基于Usher模型的基坑圍護結(jié)構受力變形監(jiān)測仿真

賈瑞紅，梁玉霞，2*，孟秋燕，趙利軍

(1. 河北工程技術學院土木工程學院，河北 石家莊 050091；2. 河北工程大學，河北 邯鄲 056107)

1 引言

監(jiān)測基坑圍護結(jié)構受力變形問題可以在建設過程中保證財產(chǎn)和人員安全[1]，目前基坑圍護結(jié)構受力變形監(jiān)測主要采用傳統(tǒng)的測量儀器。由于人員流動性、材料堆積和施工環(huán)境等因素的影響，在基坑圍護結(jié)構受力變形監(jiān)測過程中容易導致監(jiān)測點被遮擋和破壞，增加了監(jiān)測工作的難度，且監(jiān)測效率低和勞動強度大[2]，因此，需要研究基坑圍護結(jié)構受力變形監(jiān)測方法。

廖令軍[3]等人在基坑圍護結(jié)構受力變形監(jiān)測過程中引入弱光柵技術，在開挖過程中監(jiān)測地連墻的變形情況，實現(xiàn)基坑圍護結(jié)構的受力變形監(jiān)測。由于該方法無法獲取土體內(nèi)摩擦角對基坑圍護結(jié)構受力變形的影響，導致監(jiān)測結(jié)果準確性不高。王洪新[4]等人分析基坑土體的非線性變形特征，根據(jù)分析結(jié)果建立土體彈簧模型，獲得土體的非線性彈簧參數(shù)，實現(xiàn)基坑圍護結(jié)構受力變形的監(jiān)測。該方法無法獲取土體彈性模量對基坑圍護結(jié)構受力變形的影響，監(jiān)測結(jié)果精度有待提升，且該方法僅針對變形結(jié)果進行監(jiān)測，但是由于結(jié)構受力變形是一個持續(xù)變化的過程，對變形的各個階段進行監(jiān)測有利于幫助相關人員進行分析，而該方法的監(jiān)測效果不能滿足該需求。余莉[5]等人通過PLAXIS3D有限元軟件構建基坑圍護的有限元模型，對開挖和支護過程模擬，分析支護結(jié)構和基坑土體的變形特征和受力特征，該方法無法獲取入土深度對基坑圍護結(jié)構受力變形的影響，同樣存在監(jiān)測精度不高的問題。

上述方法獲得監(jiān)測結(jié)果與實際結(jié)果不符，存在監(jiān)測精度低的問題。為了解決上述方法中存在的問題，提出基于Usher模型的基坑圍護結(jié)構受力變形監(jiān)測方法，該方法將全息掃描技術應用于監(jiān)測過程中，用于獲取基坑圍護結(jié)構受力變形分析所需的相關數(shù)據(jù)，在此基礎上，采用Usher模型進行基坑圍護結(jié)構受力變形監(jiān)測，有利于提高監(jiān)測結(jié)果的精度，提升方法的整體性能。

2 基坑圍護結(jié)構受力變形監(jiān)測

2.1 三維激光掃描儀構成描述

采用全息掃描技術中的三維激光掃描技術[6，7]獲取基坑圍護結(jié)構的相關數(shù)據(jù)，作為結(jié)構受力變形監(jiān)測的依據(jù)。三維激光掃描儀通常由三個部分構成，分別是CCD攝像機、激光測距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，三維激光掃描儀在上述部分共同作用下實現(xiàn)基坑圍護結(jié)構的三維可視化掃描。

1)激光掃描技術

激光掃描系統(tǒng)將激光束不斷地發(fā)射到基坑圍護結(jié)構表面，根據(jù)反射的激光束完成基坑圍護結(jié)構的掃描。三維激光掃描儀的工作原理如圖1所示。

圖1 三維激光掃描儀工作原理

圖1中，t代表的是掃描點S與激光發(fā)射點o之間的距離，三維激光掃描儀的垂直掃描角度和水平掃描角度分別為φ、θ。構建坐標系時，將o作為原點，分別在水平掃描面和豎直掃描面中確定X軸、Y軸和Z軸，基坑圍護結(jié)構的掃描方向與X軸一致，與Y軸和Z軸垂直。根據(jù)構建的坐標系，通過下式計算激光掃描儀掃描點S對應的三維坐標

(1)

2)激光測距系統(tǒng)

激光測距系統(tǒng)中最常見的測距方法包括激光三角測距法、相位式測距法和脈沖式測距法。目前在基坑工程監(jiān)測領域中，最常用的測距方式為脈沖式測距，該方法的主要原理是根據(jù)激光發(fā)射與反射的激光波之間存在的相位差實現(xiàn)測距[8]。相位式測距系統(tǒng)通常情況下的測距距離為100米左右，本文通過相位測距方法測量基坑圍護結(jié)構。

3)CCD攝像機

光學圖像可通過CCD攝像機直接轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，被廣泛地應用在眾多設備中，包括掃描儀設備和相機設備等。CCD攝像機在三維激光掃描儀掃描基坑圍護結(jié)構時，可用數(shù)字信號代替顏色信息，實現(xiàn)可視化[9]。

2.2 基坑圍護結(jié)構相關系數(shù)計算

利用全息掃描技術中的三維激光掃描技術獲取基坑圍護結(jié)構信息，以此為基礎，對基坑圍護結(jié)構的相關系數(shù)進行計算。

2.2. 1 土壓力

作用在基坑圍護結(jié)構上的土壓力R0當基坑圍護結(jié)構固定或位移較小時可根據(jù)靜止土壓力完成計算，具體計算公式如下

(2)

式中，L0代表的是靜止土壓力系數(shù)；J代表的是基坑圍護結(jié)構的高度；η代表的是土的重度。

朗肯土壓力[10]分為兩種，設ap、aa分別代表的是被動土壓力和主動土壓力，計算公式分別如下

(3)

式中，z代表的是計算點對應的深度；Lp、La分別代表的是被動和主動土壓力系數(shù)；v代表的是土體對應的黏聚力。

庫倫土壓力假定基坑圍護為剛性的，且墻后的填土不具備黏性，墻面光滑度較低，墻背傾斜，此時被動和主動土壓力Rp、Ra分別如下

(4)

上述公式中的主動與被動土壓力系數(shù)La、Lp可通過下述公式計算得到

(5)

式中，γ描述的是土體對應的內(nèi)摩擦角；σ描述的是墻背對應的傾角；ε描述的是摩擦角，由土體和墻背構成；χ描述的是墻背傾角。

2.2.2 樁撐結(jié)構

針對基坑圍護的支撐結(jié)構，可通過三種方法完成樁撐結(jié)構計算，第一種方法為極限平衡法、第二種方法為土抗力法，第三種方法為有限元法，與其它兩種方法相比，土抗力法具有較多優(yōu)點[11]，如計算步驟簡單，參數(shù)較少等，因此，采用該方法構建基坑圍護入土樁的撓曲線微分方程，其表達式如下

(6)

式中，a代表的是每延米樁長中存在的力；RO代表的是樁身對應的抗彎剛度；y代表的是水平方向中樁身的位移。

針對基坑的開挖工況，將點位移與抗力之間的關系表示為ad=ELd，其中，E代表的是梁的側(cè)面位移；Ld代表的是抗力系數(shù)；ad代表的是土體對應的抗力。

對基坑圍護結(jié)構的整體協(xié)同作用考慮，構建如下有限元模型

[F]=[E]{[Lt]+[Lz]+[Ln]}

(7)

式中，[F]代表的是荷載矩陣；[E]代表的是位移矩陣；[Lt]、[Lz]、[Ln]分別代表的是排樁側(cè)面土抗力、排樁支護結(jié)構、鋼支撐結(jié)構的剛度矩陣。

2.3 基坑圍護結(jié)構受力變形監(jiān)測的實現(xiàn)

分析沉降預測模型的特點，采用Usher模型[12]結(jié)合地表沉降規(guī)律預測基坑圍護結(jié)構的地表沉降。與傳統(tǒng)方法相比，Usher模型具有可以描述時間變化條件下受力變形實時變化情況的優(yōu)勢，可以獲取不同階段的變形數(shù)據(jù)。Usher模型的微分方程如下

(8)

式中，u代表的是模型函數(shù)；um代表的是極限值；n代表的是形狀因子。

通過變量積分處理[13，14]和變量分離處理，將上式轉(zhuǎn)變?yōu)橄率?/p>

(9)

式中，u0描述的是函數(shù)的初始值。

設定v=(u0/um)-n-1，此時存在

(10)

分析上式可知，當時間趨近于無窮，函數(shù)u趨近于極限值時，可獲得函數(shù)u與時間之間的關系。同樣可用增強曲線描述地基沉降量與時間之間存在的關系，因此，基坑圍護結(jié)構的沉降量s可通過下式計算得到[15，16]

(11)

式中，sm代表的是基坑圍護結(jié)構的最終沉降量。

在基坑圍護結(jié)構中布置測點時，需要考慮下述因素：

1)反彎點與最大彎矩的位置；

2)拉錨位置；

3)土層分界面；

4)鋼筋曲率改變的截面位置；

5)結(jié)構變截面。

根據(jù)相關系數(shù)計算結(jié)果采用Usher模型獲取基坑圍護結(jié)構的沉降量，并布置測點，通過分析基坑各層土的物理力學參數(shù)完成受力變形監(jiān)測[17，18]。

3 實驗分析

為了驗證基于Usher模型的基坑圍護結(jié)構受力變形監(jiān)測方法的有效性，設置不同的工況條件，以全面反映所提方法的監(jiān)測效果。

3.1 實驗環(huán)境與條件設置

實驗中的基坑采用格柵式水泥土擋墻的圍護形式，易受干擾，在受到雨水等作用下會導致土體強度較低。基坑各層土的物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 力學參數(shù)

圖2為水泥土擋墻坍塌現(xiàn)場圖。

圖2 水泥土擋墻坍塌現(xiàn)場圖

對圖2所示的基坑圍護結(jié)構受力變形情況進行監(jiān)測，采用MATLABA仿真軟件對實驗結(jié)果進行處理，得出實驗結(jié)果。

3.2 工況設置

本次測試選取三種不同的工況，各個工況的支護結(jié)構墻頂位移和層厚等均不相同。表2為三種工況的具體設置情況。

表2 工況信息表

針對表2中的工況，將文獻[3]方法、文獻[4]方法和所提方法進行對比。采用上述方法監(jiān)測基坑圍護在不同墻體入土深度下的地下連續(xù)墻側(cè)移，并將監(jiān)測結(jié)果與實際結(jié)果對比，測試不同方法的監(jiān)測精度。

3.3 實驗結(jié)果分析

圖3為不同工況條件下，三種方法的基坑圍護結(jié)構受力變形監(jiān)測結(jié)果。

圖3 不同方法的監(jiān)測結(jié)果

分析圖3可知，在不同工況下所提方法的監(jiān)測結(jié)果與實際結(jié)果基本保持一致，而文獻[3]方法和文獻[4]方法的監(jiān)測結(jié)果與實際監(jiān)測值之間存在較大偏差，表明該方法可精準地完成基坑圍護結(jié)構受力變形的監(jiān)測。因為所提方法采用全息掃描技術對基坑圍護結(jié)構掃描，獲取基坑圍護結(jié)構的相關數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)，采用采用Usher模型獲取基坑圍護結(jié)構的沉降量，完成受力變形監(jiān)測，提高了監(jiān)測結(jié)果的精準度。

4 結(jié)論

目前基坑圍護結(jié)構受力變形監(jiān)測方法的監(jiān)測精度較低，提出基于Usher模型的基坑圍護結(jié)構受力變形監(jiān)測方法，該方法將全息掃描技術應用于受力變形監(jiān)測中，用于獲取基坑圍護結(jié)構的數(shù)據(jù)，并將Usher模型應用于變形監(jiān)測中，與傳統(tǒng)方法相比，Usher模型具有可以描述時間變化條件下受力變形實時變化情況的優(yōu)勢，可以獲取不同階段的變形數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果表明，所提方法可以精準地完成基坑圍護結(jié)構的受力變形監(jiān)測，為基坑工程的穩(wěn)定性提供保障。