深大基坑考慮動(dòng)態(tài)施工的數(shù)值模擬與參數(shù)反分析研究.pdf

1、目前建筑深大基坑和大量地下工程深大基坑的研究較多，但在施工技術(shù)、有限元數(shù)值模擬、參數(shù)反分析等方面仍然存在許多問題：各種支護(hù)施工方法的有效組合在具體的深大基坑工程施工中還存在很多技術(shù)難題；彈性地基梁法在考慮動(dòng)態(tài)施工的工程實(shí)踐中還存在一些需要改進(jìn)的地方；三維有限元數(shù)值模擬在基坑考慮動(dòng)態(tài)施工的過程中存在本構(gòu)模型選取困難、接觸面單元模擬困難、邊界條件處理復(fù)雜等問題，仍不能很好地模擬深大基坑的現(xiàn)場動(dòng)態(tài)施工過程；參數(shù)反分析方法存在計(jì)算方法復(fù)雜、效率

2、低、計(jì)算精度不夠高、參數(shù)唯一性不足等缺點(diǎn)，從而制約了深基坑工程的發(fā)展。為了提高指導(dǎo)深基坑工程實(shí)踐的科學(xué)性，開展深大基坑工程數(shù)值模擬動(dòng)態(tài)施工研究的意義重大，本文在前人工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)深大基坑在考慮動(dòng)態(tài)施工過程研究中存在的問題，融合三維有限元數(shù)值模擬、參數(shù)反分析方法等理論分析與現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的手段，對(duì)深大基坑的現(xiàn)場施工技術(shù)、彈性地基梁法、三維有限元數(shù)值模擬、參數(shù)反分析等方面進(jìn)行了系統(tǒng)分析和綜合研究，主要研究成果如下： 1、系統(tǒng)總結(jié)

3、歸納了深基坑的土壓力理論、深基坑的支護(hù)設(shè)計(jì)理論與方法以及深基坑工程的參數(shù)反分析法等方面的各類參考文獻(xiàn)，了解了深基坑工程的研究現(xiàn)狀，找出了深基坑在考慮動(dòng)態(tài)施工過程中的傳統(tǒng)彈性地基梁計(jì)算方法、數(shù)值模擬及參數(shù)反分析方面存在的問題，提出了相應(yīng)的研究思路和研究內(nèi)容。 2、分析研究了地下停車庫深大基坑不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)的組合施工方法與技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合深大基坑復(fù)雜的周邊環(huán)境(建筑、道路、管線密布；一側(cè)與另一基坑相連)，深入分析了組合圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工方法存

4、在的技術(shù)難題以及在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的彈性地基梁法在計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形時(shí)，假定土壓力己知且橫撐軸力及擋土結(jié)構(gòu)彎矩在下道支撐設(shè)置以后均不變化，沒有考慮施工過程的動(dòng)態(tài)性，也沒有考慮施工工況之間的關(guān)系，但這種假設(shè)與基坑工程的實(shí)際施工過程不符合，本文對(duì)傳統(tǒng)的彈性地基梁法進(jìn)行了改進(jìn)，在每一階段的計(jì)算中，考慮了支撐設(shè)置前已有的位移(剪力連續(xù)條件，彎矩連續(xù)條件)，考慮支撐的抗彎剛度(彎矩連續(xù)條件)，考慮了頂板對(duì)樁體位移以及轉(zhuǎn)角的約束，結(jié)構(gòu)發(fā)生

5、的位移對(duì)土壓力的影響。改進(jìn)的彈性地基梁法在模擬基坑的動(dòng)態(tài)施工方面能夠全面考慮施工條件，計(jì)算過程能夠完全模擬真實(shí)的現(xiàn)場施工條件與施工工況，更加接近于逆作法工程實(shí)際，并將編程計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，其計(jì)算結(jié)果接近于工程實(shí)測結(jié)果。 3、本文考慮土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，了三維空間模型，采用ANSYS數(shù)值模擬軟件，以南京火車站地下停車庫深基坑工程為例建立土體材料的本構(gòu)模型采用Drucker-Prager(D-P)模型，基坑土體

6、采用空間8節(jié)點(diǎn)SOLID45單元模擬，混凝土支撐及鋼支撐采用BEAM4梁單元模擬，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用SHELL63單元模擬，考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間的接觸，采用面面接觸單元，用Target170單元來模擬目標(biāo)面，用Conta173單元來模擬接觸面，運(yùn)用庫侖滑動(dòng)摩擦模型，計(jì)算分析時(shí)考慮圣維南原理，基坑四周及底部的邊界范圍各取100m，約束條件均為固定端。該模型分析了基坑開挖的空間效應(yīng)，考慮了復(fù)雜支護(hù)形式的作用，同時(shí)考慮了支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的接觸作用，

7、利用ANSYS程序提供的單元?dú)⑺篮图せ罟δ埽M了基坑土體的挖除過程，實(shí)現(xiàn)了開挖的動(dòng)態(tài)仿真模擬。利用該模型分析研究了復(fù)雜邊界條件下基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、主動(dòng)土壓力、支撐軸力、基坑周圍地表沉降量及底部隆起的空間分布，并與南京火車站地下停車庫深基坑工程的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，綜合結(jié)果表明：采用三維彈塑性有限元模型對(duì)深大基坑進(jìn)行研究是非常必要的。 4、參數(shù)反分析有正反分析和逆反分析兩種。正反分析具有適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，得到了廣

8、泛應(yīng)用，正反分析方法的本質(zhì)在于根據(jù)工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，應(yīng)用恰當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法和計(jì)算方法得到符合工程實(shí)際的計(jì)算參數(shù)。工程監(jiān)測數(shù)據(jù)、優(yōu)化方法、計(jì)算方法是正反分析的三大要素。傳統(tǒng)的優(yōu)化方法往往存在局部最優(yōu)的問題，參數(shù)唯一性差；傳統(tǒng)的計(jì)算方法以有限元最為常用，而有限元在結(jié)合遺傳算法優(yōu)化時(shí)，存在計(jì)算時(shí)間過長等問題。針對(duì)傳統(tǒng)的計(jì)算方法與優(yōu)化方法存在的問題，本文通過應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬有限元計(jì)算，提出了基于加速遺傳算法的巖土工程參數(shù)反分析法，解決了常規(guī)優(yōu)化方法的局

9、部最優(yōu)和普通遺傳算法的收斂緩慢的問題，同時(shí)應(yīng)用基于加速遺傳算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬有限元計(jì)算解決了有限元計(jì)算耗時(shí)長的問題。并深入探討了應(yīng)用基于加速遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬有限元計(jì)算的參數(shù)反分析方法處理工程參數(shù)的唯一性問題。 5、從深基坑工程的設(shè)計(jì)原則出發(fā)，綜合考慮了南京火車站地下停車庫場地土質(zhì)條件及基坑周圍的環(huán)境特點(diǎn)，布置了觀測點(diǎn)，利用沉降板、測斜管、土壓力盒、孔隙水壓力計(jì)、鋼筋應(yīng)力計(jì)等多種測試儀器，分別對(duì)相鄰建筑物的垂直沉降、水平位移