鋼板樁垂直護(hù)岸結(jié)構(gòu)的反演分析及實(shí)測(cè)研究

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(hù)岸結(jié)構(gòu)的反演分析及實(shí)測(cè)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(hù)岸結(jié)構(gòu)的蘇南運(yùn)河常州西段“四改三”航道升級(jí)改造工程為實(shí)例，通過反演分析得到合理的土體計(jì)算參數(shù)，同時(shí)在反演分析的基礎(chǔ)上，引入動(dòng)態(tài)反演分析的方法，結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)施工過程中的三個(gè)主要階段逐次進(jìn)行分析，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)位移值進(jìn)行對(duì)比分析，為每一個(gè)階段的變形提供可靠保證。對(duì)比結(jié)果表明模擬值與實(shí)測(cè)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(dòng)態(tài)反演分析；數(shù)值模擬

隨著內(nèi)河航運(yùn)的快速發(fā)展，對(duì)原有河道進(jìn)行改造升級(jí)逐漸提上日程，而選用施工速度快、效率高、占地面積小的護(hù)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(diǎn)，常用于深基坑支護(hù)、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(cè)、邊坡穩(wěn)定以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中運(yùn)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(cè)數(shù)據(jù)來進(jìn)行反演分析，不能實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)圍護(hù)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(dòng)態(tài)反演分析的方法，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)變形，從而實(shí)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(yùn)河常州西段“四改三”航道升級(jí)改造工程中采用鋼板樁+錨桿作為護(hù)岸結(jié)構(gòu)。在施工過程中，根據(jù)實(shí)際所得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過動(dòng)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(duì)護(hù)岸的鋼板樁水平位移進(jìn)行數(shù)值模擬。同時(shí)將模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(yàn)方案

1.1　工程概況

蘇南運(yùn)河試驗(yàn)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(hù)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(qiáng)度等級(jí)為Q345。

1.2　實(shí)驗(yàn)方案

現(xiàn)場(chǎng)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(jì)。測(cè)試儀器為XP-02型振弦式頻率計(jì)，應(yīng)變計(jì)型號(hào)為EBJ-A，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)單元測(cè)點(diǎn)平面布置圖如圖1。

根據(jù)測(cè)點(diǎn)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?yàn)椋洪_孔及定點(diǎn)，焊接傳感器，綁扎電線，焊接保護(hù)槽鋼，裝線完成安裝。試驗(yàn)樁上應(yīng)變計(jì)應(yīng)在鋼板樁打設(shè)前一個(gè)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(gè)月的穩(wěn)定期?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選取樁的土壓力計(jì)與應(yīng)變計(jì)埋設(shè)及布置見圖2。

2土體反演參數(shù)分析

2.1　計(jì)算模型的建立及反演參數(shù)的選取

岸坡地基土模型水平方向?yàn)?0m，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(gè)1m寬的平臺(tái)。圖3為岸坡的有限元計(jì)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(jì)標(biāo)高4.4m。

2.2　土體參數(shù)位移反分析模型

利用直接反分析法反演一個(gè)巖土結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)首先是建立一個(gè)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(shí)際上就是建立一個(gè)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(gè)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(hù)岸結(jié)構(gòu)的反演分析中，可以以有限元計(jì)算結(jié)果同觀測(cè)點(diǎn)各指定時(shí)刻實(shí)測(cè)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(jì)算機(jī)的截?cái)?、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(shí)，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(shí)際出發(fā)，根據(jù)參數(shù)的實(shí)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(yàn)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)結(jié)論，可以得到各特征參數(shù)的粗略估計(jì)值X0?？梢源_信，各參數(shù)的真實(shí)值必定滿足：

X*?X'=X0±ΔX

式中，X*為參數(shù)真實(shí)值；X'為允許解集；ΔX為參數(shù)合理的波動(dòng)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(cè)點(diǎn)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(jì)變量{X}=[x1,x2,…xn]

滿足約束ai≤xi≤bii=1,2,…,n

式中，ai、bi為第個(gè)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(duì)一個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，也可以對(duì)幾個(gè)參數(shù)的組合進(jìn)行優(yōu)化。一般來說，每次只對(duì)類型或數(shù)值相同或相近的參數(shù)同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，這時(shí)假定其他參數(shù)不變。具體計(jì)算時(shí)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(jì)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(shí)測(cè)值的對(duì)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(shí)際監(jiān)測(cè)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(gè)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(diǎn)在模擬和實(shí)際監(jiān)測(cè)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(jì)標(biāo)高，由于主動(dòng)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(jì)要求。

4結(jié)論

1)在第一個(gè)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(gè)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(jì)要求。

2)根據(jù)每個(gè)施工過程的監(jiān)測(cè)位移值進(jìn)行動(dòng)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(duì)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(cè)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(hù)岸，在施工過程中，數(shù)值模擬以及實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均表明其具有良好的工程特性，但作為永久護(hù)岸結(jié)構(gòu)，板樁位移的發(fā)展與傳統(tǒng)剛性護(hù)岸結(jié)構(gòu)的差異仍待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

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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(hào)：U617.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-9469(2015)04-0038-04doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2015.04.009

作者簡(jiǎn)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(xiàng)目：教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20100094110002)

收稿日期：2015-08-19