基于位移反分析的地铁深基坑渗流-应力耦合研究

摘要

随着我国经济的高速增长，城市化进程正在迅速推进。在此过程中，产生了大量的地铁深基坑工程。而由于地铁深基坑施工现场的特殊性，往往开挖环境非常复杂，特别是在地下水丰富的地区，因地下水控制失效导致的诸如管涌、流砂等工程事故，情况严重时甚至会造成基坑坍塌，带来巨大经济损失。而发生在武汉二元结构地层的基坑工程事故中，90％以上是由于降水渗流引起的，所以对于此地区地铁深基坑的安全稳定性研究尤为重要。由于地层介质通常具有明显各向异性及非均匀性，参数往往由于受地质构造和施工扰动的影响而发生变化，且这种变化是非线性的。若在稳定性计算分析中继续使用试验值或经验值，必然会与实际情况产生较大的误差，甚至是错误的结果。故本文基于位移反分析方法，旨在反演出更符合现场实际情况的土层参数，并进一步对基坑降水及开挖过程进行渗流-应力耦合研究。
　　本文以武汉地铁8号线黄浦路站基坑工程为研究背景，以现场监测数据、理论研究、室内试验分析为手段，基于优化算法与BP神经网络相结合的智能位移反分析方法，利用Midas GTS NX三维数值模拟软件研究在考虑渗流-应力耦合作用下基坑的变形特征。主要研究内容如下:
　　(1)基于黄浦路站基坑的监测数据，分析了地连墙水平位移、支撑轴力、周围土体沉降及墙后土体侧向位移的变化特征，总结出武汉二元结构地层基坑变形规律。
　　(2)根据流体力学运动方程，结合能量守恒定律，质量守恒定律及牛顿运动定律，建立了渗流场微分方程，同时分析了渗流场与应力场相互作用机理，并推导出考虑应力场耦合的渗流微分方程，最后考虑了各向异性渗流场在实际工程中的影响，在二维各向同性的稳定渗流场与应力场耦合的数学模型的基础上，构建了三维各向异性的非稳定渗流-应力耦合的数学模型，并给出数学模型的有限元求解步骤。
　　(3)通过建立二元结构地层室内模型并进行降水试验，其中，利用渗透性试验测出承压含水层、弱透水层的渗透系数，并进一步分析了孔隙比对渗透系数的影响关系;利用止水帷幕模型试验分析了止水帷幕的隔水效果及插入比对隔水效果的影响;同时研究了渗透水压力随时间的变化规律，总结出二元结构土层中降水的渗流运动特征。
　　(4)考虑到土体的非线性及非均质性，基于优化算法与BP神经网络相结合的智能位移反分析法，对软土深基坑非线性本构模型的参数进行反演。最后将反分析得到的参数及勘察建议值分别代入到数值模型中进行正演计算，并将计算值与相应点的实测值进行对比分析，验证反分析结果的准确性及合理性，使反演出的土层参数更接近实际情况。
　　(5)利用反演出的土层参数，采用有限元软件Midas GTS NX分别建立不考虑渗流影响的基坑模型、只考虑渗流影响的基坑模型及考虑渗流-应力耦合作用的基坑模型，并重点对比分析了考虑耦合作用与不考虑耦合作用下基坑变形特征。基于此，又进一步研究了地下水位变化对基坑变形的影响，并总结出武汉二元结构地层地铁深基坑在渗流-应力耦合作用下的变形规律。
　　通过位移反分析结果的正演计算分析得出:不考虑渗流-应力耦合作用的计算结果与实际监测情况都有一定误差，考虑耦合作用后，其误差减小，更接近于实际值，且反演值的计算结果均优于勘察建议值的计算结果，在工程误差精度范围内，验证了反分析结果的准确性及合理性。同时，利用反分析结果来预测基坑后期开挖变形，得出考虑渗流-应力耦合作用的预测值与实际值吻合度较高，说明通过位移反分析能给基坑信息化施工提供一定的指导。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 反分析法的研究

1．2．2 渗流应力耦合的研究

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究技术路线

第2章 黄浦路站地铁深基坑监测及分析

2．1 黄浦路站地铁深基坑工程特征

2．1．1 工程概况

2．1．2 工程地质条件

2．1．3 水文地质条件

2．1．4 围护结构设计情况

2．2 施工监测方案

2．2．1 监测的目的与意义

2．2．2 监测项目、仪器及监测频率

2．2．3 监测布点

2．3 基坑监测数据分析

2．3．1 地下连续墙水平位移监测结果分析

2．3．2 支撑轴力监测结果分析

2．3．3 周围地表沉降监测结果分析

2．3．4 墙后土体侧向位移监测结果分析

2．4 本章小结

第3章 土体渗流场与应力场耦合分析数学模型

3．1 概述

3．2 渗流的基本理论

3．2．1 达西定律

3．2．2 水头及水力梯度

3．3 地层同结与沉降理论

3．3．1 太沙基固结理论

3．3．2 Biot固结理论

3．3．3 土体降水固结特征

3．4 渗流场与应力场耦合分析的数学模型

3．4．1 渗流场微分方程

3．4．2 渗流场与应力场耦合机理分析

3．4．3 渗流场与应力场耦合分析的数学模型

3．4．4 渗流场与应力场耦合分析求解步骤

3．5 本章小结

第4章 武汉二元结构地层室内模型降水试验

4．1 武汉二元结构地层地质特征

4．1．1 地层沉积规律

4．1．2 区域水文地质条件

4．2．1 试验目的

4．2．2 试验设备

4．2．3 试验土样

4．3 渗透性试验

4．3．1 试验方法

4．3．2 承压含水层渗透系数测定

4．3．3 弱透水层渗透系数测定

4．3．4 孔隙比对渗透系数的影响

4．4 止水帷幕模型试验

4．5 渗透水压力试验

4．6 本章小结

第5章 软土深基坑非线性本构模型参数反演

5．1 概述

5．2 土的本构模型选取

5．2．1 常用的本构模型

5．2．2 非线性弹性本构模型理论

5．2．3 Duncan—Chang非线性模型

5．3 基坑土体参数智能位移反分析

5．3．1 智能位移反分析方法及步骤

5．3．2 待反演参数的选取

5．3．3 均匀设计法构造样本

5．3．4 神经网络训练

5．3．5 反分析结果及检验

5．4 本章小结

第6章 软土深基坑渗流-应力耦合数值模拟分析

6．1 Midas GTS NX软件简介

6．2 基坑数值模型

6．2．1 基坑材料属性

6．2．2 基坑模型尺寸

6．2．3 边界条件

6．3 基坑渗流-应力耦合数值模拟分析步骤

6．4 基坑数值模拟结果分析

6．4．1 不考虑渗流影响的基坑模型

6．4．2 仅考虑渗流影响的基坑模型

6．4．3 考虑渗流-应力耦合作用的基坑模型

6．4．4 考虑耦合作用与不考虑耦合作用对比分析

6．4．5 坑外地下水位变化影响分析

6．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果