環(huán)境土工的智能預測與控制

環(huán)境土工的智能預測與控制

通過多年的研究和實踐，對中國軟土區(qū)（如上海）的影響主要是由于不允許的土層變形、位移和大規(guī)模的地表差異。然而，在我國廣泛的軟土區(qū)（如上海），為了實現有效的監(jiān)督管理目標，必須采取有效的預測和災害報告。事實上，近年來，通過大量的工程實踐和經驗，對這些土木工程環(huán)境的穩(wěn)定和修復取得了很大進展，困難已經緩解，但在許多復雜的情況下，這個問題仍然令人驚訝。這是當前城市工程活動環(huán)境理論與工程科學的研討會之一。1地下市政設施基礎薄弱的城市土工在保證工程自身施工安全的同時,要求兼顧周邊環(huán)境土工的安全,已成為人們的共識.這里研究的城市環(huán)境土工問題,主要是指工程施工活動對其附近建(構)筑物淺置基礎、道路路基和路面、城市已建地鐵與高架、立交,以及各類地下管線等市政設施的土工危害,這類所謂環(huán)境損傷(environmentdamage)問題在許多場合竟然是相當嚴重的.城市各項工程活動產生上述環(huán)境土工問題的主要場合,包括:①地鐵盾構掘進施工;②淺埋、大直徑頂管沿舊城區(qū)的淺層地下呈曲線頂進施工;③深、大基坑和邊坡工程開挖施工;④預制打入樁和靜壓樁的擠土效應;⑤后續(xù)工程施工對已運營地鐵區(qū)間隧道,以及對城市立交、高架橋樁的影響;⑥其他,諸如市區(qū)沉井下沉、施工降水、新建建(構)筑物施工對相鄰老舊建(構)筑物的影響等.當前,城市地下工程施工活動中的環(huán)境土工問題,以上海市近年來的工程實踐為例,最感突出和困難的約有20余處,詳情可參見文獻.2這項研究2.1土體受到施工擾動的機理與特性該子項研究已取得了以下成果:(1)對上海飽和軟粘土進行了三軸卸荷、卸荷—再固結—再卸荷、卸荷—再固結—再加荷等試驗研究,以模擬各種施工擾動對土體強度與變形的影響;建立了飽和軟粘土的卸荷邊界面模型,并據此引入了深大基坑開挖施工的分析程序.(2)通過室內試驗,研究了盾構掘進對周圍土體施工擾動的影響,并引用損傷力學理論研究了周圍土體受施工擾動的影響程度,提出了“施工影響度”的理念.室內試驗主要是通過對施加類似于取樣擾動應變的土樣進行壓縮試驗和三軸試驗,根據擾動土樣的試驗參數與現場實測參數的差別,區(qū)分取樣擾動和施工擾動的差異;并通過對土樣恢復原先地應力而進行三軸試驗,研究了施工擾動過程中對土體應力變化的影響.(3)對盾構掘進過程中周圍土體擾動進行了現場原位試驗.現場實測內容包括地表沉降、土體水平位移、孔隙水壓力變化、土壓力變化、十字板試驗和靜力觸探試驗等;分析了地表沉降的機理、類型,以及上項施工擾動與沉降間的定量關系;根據孔隙水壓力和土壓力的實測結果,測算了周圍土體的應力擾動程度.(4)對土體受施工擾動的影響程度,進行了定量化識別研究.研究認為,這種擾動影響的主要反映是土體應力、應變及其力學性狀的變化,可以用剪應變的變異來定量識別,并分別導演了相應的計算關系式;進而通過室內試驗,對上述論據進行了驗證.(5)從分析土體受施工擾動的影響因素入手,通過不同應力路徑下的室內加載和卸載三軸試驗,模擬了不同施工加、卸載對西北地區(qū)黃土的擾動作用;在此基礎上,按照不同施工活動的特點,分別對基坑開挖卸載、強夯施工擾動、打樁擠土效應等對黃土施工擾動的工程特性進行了較為系統(tǒng)的探討.(6)受施工擾動土體微結構機理的電子顯微鏡研究.選取了基坑不同深度、不同應力釋放程度條件下的受施工擾動土樣,進行了土體微結構電子顯微鏡的土力學性態(tài)變異研究.結果表明:由于應力釋放,土體的微結構發(fā)生了變化,其基本特征是原狀土的顆粒鏈接發(fā)生了不同程度的破裂、斷開或錯動;并且,土體結構的變異程度隨應力擾動程度加大而增強,從而從微觀尺度上揭示了土體受施工擾動后其強度降低的本質.(7)基坑土體開挖卸載條件下,受擾動土體應力—應變關系及其強度變化的靜三軸試驗模擬.針對基坑土體開挖卸載幾種不同的應力路徑,分別對基坑不同開挖深度、土體按不同側向應力卸載進行了模擬試驗;進而考慮了土體含水量變化對受擾動土體強度的影響.(8)基坑原狀土的基質吸力測試研究.通過對原狀土自然揮發(fā)失水的基質吸力室內實驗測試結果的研究表明:工程現場土體內基質吸力的一般變化范圍介于0~0.60kPa之間.該研究結果,對非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析及土壓力計算中基質吸力取值均有重要的指導意義.(9)通過模擬土體應力路徑變化的三軸試驗,研究了開挖擾動對土體的影響.研究表明:摩擦角φ是土粒間相對運動時摩擦作用的綜合反映,開挖擾動使土體結構發(fā)生變化,導致土顆粒位置發(fā)生變化及土顆粒之間的膠結物發(fā)生拉裂錯動,從而使內摩擦角降低.由于考慮了開挖擾動過程中應力路徑的影響,從總體上說,土的強度有所降低,其中內摩擦角的降低更為明顯,最大降幅達4°左右.(10)開挖擾動過程中應力路徑的變化將使土體強度參數發(fā)生改變.計算結果表明,采用擾動后土體的抗剪強度參數,其邊坡安全系數較之沿用原狀土強度參數所得結果要降低10%~13%.盡管這個單一因素對邊坡穩(wěn)定性降低幅度的影響還比較小,但這種影響在邊坡安全儲備不多、且在降雨等其他一些不利因素的共同作用下,將是可能發(fā)生邊坡失穩(wěn)的不利因素.因此,在基坑大開挖邊坡穩(wěn)定分析中,應考慮采用實際應力路徑條件下的強度參數,以提高邊坡穩(wěn)定性評價的精度.(11)針對北京地區(qū)一類最主要的土質——粉質粘土,建立了非飽和土強度與含水量變化(模擬施工降水和施工期降雨作用)的關系,有以下研究成果:①含水量的變化對非飽和粘性土的c,φ值都有影響,但是對c值的影響遠大于對φ值的影響;②當土體飽和度在50%~80%時,含水量對c值的影響較大,即:隨著含水量增大,c值明顯降低;當土體飽和度低于50%或高于80%時,含水量的變化對c值基本上沒有影響;③無論是在低含水量還是在高含水量條件下,非飽和土強度在變形初期增加很大;隨著變形的增大,強度將逐漸趨于穩(wěn)定.(12)對顆粒流(particleflow)分析用于土體形態(tài)研究的新技術進行了初步開發(fā)與探索,以模擬土體的細、宏觀強度及其應力—應變關系,有望在施工擾動的數值模擬方面取得突破性進展.2.2邊坡走出去工程在本子項研究中,探討了城市環(huán)境土工學問題中的若干典型工程項目,計有:①基坑開挖;②邊坡工程;③軟土隧道盾構掘進;④沉樁施工;⑤大直徑、淺埋頂管頂進;⑥土釘支護及其他.較為深入系統(tǒng)地研究了上項各類工程施工全過程的環(huán)境土體穩(wěn)定與變形,以及地表沉降和土層位移等土工公害的理論預測與工程險情分析與預報.現只對①~④項進行簡述.2.2.1基底開挖(1)深大基坑基底軟土固結穩(wěn)定設計的研究利用土力學的極限平衡理論,較詳細地論述并推導了一種定量分析深大基坑基底軟土穩(wěn)定性的計算分法,其特點是能夠合理地分析各種土體加固措施對基底安全系數Ks的增值效應;同時,本子項研究還探索了Ks的變化規(guī)律,得出了下述對基坑設計和施工具有重要參考價值的結論:①提出了深大基坑基底軟土穩(wěn)定計算的簡化模型,可用于沿海軟土多層支撐深基工程的基底穩(wěn)定性分析,其基底穩(wěn)定安全系數Ks的設計取值標準可按所建議的值選取;②研究認定,開挖深度超過10m的軟土深基坑圍護墻體的“入土比”下限值可取0.7,過度加大墻體入土深度并不會使Ks值有更大增加;③在“入土比”λ≥0.7且保持不變的條件下,增加基坑深度不會對Ks值的減小產生明顯的影響;而且,當土體內摩擦角φ較大時,這種影響將更小;④顯著提高Ks值的有效方法之一是合理加固被動區(qū)土體,這種加固對Ks的增值效應可依據所建議方法作具體定量分析.(2)基于穩(wěn)定變形的土體穩(wěn)定與變形研究方法根據受施工擾動后土體物理力學性質的變化,研究了各種不同施工擾動因素影響條件下基坑工程周近環(huán)境土體的穩(wěn)定理論和分析分法.按不同施工過程的不同工況,選取了與當前應力狀態(tài)相適應的本構關系和物理力學參數來研究分析各個施工階段環(huán)境土體的穩(wěn)定與變形,并建立了較為合理有效的預測手段與分析系統(tǒng).在研究內容和方法上,含:①基坑圍護結構新的設計計算方法;②基坑開挖引起周圍地層位移對環(huán)境影響的分析;③優(yōu)化支護體系方案,指導現場施工.對深大基坑的穩(wěn)定及開挖引起坑周土體的沉降和位移問題,采用了:①利用原位測試結果,研究施工擾動和時空效應對圍護結構外周土壓力及其分布的影響,獲得了土壓力大小和分布規(guī)律,通過土與結構相互作用的理論分析與擬合,提出了結構在發(fā)生側向位移情況下的土壓力計算,在此基礎上提出了基坑圍護結構穩(wěn)定與變形的計算方法;②對擾動土體三維非線性時空效應分析方法進行研究,建立了該項分析的軟件系統(tǒng).為了驗證系統(tǒng)的可靠性,采用了與現場實測資料相對比的方法進行檢驗.(3)考慮位移和時間效應的土壓力變化特性的數值分析利用模糊數學的概念和模糊邏輯的推理方法,實現了環(huán)境土工學方面諸影響因素和潛在事故危害“后果”這2方面的模糊識別,建立了基坑開挖對不同環(huán)境影響控制等級的模糊評價體系.在對基坑開挖中土體與結構性態(tài)研究方面,探討了:①針對基坑工程的特點,研究了土的應力歷史對軟粘土地基深基坑的影響.提出了一種在深基坑工程分步開挖中考慮飽和粘土強度受超固結影響的方法,建立了能同時反映開挖應力路徑和應力歷史的飽和粘土非線性應力應變關系,以墻體兩側的靜止土壓力為初始條件,考慮土壓力與墻體和應力歷史對被動區(qū)土壓力的影響,提出了一種圍護結構內力、變形和穩(wěn)定分析的新方法.②提出了基坑開挖條件下環(huán)境土體應力路徑變化特征的數值分析方法,將基坑周圍土層分為壓縮剪切、剪切、卸載和壓縮4個應力路徑區(qū),利用有限元法對基坑開挖過程進行了數值模擬.③考慮基坑開挖空間效應,對基坑開挖過程中圍護結構的變形、主動土壓力、支撐力、基底隆起以及坑周地表沉降量的空間分布等進行了三維有限元分析,通過工程實例,驗證了這一基坑工程計算模式的合理性.④基坑工程中土壓力計算方法研究,根據基坑開挖工程的特點,建立了考慮位移時間效應的土壓力計算公式,以更好地模擬實際施工工況.在LBACK彈性地基梁有限元計算程序的基礎上,采用考慮位移和時間效應的土壓力計算公式對土壓力計算程序以及參數反演各個部分都作了相應的調整,并用于實際工程中的計算分析,研究工作在土體非線性抗剪強度準則和非極限條件下土壓力的計算方法方面取得了進展,得出了工程開挖擾動對土體抗剪強度參數的定量影響;⑤針對基坑開挖對周近地下管線的影響問題,利用Winkler彈性地基梁理論,建立了受基坑開挖影響的地下管線豎向位移與水平位移方程,并分析了影響地下管線位移的諸多施工擾動因素.應用所建立的理論對工程實例進行了分析驗證,表明計算結果與現場實測值比較吻合.(4)應用效果具有實用性本子項研討的智能控制方法——預測控制,其特點是:①做到真正的、高一層次的信息化施工,不斷跟蹤施工活動,將監(jiān)測信息及時反饋給預測控制系統(tǒng),再由控制系統(tǒng)作出施工參數調整指令,以指導施工,將施工變形控制在規(guī)定的指標值以內;②該系統(tǒng)由一個ANN預測器和一個模糊控制器組成,數據處理自動化,操作簡便,再輔之以三維動態(tài)可視化分析軟件,可提供用戶以直觀的結果,具有很大的實用性;③神經網絡是地下工程變形預測最有效的方法之一,在時間序列的ANN單步預測基礎上,研究中提出了“多步滾動動態(tài)預測”的方法,實現了基坑施工過程的滾動預測,彌補了以往單步預測的不足;④采用模糊控制器進行施工變形控制,它簡便、實用、易擴充修改,便于實時控制;另一方面,還充分利用了專家的經驗和知識;⑤本系統(tǒng)是在MATLAB5.2平臺的支持下研制和開發(fā)的,充分利用了MATLAB可視化技術的各種工具箱函數,保證了軟件內部算法的可靠性;另一方面,也使本系統(tǒng)界面友好、操作簡單、便于應用;⑥將神經網絡與模糊控制相結合對基坑施工變形進行了預測控制,使該智能系統(tǒng)的智商更高,效果也更好.在工程應用方面,本子項研究結合上海市某深井基坑和跨越長江的2座公路懸索大橋特大型錨碇基礎等3處工程實踐,對坑壁施工中圍護墻體的水平變形位移和坑周地面沉降按上述方法與所研制的程序軟件進行了智能預測與控制的演示、檢驗與應用.通過該3處深大基坑工程應用的實例表明:所建議的智能預測控制系統(tǒng)對基坑全過程安全施工達到了很好的預測和控制效果,為基坑施工環(huán)境維護提供了理論依據和技術支撐與保障.2.2.2邊緣工程(1)非飽和土邊坡穩(wěn)定性研究根據非飽和土的強度理論和極限平衡原理,建立了非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析評價模型,并開發(fā)出相應的分析軟件,該模型可以考慮土體基質吸力對邊坡穩(wěn)定性的影響.結合某邊坡工程實踐,通過土體基質吸力的現場測試結果,研究了非飽和土的邊坡穩(wěn)定性.另外,還應用基坑周圍擾動土體的強度指標,分析評價了施工擾動對非飽和土邊坡穩(wěn)定性的影響,獲得了以下結論:①土體基質吸力對邊坡穩(wěn)定性有明顯影響,因此,有效地對邊坡土體的基質吸力進行監(jiān)測和控制,可以大大降低邊坡失穩(wěn)的可能性;②由于邊坡開挖后土體應力狀態(tài)的改變導致其強度參數發(fā)生變化,對基坑邊坡的穩(wěn)定性評價應該考慮土體強度參數受開挖擾動后的變異特性.(2)降雨入滲影響非飽和土邊坡穩(wěn)定性的計算方法遇施工期降雨,土體含水量變化,在對非飽和土強度及其穩(wěn)定性的擾動方面,本項研究運用非飽和土體水分運移的基本理論,結合北京地區(qū)降雨特征和地下水位特點,以含水量作為控制變量建立了降雨入滲的數學模型.在計算模型中通過變換上邊界條件,考慮了降雨過程中土體入滲能力的變化;采用有限差分法研制了相應的專用計算程序,可以求解給定降雨條件下邊坡土體瞬態(tài)含水量的數值解.根據試驗確定的土體含水量與基質吸力關系曲線,應用Fredlund的非飽和土強度理論和常規(guī)的邊坡穩(wěn)定性分析方法,計算了降雨入滲對非飽和土邊坡穩(wěn)定性的惡化影響;進而研討了降雨強度、降雨持續(xù)時間、土體初始含水量及其滲透系數等參數對降雨入滲及邊坡穩(wěn)定性之間的定量關系.2.2.3軟土隧道結構開挖(1)地表變形原因①土層原始地應力狀態(tài)的改變:在原先處于穩(wěn)定狀態(tài)的地層中,盾構掘進施工擾動使開挖面土體產生一定程度的松弛和塌陷,還導致地層原始應力狀態(tài)的改變和土體極限平衡狀態(tài)的破壞,從而引起地表下沉,也有因艙壓過高或出土欠挖而產生盾構作業(yè)面前方土體隆起;②盾構掘進對土體的擠壓擾動:各種開挖方式的盾構掘進都不同程度地對土層產生擠壓擾動;此外,盾構掘進通過彎道及需對盾構行進姿態(tài)調整作水平和垂直糾偏時,也均會使其周邊土體受到一定程度的擠壓擾動,從而引起地表變形,其變形大小還與地層的土質以及隧道埋深有關;③施工降水影響:盾構進出洞門時經常要采取降水措施,由于降水使含水地層中土的有效應力增加、孔隙比減小而孔隙壓消散;同時,由于周圍地下水的不斷補給,在一定的土層范圍內產生動水壓力,也導致土中有效應力增加,產生土體主固結沉降和后續(xù)次固結流變的發(fā)展;④盾尾空隙充填不足和不及時:盾尾建筑空隙要求及時而足量地進行充填,壓漿材料的性能、注漿壓力及其充填量多少均會影響到地表沉降大小及其速率,盾構施工中的糾偏或遇彎道施工時的局部超挖,也會造成盾尾后部建筑空隙的不規(guī)則擴大,其擴大量一般都難以確切估計,而空隙又無法做到及時充填并壓密,從而導致地表沉降;沉降沿盾構行進的縱、橫向均表現為不均勻的差異沉降,其對環(huán)境土工的危害就更大;⑤襯砌管片環(huán)的變形:隧道襯砌脫出盾尾后,在土水壓力持續(xù)作用下管片環(huán)產生變形位移,將導致地表的少量沉降.此處,地表變形主要受盾構作業(yè)時諸施工參數,如艙壓大小、出土量、掘進速度、千斤頂的不均衡頂力、盾尾注漿量與注漿壓力和注漿滯后時間,以及糾偏量等所控制;它還與隧道埋深、盾構直徑、軟土物理力學參數與流變特性、盾構施工方法、襯砌背面壓漿工藝等諸多因素密切有關.(2)第2類是地震損失引起的地面沉降,在一般年第1類為正常的地層損失:即使盾構施工精心操作,沒有人為失誤,但由于地質條件變異和盾構施工條件的約束與限制,也不可避免地會引起一定的地層損失.一般地,這種地層損失可以控制在可承受的限度之內,這類損失引起的地面沉降也比較均勻;第2類為不正常的地層損失:因盾構施工失誤而引起本來可以避免的地層損失.如盾構密封艙的土壓不正常,壓漿不及時,開挖面出土超(欠)挖、盾構后退等等,這類地層損失引起的地面沉降常有局部突變的不利特征;第3類為災害性的地層損失:盾構開挖面土體發(fā)生塑流或崩塌失穩(wěn),將導致災害性的地面坍陷.這種情況通常是由于地質狀況急劇變化、局部有未探明的高貯量承壓水、盾構通過土層遇透水性大的顆粒狀透鏡體或地層中有貯水空洞等造成的.因此,在盾構施工前及時探明所穿越的地質和水文條件是十分重要的,以避免這類災害性的地質破壞發(fā)生.(3)工法穩(wěn)定性數值模擬采用半解析法對同一地鐵區(qū)間的盾構隧道,分別就:①單一盾構掘進;②兩盾構同向掘進;③兩盾構對向掘進,作了對比計算和分析研討;借用3D-σ和3D-FLAC程序,結合上海市明珠二期南浦大橋區(qū)間地鐵施工實際,分別就單一盾構和上下近距離交疊地鐵區(qū)間隧道盾構掘進時的施工變形作了三維數值仿真模擬,并分別研討了盾構諸施工參數變化對其施工變形的影響;類似于本文前述的基坑工程情況,本子項研究也采用了人工神經網絡的智能預測與控制方法,詳細而較全面地研討了盾構施工變形對地表縱、橫向沉降的預測及其控制策略(詳見后述第2.3節(jié)).(4)考慮地表沉降變化的考慮已如上述,隧道開挖后會引起地表沉降、地下管線走移,及其周近建(構)筑物地基變形.在本子項研究中探討了如何用地表沉降值來反映管線的走移和建筑物的變形,進而通過控制地表沉降來控制管線與建筑物的變形,這是一個嶄新的課題,取得了以下成果:①分析了盾構隧道開挖對地層變形的影響,提出了因盾構掘進導致地表沉降的經驗關系式;②分析了地表最大沉降值與地下管線和建筑物變形及其應變發(fā)展間的關系,從而可以根據各類管線、建筑物與隧道的相對位置、地層條件、管線和建筑物的允許變形情況求出最大沉降量,進而,通過控制地表最大沉降值就可以間接控制隧道工程施工對建筑物和地下管線的不利影響,而不需要直接量測管線與建筑物基礎的變形,研究認定,在盾構工程環(huán)境影響的動態(tài)優(yōu)化控制中,采用地表最大沉降值作為目標控制值是可行的;③在根據動態(tài)優(yōu)化理論,建立盾構工程環(huán)境土工影響動態(tài)優(yōu)化控制模型方面,利用VisualBasic5.0開發(fā)工具,研制了實現隧道環(huán)境影響動態(tài)優(yōu)化控制的計算軟件,實現了方案設計與施工2個階段的優(yōu)化調整,該程序包括信息的輸入與顯示、施工方案的設計、優(yōu)化與信息反饋,以及環(huán)境影響計算等;該軟件還可對隧道施工的環(huán)境土工影響進行動態(tài)優(yōu)化控制,最后,通過工程實例驗證了上述所建議的動態(tài)優(yōu)化控制模型的可靠性和適用性.2.2.4樁沉降(1)單樁與雙樁著力變形特性分析本子項進行了沉樁擠土效應的模型試驗研究,研制了擠壓樁有限元計算分析程序,對單樁和群樁的擠土效應進行了三維數值模擬.通過在軟粘土中靜力壓入單樁和雙樁的模型試驗,對沉樁過程中隨水平及深度方向變化的土體位移規(guī)律進行了研究,并對壓入單樁與雙樁的試驗結果做了比較分析.在軟粘土中靜力壓入單樁和雙樁進行的模型試驗結果表明:對于單樁,區(qū)域1是沉樁的主要變形區(qū)域,樁周土體的側移隨距離樁軸線的增大而急劇減小,其影響范圍為4D~5D(D為樁徑).區(qū)域2的側移約為區(qū)域1的2/3,規(guī)律類似.該區(qū)的另一特征是產生地表隆起,且距離樁軸線1D~2D處的隆起量為最大,其影響范圍約為3D~5D.區(qū)域3的側移變化劇烈,從樁側過渡到樁尖以下的側移變形曲線由雙曲線漸變?yōu)榻鼧?、遠樁處小而中間大的馬鞍形分布;對于雙樁,區(qū)域1的側移變化規(guī)律與單樁相比,差別很小;由于鄰樁的存在,限制了區(qū)域2(樁間土)的側移,因而其地表隆起量遠比單樁情況下的要大.受先壓入樁體的屏障作用,區(qū)域3無論是地表隆起還是土體側移都較另外2個區(qū)域的小很多.(2)數值計算方法的應用為了分析打(壓)樁擠土效應及其對環(huán)境的影響,采取的分析方法有:①用半解析數值方法模擬沉樁施工全過程,并在微機上實現了對實際樁基施工的模擬計算;②將三維非勻質、變剛度的介質—結構相互作用問題降維為一維數值問題處理,編制了相應的專用計算程序,將之應用于群樁施工引起地表和地層土體與各保護工程對象變形位移的計算分析,并對相關工程的環(huán)境土工公害問題進行了理論預測與探討;③結合對各保護工程對象的現場實測,特別是超孔隙水壓的積聚與消散,及土體應力與位移隨距離變化的量測,將上述半解析數值計算結果與實測數據作了對比探討;進而將計算結果作歸納分析,總結出這類環(huán)境土工公害的主要指標,為科學預測與合理控制環(huán)境變化與信息化施工創(chuàng)造條件并提供理論依據.(3)防治或減輕壓樁擠土效應對工程環(huán)境的影響針對工程擠壓樁的特點,在研究中分析了軟粘土內靜力壓樁的擠土效應及其對工程環(huán)境影響的計算方法.通過對某大樓地基基礎工程壓樁施工過程進行測試,分析了靜力壓樁對工程環(huán)境的影響,提出了防治或減輕壓樁擠土效應對周圍工程環(huán)境土工影響一些有效措施.在理論研究的同時,還研制了相應的計算程序軟件;運用無限介質中圓柱形小孔擴張理論,分別模擬了飽和粘性土中打入樁的沉樁過程.假定土體為均質、各向同性的彈塑性介質,求出了沉樁過程中樁周土體的應力分布和樁的極限擴張壓力,分析了沉樁引起樁周土體土性的變化及其對土體應力和擴張壓力的影響.對打樁瞬間所引起的超孔隙水壓力與樁周超孔隙水壓力后續(xù)的歷時性消散以及土體再固結的時效特性進行了分析.2.3本工程對周圍環(huán)境對勞動力的影響的監(jiān)測和變形控制的研究2.3.1輸入矢量模糊控制模糊理論是解決復雜非線性系統(tǒng)決策所使用的一種有效方法,與神經網絡相比,它們的共同之處是不需建立任何數學模型,只需根據輸入的采樣數據去估計所要求的推理決策.人工神經網絡是根據學習的算法,而模糊理論則是根據專家提出的一些語言規(guī)則來進行推理決策,它們都是無模型的估計.人工神經網絡主要應用自適應控制、優(yōu)化、識別和統(tǒng)計,模糊理論則是應用概率、數學邏輯和測試方法,它們兩者涉及的都是動態(tài)系統(tǒng).近年來,原來并沒有必然聯系的模糊理論,與人工神經網絡之間有了較多的結合,可以利用神經網絡對那些在模糊理論中難以確定的規(guī)則和決策通過學習來得到,也可以利用模糊理論把輸入矢量模糊化來作為神經網絡的輸入矢量.在理論方面,本子項研究采用了模糊邏輯控制而不是其他的控制算法,其特色在于:①模糊控制是基于規(guī)則的、即可利用誤差等數據信息,也利用了專家的經驗知識,這就為在預測系統(tǒng)中設計合適的控制修正子系統(tǒng)提供了靈活性;②模糊控制無需建立所研究對象的數學模型,由于控制問題所面對的是某種形式的預測系統(tǒng),對這樣的控制對象建立精確的數學模型是非常困難的;③模糊控制歸屬于一種非線性控制,而被控的預測模型與其預測對象(此處為施工變形位移)都是非線性的,為了對其進行誤差反饋修正,調節(jié)器也應該是非線性的.模糊控制器是一種萬能的非線性控制器,經過合理的設計和調節(jié),可以得出較為理想的預測誤差修正機制.在工程實用方面,采用模糊控制的原因在于:①它方便易懂,模糊控制不同于復雜的其他控制理論,是一種模仿人的控制策略的方法;同時,也易于在控制中隨時加入新的經驗規(guī)則,改善系統(tǒng)性能,這樣的控制便于人們理解和自行設計;②它執(zhí)行簡便,本項研究使用的模糊控制是最基本而又最常用的查表式模糊控制,易于實現與調節(jié),且運行速度快,可以滿足各種實時性要求;③它容易開發(fā),隨著模糊控制應用的迅速普及,現成的軟件開發(fā)工具不難得到(如MATLAB等),這為今后采用更為優(yōu)化的模糊控制方案(如各種自適應模糊控制)提供了便捷的開發(fā)方式.當變形預測值接近警戒值時,控制器開始報警,由模糊控制器給出相應的處理措施和施工參數;根據控制器提示,調整相應的施工參數,進行后續(xù)施工,直至變形恢復正常.2.3.2應用效果與分析這部分研究的主要內容有:①基坑周邊地表沉降與土層移動的監(jiān)測.②工程施工中環(huán)境土工的控制理論與方法,在研究中完成了某大樓深基坑圍護的監(jiān)測工作,內容包括:連續(xù)墻的側向位移、墻后土體側向位移、墻體豎向彎矩和主筋應力、支撐軸力、坑外地下水位、立柱沉降等等.經在現場演示和試用,該項研究取得了很好成效.施工環(huán)境穩(wěn)定自動監(jiān)測系統(tǒng)的功能包括:自動采集數據、自動記錄、自動分析、現場顯示監(jiān)測與分析結果等.為達到輕便實用的目的,采用了便捷式電腦為主機.技術上先完成了硬件系統(tǒng)的研制,然后開發(fā)數據處理與分析軟件,并將理論模型分析與現場測試結果不斷交替對比,逐步實現了監(jiān)測系統(tǒng)和預報系統(tǒng)的完善化.采用系統(tǒng)論和控制論方法,建立了基于工程施工變形控制的受施工擾動影響土體環(huán)境穩(wěn)定的理論框架和計算機仿真系統(tǒng).另外,依據工程現場監(jiān)測成果,應用模型辨識和參數反演方法,研究了土體性態(tài)、結構力學響應的不確定性機理及其計算參數的時空效應,并建立了系統(tǒng)力學響應動態(tài)預報模型與工程施工力學響應的預報機制,以達到施工全過程的動態(tài)仿真.通過程序研制,實現了計算機程序智能預報系統(tǒng).結合上述實際工程,驗證了理論的合理性和可行性.2.3.3實現環(huán)境土體施工風險的聯動.(1)已初步研制、開發(fā)了盾構法隧道施工多媒體監(jiān)控及其三維仿真模擬計算機技術管理系統(tǒng),以上海市地鐵2號線“中山公園站—江蘇路站”區(qū)間盾構法隧道施工為工程依托,建立了多媒體監(jiān)控系統(tǒng),在現場驗證了由本項研究完成的有關成果和計算機專用軟件.其主要內容包括:①在盾構掘進施工的多媒體實時視頻監(jiān)控仿真模擬中,研制并開發(fā)了相應的硬件配置,可以作為計算機技術管理系統(tǒng)的支撐設施,并已在幾處工程實踐中得到了檢驗、演示與試用,在盾構機掘進工作面處安裝了攝像機和光端發(fā)射機,經過鋪設于隧道中的光纜,將圖像信號和盾構施工參數信息實時傳輸到地面計算工作站的光接收機上,工作面處的各部位關鍵工序均可景象清晰地反映在地面指揮中心的顯示器屏幕上.②開通盾構機掘進主控計算機數據采集需要的軟、硬件系統(tǒng),經調試已與地面計算機聯網.③可從施工現場收集到有關上述研究工作所需要的數據資料:地面空間坐標系統(tǒng)、地形圖、設計圖紙、監(jiān)測方案和監(jiān)控數據(由監(jiān)測單位提供),以及軸線控制測量資料、地面建(構)筑物和地下管線布置圖、盾構推進技術參數報表等等,并建立了較為完善的盾構施工工程數據庫(內容含工程地質、水文地質資料數據、施工監(jiān)測數據、盾構施工參數數據),可以隨時方便查詢與調用.④分別制定了基坑和盾構施工環(huán)境土工安全的技術標準,以上海市地鐵工程建設為例,就采用盾構法施工區(qū)間隧道時周圍環(huán)境的調查及其控制地層位移已設定的要求,討論了監(jiān)控設計的要點,針對環(huán)境土體變形位移不同的允許限值,