【摘要】對逆作法基坑工程信息化施工中的反演環(huán)節(jié)進(jìn)行了探討，提出了基于遺傳算法的土體參數(shù)反分析理論并結(jié)合ANSYS通用的有限元軟件二次開發(fā)技術(shù)，編制了計算程序BATDCM，根據(jù)反分析得到的參數(shù)正演計算進(jìn)行預(yù)測并根據(jù)預(yù)測結(jié)果提出了有針對性的控制措施
　　關(guān)鍵詞：深基坑；逆作法；有限元法；反演；BATDCM
　　1引言
　　隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，深基坑結(jié)構(gòu)和特殊造型結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，給基坑工程設(shè)計和施工帶來了挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的設(shè)計方法不再能滿足實際要求。有鑒于此，人們不斷總結(jié)實踐經(jīng)驗，針對深基坑工程，尤其是逆作法施工的基坑工程，萌發(fā)了動態(tài)設(shè)計和信息化施工的新思想。即在施工中對開挖過程實施跟蹤監(jiān)測，并將信息及時反饋，實時掌握支護(hù)結(jié)構(gòu)和基坑內(nèi)外土體移動，通過即時監(jiān)測采集相應(yīng)信息數(shù)據(jù)，設(shè)計單位經(jīng)處理后與預(yù)測結(jié)果比較，通過反分析推求較符合實際的土體參數(shù)，修正原設(shè)計中不符合實際的部分，并利用新參數(shù)再次預(yù)測下一施工階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土體的性狀，通過下一步施工，又采集施工現(xiàn)場的相應(yīng)信息。如此反復(fù)循環(huán)，不斷采集信息，不斷優(yōu)化設(shè)計并指導(dǎo)施工，將設(shè)計置于動態(tài)施工中。
　　2逆作法施工中土體參數(shù)反演
　　常用的支護(hù)結(jié)構(gòu)分析方法有許多種，分為古典方法和有限元法兩大類。其中有限元法可以從整體分析支護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍土體的應(yīng)力與位移性狀，且可適用于動態(tài)模擬計算，不僅為事前設(shè)計方案比較，而且也為信息反饋施工管理提供實時處理的手段。從原理上講，古典方法存在的問題在有限元方法中都可不同程度地得到解決。有限單元法計算理論雖較為完善，但在應(yīng)用中仍有不少問題。除了數(shù)值分析方法本身的問題以外，用有限元方法的關(guān)鍵是要正確選用計算模型和設(shè)計參數(shù)。其中最重要的一點是作為已知量輸入的土層參數(shù)取值有較大誤差，帶有很大的隨意性，造成計算結(jié)果與實測值相差較大。
　　為了合理確定深基坑工程逆作法施工中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移及周圍土體的變形，有必要根據(jù)前期施工實測數(shù)據(jù)對分析中所需的土體參數(shù)進(jìn)行反演分析，為后續(xù)施工過程的模擬提供正確的參數(shù)。
　　2-1反演分析理論
　　反演分析是根據(jù)施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)如應(yīng)力、位移、孔壓等，通過數(shù)值計算確定巖土介質(zhì)的力學(xué)參數(shù)，有時甚至是本構(gòu)模型，與此同時求得問題所需的物理量。在對工程進(jìn)行反演分析時，把工程中采集的實測數(shù)據(jù)作為反演分析計算的標(biāo)準(zhǔn)值，即約束集，而將目標(biāo)參數(shù)值作為可調(diào)集，使可調(diào)集在允許范圍內(nèi)，將由此計算得到的理論值與約束值進(jìn)行比較，并通過逐步變動可調(diào)集，使計算值向著約束值逼近靠攏，當(dāng)達(dá)到擬合精度時，此時的可調(diào)集就是反演分析得到的參數(shù)值。將反演后的參數(shù)值代入計算模型再推求下一步的理論值，為工程預(yù)測預(yù)報提供理論依據(jù)。
　　2-2逆作法中土體參數(shù)反演
　　由于土是一種較為復(fù)雜的材料，如果將模型中的所有參數(shù)均作為待反演參數(shù)，則反演參數(shù)過多，反演工作量過大，無法保證反演結(jié)果收斂到正確值。為了突出事物的主要矛盾，簡化反演過程，反演變量只選取對目標(biāo)函數(shù)值影響大且分析中不易掌握的參數(shù)，作為反演過程中的反演變量而將那些憑經(jīng)驗可以解決或根據(jù)規(guī)范、地質(zhì)條件及其它要求能確定的參數(shù)預(yù)先固定下來作為參量。
　　對于采用一模型的逆作法基坑工程有限元計算所需的土體參數(shù)往往包含彈性模量E、泊松比μ、內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角φ、土體容重γ等。其中彈性階段E和μ對結(jié)果影響較大，塑性階段c和φ的影響較大。因此在逆作法基坑參數(shù)反演中，先反演土體的彈性模量E和泊松比μ，再根據(jù)后續(xù)施工實測數(shù)據(jù)再反演內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ。
　　3逆作法土體參數(shù)反演程序BATDCM設(shè)計
　　本文應(yīng)用ANSYS編制的基于遺傳算法的逆作法基坑工程土體參數(shù)反演程序BATDCM（BackAnalysisofTop-downConstructionMethod）。該程序主要針對逆作法深基坑工程的土體參數(shù)反演，土體參數(shù)反演是基于遺傳算法，有限元計算是基于ANSYS參數(shù)化編程。兩者的數(shù)據(jù)交換通過生成文件提取數(shù)據(jù)來實現(xiàn)，如在中反演得到的土體參數(shù)按命令流格式輸出到文件，由ANSYS通過輸入命令/input即讀入土層材料參數(shù)，并更新模型在中計算得到的地連墻位移通過取值命令放入變量中并用*vwrite命令輸出到文件由FORTRAN讀入用于計算目標(biāo)函數(shù)。
　　3-1反演程序BATDCM功能
　　基于遺傳算法的逆作法深基坑工程土體參數(shù)反演BATDCM是采用CompaqVisualFORTRAN語言編制并調(diào)試通過，該程序具有如下幾個功能：
　　（1）在FORTRAN中用命令systemqq（）調(diào)用ANSYS，并利用其強(qiáng)大的參數(shù)化編程能力建模與有限元分析，模擬深基坑工程逆作法的施工過程；
　　（2）根據(jù)施工過程和實測數(shù)據(jù)，對多層土逆作法基坑工程，逐層進(jìn)行彈性模量E、泊松比μ、內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角φ、土體容重γ的反演
　　（3）克服了傳統(tǒng)優(yōu)化方法的單個變量逐漸優(yōu)化的缺點，能同時產(chǎn)生一組需要優(yōu)化的變量，能同時反演彈性模量E、泊松比μ、內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角φ、土體容重γ等5個參數(shù)
　　（4）加入了調(diào)試的子程序，保證程序的正常運行
　　3-2反演程序BATDCM的流程
　　基于遺傳算法的逆作法深基坑工程土體反演分析的程序BATDCM由主程序和19個子程序組成，其流程圖如圖1所示.
　　                             
　　4深基坑逆作法施工的變形預(yù)測
　　4-1變形預(yù)測方法
　　逆作法深基坑信息化施工中的動態(tài)設(shè)計主要包括以下幾個方面動態(tài)設(shè)計計算模型的建立，預(yù)測分析與可靠性評估，施工跟蹤監(jiān)測，控制與決策等。其中預(yù)測分析是動態(tài)設(shè)計的核心環(huán)節(jié)，而變形預(yù)測是其主要項目。
　　目前變形預(yù)測常采用反演正算綜合預(yù)測的方法。反演正算綜合預(yù)測分析的關(guān)鍵在于建立較為符合實際情況的動態(tài)設(shè)計計算模型，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件及土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型，接觸點和接觸面的擬合模式以及模型的各種計算參數(shù)等。其中各種參數(shù)的取值可根據(jù)前面反演的結(jié)果，將反算得到的參數(shù)值代入己經(jīng)建立的模型進(jìn)行計算，就可以由此預(yù)測下一施工階段有可能出現(xiàn)的情況，如可能的土體及結(jié)構(gòu)位移場、土壓力等。
　　這種反演正算綜合預(yù)測的方法可以很好地把位移反分析同符合系統(tǒng)科學(xué)思想的動態(tài)設(shè)計與信息施工方法結(jié)合起來。根據(jù)位移預(yù)測值對新工況實際測量到的結(jié)果的偏離程度，評價反分析的質(zhì)量。若偏離值大到不能接受的程度，則需加上新測到的位移再次進(jìn)行反演，進(jìn)行下一步循環(huán)，直到反演正算結(jié)果與實測結(jié)果的偏離可以接受。
　　4-2土體參數(shù)反演及變形預(yù)測實例分析
　　這里以某商業(yè)中心基坑工程作為實例，使用基坑現(xiàn)場的觀測數(shù)據(jù)利用BATDCM程序來反分析該深基坑各層土體的彈塑性力學(xué)參數(shù)彈性模量E、泊松比μ、內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角φ。
　　綜合考慮基坑開挖的動態(tài)施工，采用二維平面應(yīng)變有限元方法對基坑開挖和地下結(jié)構(gòu)施工進(jìn)行模擬。確定使用總應(yīng)力法進(jìn)行模擬。考慮水土分算。使用ANSYS軟件中Druck-Prager為屈服準(zhǔn)則的彈塑性模型作為土的本構(gòu)關(guān)系模型，使用的單元有兩節(jié)點線彈性梁單元和平面8節(jié)點等參單元。土方開挖和地下結(jié)構(gòu)施工過程的模擬采用“單元生死”來實現(xiàn)。建立的有限元模型如圖2所示.
　　                     
　                                             　圖2二維有限元模型
　　該商業(yè)中心基坑工程由地下三層和地下五層組成，建筑高度30.30m，總建筑面積達(dá)29萬多㎡，其中地上總建筑面積157840㎡，地下總建筑面積135072㎡。結(jié)構(gòu)體系采用框架結(jié)構(gòu)體系，柱網(wǎng)尺寸以11.2×8.7m、13.5×10.0m為主。由①層填土和②粘土位于地連墻頂以上，這里不進(jìn)行其參數(shù)反演。而③3淤泥質(zhì)粘土厚度僅為0.8m，故將該層土與③2合并為一層土；④淤泥質(zhì)粘土、⑤-1-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、⑤-1-2粉質(zhì)粘土夾粉砂和⑥粉質(zhì)粘土參數(shù)差異不大，合并為一層土。因此，這里著重反演合并后的這兩層土的彈性模量E、泊松比μ、內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角φ共8個參數(shù)。計算中8個參數(shù)的上下限見表1。
　　                                                                       表1土體參數(shù)反演結(jié)果
　　                  

　　為了控制計算時間，選取各工況下策斜管J24深度為-10m、-12m、-14m、-16m、-18m共5處的位移實測和有限元計算值按      來構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)。取交叉概率Pc為0.5，變異概率Pm為0.005，群體規(guī)模n為10，進(jìn)化代數(shù)T為50。根據(jù)挖土至-6.65m和挖土至-9.35m并施工好地下一層結(jié)構(gòu)及首層結(jié)構(gòu)兩個工況的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，反演計算結(jié)果如表2所示。
　　                                                                                  表2土體參數(shù)反演結(jié)果
　                            

　　根據(jù)反演的結(jié)果，對挖土至-10.35m并施工地下二層樓板結(jié)構(gòu)工況進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的對比如圖3。從圖3可看出，預(yù)測結(jié)果與實測數(shù)據(jù)較為吻合，其中深度為-10m、-12m、-14m、-16m、-18m共5處的預(yù)測值與實測值的相對誤差控制在20%以內(nèi)，說明土體參數(shù)反演比較準(zhǔn)確，依據(jù)反演得到的參數(shù)進(jìn)行預(yù)測是成功的。
　　                            
　                                                               　圖3預(yù)測結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的對比圖
　　5結(jié)論
　　逆作法作為一種較新的施工工藝，具有縮短工程總工期、節(jié)約項目成本、對環(huán)境影響小等優(yōu)點。但由于逆作法地上地下立體交叉施工，工序多而復(fù)雜給施工組織帶來一定難度，施工中要求精心組織施工，才能確保工程的順利完成。本文編制的基坑工程逆作法施工土體參數(shù)反演程序，能同時反演彈性模量E、泊松比μ、內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角φ等4個參數(shù)，反演計算采用遺傳算法求解，有限元計算由完成，兩者數(shù)據(jù)交換通過生成文件提取數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。借助于強(qiáng)大的建模功能，克服了自行編程中有限元模型輸入的困難，從而使程序的適用性大大增強(qiáng)。
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