張曉陽,張福海,2,趙伏田,陳 翔
(1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所,江蘇 南京 210098)
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鋼板樁垂直護岸結(jié)構(gòu)的反演分析及實測研究
張曉陽1,張福海1,2,趙伏田1,陳翔1
(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京210098;2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京210098)
摘要:以鋼板樁+錨桿作為護岸結(jié)構(gòu)的蘇南運河常州西段“四改三”航道升級改造工程為實例,通過反演分析得到合理的土體計算參數(shù),同時在反演分析的基礎(chǔ)上,引入動態(tài)反演分析的方法,結(jié)合工程實際,對施工過程中的三個主要階段逐次進(jìn)行分析,并與現(xiàn)場實際監(jiān)測位移值進(jìn)行對比分析,為每一個階段的變形提供可靠保證。對比結(jié)果表明模擬值與實測值吻合較好,表明反演結(jié)果是可信的,可為類似的工程提供參考。
關(guān)鍵詞:鋼板樁;土體參數(shù);動態(tài)反演分析;數(shù)值模擬
隨著內(nèi)河航運的快速發(fā)展,對原有河道進(jìn)行改造升級逐漸提上日程,而選用施工速度快、效率高、占地面積小的護岸方式為急需解決的問題。鋼板樁于20世紀(jì)初在歐洲開始生產(chǎn)利用,具有高效、便捷、安全等特點,常用于深基坑支護、施工圍堰、航道整治等工程,起到擋土、防滲作用[1-2],上世紀(jì)50年代初引進(jìn)國內(nèi)。反演分析在基坑監(jiān)測、邊坡穩(wěn)定以及圍護結(jié)構(gòu)監(jiān)測中運用廣泛[3-7]。但這些反演分析中,大都根據(jù)工程結(jié)束后監(jiān)測數(shù)據(jù)來進(jìn)行反演分析,不能實時預(yù)測圍護變形。因此,在每一階段結(jié)束后,即根據(jù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行反演分析,即采用動態(tài)反演分析的方法,實時預(yù)測結(jié)構(gòu)變形,從而實現(xiàn)施工過程中的信息化,為每一階段施工提供可靠保證。本文基于蘇南運河常州西段“四改三”航道升級改造工程中采用鋼板樁+錨桿作為護岸結(jié)構(gòu)。在施工過程中,根據(jù)實際所得的監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過動態(tài)反演分析得到較為合理的土體力學(xué)參數(shù),并利用得到的參數(shù)對護岸的鋼板樁水平位移進(jìn)行數(shù)值模擬。同時將模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場監(jiān)測水平位移進(jìn)行比較,論證了反演分析的正確性,為類似工程提供參考依據(jù)。
1工程概況及試驗方案
蘇南運河試驗段各土層,具體物理力學(xué)指標(biāo)見表1。
表1 不同土層土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)
護岸的加固方案為10m鋼板樁+錨桿(設(shè)置高程2.0m),鋼板樁選用冷彎帽型鋼板樁,樁頂標(biāo)高為3.80m,樁尖標(biāo)高為-6.2m,樁長為10m,橫截面寬度650mm,高度480mm,每延米的截面抗彎模量為1500cm3/m,鋼材強度等級為Q345。
現(xiàn)場為研究鋼板樁的自身變形,在鋼板樁兩側(cè)不同深度處安裝應(yīng)變計。測試儀器為XP-02型振弦式頻率計,應(yīng)變計型號為EBJ-A,現(xiàn)場試驗單元測點平面布置圖如圖1。
根據(jù)測點布置部位與鋼板樁打設(shè)深度確定預(yù)留導(dǎo)線的長度。傳感器的安裝工序為:開孔及定點,焊接傳感器,綁扎電線,焊接保護槽鋼,裝線完成安裝。試驗樁上應(yīng)變計應(yīng)在鋼板樁打設(shè)前一個星期內(nèi)完成安裝,隨鋼板樁一起打入土體的傳感器至少預(yù)留一個月的穩(wěn)定期。現(xiàn)場試驗選取樁的土壓力計與應(yīng)變計埋設(shè)及布置見圖2。
2土體反演參數(shù)分析
岸坡地基土模型水平方向為60m,豎直方向30m,上部的斜坡坡高2.4m,坡比為2.4:1,下部的斜坡坡高2m,坡比1:5,兩斜坡中間的直立開挖深度為4.4m,下部斜坡與中間直立邊坡之間有個1m寬的平臺。圖3為岸坡的有限元計算模型,其中鋼板樁的長度為10m,錨桿錨固位置為樁頂以下2.0m,長度為20m,傾角為150°。
本文模擬選取的土體物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。鋼板樁的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表2所示。鋼板樁假定為矩形截面,彈性模量E=210GPa,泊松比υ=0.3,樁厚為單位厚度,矩形截面寬度根據(jù)不同的抗彎剛度值折算為0.09m。為了減小岸坡土體在模擬開挖過程中的回彈現(xiàn)象,本節(jié)岸坡土體彈性模量取值隨著岸坡土體深度的增加而增加。錨桿的彈性模量為E=200GPa,泊松比為υ=0.3。
模擬的施工過程如下:打入鋼板樁,土體開挖至2.5m深度;在樁頂以下1.5m處打設(shè)錨桿并添加預(yù)應(yīng)力;土體開挖至設(shè)計標(biāo)高4.4m。
利用直接反分析法反演一個巖土結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)首先是建立一個正分析模型,然后建立反演優(yōu)化目標(biāo)及尋找一種高效的最優(yōu)化方法。實際上就是建立一個優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。反分析模型建立的關(guān)鍵是建立一個合理的反演優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)f(X),X為待反演的參數(shù)集。在鋼板樁護岸結(jié)構(gòu)的反演分析中,可以以有限元計算結(jié)果同觀測點各指定時刻實測位移殘差的平方和作為參數(shù)反演優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)
在直接反分析法過程中,由于計算機的截斷、舍入誤差的積累、正分析模型自身的不完善性等原因,常常導(dǎo)致最終分析結(jié)果不穩(wěn)定、不唯一,特別當(dāng)反演參數(shù)較多時,這一問題更為突出。從物理角度來看,符和條件的解必然是唯一存在的。因此,從工程實際出發(fā),根據(jù)參數(shù)的實際物理意義需要給優(yōu)化問題加上一些定解條件,比如根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果及現(xiàn)場的實測結(jié)論,可以得到各特征參數(shù)的粗略估計值X0??梢源_信,各參數(shù)的真實值必定滿足:
X*?X'=X0±ΔX
式中,X*為參數(shù)真實值;X'為允許解集;ΔX為參數(shù)合理的波動范圍。
這樣允許解集大大縮小,有效的避免了不穩(wěn)定性,提高了尋優(yōu)效率。在反演分析中,既要保證各參數(shù)在各自常用范圍內(nèi)變化,又要保證各參數(shù)之間的協(xié)調(diào)合理,符合物理、力學(xué)規(guī)律,還要保證各測點以外的壩體其它區(qū)域不出現(xiàn)不符合規(guī)律的應(yīng)力應(yīng)變情況,這樣所得的參數(shù)組合才是所尋求的。
根據(jù)上述分析,土體參數(shù)位移反分析最優(yōu)化模型為:
求設(shè)計變量{X}=[x1,x2,…xn]
滿足約束ai≤xi≤bii=1,2,…,n
式中,ai、bi為第個待求參數(shù)的上下限,即為反演參數(shù)的合理變化范圍。
3反演結(jié)果及分析
應(yīng)用優(yōu)化反分析方法,一次可以只對一個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,也可以對幾個參數(shù)的組合進(jìn)行優(yōu)化。一般來說,每次只對類型或數(shù)值相同或相近的參數(shù)同時進(jìn)行優(yōu)化,這時假定其他參數(shù)不變。具體計算時所選反演參數(shù)為土體的彈性模量,其初始值如表2所示,搜索區(qū)間取上下20%,表2為各土層彈性模量的反演計算結(jié)果。
表2 各層土體彈性模量的初始值與反演值
利用反推出的各層土體的彈性模量再進(jìn)行正演分析,所得板樁的水平位移模擬值與實測值的對比分析如下圖4所示。工況一中,鋼板樁施工完成后,土體開挖2.5m,導(dǎo)致鋼板樁沿背離河岸方向發(fā)生位移,板頂處位移最大,且位移沿鋼板樁從上而下逐漸較小,鋼板樁底部位移最小,實際監(jiān)測數(shù)據(jù)此處為零,而模擬中此處應(yīng)有位移,這表明,板樁底部位移的發(fā)展是一個緩慢的過程,這在工況二、三種可以體現(xiàn)出來;在工況二中,由于在樁頂以下1.5m處做錨桿,施加一定的錨桿初始拉力,從而使板樁位移向里發(fā)展,這點在模擬和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)中均有明顯體現(xiàn);在工況三中,錨桿施工完成后,繼續(xù)向下開挖至設(shè)計標(biāo)高,由于主動土壓力的慢慢增加,鋼板樁頂部的位移逐漸較小,幾乎為零,滿足設(shè)計要求。
4結(jié)論
1)在第一個施工中,隨著土體的開挖,鋼板樁發(fā)生背離河岸的水平位移,在第二個施工過程中由于施工錨桿,使得板樁位移向里發(fā)展,之后隨著土體的繼續(xù)開挖,板樁位移繼續(xù)背離河岸發(fā)展,頂端位移逐漸為零,滿足設(shè)計要求。
2)根據(jù)每個施工過程的監(jiān)測位移值進(jìn)行動態(tài)的反演分析,得到合理的土體參數(shù),以反演所得數(shù)據(jù)為依據(jù),對鋼板樁水平位移進(jìn)行數(shù)值模擬,且模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果吻合較好,表明反演結(jié)果具有可信性。
3)采用鋼板樁+錨桿的柔性結(jié)構(gòu)作為護岸,在施工過程中,數(shù)值模擬以及實際監(jiān)測數(shù)據(jù)均表明其具有良好的工程特性,但作為永久護岸結(jié)構(gòu),板樁位移的發(fā)展與傳統(tǒng)剛性護岸結(jié)構(gòu)的差異仍待進(jìn)一步研究。
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(特約編輯李軍)
Numericalanalysisandfieldtrialsresearchofverticalsteelsheet
pilesupportingstructure
ZhangXiao-yang1,ZhangFu-hai1,2,ZhaoFu-tian1,ChenXiang1
(1.CollegeofCivilandTransportation,HohaiUniversity,JiangsuNanjing,210098;
2.GeotechnicalInstitute,HohaiUniversity,JiangsuNanjing,210098)
Abstract:BasedontheSu’nancanal“fourtothree”channelupgradingprojectinChangzhou,andit'srevetmentstructurecomposedofverticalsteelsheetpileandanchor,thereasonablecalculationparametersofsoilhasbeenobtainedthroughinversionanalysis.Basedontheresultoftheinverseanalysis,dynamicconstructionfactorswasconsidered.Also,threeworkprogresseshavebeenanalyzedsuccessivelycombinedunderpracticalengineeringcondition.Monitoringdisplacementofthepileswascomparedwiththeanalyzedresulttomakesurethesafetyofeachworkprogress.Theresultsshowthatthesimulationresultsareingoodagreementwiththemeasuredvalues,whichindicatesthattheinversionresultsarecredibleandcanprovidereferenceforsimilarprojects.
Keywords:steelsheetpile;soilparameters;dynamicalinverseanalysis;numericalsimulation
中圖分類號:U617.8
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
文章編號:1673-9469(2015)04-0038-04doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2015.04.009
作者簡介:張曉陽(1991-),男,安徽阜陽人,碩士,主要從事巖土研究工作。
基金項目:教育部博士點基金資助項目(20100094110002)
收稿日期:2015-08-19