K和n需要通过实验数据代入求解出来，但是直接将数据代入上述方程计算比较繁琐，可以将上式两边同时改成对数形式，得：lgElgK(n1)lgPanlg(4-4)i3利用上述相同原理，曲线上任一点的切线模量：(13)E(4-5)ta对于非线性模型，当处于加载状态时，R(1sin)f2EE(1)(4-6)ti2ccos2sin3其中Rf是破坏应力比，若土的粘聚力c=0，上式变为：29 成都理工大学硕士学位论文R(1sin)f2EE(1)(4-7)ti2sin3若土体处于卸载状态，卸载过程中应力-应变是线性变化，可近似认为卸载直线与原点切线平行，Et与Ei相等。前两种主要用于应力与应变关系为线性的均质、各向同性和连续的无卸载滞后现象的岩土如强度极限以下的钢材，对需要开挖填土的工程一般不适用。Ducan-Chang模型一般只适用于应变硬化材料如正常固结的粘土中，还可用于单一方向加载的堤坝，对于模拟软化材料得到结果往往不是很理想，对于某些挖填土工程可以适用。4.2.2弹—塑性模型弹—塑性模型主要包括Tresca模型、Mohr-coulomb模型和Drucher-Prager（德鲁克-普拉格）模型。Tresca模型所使用的Tresca屈服准则没有考虑水压力对材料性能的变化，在基坑工程中用的很小，在这里就不介绍。（1）Mohr-coulomb模型它是利用几组土体破坏的摩尔圆，通过绘出这几组摩尔圆公切线，这条公切线就是土体包络线，应力-应变当在这条线内，土体不会发生破坏，在这条线上则处于极限状态，超过在这条线，土体已经发生破坏。土体是空间受力，从4.2图中可以看出，破坏线是由一条斜线AB和一条水平线BC，斜线AB可以用下式表式：2fN2cN(4-8)132cos其中N，和为最大和最小主应力。131sin当f小于0时，土体处于安全状态；当f等于0时，土体在破坏与安全的交叉线上；当f大于0时，土体已破坏。水平断BC的破坏方程可以表式为：tf(4-9)3t其中为土体的抗拉强度。30 第4章FLAC3D在基坑工程中的应用图4-2M-C三维应力应变关系（2）Drucher-Prager模型Drucher-Prager模型包络线包括Drucher-Prager准则（也可称为广义Tresca屈服和破坏准则）和拉应力路径。它主要由剪切应力和平均法向应力表示，剪切应力可以由正应力来表式，最后就简化成正应力单一分量表示。当土体单元处于受压状态时，屈服函数为：fab(4-10)122221其()()()，()1122223311331211223363当土体处于受拉状态时，屈服函数为：tf(4-11)t其中为土体的抗拉强度。Drucher和Prager根据平面图应变条件推导出a和b与内摩擦角、粘聚力的关系式：tana(4-12)2912tan3cb(4-13)2912tan31 成都理工大学硕士学位论文图4-4D-P主应力空间屈服面弹—塑性模型考虑了水压力的作用，也考虑的塑性变形，在模拟基坑工程中能得到较好效果，但是模型的必要参数中需要设置变形模量，在计算过程中无论是加载还是卸载都是采用参数中的这个模量，没有考虑到土体模量与应力加载路径和应力大小有关，也没有考虑土体的硬化特性，有时会造成得到的结果偏大。弹—塑性模型具有参数少、计算简单和考虑剪胀作用的特点，对于模拟一般的边坡稳定和地下开挖还是可以得到满意的结果，相对而言M-C比D-P更适用于基坑工程，有时对于简单的模型，在恰当的参数下是不会影响结果的合理性。但是很多学者采用M-C模拟会出现部分上浮或者整体上浮，这就需要采用更高级的本构模型进行分析。DrucherPrager模型主要摩擦角很小的软质粘土，它常用于对比分析显式和隐式拉格朗日的结果。4.2.3硬化本构模型硬化本构模型包括剑桥模型、修正剑桥模型和HardingSoil模型，硬化本构模型与弹—塑性模型相比，更适合运用到有土体挖填的工程如基坑工程，因为土体的原始状态被打破后，土体的模量或者刚度是随着挖方和填方的大小而改变，并不是个固定值，但弹—塑性模型中模量一直保持设置的那个数，这与实际情况不相符；可是硬化本构模型对土工试验的要求比较高和模型的计算比较复杂，一般的土工试验不能得到模型所需要的参数，所以有些参数需要经验来设定，对初学者来讲会造成得到结果从合理与否具有一定的随机性，只有积累了一定经验后才能更好的把握参数设置大小。32 第4章FLAC3D在基坑工程中的应用（1）剑桥和修正剑桥模型剑桥模型是Roscoe等人根据临界状态理论针对粘土提出来的，而修正剑桥模型是在剑桥模型的基础上将屈服面的形状为直线改成椭圆和将土体在边界面内只在发生弹性变形的观点改为土体边界内除了弹性变形还会剪切塑性变形，从而使得模型的适用面更广。土体的临界状态是在应力和体积保持不变，剪切变形不断增大至到最后破坏。土体的状态是通过球应力、剪应力和比体积来表示，球应力和剪应力用三个方向的主应力表示，比体积用孔隙比来体现。为了建立屈服面的数学表达式，需要两个假定：土的塑性变形符合相关联的流动准则和由于变形损失的能量即塑性功为各方向的矢量和。对于剑桥模型的屈服面是对数曲线，屈服函数表示为：p`q`Mp`ln()0(4-14)p`0其中p`0对为先期屈服力（可称固结压力），对于修正剑桥模型的屈服面是椭圆曲线，屈服函数表示为：2qp`20M(1)0(4-15)2p`p`将上式转换可得：2q(1)pp`(4-16)220Mp从上式屈服方程可知，屈服方程只含一个变量p0量，每个不同的p0对一条屈服曲线，随着的p0增加，屈服面也逐渐扩大。Roscoe和Burland通过研究发现临界状态坡度参数M可以用摩尔—库仑的内摩擦角表示：6sinM(4-17)3sin在修正剑桥模型，土体的体积模量并不是一个固定的数，它的大小与球应力、比体积和膨胀线坡度有关，土体中任一点的体积模量K可表示为：33 成都理工大学硕士学位论文(1e)p`K(4-18)k而且泊松比u和剪切模量G并不是同时固定，当给定G时，u是一个变化的数，u可由下式计算：3(1e)p`2Gku(4-19)6(1e)p`2Gk同理，当给定u时，G是变化的。但是对于泊松比u接近于0.5时，不适合采用上述公式。图4-5修正剑桥模型在p-q平面内的屈服轨迹（2）Harding-Soil模型（简称HS模型）HS模型是Schanz提出的，其基本思想与邓肯-张相似，都是根据三轴排水试验的剪应力和轴向应变的双曲线关系，与其不同的是，在模型中引入帽盖屈服面，而且认为土体变形由两部分组成：弹性变形和不可恢复的变形。在HS模型引入帽盖屈服面不仅可以考虑的剪切作用引起的剪切硬化，而且与此同时考虑土体压缩引起的压缩硬化，可以分别用来模拟由初始偏应和静水压力引起的塑性变形。在HS模型中，刚度与主应力是成指数变化，对于不同土体指数m的大小不同。若土体属于软土，指数m可近似取1，此时就变成半数压强定律；若土体属于砂土和粉土类，指数m为0.5。根据工程经验，像上海土区指数m取0.8比较34 第4章FLAC3D在基坑工程中的应用好。参数m取值大小直接影响土体刚度的大小，m=1时，土体的屈服轨迹为一条直线，随着m的增大或减小，屈服轨迹会发生不同程度的弯曲变化，但是参数m很难确定只能靠经验来确定，需要通过多次试验才能得到正确的结果。从标准三轴实验的应力-应变关系可知，在弹性范围内卸载然后再加载的模量变化很大，所以对于需要开挖填土工程，应该考虑土体的卸载模量Eur。对于剪切膨胀其屈服函数为：pFf(4-20)1qult2fq()(4-21)EqqE50ulturE50是加载到50%的极限荷载所对应的割线模量，E50和Eur可以通过下式求解：refccos3sinmEE()(4-22)5050refccospsinrefccos3sinmEE()(4-23)ururrefccospsinpp由于硬土体积变化很小，可取2。在硬化土模型中除了用到上述两个1刚模量外还需要一个切线的压缩模量Eoed，Eoed可通过下式计算refccos1sinmEE()(4-24)oedoedrefccospsinref“ref”表示相对于参考围压下所对应的模量，参考围压p一般可取100KPa。refrefref查相关文献发现，对于粘性土层E可取0.9倍压缩模量E，E就取E，Eoedsoedsurrefrefref为6.3倍的E；若是砂土，E和E都取E，E取4倍的E。soedoedsurs硬化模型采用的是塑性理论，计算模型中考虑了剪切硬化、压缩硬化和剪胀性，能有效的模拟多种土体的破坏和变形状态。硬化模型一般用于需要精确分析土体的工作状态，硬化模型对工程的质量要求较高，一般的土工试验得到的参数不能满足它的要求，故它在工程中的应用还是有一定的困难，且模型本身还处于不断发展和研究状态。35 成都理工大学硕士学位论文图4-6标准排水三轴试验主加载下双曲线型应力-应变关系4.2.4小变形本构模型对于砂土、粘性土和软土硬化模型是可以得到较为合理的结果，可是对于变形很小如岩石、卵石土等，采用硬化模型得到结果可能就不那么满意。研究表明土体发很小的位移土体的刚度也会发生变化，若反向加载，土体的刚度会先恢复到初始值，如果反向加载继续增大，刚度又会减小。小变形本构模型是在硬化模型的基础上考虑了小应变范围内土体的剪切模量随应变的增大而减小情况。小变形本构模型主要有Bricksonstring模型、MIT-E3模型和PlaxisHardingSoilwithsmall-strainstiffness模型，前面两种在基坑工程中用的比较少，在这里主要分析下HardingSoilwithsmall-strainstiffness（简称HSS）模型的原理和特点。HSS模型是Benz在HS的基础上，运用了修正的Hardin-Drnevich的剪切模型关系式，而且还考虑了屈服面不同方向变形和历史应力变化的影响。HSS模型与HS模型除了增加了初始剪切模量G0和阈值剪应变外，其余参数都相同。Benz44建议阈值剪应变可以取110~210，初始剪切模量G0依然是在参考压力下的参考初始剪切模量为基准数，即：refccos3sinmGG()(4-25)00refccospsin采用HSS模型不仅仅考虑了剪切硬化、压缩硬化和剪胀性，区分加载与卸载刚度且随加载路径和应力变化，同时还考虑了土体小变形时的特性，能更好模36 第4章FLAC3D在基坑工程中的应用型基坑开挖和回填引起周围建筑、市政管道和支护结构的变化。HSS模型和HS模型都是假定土体强度和刚度是各向同性的，所以不能模拟土体刚度和强度是各向异性，而且模型中是忽略了时间对应变的影响，对于需要考虑时间的工程也不能模拟。4.3FLAC3D数值模拟分析深基坑的开挖4.3.1本构模型的选择和确定模型参数根据上节分析FLAC3D提供的几种本构模型的原理和优缺点，本文选择空气模型（null）来模拟土体的开挖或者移走，它主要是通过将需要被移走的土体重力设为0来实现，若需要模拟回填，则只要将设置为null的部分重新定义成新的模型即可。用Mohr-Coulomb模型来描述土与岩石的剪切变形。用桩（pile）单元来模拟人工挖孔桩，用梁单元（beam）模拟冠梁，用锚索(cable)单元模拟土[42][43]钉和锚索。（1）土参数的选取摩尔-库仑主要参数有密度、粘聚力、内摩擦角、体积模量K、剪切模量G、剪胀角、抗拉强度，可先参数有泊松比u和土体的摩阻力。一般岩土勘察报告会提供前三个主要参数和泊松比，抗拉强度和有土体的摩阻力体可以根据规范查明，若土体模型是以极限状态为计算依据，剪胀角的大小可以与内摩擦角一样。对于体积模量K和剪切模量G不能从报告中直接得到，但可以通过报告中压缩模量Es和泊松比u求弹性模量E，然后再求K和G，计算公式：22uEE(1)(4-26)s1uEG(4-27)2(1u)EK(4-28)3(12u)若泊松比u=0.5时，E为0，所以对于泊松比接近0.5的土体不建议采用上述公式计算算弹性模量E，可直接取E=（2~3）Es取。为了简化计算方案，根据岩土勘察报告和5号钻井的地质情况，侧压力系数取0.5，具体岩土参数见表4-1。37 成都理工大学硕士学位论文表4-1模型所需岩土参数材料类厚度深度密度剪切模体积模粘聚力内摩擦抗拉强3。型（m）(m)(kg/m)量量(Kpa)角()度(Mpa)(Mpa)(Mpa)素土1.51.518003.859.62550粘性土1.5319506.3912.922110砂卵石36195014.2260250稍密卵17210029.554.35400石中密卵1822004269.65450石密实卵689225061.589.35500石（2）桩单元参数的选取本工程采用机械旋挖灌注桩，桩身直径D=1.2m，混凝土强度等级为C30。桩的几何尺寸、材料特性和连接弹簧参数来定义，连接弹簧参数的大小主要是控制桩单元在网格中的切向耦合和法向耦合弹簧作用。桩结构主要有20个参数：弹性模量E、泊松比u、横截面积A、y轴惯性矩Iy、z轴惯性矩Iz、极轴惯性矩J、剪切耦合弹簧单元长度上的内聚力cs-scoh、剪切耦合弹簧的摩擦角cs-sfric、剪切耦合弹簧单位长度刚度csstiff、法向耦合弹簧单元长度上的内聚力cs-ncoh、法向耦合弹簧的摩擦角cs-nfric、法向耦合弹簧单位长度刚度csntiff、法向耦合弹簧裂缝标志g、外圈长度P、大变形滑动标志和大变形滑动容差。3对于混凝土等级为C30，Ec=30Gpa，u=0.2，密度为2500kg/m，桩身钢筋采用三级，桩的弹性模量：EEE(1)(4-29)scEs这钢筋的弹性模量，为配筋筋。一般配筋筋较小，钢筋的弹性模量影响不大，而且考虑到实际支护结构是带裂缝工作，可直接用混凝土的弹性模量作相应的折减，可取E=0.8x30=24Gpa。对于圆形截面：2A0.78D(4-30)4J2I2I0.049D(4-31)yz38 第4章FLAC3D在基坑工程中的应用切向连接弹簧参数主要是控制区交界面的剪切强度，对于认为土体的破坏先于土体与结构的交界面，cs-sfric不低于土体的内摩擦角，cs-scoh不低于土体的粘聚力乘以桩的周长，否则表明桩表面光滑，可减少cs-sfric和cs-scoh。在理论上，桩节点与网格间的相对位移可以用csstiff来表达：Fscsu(4-32)stiffLu是桩与网格的相对位移，L是作用的长度。桩与网格交界处产生最大的剪切刚度与界面的粘结强度和摩擦力有关关，公式为：maxFs`csscohctan(cssfric)peri(4-33)L图4-7对桩单元来说的材料的法向连接弹簧的强度a)剪切强度准则；b)剪切力—位移法向连接弹簧参数主要是控制区交界面的桩周约束力，在本质上也表现为粘聚力和摩擦力，桩的刚度大不会发生破坏，破坏是由于土体变形过大，可认为cs-ncoh很大，而cs-nfric可以近似为0，桩单元法向连接弹簧模型如图4-8。在理论上，桩节点与网格间的相对位移也可以用法向耦合曲线剪切刚度csntiff来表示：Fscsu(4-34)ntiffL39 成都理工大学硕士学位论文综合上述分析计算，桩计算参数表4-2。表4-2模型所需岩土参数结构类型EuAIyIzJP2443(pa)(m)(m)(m)(m)(m)桩24e90.21.13040.1017360.1017360.2034723.768梁24e90.20.960.05120.11520.1664结构类型cs-scohcs-sfriccsstiffcs-ncohcs-nfriccsntiffslide。。(pa)()（pa）(pa)()(pa)桩37.68e35024e91e10024e9off图4-8桩单元的法向耦合弹簧的材料特性a)法线强度准则；b)法向力—位移（3）梁单元参数的选取冠梁的截面宽为1.2m，长为0.8m，对于梁单元可以只设置六个参数：弹性模量E、泊松比u、横截面积A、y轴惯性矩Iy、z轴惯性矩Iz、极轴惯性矩J。这几个参数的选取在桩单元已详细介绍，可参考上面的计算方法，具体参数见表4-2。（4）锚索单元参数的选取对于锚索和土钉主要承受轴向力，弯曲和挠度不起控制作用，所以可以用cable单元进行模拟。cable单元主要有11必选参数是：弹性模量E、横截面积A、40 第4章FLAC3D在基坑工程中的应用单位长度上水泥浆的粘结力cg(gr-coh)、水泥浆的摩擦角(gr-fric)、单位长度上水泥浆刚度kg(gr-k)、水泥浆外圈周长Pg(gr-per)和抗拉压强度(Fc或Ft)。水泥浆的外圈长度：P6.28(D2t)(4-35)gD为锚索的直径，D+2t为孔的直径。一般情况下，水泥浆的刚度需要通过拉拔实验测得，也可以根据St.John给出的经验公式来计算：6.28Gk(4-36)gln(12t/D)G为水泥浆的剪切刚度。考虑网格与孔之间的相对剪切位移的影响，在条件不足的情况下，可将近似取上式的0.1倍。水泥浆的粘结力与最大剪切强度峰值和外圈周长有关，最大剪切强度峰peak值需要先通过不同围压实验测出粘结强度和摩擦角，但St.John提出对于软弱岩石和水泥浆最大剪切强度峰值可取单轴抗压强度的1/2，而且通过实验验证其c合理，多数情部下，水泥浆的粘结力cg可以表示为：cP(4-37)ggc本工程设置三排土钉，长度分别为6m、5m和4m，采用用直径为48mm的钢管,孔洞直径为100mm，灌浆体为C20的混凝土。设置三排锚索，锚索与桩连接，长分别为24m、21m和18m，采用由7束无粘结铜绞线组成的直径为135mm锚索，钻孔直径为150mm，灌浆体为C30的混凝土。详细参数见表4-3和表4-4。表4-3锚索参数结构类型EAgr-cohgr-fricgr-kgr-per2。(pa)(m)(pa)()(pa)(pa)锚索自由210e91.77e-21010.471段锚索锚固210e91.77e-27.1e4258.3e9段41 成都理工大学硕士学位论文表4-4土钉参数结构类EAgr-cohgr-fricgr-kgr-perFt密度2。3型(pa)(m)(pa)()(pa)(m)(KN)(kg/m)土钉210e91.81e-33.14e41177e90.31416.5e67.8e34.3.2确定模型尺寸和边界条件模型尺寸的大小直接影响到计算速度和结果是否精确。模型的尺寸太小，支护结构全部处于边界条件影响范围会造成结果误差太大；模型的尺寸太大，计算所需要的时间太大。故选择合适的尺寸大小即可以满足精确，又能节约时间。基坑由于开挖产生变化的范围与地质、工程结构特性、周围环境等有关，研究表明，开挖引起地表沉降的范围大约有5倍开挖深度H，在0~H范围影响最大称为主要影响区，在H~2H范围内影响相对较小称为次要影响区，所以对天模型的水平尺寸选3H是可以满足精度要求。对于竖向边界尺寸一般可取3H~4H，本工程取3H。基坑开挖深度为21m，计算模型的长为90m,宽为54m高为76m。模型总共有52350个单元，60611个节点。施加那个方向的边界条件应该结合土体的实际受力和位移，根据一些学者的计算分析，主要对直立施加法向约束固定水平位移，约束底部所有方向的位移，土体上部为自由面。4.3.3施工过程的模拟为实现施工过程的模拟，应确定与实际施工过程大体相近的计算工况。数值模拟的具体工况见表4-5。表4-5开挖工况工况开挖土层和施加锚索初始平衡模型建立网格模型，根据土体参数先计算初始应力第一步清除由重力荷载产生的位移和速度，挖掉第一层土体，开挖至地面以下6m，施加三排土钉和桩第二步开挖第二层土体，施加第一排锚索，开挖至地面以下8m第三步开挖第三层土体，开挖至地面以下11m，网喷混凝土第四步开挖第四层土体，施加第二排锚索，开挖至地面以下13m第五步开挖第五层土体，开挖至地面以下16m，网喷混凝土第六步开挖第六层土体，施加第三排锚索，开挖至地面以下18m第七步开挖第七层土体，开挖至坑底，网喷混凝土42 第4章FLAC3D在基坑工程中的应用4.3.4结果分析（1）初始应力FLAC3D根据对节点施加重力荷载，节点运动方程可以用微小时间来表达，在很短时间内，该重力荷载只会影响周边几个点，从而可以求出相对位移和应变，再根据所设的本构关系求出应力，随着时间的推移逐渐影响整个区域，计算出单元间的不平衡力，并重新加到该节点上，并重复上述步骤直到求出的前后两不平-5衡力之差小于10。经过计算得到应力云图4-9和最大不平衡力图4-10。竖向应力是重度乘以高度，与理论值接近。最大不平衡力趋于固定值，变化范围很小，可以认为土体达到初始平衡状态。FLAC3D3.00Step4022ModelPerspective16:00:52SunMay102015Center:Rotation:X:4.500e+001X:30.000Y:2.700e+001Y:0.000Z:-3.800e+001Z:20.000Dist:2.759e+002Mag.:1Ang.:22.500ContourofSZZMagfac=0.000e+000GradientCalculation-1.6875e+006to-1.6000e+006-1.6000e+006to-1.4000e+006-1.4000e+006to-1.2000e+006-1.2000e+006to-1.0000e+006-1.0000e+006to-8.0000e+005-8.0000e+005to-6.0000e+005-6.0000e+005to-4.0000e+005-4.0000e+005to-2.0000e+005-2.0000e+005to0.0000e+0000.0000e+000to1.2243e+003Interval=2.0e+005ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA图4-9初始平衡状态下Z方向应力云图（2）土钉轴力分析不同开挖深度三排中间位置的土钉轴力分布如图4-11、图4-12和图4-13。从图可以看出，土钉的轴力分布表现为两边小，中间大。由于三排土钉都是在开挖完第一步后施加，三排土钉刚开始的变化大，后来随着开挖的进行轴力的在10%范围内波动。开挖第一步施加土钉，第一排第10根土钉最大轴力为67.1KN，由于后续的开挖土钉轴力增大到79.7KN；第二以及第三排第10根在整开挖过程中土钉最大轴力分别达到64.2KN和67.1KN。从轴力分布图也可看出，土钉只43 成都理工大学硕士学位论文是对土体起到加固作用，下部土体的开挖对其影响不明显。为了方便分析和观察的更清楚，本论文采用切片手段进行处理，如图4-14为中间截面处土钉的分布云图，以下各云图均按此方法处理。FLAC3D3.00x10^61.3Step402210:39:37SunApr1920151.2History1Max.UnbalancedForce1.1Linestyle4.653e+002<->1.325e+0061.0Vs.Step0.91.000e+001<->4.020e+0030.80.70.60.50.40.3图4-10最大不平衡力记录图0.20.1ItascaConsultingGroup,Inc.图4-110.5第一排第1.0101.5根土钉2.02.53.03.54.0Minneapolis,MNUSAx10^3图4-10最大不平衡力记录图4-11第一排第10根土钉轴力44 第4章FLAC3D在基坑工程中的应用图4-12第二排第10根土钉轴力图4-13第三排第10根土钉轴力（3）锚索轴力分析图4-15至图4-17是施加锚索至开挖结束各工况的轴力图。第一排锚索长为24m，模拟时将锚索分成12个单元构件，前4个单元构件为自由段，后8个单元构件为锚固段。从图4-15中可以看出，最大轴力在自由段内，并在锚固段内逐渐减小，甚至出现拉应力。第二步开挖时，锚索刚进入工作状态，此时轴力较小，随着开挖不断加深，轴力不断增大，第二步最大轴力为42.6KN，到第七步时最大值达到566.4KN。到开挖结束后自由段内的轴力相差不大，处于直线状态，在锚固段内表现为直线下降，最后接近为0。第二排锚索长20m，分成10个单元构件进行模拟，前4个单元构件为自由段，后6个单元构件为锚固段。从图4-16也表明最大轴力在自由段内，并随锚固长度显现递减的现象。锚索在第七步开挖结束后达到557KN，此时锚固段最后一个单元构件的轴力为83.8KN。45 成都理工大学硕士学位论文FLAC3D3.00Step7022ModelPerspective22:43:29SunApr192015Center:Rotation:X:3.580e+001X:0.000Y:2.700e+001Y:0.000Z:-1.325e+001Z:350.000Dist:2.759e+002Mag.:1.95Ang.:22.500ContourofSZZMagfac=0.000e+000GradientCalculation-9.8133e+005to-9.0000e+005-9.0000e+005to-8.0000e+005-8.0000e+005to-7.0000e+005-7.0000e+005to-6.0000e+005-6.0000e+005to-5.0000e+005-5.0000e+005to-4.0000e+005-4.0000e+005to-3.0000e+005-3.0000e+005to-2.0000e+005-2.0000e+005to-1.0000e+005-1.0000e+005to0.0000e+0000.0000e+000to1.4228e+003Interval=1.0e+005cableAxialForceMagfac=0.000e+000tensioncompressionItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA图4-14土钉轴力图4-15第一排中间锚索轴力46 第4章FLAC3D在基坑工程中的应用图4-16第二排中间锚索轴力图4-17第七步锚索和土钉轴力分布（4）沉降分析图4-18为土体Z方向沉降云图。由于坑内土体移走破坏初始平衡，地面土侧向约束消失，造成土释放应力和膨胀，施加支护结构后，约束了土体侧向变形，由于支护结构产生向坑内的变形和上部施加的附加荷载，造成土体表面一定范围内产生向下位移，且在坡顶产生的位移较大。在6m高度范围内，只是利用土钉对土体加固，并没有有效控制位移，也就是说坡顶相当于自由状态，造成坡顶位移最大，Z方向沉降达到18.7mm，方向朝向坑内。由于挖产生的卸载效应，坑内土体上部重力荷载没有，造成土体膨胀。由于坑底以下的桩在侧向土的作用下产生向坑内方向的变形，这也造成了坑底隆起。坑底以下桩约束了土体向两侧膨胀，而坑内无其他约束，造成了坑底中间的隆起最大，两边小的现象。47 成都理工大学硕士学位论文图4-19为土体X方向水平变形云图。卸载后地表土体发生向坑内的位移，且在坡顶达到最大值为33.2mm。坑底土体由于向两侧支护结构的约束，水平变形较小且方向朝向坑外。由于监测数据不多，这里以2013年3月8号的监测数据为实测值，此时进行到第二排锚索的张拉，相当于数值模拟的第五步，并对实测值和预模拟值进行对比，如图4-20。从图4-20可以看出，实测值波动较大，这主要与监测方法、环境等因素影响，实测值与模拟值比较接近，都在同一数量级上，实测值总体上比模拟值小，两者吻合较好。FLAC3D3.00Step25022ModelPerspective17:12:01FriJun052015Center:Rotation:X:2.256e+001X:10.000Y:3.011e+001Y:0.000Z:-2.038e+001Z:0.000Dist:2.759e+002Mag.:3.81Ang.:22.500PlaneOrigin:PlaneNormal:X:0.000e+000X:0.000e+000Y:1.000e+001Y:1.000e+000Z:0.000e+000Z:0.000e+000ContourofZ-DisplacementPlane:onMagfac=0.000e+000-2.8938e-002to-2.0000e-002-2.0000e-002to-1.0000e-002-1.0000e-002to0.0000e+0000.0000e+000to1.0000e-0021.0000e-002to2.0000e-0022.0000e-002to3.0000e-0023.0000e-002to4.0000e-0024.0000e-002to5.0000e-0025.0000e-002to6.0000e-0026.0000e-002to7.0000e-0027.0000e-002to8.0000e-0028.0000e-002to9.0000e-0029.0000e-002to1.0000e-001ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA图4-18土体Z方向沉降云图（向上为正）FLAC3D3.00Step25022ModelPerspective17:14:25FriJun052015Center:Rotation:X:2.831e+001X:10.000Y:3.011e+001Y:0.000Z:-2.038e+001Z:0.000Dist:2.759e+002Mag.:3.81Ang.:22.500PlaneOrigin:PlaneNormal:X:0.000e+000X:0.000e+000Y:1.000e+001Y:1.000e+000Z:0.000e+000Z:0.000e+000ContourofX-DisplacementPlane:onMagfac=0.000e+000-4.6285e-002to-4.5000e-002-4.5000e-002to-4.0000e-002-4.0000e-002to-3.5000e-002-3.5000e-002to-3.0000e-002-3.0000e-002to-2.5000e-002-2.5000e-002to-2.0000e-002-2.0000e-002to-1.5000e-002-1.5000e-002to-1.0000e-002-1.0000e-002to-5.0000e-003-5.0000e-003to0.0000e+0000.0000e+000to5.0000e-0035.0000e-003to1.0000e-0021.0000e-002to1.5000e-002ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA图4-19土体X方向变形云图（向右为正）48 第4章FLAC3D在基坑工程中的应用图4-20JC8~JC14实测值与模拟值对比图（5）桩的变形图4-21为第十根在各个工况下的x方向变形图。从图中位移变化走势可以看出，第一步至第三步桩身水平位移变化与悬臂桩类似，第五步开始由于锚索的作用，桩身位移产生一定的回弹，位移变化曲线近似为“S”曲线。从图中位移大小可以看出，从第一步至第四步由于土体的侧向位移使得桩的水平位移一直增大，第五步后由于两排锚索对桩的拉力超过了土体的侧向压力，桩身水平位移开始慢慢减少，随着第三排锚索的施加桩身位移接续减小，当开挖结束后桩在桩顶位移最大，最大值为4.5mm，方向朝坑内。由于坑内土体的侧向卸载，土体的应力释放和膨胀造成支护结构坑底以上部分朝坑内变形，坑底以下部分朝坑外变形，并且在整个开挖过程中在桩顶最大位移为12.1mm。图4-21第10根桩身x向变形图49 成都理工大学硕士学位论文表4-6是GL20监测点的实测值与模拟值的对比。从表中可以看出，模拟值与实测值都在第二次张拉锚索之前桩顶位移不断增大，随着第二排锚索进入工作状态后桩顶位移都表现为减小。总体上，模拟值比实测值大点，两者的数据相差不大，结果相对吻合。表4-6GL20实测值与模拟值对比表第一步第二步第三步第四步第五步第六步第七步（第一次（第二次（第三次张拉）张拉）张拉）实测值461172模拟值6.69.61111.912.110.34.5注：实测数据缺失一部分支护结构的竖向变形表现为上抬，这主要是模拟时桩与土体的接触面光滑，桩与土体相互滑动和脱开，坑内土体隆起造成桩也一起上抬。研究相关资料表明，土体侧向卸载大于竖向卸载，土对围护结构的侧摩擦力会削弱，结构在自身的重力作用下会下沉，随着继续开挖，土体的竖向效应越来越强，坑内土体的隆起变大，则结构会在土的带动下一起上浮。在本工程模拟中，由于直接开挖6m后布桩，桩在整个过程都表现为上浮，这可能是竖向卸载大于侧向卸载，桩在坑外土体向坑内移动和坑内土体隆起作用下，桩随土体一起向上运动。4.4结论本章主要目的是为了进行一步了解基坑开挖的变形，利用FLAC3D建立数值模型，并以施工参数作为模型参数选取的依据，模拟基坑在各步开挖过程中土钉、锚索、桩和坑内外土体的变形，并对结果进行详细分析，将已有监测值和模拟得到的结果进行比较，结论如下：（1）通过分析土钉的轴力在各工况下的变化，进一步证明土钉只是取加固作用，下部土体的开挖对土钉影响不大，土钉的轴力表现为中间大，两边小。（2）预应力锚索的轴力在自由段最大，在开挖结束后锚索在自由段轴力分布近似一条水平线；在锚固段内锚固长度越长，其轴力反而减小，在锚固未端轴力接近于0。（3）对于土钉放坡，地表沉降最大的部位是坡顶，最大沉降为18.7mm，最大水平位移为33.2mm。坑内土体隆起，在基坑中部达到最大值。通过与坡顶50 第4章FLAC3D在基坑工程中的应用JC8~JC14在第二次张拉锚索的实测值对比发现，模拟值比实测值大，但都在同一数量级上，结果吻合相对较好。（4）在本模拟中，在第三步之前，桩身水平位移变化与悬臂桩类似，第三步后桩身位移曲线表现为“S”型。在开挖各工况中，桩身位移先增大后减小，最大位移出现在第五步的桩顶处，位移为12.1mm。当开挖结束后，桩身最大位移依然在桩顶处，此时位移减小到4.5mm。通过与实测值进行对比，发现实测值与模拟值的变化规律相同，总体上模拟值比实测值大，但相差不是很大。由于桩体采用结构单元，桩与土体间的接触面为光滑，一旦土体的竖向卸载大于侧向卸载，桩有可能在坑内土体的带动下表现为上浮。在本工程的模拟中，桩在开挖6m后开始布置，桩在各工况下监测其竖向位移发现刚开始部分桩表现为下沉，部分桩表现为上浮；随着开挖的继续，最后桩体都表现为上浮。51 成都理工大学硕士学位论文第5章改进后多因素GM(1n)模型在支护结构变形预测中的应用第四章通过FLAC3D软件模拟基坑开挖中支护体系和土体的变形情况，这有助于较深入的了解基坑的工作状态，在工程中也建议可以事先采用这种方法进行模拟和预测，但是利用FLAC3D软件建模复杂、不方便等因素，造成运用的并不多。本章试图通过利用灰色理论建立一种数值模型，以便预测监测点后期的位移变化。5.1改进后的多因素灰色GM(1n)模型的变形预测“灰色系统”是我国邓聚龙教授在20世纪中美学术会议报告中首次使用，随着邓教授发表了两篇关于灰色系统的控制论文后，开始得到快速的发展以及应用到各个领域。灰即是不完全的意思，灰色理论主要是钻研数据欠缺、信息不完全的可变性问题。通过对少量部分信息进行研究得到有用的信息，以实现描述和监控实际情况变化。建筑基坑由于土质的不确定性以及多样性、周围环境的复杂性、空间性、随时间的差异性、施工监测的不确定性，所以基坑工程可以作为一[2]个灰色系统进行研究。目前运用较普遍是GM(11)模型，也是灰色理论中最核心之一，并经过大量的实验证明采用GM(11)模型能很好的预测基坑变形，为以后的施工以及设计提供更好的技术支持。研究步骤主要有根据系统监测数据进行分析；评估能反应特征变化的支护位移、地表沉降和坑内隆起监测数据为基础数据；建立合适的数字模型并预测以及分析模型精确度；根据预测值进行决策、控制和优化。本节中将引入时变参数的多因素灰色GM（1n）模型简称为改进后的多因素GM（1n）模型。5.1.1GM(1n)模型的建模基础通过一些学者研究发生GM(1n)模型对具有近似齐次指数规律的特征数据具有较好的拟合预测结果，但对于非齐次指数规律的特征数据得到拟合预测结果并不理想，所以能否得到合适的预测模型的基础是原始数据的选择是否恰当。检验原始数据的选择是否恰当主要有级比和关联度检验法。级比主要是检验同一组数据前后数据之比是否在合适范围内，若不在范围内可通过一定的转换如平移，使所有级比在这个范围内。关联度检验主要是分析不同组数据的相似程度，以某个序列一个参考序列，根据序列曲线几何形状与参考数列的相似程度来判断序列52 第5章改进后多因素GM（1n）模型在支护结构变形预测中的应用间的联系是否紧密，曲线越接近，表明相应序列间的关联度越大，相关性也越高，[57]反之越小。设已知数据X{x(1),x(2),...,x(n)}，令q(k)为X的级比：000000x(k1)0q(k),k2,3,...,n(5-1)0x(k)022若所有的q(k)满足条件q(k)(en1,en1)时，则已知数据满足建模的实00用条件。从实用条件可以看出，灰色模型的适用范围与数据的个数n（n必须大于2，一般要求n=4为基础个数）有关，n值越大，建模条件就越严格，反之则较为宽松。将上述实用条件简化，当n=0时，q(k)的范围为（0.13537.389）。0对于基坑工程来说，支护变形、坑内隆起和地表沉降一般变化不大且具有有累积性，一般情况是可以满足实用条件。设X{X(1),X(2),...,X(n)}为参考数列，0000X{X(1),X(2),...,X(n)},i=1,2,…,m（m为数列个数)为其它序列，则X0与Xiiiii的关联度为：X(j)X(j)X(j)X(j)min0imaxmax0ijij(5-2)ijX(j)X(j)X(j)X(j)0imaxmax0iij其中为灰色关联度；01为分辨系数，通常取0.5。综合各点的灰色关ij联度，取平均值即为郑氏灰色关联度：in1iij(5-3)nj1郑氏灰色关联度作为衡量监测点之间相关性的一个量度，越大，数列相关i性越高。5.1.2引入时变参数的多因素GM(1n)模型的建立(0)(0)(0)(0)将n表示为测点个数，m表示为次数，x(x(1),x(2),...,x(n))为基础iiii数据，每个基础数据对应的时间为t(t,t,...,t)，将其进行累加后得到12mk(1)(1)(1)(1)(1)(1)(0)xi(xi(1),xi(2),...,xi(k),..,xi(n))，其中xi(k)xi(k)，j=1,2,…,k，j1i=1,2,…,n。53 成都理工大学硕士学位论文用方程的形式来考虑各点间的相关性，GM（1n）模型的方程可以表示为：(1)mdxi(k)1(1)aijxj(k)bi(5-4)dttj1(其中aij为测点间相互影响系数，bi为灰色模型参数，k=1,2,…,n）将式(5-4)写成矩阵为：(1)dX(t)1(1)AX(t)B(5-5)dttA(a)，TX(1)(t)x(1)(t),x(1)(t),...x(1)(t)T式中ijnnBb1,b2,...,bn，12n将式(5-5)两边积分可得：(0)tt1(1)x(t)AX(t)dtBt(5-6)ttt1t式中ttt（t=1,2,…,m）。tt1(1)(1)tt1(1)(1)dX(t)令Z(tt)X(t)dt，Z(t)是在t时刻的背景值。这其实就是tt1tdt求曲面截面的面积，为了简便计算常常将其简化成梯形，如令(1)t(1)(1)Z(t)(X(k)X(k1))，简化过程中已产生了一定误差，只有当任意相2邻两次监测时间之差相等和按直线变化时，这种误差就不存在。根据本工程的监测资料和参考其他文献，基坑的变形不属于线性变化，监测点有一定的波动，变化的速率先大后小。有些学者试图利用简化后的背景值进行计算，得到的结果偏差较大，分析其原因发现背景值计算方法对模型的精确有很大的影响。本工程中监测时差不相等，对背景值将直线简化误差较大，本文直接利用原始背景值进行计算。(1)tt1(1)令Z(tt)X(t)dt，则式（5-6）可以写成：tt1t(0)(1)x(t)AZ(t)Bt(5-7)Yx(0)(t),x(0)(t),...,x(0)(t)T，T(1)令12nAB，PZ(t)t，则上式可以写成：54 第5章改进后多因素GM（1n）模型在支护结构变形预测中的应用YP(5-8)参数可用最小二乘法原理，求得：T1T(PP)PY(5-9)将参数代入白化时间响应中，得：(1)1At(0)11Xˆ(t)e(X(t)AB)ABtk(5-10)将式(5-10)还原得到原始数据：xˆ(0)(t)Xˆ(1)(t)Xˆ(1)(t)1(eAtk1eAtk)(x(0)(t)A1B)(5-11)kk1ktkk式(5-11)得到的值分为模型拟合值和预报值。当k小于n时，得到的值为模型拟合值；当k等于n时，得到的值为模型滤波值；当k大于n时，得到的值为模型预报值。5.1.3改进后的多因素GM（1n）模型的误差检验模型建立后，为了评估模型的质量，需测试其准确性。常用的四种方法为相对误差大小检验法、关联度检验法、残差法检验法和后验差检验法。目前最常用[2]的方法是相对误差和后验差检验法。根据上节建立的改进后的多因素GM（1n）模型得到拟合值为Xˆ(0)xˆ(0)(t),xˆ(0)(t),...,xˆ(0)(t)设x(0)(t)为基础数据，其残差为：i1i2im，itEe(1),e(2),...,e(m)X(0)Xˆ(0)(5-12)iiiiii(0)(0)其中ei(tt)xi(tt)xˆi(tt)，t=1，2，…，m。相对误差为：e(t)iti(tt)(0)100%(5-13)x(t)it平均误差为：55 成都理工大学硕士学位论文m1ii(tt)(5-14)mt1总拟合方差：nm2titDi1t1(5-15)nm若预测值和实测值之间的误差越小，表示模型预测越合理；总拟合方差与曲线拟合度有关，两者成正比，总拟合方差越小越好。22设基础数据方差为S，残差序列方差为S，两者的方差可以通过下式可求：12m221(0)S1xi(tt)xi(tt)(5-16)mt1m221S2ei(tt)ei(tt)(5-17)mt1mmS1(0)1(0)2其中xixi(tt)，eiei(tt)。将C表示为均比方差，对于公式mt1mt1S1本身来说，S比S大的越多，C值越小，得到的结果越好。理想状态是S无穷121大，而S无穷小。显然理想状态是不可能达到的，为保证模型的精确只能尽可能1的将C值变小。当通过上述计算得到误差不能满足精度要求时，应当以得到的残差作为基础数据重新建模，具体建模步骤与之前相同，只需将基础数据变为式(5-18)即可。(0)(0)e(t)x(t)x(t)ititit(5-18)当经过一次上述修正还不能满足精度要求时，应继续修正，直到得到的结果能满足精度为止。5.2引入时变参数的多因素灰色GM（1n）模型在工程中的应用C号基坑在坡顶位置处共布置了43个测点，各测点的间距大体上相等，本节选取其中的4个测点得到的数据进行预测。在6月21日至7月21日期间，共进行8次现场实测采集，这时基坑已完成支护地下室底板已施工完成，其监测周期每次间隔时间分别为4d、4.2d、4.6d、4d、4d、4.3d、4.1d、4.6d，而且根据本56 第5章改进后多因素GM（1n）模型在支护结构变形预测中的应用章建立的引入时变参数的多因素灰色GM（1n)模型（简称改进后的多因素灰色GM（1n)模型）对JC20~JC23后期变形进行预测，并与现场实测值进行对比以及利用反推法来检测前期数据的可靠性。由这四组数据得到白化方程以及拟合值分别为：(1)1At(0)11Xˆ(t)e(X(t)AB)ABtt(5-19)(0)(1)(1)xˆ(t)Xˆ(t)Xˆ(t)kk1k(5-20)0.732417.6732610.783585.004811.346870.243152.461760.35269A1.446430.013561.456240.3821413.7631429.816439.123331.72412B3.732150.762340.825312.12518(0)X(t)其中t是JC20至JC23的四组数据；t是下一预测点的间隔时间。将改进后模型所得到的拟合值或预测值与实测水平数据进行对比，结果如表5-1。数据的平均误差均在11%以内，均比方差C小于0.4，小概率误差大于0.98。表5-1灰色模型预测成果表次数12345678实测值10.811.912.813.614.114.715.315.9拟合值或10.812.613.714.214.915.816.417.1JC20预测值相对误差0-5.8%-7.03%-4.41%-5.67%-7.48%-7.19%-7.55%平均误差-5.65%均比方差0.385实测值910.110.911.612.112.512.613.1拟合值或910.81212.813.213.513.814JC21预测值相对误差0-6.93%-10.1%-10.3%-9.09%-8%-9.52%-6.87%平均误差-7.61%均比方差0.38注：前四次为拟合值，后四次为预测值。57 成都理工大学硕士学位论文表5-1中已证明本章建立的改进后灰色模型能较好的预测变形，为了进一步检验改进后多因素灰色模型的实用性，利用上一章模型得到的冠梁位移模拟值、本章建立的灰色模型得到的拟合值和实测值进行比较，如表5-2。由于FLAC3D软件只能模拟开挖结束以前，根据现有的监测数据只有五个，故以前四个数据为原始数据建立灰色方程，第五个数据作为与预测值对比的实测值。从表5-2中可以看出，利用改进后多因素灰色模型得到的值比应用FLAC3D软件得到的模拟值更接近实测值。观察表5-2中的相对误差可以发现，灰色相对误差值最大为15%，每个拟合值或预测值的相对误差波动不大，而FLAC3D模型得到的模拟值最大为1.4倍的实测值，相对误差变化太快。总体上来说，改进后多因素灰色模型还是具有一定的实用价值。表5-2GL20实测值、灰色拟合值和FLAC3D模拟值对比表次数第一次张拉开挖到11m第二次张拉第三次张拉开挖结束实测值461172灰色拟合值46.712.17.92.3或预测值FLAC3D模9.61111.910.34.5拟值灰色相对误0%11.6%10%12.8%15%差FLAC3D相140%83.3%8.2%47.1%125%对误差注：前四个灰色模型得到的值为拟合值，最后一个为预测值5.3Verhulst模型在本工程中的运用Verhulst是由德国科学提出来的，它主要用于预测生物繁殖的变化，由于基坑工程的变化与生物繁殖有类似的S变化规律，所以很多岩土工程将这种理论运[59]用到时基坑工程的变形预测中。通过对比上一节改进灰色模型，发现在使用Verhulst灰色模型预测的结果没有改进灰色模型的理想。这主要是Verhulst灰色模型是极值的预测，通过观测数据提前预报，若施工中超过此值应及时采取相应的保护措施。58 第5章改进后多因素GM（1n）模型在支护结构变形预测中的应用5.3.1建立Verhulst模型(0)(0)(0)(0)(0)设原始数列为x(x(1),x(2),...x(k),...,x(n))，其中n监测次数，iiiiiik(1)(1)(0)为测点个数，对原始数列做一次累加得到X，其中xi(k)xi(j)。则j1Verhulst微分方程组为：(1)dx1(1)(1)(1)(1)2(1)2(1)a11x1a12x2...a1nxn(b11(x1)b12(x2)...b1n(xn))dt(1)dx2(1)(1)91)(1)2(1)2(1)axax...ax(b(x)b(x)...b(x))2112222nn2112222nndt.(5-21)..(1)dxn(1)(1)91)(1)2(1)2(1)axax...ax(b(x)b(x)...b(x))n11n22nnnn11n22nnndt简化成微分方程为：(1)dX(1)(1)2AXB(X)(5-22)dt其中a11a12...a1nb11b12...b1naa...abb...b21222n21222n....AB........an1an2...annbn1bn2...bnn(1)(1)(1)x(2)x(2)...x(2)12n(1)(1)(1)x(3)x(3)...x(3)12n..(1)X....(1)(1)(1)x1(m)x2(m)...xn(m)59 成都理工大学硕士学位论文(1)dX(1)(1)(1)(0)在[k-1,k]区域内，XX(k)X(k1)X(k)，则上式微dt(0)(1)(1)2分方程可以写成X(k)AXB(X)，将这个式子右端看作是左端的预测，(0)(1)(1)2则残差e(k)X(k)(AXB(X))将式子简化成矩阵形式：eYKH(5-23)其中KAB，HZ(1)C(1)T(0)(0)(0)x(2)x(2)...x(2)12n(0)(0)(0)x(3)x(3)...x(3)12n..Y....(0)(0)(0)x1(m)x2(m)...xn(m)(1)(1)(1)(1)(1)(1)[x(2)x(1)][x(2)x(1)]...[x(2)x(1)]1122nn(1)(1)(1)(1)(1)(1)[x(3)x(2)][x(3)x(2)]...[x(3)x(2)]1122nn(1)1..Z2....(1)(1)(1)(1)(1)(1)[x1(m)x1(m)][x2(m)x2(m1)]...[xn(m)xn(m1)](1)3(1)3(1)3(1)3(1)3(1)3[x(2)][x(1)][x(2)][x(1)]...[x(2)][x(1)]1122nn(1)3(1)3(1)3(1)3(1)3(1)3[x(3)][x(2)][x(3)][x(2)]...[x(3)][x(2)]1122nn(1)1..C3....(1)3(1)3(1)3(1)3(1)3(1)3[x1(m)][x1(m1)][x2(m)][x2(m1)]...[xn(m)][xn(m1)]T1T利用最小二乘法得A(HH)HY，该方程相应的函数关系式为：A(1)BX(k1)（k=1,2,3,4…,n）(5-24)A1ak1(.1)e(1)BX(0)60 第5章改进后多因素GM（1n）模型在支护结构变形预测中的应用5.3.2对比Verhulst模型与改进后多因素灰色模型在工程中应用利用上节相关理论，采用与改进灰色模型建立的原始数据相同，得到拟合值并与改进灰色模型的结果进行对比，得到如图5-1和5-2。从图中可以看出，Verhuls模型得到的结果比实际值大很大，Verhulst模型拟合曲线与实测曲线的相关度比改进灰色的差。图5-1JC20实测值与预测值比较图5-2JC21实测值与预测值的比较61 成都理工大学硕士学位论文5.4结论在施工阶段对深基坑变形进行监测和预测有着非常重要的意义，按时有效的监测数据和对下步工作的变形预测是保证施工正常运行的重要措施，是实现动态施工关键步骤。通过本章分析得到结论如下：（1）通过阅读大量有关预测文献，分析各种预测模型误差原因和实际工程的差异，很多预测模型并没有考虑基坑的空间效应和非等时长的影响，为了更好接近实际情况，本章重新建立考虑这两因素的模型。利用多个测点影响系数考虑测点间的空间效应，引入时变参数考虑监测周期不一致性对基坑变形的影响，并对传统背景值进行优化，建立了引入时变参数的多因素灰色GM(1n)模型。本模型减少时间对预测值的影响和背景进行优化消除了传统背景值带来的误差，有效地提高了模型预测精度。（2）深基坑支护体系水平变形是一个复杂的非线性系统，受各种确定与不确定因素影响，本模型考虑了基坑具有空间效应和角效应，各监测点之间是相互影响，弥补了传统模型单点局部分析变形预测的不足。综合了考虑各监测点之间的相关性和相互影响，对不同监测点的变形监测数据进行适当的处理，建立更为合理的模型，以便完成不同监测点的整体变形预测，为工程施工提供更好的保障。（3）将本工程中的实测值代入改进后的多因素灰色GM(1n)模型中，发现实测曲线与预测曲线拟合的很好，而且能预测任一时刻的变形，表明灰色模型具有一定的工程实用性。为了能进一步证明灰色模型的可靠性，利用第四章模拟得到的模拟值与本章得到的预测值进行对比，发现本章得到的预测值更为接近实测值，表明灰色模型具有一定的实用价值。（4）本文试图利用Verhulst模型与改进灰色模型进行对比，发现Verhulst模型得到的拟合值与实测值偏差较大，其预测精度比改进灰色模型差。本文利用灰色原理建立模型，对传统模型进行优化和改进，考虑了更多因素对模型预测的影响，得到比较精确的模型。但模型中灰色参数的计算采用最小二乘法，有些实际工程证明会产生偏差，甚至会出现实测值与预测值相差很大，灰色参数的计算方法有待改进。模型中对初始值赋于太大的权利，在施工过程中，可以利用新陈代谢的方法进行预测，得到的结果会更准确。62 结论结论二十一世纪岩土工程进入一个全新的时代，国家的发展、世界的发展不断推岩土技术和理论的发展，同时也引发了各种各样的问题，对从事岩土工作者提出了更高的理论要求。本文主要针对成都地区的基坑变形进行研究。成都土体主要以砂卵石为主，地质结构较好，但如不控制其变形也会造成安全事故。本文对介绍了成都地区的地质情况，利用数学统计、数值模拟和灰色模型预测的方法分析基坑的变形情况，主要研究结论如下：（1）对监测资料进行整理和分析，发现基坑整体变形较小，变形的变化速率和累计变形量都在允许范围内。桩顶和坡顶变形都是刚开始变化较大，最后慢慢趋于稳定。（2）复合土钉+桩锚支护结构的设计方法还不完善，本文建立了三种不同方案计算模型，发现采用直接放坡+桩锚计算的方案弯矩最大，而考虑土钉加固作用的模型计算出的桩顶位移较大而且朝坑外，这与实际情况不符。这说明计算复合土钉+桩锚可以适当考虑土钉加固作用，对于桩身弯矩可考虑土钉的作用减少工程量，而对于位移的控制可不考虑土钉的作用。（3）详细的介绍了采用有限元差分软件所需的参数的选取和FLAC3D软件中的本构模型的原理，利用FLAC3D软件建立模拟施工过程的三维模型，分析模型计算结果发现土钉的轴力分布为中间大、两边小，而且下部土体的开挖对土钉的影响不大，这说明了土钉只是起加固作用。对于预应力锚索的轴力最大在自由段内，在锚固段逐渐减小，在整个过程自由段都表现为拉力，而锚固段在刚进入工作一段时间内表现压力最后逐步转变为拉力。分析坑内外土体变形发现对于放坡+桩锚结构，在坡顶的变形最大，沉降达到18.7mm，水平位移达到33.2mm。对于围护结构桩单元由于开挖6m后布桩，土体的竖向卸载大于侧向卸载，坑内隆起带动桩上抬，所在整体计算中桩的竖向位移向上，桩的水平位移在桩顶处达最大，最大值达到12.1mm，通过与实测值对比发生模拟值总体上比实测值大。（4）介绍了灰色理论，并利用灰色理论建立了改进后多因素GM(11)模型，将其运用到实际工程发现预测的结果与实测值较为吻合。然后为进一步检验改进后多因素GM(11)模型的实用性，将其与FLAC3D得到的冠梁位移值进行对比，发现改进后的灰色模型更接近实测值，预测效果较好。最后试图利用Verhuls模型预测，发现Verhuls模型预测结果与实测值相差较大。这说明考虑时空效应的非等时步的GM(11)模型具有一定的实用价值。仅管论文写作过程中进行收集大量资料、阅读和分析大量文献资料、利用统计方法、利用灰色理论和数值模拟，但由于各种因素的限制，研究还不深，在理论和模拟方面还需进一步深入的研究。63 成都理工大学硕士学位论文致谢时间飞逝，转眼间，研究生生涯就要结束了！三年的学习生涯，在课题选择、研究方向把握、细节问题探讨上都得到了导师张莲花老师的悉心指导。张老师治学严谨、知识渊博、注重学术创新、认真的工作态度，都会深刻影响我对人生和工作的态度。在此，感谢张老师三年的培养与教育之情！在课题的研究过程中，得到了聂总提供工程资料和传授实践经验，张广宏、彭春梅、师弟们等同学在我论文完成过程中给予了大力帮助，在此一并感谢！家里的支持是我求学生涯不竭的动力，感谢父母及亲属对我读研的大力支持！64 参考文献参考文献[1]刘成宇编著.土力学（第二版）[M].北京:中国铁道出版社,2009.[2]刘思峰编著.灰色系统理论及其应用[M].北京:科学出版社,2010.[3]孙书伟,林杭,任连伟编著.FLAC3D在岩土工程中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2011.[4]薛洪,薛惠敏,胡定逸编著.高层建筑专项施工计算与实例[M].北京:中国水利水电出版社,2009:1-82.[5]JGJ120-2012,建筑基坑支护技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.[6]GB50007-2011,建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.[7]朱合华,杨林德.深基坑工程动态施工反演分析与变形预报[J].岩土工程学报,1998,20(4):31-35.[8]张伟丽,陈爱云,李霞.灰色系统理论在基坑变形预测中的应用[J].莱阳农学院学报,2003(20):60-61.[9]周宁,傅鹤林,等.引入修正因子的非等时距时变参数灰色预测模型及应用[J].岩土工程学报,2006,28(6):757-760.[10]刘军勇,薛晖,吴德军.改进灰色模型对路基沉降预测的应用研究[J].岩土工程技术,2005,19(2):60-62.[11]王穗辉,潘国荣.基于MATLAB多变量灰色模型及其在变形预测中的应用[J].土木工程学报,2005,38(5):24-27.[12]刘寒冰,向一鸣,阮有兴.背景值优化的多变量灰色模型在路基沉降预测中的应用[J].岩土力学,2013,34(2):174-181.[13]王昕,黄东,蔡小英.深基坑支护结构侧向位移时间序列分析[J].岩土工程技术,1999,2:22-25.[14]尹盛斌,丁红岩.深基坑施工时地表沉降预测的时序-投影寻踪回归模型[J].岩土力学,2011,32(2):370-374.[15]袁云辉,杨平,张倩等.GM(1,1)模型在地表沉降预测中的应用[J].苏州科技学院学报（工程技术版）,2008,21(4):19-21.[16]陈晓斌,张家生,安关峰.GM(1,1)与GM(2,1)模型在基坑工程预测中的应用[J].岩土工程学报,2006,28(增刊):1402-1405.[17]CloughG.W.,DuncanJ.M.,FiniteElementAnalysesofRetainingWallBehavior[J],ASCE,1971,Vol.97SM,12,165-167).[18]AndrewJ.W,YoussefM.A.,AnalysisofDeepExcavationinBoston,JournalGeotechnicalEngineering,[J]1993,Vol.119,No.l,69-89.[19]Sunil.5.Kishnani,Ronaldo1.,SeePageand5011-structureinterfaceEffectsinBracedExcavations,JournalofGeotechnlcalEngineering,[J]1993,Vol.119,N0.5,912-929.[20]CharlesW.Ng,MartinL.Lings,EffectsofModelingMoilNonlinearityandwallInstallationonBack-AnalysisofDeepExcavationinStiffClay,JournalofGeotechnicalEngineering,[J]1995,Vol.121,No.10,687-695.[21]Ou.C.Y.,ChiouD.C.,WuT.S,Three-dimensionalElementAnalysisofDeepExcavation,JournalGeotechnicalEngineering,[J]ASCE,1996,122(5):337-345.[22]沈健,王卫东等.深基坑工程考虑时空效应的计算方法研究[J].建筑结构,2007,37（5）：65 成都理工大学硕士学位论文117-124.[23]商卫东等.深基坑开挖过程及空间效应影响的数值模拟[J].探矿工程,2009.1：35-37.[24]赖冠宙,房营光,史宏彦.深基坑排桩支护结构空间共同变形分析[J].岩土力学,2007.28(8):1750-1752.[25]张思峰.坑施工的现场监测及其时空效应分析[J].建筑结构,2007,37(6):53-56.[26]俞建霖,龚晓南.深基坑工程的空间性状分析[J],岩土工程学报,1999,22(l):21-25.[27]宋二祥,娄鹏,陆新等.某特深基坑支护的非线性三维有限元分析[J],岩土力学,2004,25(4):535-543.[28]高文华,杨林德.软土深基坑围护结构变形的三维有限元分析[J],工程力学,2000,17(2):134-140.[29]吴志敏.土钉支护结构的空间效应研究[D].杭州:浙江大学,2006.[30]熊宗喜.砂卵石地层基坑预应力锚索复合土钉支护技术研究[D].北京:中国地质大学,2014.[31]张玲玲,姚勇.四川西北地区砂卵石土的直剪试验研究[J].路基工程,2010.3：162-163.[32]林琳.复合型土钉支护的有限无分析及工作机理研究[D].湘潭:湘潭大学,2003.[33]王秀丽.深基坑支护体系优化设计及应用研究[D].北京:中国地质大学,2008.[34]冯庆高.地铁深基坑支护方案优选决策研究[D].北京:中国地质大学,2003.[35]万智.深基坑双排桩支护结构体系受力分析与计算[D].湖南:湖南大学,2001.[36]刘小丽.新型桩锚结构设计计算理论研究[D].成都:西南交通大学,2000.[37]王宁.深基坑开挖变形神经网络监测模型研究[D].上海:上海交通大学,2009.[38]李俊松.基于影响分区的大型基坑近接建筑物施工安全风险管理研究[D].成都:西南交通大学,2004.[39]赵洪波.基坑支护结构监测项目与监测报警[D].上海:同济大学,2008.[40]刘涛.基于数据挖掘的基坑工程安全评估与变形预测研究[D].上海:同济大学,2007.[41]刘兆民.深基坑变形监测体系研究及工程应用[D].大连:大连理工大学,2013.[42]刘波,韩彦辉编著.FLAC3D原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.[43]彭文斌编著.FLAC3D实用教程[M].北京:机械工业出版社,2001.[44]刘畅.考虑土体不同强度与变形参数及基坑支护空间影响的基坑支护变形与内力研究[D].天津:天津大学,2008.[45]刘志祥,卢萍珍.HSS模型及其在基坑支护设计分析中的应用[J],CSTAM2012-E01-0067.[46]周恩平.考虑小应变的硬化土本构模型在基坑变形分析中的应用[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.[47]郑智能.考虑结构性的土体小应变本构模型研究[D].重庆:重庆大学,2010.[48]管飞.基于HSS本构模型的软土超大型深基坑3D数值分析[J],岩土工程学报,2010,32(l):178-180.[49]PeckRB.DeepExcavationsandTunnelinginSoftGround.In:SeventhInternational[50]ConferenceonsoilMechanicsandFoundationEngineering.StateoftheArtVolume.Mexico,1969.[51]ViggianiG,AtkinsonJ.H.Stiffnessoffine-grainedsoilatverysmallstrains[J].Géo-technique,1995,45(2):249-265.[52]张永昌.深基坑工程流固耦合分析[D].北京:河海大学,2007.66 参考文献[53]杨辉.长春百脑汇基坑土钉墙支护数值模拟和研究[D].长春:吉林大学,2006.[54]沈细中.深基坑工程基本过程数值模拟及实时人优化研究[D].上海:武汉大学,2004.[55]张莲花.基坑降水引起的沉降变形时空规律及降水控制研究[D].成都:成都理工大学,2001.[56]王卫.成都地铁深基坑工程变形控制研究[D].成都:成都理工大学,2011.[57]张平,申平等.深基坑桩锚与土钉墙联合支护的数值模拟[J].工程地质学报,2008.16：402-407.[58]张冬晓.建筑基坑监测及预测预报系统研究[D].长沙:中南大学,2005.[59]刘洪斌.深基坑变形预测模型以及其实践[D].重庆:重庆大学,2011.[60]黄传胜.地铁深基坑开挖变形预测方法及工程应用控制研究[D].长沙:中南大学,2011.[61]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50497-2009.建筑基坑工程监测技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2009-9-1.67 成都理工大学硕士学位论文攻读学位期间取得学术成果[1]周英,张莲花,聂浩帆.引入时变参数的多因素灰色G（1,n）模型在支护结构变形预测中的应用.城市建设理论研究,第141期.68
此文档下载收益归作者所有
