深大基坑考虑动态施工的数值模拟与参数反分析研究

摘要

目前建筑深大基坑和大量地下工程深大基坑的研究较多，但在施工技术、有限元数值模拟、参数反分析等方面仍然存在许多问题：各种支护施工方法的有效组合在具体的深大基坑工程施工中还存在很多技术难题；弹性地基梁法在考虑动态施工的工程实践中还存在一些需要改进的地方；三维有限元数值模拟在基坑考虑动态施工的过程中存在本构模型选取困难、接触面单元模拟困难、边界条件处理复杂等问题，仍不能很好地模拟深大基坑的现场动态施工过程；参数反分析方法存在计算方法复杂、效率低、计算精度不够高、参数唯一性不足等缺点，从而制约了深基坑工程的发展。为了提高指导深基坑工程实践的科学性，开展深大基坑工程数值模拟动态施工研究的意义重大，本文在前人工作的基础上，针对深大基坑在考虑动态施工过程研究中存在的问题，融合三维有限元数值模拟、参数反分析方法等理论分析与现场实测相结合的手段，对深大基坑的现场施工技术、弹性地基梁法、三维有限元数值模拟、参数反分析等方面进行了系统分析和综合研究，主要研究成果如下： 1、系统总结归纳了深基坑的土压力理论、深基坑的支护设计理论与方法以及深基坑工程的参数反分析法等方面的各类参考文献，了解了深基坑工程的研究现状，找出了深基坑在考虑动态施工过程中的传统弹性地基梁计算方法、数值模拟及参数反分析方面存在的问题，提出了相应的研究思路和研究内容。 2、分析研究了地下停车库深大基坑不同围护结构的组合施工方法与技术特点，结合深大基坑复杂的周边环境(建筑、道路、管线密布；一侧与另一基坑相连)，深入分析了组合围护结构施工方法存在的技术难题以及在工程实践中的应用。传统的弹性地基梁法在计算支护结构内力和变形时，假定土压力己知且横撑轴力及挡土结构弯矩在下道支撑设置以后均不变化，没有考虑施工过程的动态性，也没有考虑施工工况之间的关系，但这种假设与基坑工程的实际施工过程不符合，本文对传统的弹性地基梁法进行了改进，在每一阶段的计算中，考虑了支撑设置前已有的位移(剪力连续条件，弯矩连续条件)，考虑支撑的抗弯刚度(弯矩连续条件)，考虑了顶板对桩体位移以及转角的约束，结构发生的位移对土压力的影响。改进的弹性地基梁法在模拟基坑的动态施工方面能够全面考虑施工条件，计算过程能够完全模拟真实的现场施工条件与施工工况，更加接近于逆作法工程实际，并将编程计算结果与实测结果进行了对比分析，其计算结果接近于工程实测结果。 3、本文考虑土体与支护结构的相互作用，了三维空间模型，采用ANSYS数值模拟软件，以南京火车站地下停车库深基坑工程为例建立土体材料的本构模型采用Drucker-Prager(D-P)模型，基坑土体采用空间8节点SOLID45单元模拟，混凝土支撑及钢支撑采用BEAM4梁单元模拟，围护结构采用SHELL63单元模拟，考虑围护结构与土体之间的接触，采用面面接触单元，用Target170单元来模拟目标面，用Conta173单元来模拟接触面，运用库仑滑动摩擦模型，计算分析时考虑圣维南原理，基坑四周及底部的边界范围各取100m，约束条件均为固定端。该模型分析了基坑开挖的空间效应，考虑了复杂支护形式的作用，同时考虑了支护结构与土体的接触作用，利用ANSYS程序提供的单元杀死和激活功能，模拟了基坑土体的挖除过程，实现了开挖的动态仿真模拟。利用该模型分析研究了复杂边界条件下基坑开挖过程中围护结构变形、主动土压力、支撑轴力、基坑周围地表沉降量及底部隆起的空间分布，并与南京火车站地下停车库深基坑工程的现场监测结果进行了对比分析，综合结果表明：采用三维弹塑性有限元模型对深大基坑进行研究是非常必要的。 4、参数反分析有正反分析和逆反分析两种。正反分析具有适应性强的优点，得到了广泛应用，正反分析方法的本质在于根据工程监测数据，应用恰当的优化方法和计算方法得到符合工程实际的计算参数。工程监测数据、优化方法、计算方法是正反分析的三大要素。传统的优化方法往往存在局部最优的问题，参数唯一性差；传统的计算方法以有限元最为常用，而有限元在结合遗传算法优化时，存在计算时间过长等问题。针对传统的计算方法与优化方法存在的问题，本文通过应用神经网络模拟有限元计算，提出了基于加速遗传算法的岩土工程参数反分析法，解决了常规优化方法的局部最优和普通遗传算法的收敛缓慢的问题，同时应用基于加速遗传算法的神经网络模拟有限元计算解决了有限元计算耗时长的问题。并深入探讨了应用基于加速遗传算法和神经网络模拟有限元计算的参数反分析方法处理工程参数的唯一性问题。 5、从深基坑工程的设计原则出发，综合考虑了南京火车站地下停车库场地土质条件及基坑周围的环境特点，布置了观测点，利用沉降板、测斜管、土压力盒、孔隙水压力计、钢筋应力计等多种测试仪器，分别对相邻建筑物的垂直沉降、水平位移、土压力和孔隙水压力、钢筋应力、基坑地下水位变化等进行了监测。其中，重点研究了监测点的布置和数据处理等问题。并根据监测数据应用基于加速遗传算法和神经网络模拟有限元计算的参数反分析方法对南京火车站地下停车库深大基坑进行了工程参数的动态反分析实例研究，取得了良好的反分析效果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1 本文研究的目的和意义

2 深基坑工程的内容和特点

3 深基坑工程的研究现状

4 本文研究问题的提出

5 本文的主要研究内容与技术路线

第二章深大基坑设计与改进的弹性地基梁法

2.1 工程概况

2.2 地下停车库的总体施工方案及施工顺序

2.3 深大基坑围护结构方案与施工技术

2.4 深大基坑水平支护结构施工技术

2.5 深大基坑主体土方开挖的关键工序

2.6 改进的弹性地基梁法

2.7 本章小结

第三章深大基坑开挖三维有限元数值模拟研究

3.1 前言

3.2 深大基坑工程概况

3.3 有限元理论及方法

3.4 数值仿真模型的建立

3.5 计算成果与分析

3.6 本章小结

第四章深大基坑岩土工程参数的动态反分析

4.1 前言

4.2 参数反分析优化方法的改进

4.3 参数反分析计算方法的改进

4.4 基于GA与ANN-FEM的参数动态反分析法

4.5 DBABGAF中的参数唯一性

4.6 参数动态反分析模型的建立

4.7 本章小结

第五章深大基坑工程监测和参数动态反分析应用研究

5.1 深大基坑工程监测

5.2 深大基坑监测方案

5.3 深大基坑监测结果分析

5.4 深大基坑工程的参数动态反分析实例分析

5.5 本章小结

第六章总结与展望

6.1 论文总结

6.2 研究展望

致 谢

参考文献

附录