逆作法深基坑工程中参数反演变形预测的研究

期刊目录网项目管理论文发表2011-03-11 09:30关注(1)

　　

　　【摘要】对逆作法基坑工程信息化施工中的反演环节进行了探讨，提出了基于遗传算法的土体参数反分析理论并结合ANSYS通用的有限元软件二次开发技术，编制了计算程序BATDCM，根据反分析得到的参数正演计算进行预测并根据预测结果提出了有针对性的控制措施

　　关键词：深基坑；逆作法；有限元法；反演；BATDCM

　　1引言

　　随着社会经济的发展，深基坑结构和特殊造型结构不断涌现，给基坑工程设计和施工带来了挑战，传统的设计方法不再能满足实际要求。有鉴于此，人们不断总结实践经验，针对深基坑工程，尤其是逆作法施工的基坑工程，萌发了动态设计和信息化施工的新思想。即在施工中对开挖过程实施跟踪监测，并将信息及时反馈，实时掌握支护结构和基坑内外土体移动，通过即时监测采集相应信息数据，设计单位经处理后与预测结果比较，通过反分析推求较符合实际的土体参数，修正原设计中不符合实际的部分，并利用新参数再次预测下一施工阶段围护结构及土体的性状，通过下一步施工，又采集施工现场的相应信息。如此反复循环，不断采集信息，不断优化设计并指导施工，将设计置于动态施工中。

　　2逆作法施工中土体参数反演

　　常用的支护结构分析方法有许多种，分为古典方法和有限元法两大类。其中有限元法可以从整体分析支护结构及周围土体的应力与位移性状，且可适用于动态模拟计算，不仅为事前设计方案比较，而且也为信息反馈施工管理提供实时处理的手段。从原理上讲，古典方法存在的问题在有限元方法中都可不同程度地得到解决。有限单元法计算理论虽较为完善，但在应用中仍有不少问题。除了数值分析方法本身的问题以外，用有限元方法的关键是要正确选用计算模型和设计参数。其中最重要的一点是作为已知量输入的土层参数取值有较大误差，带有很大的随意性，造成计算结果与实测值相差较大。

　　为了合理确定深基坑工程逆作法施工中围护结构的位移及周围土体的变形，有必要根据前期施工实测数据对分析中所需的土体参数进行反演分析，为后续施工过程的模拟提供正确的参数。

　　2-1反演分析理论

　　反演分析是根据施工过程中的监测数据如应力、位移、孔压等，通过数值计算确定岩土介质的力学参数，有时甚至是本构模型，与此同时求得问题所需的物理量。在对工程进行反演分析时，把工程中采集的实测数据作为反演分析计算的标准值，即约束集，而将目标参数值作为可调集，使可调集在允许范围内，将由此计算得到的理论值与约束值进行比较，并通过逐步变动可调集，使计算值向着约束值逼近靠拢，当达到拟合精度时，此时的可调集就是反演分析得到的参数值。将反演后的参数值代入计算模型再推求下一步的理论值，为工程预测预报提供理论依据。

　　2-2逆作法中土体参数反演

　　由于土是一种较为复杂的材料，如果将模型中的所有参数均作为待反演参数，则反演参数过多，反演工作量过大，无法保证反演结果收敛到正确值。为了突出事物的主要矛盾，简化反演过程，反演变量只选取对目标函数值影响大且分析中不易掌握的参数，作为反演过程中的反演变量而将那些凭经验可以解决或根据规范、地质条件及其它要求能确定的参数预先固定下来作为参量。

　　对于采用一模型的逆作法基坑工程有限元计算所需的土体参数往往包含弹性模量E、泊松比μ、内聚力c、内摩擦角φ、土体容重γ等。其中弹性阶段E和μ对结果影响较大，塑性阶段c和φ的影响较大。因此在逆作法基坑参数反演中，先反演土体的弹性模量E和泊松比μ，再根据后续施工实测数据再反演内聚力c和内摩擦角φ。

　　3逆作法土体参数反演程序BATDCM设计

　　本文应用ANSYS编制的基于遗传算法的逆作法基坑工程土体参数反演程序BATDCM（BackAnalysisofTop-downConstructionMethod）。该程序主要针对逆作法深基坑工程的土体参数反演，土体参数反演是基于遗传算法，有限元计算是基于ANSYS参数化编程。两者的数据交换通过生成文件提取数据来实现，如在中反演得到的土体参数按命令流格式输出到文件，由ANSYS通过输入命令/input即读入土层材料参数，并更新模型在中计算得到的地连墙位移通过取值命令放入变量中并用*vwrite命令输出到文件由FORTRAN读入用于计算目标函数。

　　3-1反演程序BATDCM功能

　　基于遗传算法的逆作法深基坑工程土体参数反演BATDCM是采用CompaqVisualFORTRAN语言编制并调试通过，该程序具有如下几个功能：

　　（1）在FORTRAN中用命令systemqq（）调用ANSYS，并利用其强大的参数化编程能力建模与有限元分析，模拟深基坑工程逆作法的施工过程；

　　（2）根据施工过程和实测数据，对多层土逆作法基坑工程，逐层进行弹性模量E、泊松比μ、内聚力c、内摩擦角φ、土体容重γ的反演

　　（3）克服了传统优化方法的单个变量逐渐优化的缺点，能同时产生一组需要优化的变量，能同时反演弹性模量E、泊松比μ、内聚力c、内摩擦角φ、土体容重γ等5个参数

　　（4）加入了调试的子程序，保证程序的正常运行

　　3-2反演程序BATDCM的流程

　　基于遗传算法的逆作法深基坑工程土体反演分析的程序BATDCM由主程序和19个子程序组成，其流程图如图1所示.

　　

　　4深基坑逆作法施工的变形预测

　　4-1变形预测方法

　　逆作法深基坑信息化施工中的动态设计主要包括以下几个方面动态设计计算模型的建立，预测分析与可靠性评估，施工跟踪监测，控制与决策等。其中预测分析是动态设计的核心环节，而变形预测是其主要项目。

　　目前变形预测常采用反演正算综合预测的方法。反演正算综合预测分析的关键在于建立较为符合实际情况的动态设计计算模型，相应的结构构件及土体应力应变关系模型，接触点和接触面的拟合模式以及模型的各种计算参数等。其中各种参数的取值可根据前面反演的结果，将反算得到的参数值代入己经建立的模型进行计算，就可以由此预测下一施工阶段有可能出现的情况，如可能的土体及结构位移场、土压力等。

　　这种反演正算综合预测的方法可以很好地把位移反分析同符合系统科学思想的动态设计与信息施工方法结合起来。根据位移预测值对新工况实际测量到的结果的偏离程度，评价反分析的质量。若偏离值大到不能接受的程度，则需加上新测到的位移再次进行反演，进行下一步循环，直到反演正算结果与实测结果的偏离可以接受。

　　4-2土体参数反演及变形预测实例分析

　　这里以某商业中心基坑工程作为实例，使用基坑现场的观测数据利用BATDCM程序来反分析该深基坑各层土体的弹塑性力学参数弹性模量E、泊松比μ、内聚力c、内摩擦角φ。

　　综合考虑基坑开挖的动态施工，采用二维平面应变有限元方法对基坑开挖和地下结构施工进行模拟。确定使用总应力法进行模拟。考虑水土分算。使用ANSYS软件中Druck-Prager为屈服准则的弹塑性模型作为土的本构关系模型，使用的单元有两节点线弹性梁单元和平面8节点等参单元。土方开挖和地下结构施工过程的模拟采用“单元生死”来实现。建立的有限元模型如图2所示.

　　

　                                             　图2二维有限元模型

　　该商业中心基坑工程由地下三层和地下五层组成，建筑高度30.30m，总建筑面积达29万多㎡，其中地上总建筑面积157840㎡，地下总建筑面积135072㎡。结构体系采用框架结构体系，柱网尺寸以11.2×8.7m、13.5×10.0m为主。由①层填土和②粘土位于地连墙顶以上，这里不进行其参数反演。而③3淤泥质粘土厚度仅为0.8m，故将该层土与③2合并为一层土；④淤泥质粘土、⑤-1-1淤泥质粉质粘土、⑤-1-2粉质粘土夹粉砂和⑥粉质粘土参数差异不大，合并为一层土。因此，这里着重反演合并后的这两层土的弹性模量E、泊松比μ、内聚力c、内摩擦角φ共8个参数。计算中8个参数的上下限见表1。

　　                                                                       表1土体参数反演结果

　　

　　为了控制计算时间，选取各工况下策斜管J24深度为-10m、-12m、-14m、-16m、-18m共5处的位移实测和有限元计算值按      来构造目标函数。取交叉概率Pc为0.5，变异概率Pm为0.005，群体规模n为10，进化代数T为50。根据挖土至-6.65m和挖土至-9.35m并施工好地下一层结构及首层结构两个工况的监测数据进行反演，反演计算结果如表2所示。

　　                                                                                  表2土体参数反演结果

　

　　根据反演的结果，对挖土至-10.35m并施工地下二层楼板结构工况进行预测。预测结果与实测数据的对比如图3。从图3可看出，预测结果与实测数据较为吻合，其中深度为-10m、-12m、-14m、-16m、-18m共5处的预测值与实测值的相对误差控制在20%以内，说明土体参数反演比较准确，依据反演得到的参数进行预测是成功的。

　　

　　图3预测结果与实测数据的对比图

　　5结论

　　逆作法作为一种较新的施工工艺，具有缩短工程总工期、节约项目成本、对环境影响小等优点。但由于逆作法地上地下立体交叉施工，工序多而复杂给施工组织带来一定难度，施工中要求精心组织施工，才能确保工程的顺利完成。本文编制的基坑工程逆作法施工土体参数反演程序，能同时反演弹性模量E、泊松比μ、内聚力c、内摩擦角φ等4个参数，反演计算采用遗传算法求解，有限元计算由完成，两者数据交换通过生成文件提取数据来实现。借助于强大的建模功能，克服了自行编程中有限元模型输入的困难，从而使程序的适用性大大增强。

　　参考文献

　　[1]赵志络，赵帆.深基坑工程技术的进步与展望建筑技术[J].2003，vol.34（2）：88～93；

　　[2]施亚霖，杨顺安.多项监测和信息化施工在深基坑工程中的应用[J].西部探矿工程，2003，vol.84（5）：13～15；

　　[3]汤永净,谢乐才,柳玉进.软土地区高层建筑逆作法施工理论分析与实测比较[J].上海铁道大学学报,1999,(02)