深基坑支护结构变形分析.pdf

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1、深基坑支护结构变形分析深基坑支护结构变形分析一、前言一、前言传统的基坑支护结构体系的设计方法是按照墙体受力强度及整体稳定性进行设计的，设计过程是以开挖的最终状态为对象。然而基坑开挖过程往往会引起支护结构的内力和变形以及土体的变形，发生种种意外变化，乃至影响工程安全和环境安全，绝非传统的方法能事先控制或事后处置的。因此，以变形大小作为控制手段的设计方法正受到人们的普遍重视，因为支护结构的变形量是基坑开挖过程中支护结构与土相互作用的直观反映，又是各种突发事件发生的先兆，如果能事先预测支护结构的变形量，对保证基坑安全施工具有重要的意义。本文利用深基坑支护开挖过程中所获工况的监测信息，采用优化反分析来

2、反演土体及支护结构力学参数，然后通过杆系有限元计算来预测下一工况的桩墙变形量、内力及支撑力。又采集下一施工阶段的相应信息，进行参数反演，计算预测下一工况的桩墙变形量等，如此反复循环。这样通过分析预测指导施工，通过施工信息反馈修改设计，使设计及施工逼近实际。二、反分析原理大量工程实践表明，利用杆系有限元方法模拟和计算支护结构的内力及变形时，土体的“m”值、支护结构的刚度、支撑刚度及土压力分布模型的选取对支护结构的内力和变形计算结果影响很大。而目前工程上的取值往往是凭经验或实验所得，具有较大的随意性。如果利用已完成的工况量测信息反分析土体的 m 值及支护结构的刚度、支撑刚度，通过确定的土体参数来预

3、测下一工况的墙体变形量、内力及支撑力，实现动态优化设计，同时，用以指导工程实践。反分析原理是以每一工况位移量测信息为基础，选择土体力学模型及相应的边界条件，然后建立目标函数，利用优化方法来搜索与实测值逼近的土体参数及支护结构力学参数。1 1、目标函数的建立、目标函数的建立以基坑开挖的每一工况量测信息为基础的反分析方法目标函数一般为：（1）式中 为支护结构上测点 的水平位移的计算值 为支护结构上测点 的水平位移的实测值；表示土体的 值、支撑刚度系数、桩墙刚度等；为测点总数。2 2、墙体任意处位移计算、墙体任意处位移计算支护结构的位移计算采用弹性地基梁有限元法，计算的最终结果是单元节点处的内力及变

4、形，而实测点的位置可能不在节点处，为了反映施工过程的动态响应，以及目标函数值的求解，需要给出量测点任意位置设置和任意施工阶段的量测信息增量，则任一单元上测点 的水平位移 可用线性插值法求得，计算公式为：（2）式中，分别为测点 所在单元两端点的坐标；，分别为点 所在单元两端点的水平位移计算值；为测点 的水平位移；为测点 的坐标（坐标原点为桩墙顶点）。3 3、量测数据处理、量测数据处理(1)来自现场的量测数据常常由于测点设置过大或测点受到破坏而引起量测点数不够充足，常求助于拉格朗日插值或样条函数插值的方法进行数据处理。(2)当量测信息是支护结构的水平倾角（为竖向坐标），需将 转换为水平位移，可用下

5、式进行计算：（3）式中 是支护结构底端竖向坐标(3)由于环境及人为读数引起的误差在实际量测过程中无法避免的，为了消除这种误差对反分析结果的精度影响，必须对量测数据进行平滑处理。4 4、优化方法、优化方法使目标函数 极小化是一个无约束优化问题，即式中 为土体地基反力比例系数；为桩墙刚度为第 道支撑的刚度因为函数 的导数无法求得，所以采用无导数搜索法进行最优值的求解，本文采用 Powell 法进行求解。三、变形预报原理三、变形预报原理变形预报原理在反分析土体参数及支护结构的力学参数后，以这些信息作为已知信息，然后作正分析，相应求得个施工过程支护结构变形量，下面以某一深基坑围护工程的三个工况来阐明变

6、形预报过程。工况：先开挖到-2.5m工况：在-2.0m 处设置第一道支撑，并继续开挖到-6.0m 处工况：在-5.0m 处设置第二道支撑，并继续开挖到坑底在开挖前，利用经验或试验得出土体的参数及支护结构力学参数值，选取土的力学计算模型，对第一次开挖作出初始预报。在进行工况开挖时，相应地进行监测，这时预报值与实测值肯定有较大误差，利用反分析，反演得到与实际相符的土体参数值及桩墙刚度 EI 值。以反演得到的土体参数值及桩墙刚度 EI 值作为初值再对第二次开挖进行预报。在进行工况开挖时，同时进行监测，对土体参数、第一道支撑刚度K1 进行反演，又作为下一次开挖预报的初值，在进行预报，以次类推，这样，能

7、模拟整个施工过程，真实地反映支护结构的内力及变形的变化过程，从而实现动态施工设计。四、结论四、结论1、在基坑开挖过程中，土体参数会随开挖过程而不断变化的，通过实验及经验确定的土体参数及支护结构力学参数，具有较大的随意性，依据初始取值来预测墙体侧向位移是不准确的。2、参数优化反分析技术，根据现场量测信息资料，可以较准确的反演各工况下与实际相符的土体参数及支护结构力学参数，通过上一工况的优化反演参数值对下一工况作出较准确的变形预报。3、参数反演及预测过程中，土压力模式会随工况的变化而不断变化的，如何选取合理的土压力模式将是有待解决的问题。防止建筑物外墙渗漏的几项措施防止建筑物外墙渗漏的几项措施一、

8、墙体检查与处理1、外墙砌筑要求：砌筑时避免墙体重缝、透光，砂浆灰缝应均匀，墙体与梁柱交接面，应清理干净垃圾余浆，砖砌体应湿润，砌筑墙体不可一次到顶，应分二至三次砌完，以防砂浆收缩，使墙体充分沉实，另注意墙体平整度检测，以防下道工序批灰过厚或过薄。2、墙体孔洞检查及处理：批灰前应检查墙体孔洞，封堵如墙身的各种孔洞，不平整处用 1：3 水泥砂浆找平，如遇太厚处，应分层找平，或挂钢筋网，粘结布等批灰，另对脚手架、塔吊、施工电梯的拉结杆等在外墙留下的洞口应清洁润，用素水泥浆扫浆充分，再用干硬性砼分 2 次各半封堵，先内后外，充分捣固密实，水落管卡子钻孔向下倾斜 3-5，卡钉套膨胀胶管刷环氧树脂嵌入，严

9、禁使用木楔。混凝土剪力墙上的螺杆孔应四周凿成喇叭口，用膨胀水泥砂浆塞满，再用聚合物防水浆封口，封堵严密。3、砼外墙修补砼外墙局部出现少量涨模、蜂窝麻面现象，根据实际情况采取如下方法对砼表面进行修补：涨模修补，首先将不符设计和规范要求的凸出砼部分凿除，并清理干净，其次用钢丝刷或加压水洗刷基层，然后用 1：2 或 1：2.5 水泥砂浆找平，最后洒水养护十四天。蜂窝修补（所有发现的蜂窝麻面均面积较小无深孔现象），首先对砼面上的松动的石子、砼屑凿去，并清理干净。其次在修补前应先浇水冲洗待修补的砼面上的灰尘，保持修补基面的湿润，然后用 1：2 或 1：2.5 的水砂浆找平，最后洒水养护十四天。二、确保找

10、平层的施工质量1、找平层抹灰前的工作应注意砌体批灰前表面的湿润，喷洒水充分，砌体部分与混凝土部分交接处的外墙面在抹灰前要用 200 宽 16#钢丝网片覆盖并加以固定，以抵抗因不同材料的膨胀系数不同而引起的开裂。对混凝土墙面的浮浆、残留的模板木屑，露出的钢筋、铁丝一定要清理干净，以利抹灰砂浆与基层粘结牢固。2、找平层抹灰时应注意：砂浆应严格按配比进行，严格计量，控制水灰比，严禁施工过程中随意掺水；对抹灰砂浆应分层抹灰，尤其是高层建筑，局部外墙抹灰较厚，这就需要进行分层批灰，每层抹灰厚度不应超过 2，如厚度过大，在分层处应设钢丝网；批灰砂浆可用聚合物防水砂浆；外墙抹灰脚手架拉接筋等，应切割后，喇叭

11、口抹实压平，定浆后，可用铁抹子切成反搓，然后再刷一道素水泥浆。三、确保外墙面砖的施工质量1、镶贴面砖前应先检查找平层有无空鼓、起壳、裂缝和不平整，如有应即时修补合格，然后用纯水泥浆（掺 10%107 胶）在找平层上满刷一遍并进行拉毛处理。2、面砖应符合产品质量要求，镶贴前应对面砖颜色均匀否，平整翘角边否进行精选，面砖应提前1 至2 小时候浸入水池，用时晾干表面浮水。3、面砖可用 1：1 水坭细砂浆镶贴，镶贴时先在面砖背面刮一层 7 厚掺 107 胶薄浆，以弥补不平和增强粘结力，面砖镶贴时应压紧搓挤到位，挤浆使窄缝饱满，余浆及时清除。4、面砖粘贴完毕后及时勾缝，勾缝宜用 1：1 聚合物防水砂浆，

12、以减弱水泥砂浆的脆性，一般缝道设置宽度约为 8，勾缝顺序须水平和垂直缝同时进行，防止出现过多头，缝的形式为凹缝，略低于面砖 2至 3 mm。勾缝完毕后，进行检查无漏勾或其它疵病后，用棉丝将面砖表面揩擦干净。最后进行洒水养护若干天。5、为防止面砖及粘结层开裂造成墙面渗漏，可在每层楼板边梁上、下留设2 道水平分格缝，使面砖粘结层分离。分格缝应清理干净并在拆除外脚手架前填入耐候胶，胶面与瓷砖面平。阴角部位也采用耐候胶封闭。四、确保门窗施工质量在进行门窗安装前需对门窗洞尺寸进行检查，对尺寸偏差较大的要进行处理，以免因窗框周边缝过大或过小影响塞缝质量，一般要求框边与洞口间缝宽约20。安装必须按规范，横平

13、竖直，进行固定，并做好隐蔽工程验收。窗框固定好后，经用聚合物防水砂浆对窗框周边进行塞缝，塞缝前先刷一道水泥防水砂浆以利于砂浆粘结，塞缝要压实、饱满，绝不能有透光现象出现，检查确认塞缝质量后方可继续进行窗框周边抹灰施工。水泥砂浆粉饰的窗套天盘必须做好滴水线。水泥砂浆括糙后面砖贴面的天盘外口必须比里口低。门窗安装、粉饰成型后，要进行产品保护，门窗不能被破坏。五、确保屋面施工质量屋面与外墙面联系紧密，屋面节点设计和施工至关重要。屋面工程技术规范及屋面工程质量验收规范GB50207-2002 明确要求应做好一头（防水层的收头），二缝（变形缝，分格缝），三口（水落口、出入口、檐口）和四根（女儿墙根、设备

14、根、管道根、烟囱根）等泛水部位的细部构造处理。对于解决屋面节点渗漏水问题，从设计上，要求设计人员对这些部位强化处理，详细出图。充分考虑结构变形、温差变形、干缩变形、振动等影响，采用节点密封、防排结合、刚柔互补、多道设防等做法满足基层变形的需要。从施工上，施工前应制定屋面防水施工专项方案，对施工人员要详细交底，让他们对操作要点做到心中有数，以确保节点防水的可靠性。六、外墙渗漏检验措施采用连续淋水法，可用 20 的水管，采用 3kpa 压力水，在建筑物顶层连续淋水 6h，观察内墙面和窗边四周有无渗水痕迹。关于防火分隔、耐火极限若干问题的思考关于防火分隔、耐火极限若干问题的思考现行建筑工程消防技术标

15、准中，对建筑构件的耐火极限有着详细的规定。但在现实中，建筑构件在火灾中超过其耐火极限而使火灾蔓延扩大，甚至造成建筑坍塌的现象却时有发生。2003年衡阳市“11.3”商居楼特大火灾坍塌事故，就是因为建筑承重构件在火灾超过了耐火极限；1996 年沈阳商业城特大火灾事故中，防火卷帘没能正常发挥防火分隔作用，则是火灾损失扩大的一个重要原因。但遗憾的是这些问题却没有得到人们足够的重视。笔者根据多年来的工作实践及学习体会，偿试在规范的层面对这一问题进行讨论，并提出建设性意见，以期引起同行的讨论，使防火分隔的规定更趋近科学、合理。一、现行规范对防火分隔规定的缺欠1、没有考虑防火分隔作用的可靠性、防火分隔在火

16、场中承受轰燃产生的冲击作用和起到的防烟作用。高层民用建筑设计防火规范第 5.44 条规定：“在设置防火墙确有困难的场所，可采用防火卷帘作防火分隔。当采用包括背火面温升作耐火极限判定条件的防火卷帘时，其耐火极限不低于 3 小时；当采用不包括背火面温升作耐火极限判定条件的防火卷帘时，其卷帘两侧应设独立的闭式自动喷水系统保护，系统喷水延续时间不应小于 3 小时”。在高层民用建筑设计防火规范的其他部分和建筑设计防火规范中对防火分隔也有类似的规定。显然规范在规定用其他设施代替防火墙的防火分隔作用时，只考虑了防火分隔的耐火极限要求，而忽视了可靠性要求和在火场中承受轰燃的冲击作用和起到的防烟作用要求,实际上

17、是降低了防火分隔的要求。首先，防火墙做为防火分隔措施其可靠性是一项重要的性能要求。防火墙作为防火分隔设施有很高的可靠性，但现行规范规定可以代替防火墙的卷帘、水幕、门、窗除了固定式防火窗外其可靠性都是很低的，至少与防火墙相比是很低的。不用说这些防火分隔设施由于本身结构的复杂而不可避免的故障发生率，即使是不考虑设施本身的故障发生率，就是人为管理使用的失误因素也是根本无法完全避免的。其次，防火分隔设施在火场中要起到防火分隔的作用，需要承受的不仅仅是热辐射和热对流的作用，还有轰燃时热气流冲击的机械力的作用，否则它就起不到防火分隔的作用，而轰燃是绝大多数室内火灾发展的一个必经的过程。再次，防火分隔在火场

18、中的作用不仅是起到阻挡火势的蔓延，还有阻止烟气的蔓延作用，而且还是防火分隔的一个重要作用。而防火卷帘、防火水幕在防火烟能力上无论是在能力上，还是在可靠性上，都比防火墙低得多。2、把承重构件的耐火极限规定的比非承重防火墙的耐火极限低,规定防火墙的耐火极限时不考虑承重的影响，忽视了火灾中的建筑结构安全。建筑设计防火规范第 2.0.1 条规定：一、二、三级耐火等级建筑的防火墙的耐火极限为 4 小时；一级耐火等级建筑的承重墙耐火极限为 3 小时、支撑多层的柱耐火极限为 3 小时、支撑单层的柱耐火极限为 2.5小时；二级耐火等级建筑的承重墙耐火极限为 2.5 小时，支撑多层的柱耐火极限为 2.5 小时、

19、支撑单层的柱耐火极限为 2 小时，高层民用建筑设计防火规范中也有类似的规定。首先，这里对防火墙耐火极限的要求比承重墙、甚至比承重多层的柱还高，显然是不合理的。忽视了建筑物对防火分隔作用的需要是以建筑物结构安全为前提的，试想建筑物要是坍塌了，防火分隔还有意义么？其次，规定防火墙的耐火极限时不考虑承重因素的影响，显然是不符合实际情况的，也使规范在这方面的规定自相矛盾。因为从建筑设计防火规范和高层民用建筑设计防火规范的附录中也可以看出，同样的建筑构件由于承重，而使其耐火极限降低,并且对承重构件规定了比非承重构件高的耐火极限。二、对改进防火分隔规定的建议1、根据防火分隔的耐火极限和可靠性的高低把防火分

20、隔分为不同的类和等级，并根据不同类别和等级的防火分隔规定防火分区面积的大小。首先，按防火分隔是否受设备运行、管理等人为因素影响分为一、二两类，再在每类中按现行对防火分隔耐火极限分级的方法进行分级。即把不受设备运行和管理等人为因素影响的防火分隔规定为一类，把受设备运行和管理等人为因素影响的防火分隔规定为二类，再把每类按耐火等级的高低分为甲、乙、丙三类。其次，在规定防火分区面积时，增加可靠性和耐火极限高的防火分隔间的防火分区的面积，降低可靠性和耐火极限低的防火分隔间的防火分区面积。这样调整，一是可以提高防火分隔的可靠性；二是可以充分发挥防火分隔的作用；三是可以使建筑设计更灵活；四是可以提高多数建筑

21、的经济性能；五是可以促进防火分隔设施技术的进步，提高其可靠性和耐火极限。2、把构件在火灾中可能承受的轰燃产生的冲击力对构件整体性和稳定性,做为评价建筑构件耐火极限和防火烟性能的重要条件。改革防火分隔设施耐火极限试验方法，把防火分隔在火灾中可能受到轰燃产生的机械冲击力，所需要具备的机械强度纳入试验范围，规定防火分隔设施所应具备的机械强度要求。规定防火分隔的防烟性能要求。3、重视建筑在火灾时结构安全，考虑承重对耐火极限的影响。调整建筑构件的耐火极限规定，提高承重构件、特别是承重多层的构件的耐火极限，使建筑构件耐火极限与它们在建筑结构安全和消防安全中所起的作用相适应，使建筑构件的耐火性能储备即保证安全又不至于浪费。降低非承重防火墙的耐火极限要求，给建筑材料的发展提供更大的空间。