（岩土工程专业论文）上海地区深基坑开挖的三维弹塑性有限元分析与智能预测.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本文采用有限元方法和前向型人工神经网络( b p 神经网络) 理论对基坑工 程开挖中支护体系的变形进行了研究和预测。分别研究了以地下连续墙为代表的 被动式支护体系和以复合土钉墙为代表的主动式支护体系的基坑开挖变形特性， 并且应用人工神经网络理论根据有限元计算结果和实测结果建立了基坑位移预 测模型。 对于地下连续墙内支撑支护体系的分析，将传统的一维杆系有限元法拓 展为三维空间m 法，并设置了钢筋混凝土材料的w w 五参数破坏面，结合通 用有限元软件编制了分析程序，得到了墙体分步开挖时的变形曲线和墙体变形发 展规律，并通过与实测结果的对比，验证了有限元计算结果的可靠性。同时，通 过有限元分析还得到了内支撑的轴力分布以及墙体裂缝分布。 本文结合通用有限元程序编制了考虑土体支护结构共同作用的水泥搅 拌桩复合土钉墙的有限元分析程序，考虑了土体的弹塑性本构关系，得到了该类 基坑支护体系的开挖变形曲线以及桩后土体的塑性区分布图。同时还分析了土钉 间距、刚度以及水泥搅拌桩刚度对于基坑横向变形的影响。 本文采用b p 神经网络理论根据基坑开挖变形的有限元计算结果和实测数据 建立了位移预测模型。通过对人工神经网络不同隐含层单元数目的选取和层间传 递函数的选择，得到了误差最小的神经网络预测模型。通过预测结果与有限元计 算结果及实测数据的对比，验证的神经网络预测模型的精确性。 基于上述研究结果讨论了进一步可能的研究方向。 关键词：基坑工程，地下连续墙，复合土钉墙，有限元分析，b p 神经网络 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i n i t ed e m e n tm e t h o d ( f e m ) a n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) w e r ea d o p t e dt o a n a l y z et h ed e f o r m a t i o no f t h es u p p o r t i n gs y s t e mi nt h ef o u n d a t i o n se x c a v a t i o n t h e u n d e r g r o u n dr e t a i n i n gw a l l ，w h i c hi sat y p i c a lp a s s i v es u p p o r t i n gs y s t e m , a n dt h e c o m p o s i t es o i l - n a i l i n gw a l l ，at y p i c a la c t i v es u p p o r t i n gs y s t e m , w e r ea n a l y z e d r e s p e e t i v d yi no r d e rt oo b t a i nt h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r so ft h ef o u n d a t i o np i t t h e a n n f o r e c a s t i n gm o d e l sw e r es e tu pb a s e do nt h ed a t af r o mt h ef e ma n dm e a s u r e d f r o mc o n s t r u c t i o ns i t e i nt h eu n d e r g r o u n dr e t a i n i n gw a l l s t e e lb a rs u p p o r t i n gs y s t e m , t h et r a d i t i o n a l1 - db a r d e m e n tm e t h o dw a se x p a n d e dt ot h e3 - ds p e c i a l m m e t h o d c o n s i d e r i n gt h e w i l l i a m - w a m k ef a i l u r es u r f a c eo ft h er e i n f o r c e dc o n c r e t e , t h ef e ap r o g r n mw i i s c o m p o s e dt oc a l c u l a t et h ed e f o r m a t i o ng r a p ho ft h er e t a i n i n gw a l la sw e l la si t s d e v e l o p m e n tt e n d e n c y b yc o n t r a s tw i t ht h ed e f o r m a t i o ng r a p hm e a s u r e df o r mt h e c o n s t r u c t i o ns i t e , t h ef e ap r o v e dt ob er e l i a b l e t h ef o r c ei nt h es u p p o r t i n gb a ra n d t h ef r a c t u r ep r o p a g a t i o nt e n d e n c yi nt h er e t a i n i n gw a l lw e f ea l s op r e s e n t e di nt h i s t h e s i s t h ef e am o d e lf o rt h ec o m p o s i t es o i l - n a i l i n gs u p p o r t i n gs y s t e mw a ss e tu pb y c o n s i d e r i n gt h ec o n t r i b u t i o n so f t h es o i la n dt h es o i l c e m e n tp i l ea n dt h es o i l - n a i l t h e e n t i r es u p p o r t i n gs y s t e m sd e f o r m a t i o ng r a p ha n dt h ep l a s t i cp r o p a g a t i o ni ns o i lb e h i n d t h ep i l e sw e r eo b t a i n e dw h i c ht a k ei na c c o u n to f t h ee l a s t i c - p l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e l o ft h es o i l m e a n t i m e , f e mw a sa l s oa p p l i e dt oa n a l y z et h ei n f l u e n c e so ft h e s o i l - n a i l sd i s t a n c e s t i f f n e s sa n dt h es o i l c e m e n tp i l e ss t i f f n e s st ot h ef o u n d a t i o n s h o r i z o n t a ld e f o r m a t i o n t h eb pn e u r a ln e t w o r k s ( b p n n ) t h e o r yw a sa d o p t e dt ob u i l du pt h ed e f o r m a t i o n f o r e c a s t i n gm o d e la c c o r d i n gt ot h ed a t af r o mt h ef e aa n dm e a s u r e df r o mt h e v i 上海大学硕士学位论文 c o n s t r u c t i o ns i t e b ys e l e e t i n gd i f f e r e n tm n o u n to ft h en e r v ec e l l sa n dt r a n s f e r f u n c t i o n sb e t w e e nl a y e r s ，t h em o s to l m m i z e db p n nw a sd e t e r m i n e d v i ac o n t r a s t i n g t l l ef o r e c a s tr e s u l t st ot h o s ef r o mt h ef e aa n dm e a s u r e do n ef r o mt h ec o n s t r u c t i o ns i t e , t h eb p n n f o r e c a s t i n gm o d e lp r o v e dt ob eo f h i g ha c c u r a c y f i n a l l y , a l lo ft h ec o n c l u s i o n sw e r es u m m e du pa n dt h ef u r t h e rp o s s i b l er e s e a r c h d i r e c t i o n sw e r es u g g e s t e d k e y w o r d s ：f o u n d a t i o ne n g i n e e r i n g , u n d e r g r o u n dr e t a i n i n gw a l l ， c o m p o s i t es o i l - n a i l i n gw a l l ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，b pn e n r a l n e t w o r k v i i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名夕乏伽 期- 圣丑多，h 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 谚幺b 燧名：需昭魄平川 i i 上海大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着城市建设的快速发展，有限的地面空间越来越难以满足日益增长的需 求，于是人们转向高空和地下谋求发展空间。基坑工程的计算和施工成为岩土工 程学科的主要研究课题之- - i ”。目前很多深基坑的开挖深度达到了1 5 2 5 m ，最 近建成的润扬长江大桥北锚锭基坑深度更是达到了5 0 余米。基坑工程的计算分 析理论往往落后于工程实践，目前的基坑设计分析中也存在较多的问题。本章将 概述基坑工程的发展历史和研究现状，提出本课题的选题依据和意义，总结基坑 工程计算理论，提出本文的技术路线和主要研究内容。 1 1 选题依据和意义 基坑工程是集地质工程、岩土工程、结构工程和岩土测试技术于一身的系统 工程，其中既涉及到场地工程水文地质条件和土体强度稳定等问题，又涉及到支 护结构的内力变形以及土与结构的共同作用问题。同时，基坑开挖对周边环境的 影响也是不容忽视的问题。近年来，深基坑工程的设计计算方法、簏工技术、监 测手段以及基坑工程计算理论在我国都有长足的发展，但与此同时，基坑工程中 也存在许多问题：一方面基坑工程中的事故率比较高，另一方面由于不合理的基 坑维护设计造成的维护结构造价偏大也很常见。岩土工程的设计具有明显的概念 设计的特点，基坑维护结构设计的概念性就更强。t e r z a g h i 曾经讲过：“岩土工 程与其说是一门科学，不如说是- - f 艺术”( g e o t e c h n o l o g yi sa na r tr a t h e rt h a na s c i e n c e ) 。因此，岩土工程的分析在很大程度上取决于工程师的判断【2 】。 目前岩土工程的设计与分析多依赖于通用软件或者自行开发的针对性分析 程序。软件的应用对于岩土工程的分析无疑起到了很好的推动作用，但是过分的 依赖软件，对软件计算的结果不加分辨的应用，要么会造成设计的不安全性，要 么会浪费大量的资源。这就要求广大设计研究人员能够合理的应用软件，明确软 件的计算原理、假设，能够结合工程经验分辨合理的计算结果，达到最优化设计。 人工智能技术的引入，为岩土工程的发展提出了新方向。一方面，作为概念 设计特性明显的基坑工程需要工程师高超的判断力，另一方面各种数值计算软件 为基坑力学模型的精确计算提供有强有力的保证。人工智能技术恰恰融合了这两 上海大学硕士学位论文 方面的优势，为工程经验和数值计算提供了一个很好的结合点，探讨出了基坑工 程计算理论的条有效的发展方向。 综上所述，基坑工程的分析与计算存在较大的经验性，对基坑工程开挖过程 中的变形进行精确的分析具有重要的意义。利用成熟的有限元分析软件可以较为 精确的计算各类基坑的力学模型，结合神经网络理论可以建立较为精确的位移预 测模型，对基坑工程的设计与施工具有一定的指导意义。 1 2 基坑工程国内外研究现状 1 2 1 基坑工程的构成和分类 从地表开挖基坑最简单的办法是放坡大开挖，既经济又方便，在空旷地区应 优先采用。但经常会由于场地的局限性，在基槽平面以外没有足够的空间安全放 坡，人们不得不设计带附加结构体系的开挖支护系统以保证施工的顺利进行。这 就形成了基坑工程中的大开挖和支护系统两大工艺体系。前者是土力学的一个经 典课题，后者是上世纪6 0 年代以来各国岩土工程师和土力学家们面临的一个重 大的基础工程课题。 基坑工程可以认为是一个由地面向下开挖的地下空间，基坑四周一般是垂直 的挡土结构，挡土结构一般是在开挖面以下有一定插入深度的板墙结构。常用材 料有混凝土、钢材、木材等。形式般是钢板桩、钢筋混凝土板桩、柱列式灌注 桩、水泥搅拌桩、地下连续墙等。根据基坑深度不同，板墙可以是悬臂的，但更 多是单撑或多撑式( 单锚或多锚式) 结构。支撑的目的是为板墙结构提供弹性支 撑点，以控制墙体弯矩和墙体截面面积。支撑的类型可以是基坑内部受压体系或 基坑外部受拉体系。前者为井字支撑和斜撑组合的受压杆件体系，也有做成中间 留出较大空间的周边桁架式体系；后者为锚固端在基坑周围地层中的受拉锚杆体 系，该体系可以提供易于基坑施工的全部基坑空间。当基坑较深并且有施工空间 时，悬臂挡墙可以做成厚度较大的实体或者格构式重力挡土墙t 3 1 。 基坑工程及其支护体系的分类方法众多，就其受力形式而言，通常可以分为 三类：第一类是被动式基坑支护体系，这一类支护体系主要依靠维护桩( 墙) 自 身重力和连接在维护桩( 墙) 上的内部支撑体系被动的承担墙后土体的土压力， 2 上海大学硕士学位论文 主要的代表形式是地下连续墙( 内支撑) 基坑支护体系；第二类是主动式支护体 系，这类支护体系利用不同方法对土体性能进行改良，使土体和支护材料共同作 用，完成支护任务，其中复合式土钉墙是典型的主动式支护体系；第三类是混合 式支护体系，将前两类支护体系共同应用，完成支护任务。 1 2 2 基坑工程计算理论的发展历史 深基坑工程的设计方法最早是由t e r z a g h i 和p e e k 等人提出的，他们在上世 纪4 0 年代提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法。该方法后经不 断改进一直沿用至今。b i e l t u l n 和e i d r 在上世纪5 0 年代提出了分析深基坑底板 隆起的方法，6 0 年代开始在奥斯陆和墨西哥城软粘土深基坑中进行了基坑工程 最早的实测研究，此后大量的实测资料提高了计算的准确性。 深基坑工程支护结构的设计经历了强度控制、变形控制以及系统控制三个阶 段1 4 1 。变形控制的基本思想是要求支护结构在满足强度及结构稳定的前提下，尚 需满足控制变形位移的使用要求。也就是说地下工程施工中既要保证其结构安全 性和稳定性，又不能对周围环境造成超出允许变形值的不利影响。系统控制的方 法是指把施工环境看成一个由地质、工程及环境相互作用的统一体，应用控制论、 系统论和信息论等的理论和方法达到系统控制的目的。目前，除强度控制理论及 方法较为成熟外，在变形控制尤其是系统控制方面存在很多空白和不足。 以变形为控制变量的基坑工程在开挖过程中存在着一对矛盾体：一方面，基 坑内侧土体的卸除使得基坑维护结构的横向变形增大，另一方面，基坑内部支护 体系( 内撑或锚钉等) 的施做限制了维护结构位移的发展。在这两方面矛盾体的 作用下，设计人员必须从中选取合理的维护形式来保证基坑的安全稳定。 基坑工程的研究一般可以分为试验研究、理论分析和数值计算三种。试验研 究是通过对大量基坑进行测试和监测，总结出一套适应某一地区的支护和开挖方 法；理论分析是以岩土力学、结构力学以及最优化方法为基础对基坑体系进行深 入研究，用优化方法确定基坑中控制参数，从而指导设计；数值计算以岩土力学、 计算力学和计算机辅助设计为基础对基坑开挖和维护体系进行数值分析，是目前 最常用的方法。基坑工程的数值分析方法可以用来分析基坑稳定和基坑变形、基 坑中土体和支护体系相互作用、基坑中地下水渗流、基坑的时空效应等问题，还 上海大学硕士学位论文 可以对基坑进行优化设计和土体参数反分析等。正是由于基坑工程数值计算理论 的发展，才使得从前很多无法分析的问题得以解决。 1 2 3 被动式基坑支护体系计算理论的研究现状 一维杆系有限元方法是最早应用的基坑工程计算的数值方法，在数值计算中 一维状态下的杆系有限元通常使用增量形式【5 1 。只要土压力与地基反力系数取值 合理，杆系有限元法通常能够得出令人满意的结果。对于地基反力系数的取值， 大部分学者认为反力系数在开挖过程中不是一成不变的，它与支护结构的位移有 密切联系 6 1 。杨敏【7 1 等探讨了基于弹性支点m 法的一维基坑开挖和回填过程实 际工况下的深基坑挡士墙结构变形和内力计算的理论公式，并用该方法对关系到 基坑挡土墙结构设计的一些关键计算参数进行了对比分析。肖宏彬【9 】等人针对深 基坑开挖中广泛采用的多支撑挡土结构，考虑分步开挖的施工过程对支撑反力、 挡土结构内力和位移的影响，提出了以弹性地基梁理论为基础的有限元分析方 法，推导了各开挖阶段矩阵方程。陈灿寿【l o 】等人通过现场测量的深基坑维护结构 变形信息资料，结合参数优化反分析及弹性地基梁有限元计算，建立了深基坑开 挖中变形的计算预报方法，在开挖过程中，利用变形监测信息，对土体和支护结 构的力学参数进行了反分析。 尽管杆系有限元分析方法因其方便的计算和简单假设条件在应用上具有一 定优势，但是这一方法本身的缺陷和不足也越来越限制了它在基坑设计分析上的 应用。首先，杆系有限元本身是平面分析方法，对于具有明显时空效应的深基坑 工程不得不做大量的简化，从而导致分析结果与实际结果存在差距川；其次，基 坑工程对周边环境的影响问题日益引起人们的关注，而杆系有限元法不能够分析 包括周边地表沉陷在内的一系列环境问题，所以基于土体一基坑一支护体系的三 维有限元分析方法被越来越多的应用到基坑工程的设计与分析中。 考虑土体一基坑一支护体系的三维有限元分析方法是近年来伴随计算机性 能的大幅提高而日趋成熟的一种方法。俞建霖【1 2 】进行了软土地基深基坑工程数值 分析研究，采用三维空间有限单元法研究了基坑开挖过程中围护结构变形，土压 力空间分布及基坑的几何尺寸效应，验证了对基坑工程进行三维分析的必要性以 及计算模式的合理性。高文华等【i 习进行了深基坑支护墙体受力变形的三维有限 4 上海大学硕士学位论文 元分析，对影响深基坑支护墙体受力变形的因素如支撑刚度、墙体刚度、支撑预 加轴力、墙体的入土深度以及被动区土体加固作用等逐一进行了分析。此外，还 较详细地探讨了基坑开挖过程中由边界约束、开挖深度和开挖宽度不同引起的支 护墙体受力变形的空间效应，以及由地基流变引起的时间效应等问题。陆新征等 1 4 , 1 5 建立了润杨大桥北锚特深基坑的三维有限元模型，考虑了土体一地下连续墙 一内支撑的共同作用，分析了开挖过程中各参数对基坑变形的影响，同时进行了 有限元破坏模拟分析，得到了不同深度下基坑的最终破坏模式。 土体一地下连续墙一内支撑共同作用的有限元分析方法，虽然考虑影响因素 全面，能够较为真实的反映基坑在开挖变形中的时空特性。但是该类方法在计算 上存在较大的困难，特别是土体参数的确定更是需要大量的经验因素，而且土体 和墙体之间的摩擦机理至今尚未有令人满意的解答。参数选择的不合理轻则导致 整个计算结果与实际情况出入很大，重则导致整个计算模型不收敛，因此这类方 法目前仍然处在探讨研究阶段。 一方面，采用一维杆系有限元方法不能够反应基坑工程中普遍存在的“空间 效应”，另一方面，考虑土体一地下连续墙一内支撑共同作用的有限元分析方法 建模困难，参数设置经验因素较大。因此有学者探讨了一维杆系有限元法的空间 化方法，使计算模型简单，受力明确的弹性地基梁法扩展为三维的空间方法，大 大方便了基坑工程的设计和分析。 彭林欣【l6 】等人采用8 节点等参单元建立了地下连续墙的有限元计算模型，应 用w i n k l e r 模型模拟开挖侧土体的支撑，编制了有限元计算程序，对基坑进行了 三维有限元分析。唐孟雄【17 】等人提出了将基坑开挖中的挡土墙视为支撑在弹性地 基上的板的模型，假定土压力是位移的函数，挡土墙内侧支撑的作用采用杆单元 刚度矩阵表示被动区支撑作用，采用b o u s s i n e s q 解建立地基柔度矩阵，求得挡土 墙任意点的位移和各道支撑的轴力。陆培毅【1 8 垮人对基坑支护结构的空间分析与 计算进行了探讨。提出了空间弹性抗力法的概念，建立了空间分析的计算模型， 将弹性抗力法应用在基坑支护结构的三维空间计算。 1 2 4 主动式基坑支护体系计算理论的研究现状 主动式基坑支护体系的主要代表形式之一是土钉墙支护体系。土钉墙支护结 上海大学硕十学位论文 构的理论分析方法主要有极限平衡法、工程简化分析方法、经验设计法和有限元 法。 极限平衡法最早应用于土坡稳定，是目前土钉支护设计应用最广泛的方法之 一，对应与不同的安全系数、滑动面形状、钉土作用的假定，各国发展了与各自 试验结果相吻合的计算方法。其中比较著名的有：s t o c k e r 19 1 等人提出的德国方 法，该法假定滑动面为双曲线形且双曲线通过土坡坡脚，在进行极限平衡总体稳 定分析时，仅考虑土钉的抗拉作用，按莫尔库伦准则确定土体剪切强度。沈智刚 等人提出d a v i s 法【捌( 后经j u r a n 等人提出改进) ，此方法假定滑动面是过坡脚的 抛物线，仅考虑土钉抗拉作用。d a v i s 法与改进的d a v i s 法区别于土体强度参数 和土钉安全系数的取值不同。s c b l o s s e r 【2 1 盈1 提出了法国方法，此法假定滑动面 为圆弧，按照传统的条分法进行分析，考虑穿过滑动面土钉的抗拉、抗剪和抗弯 作用进行力矩极限平衡总体稳定分析。r j b r i d l e 2 3 】提出了b r i d l e 方法，该方法 假定了对数螺线形的滑动面，采用条分法分析滑动土体平衡，认为滑动总力矩与 抵抗总力矩间的不平衡力矩由土钉提供，提出了计算土钉剪力的经验公式。j u r a n 等人瞄】提出了机动法，该方法假定对数螺线形滑动面，结合模型试验中观测到的 机动许可位移与静力平衡进行稳定分析这种方法可以考虑土体整体平衡，认为 土钉墙失稳是逐层土钉被拔出而导致的整体失稳造成的。引入了土钉墙的局部稳 定演算公式。程良奎【2 5 1 等人提出了圆弧形滑动面计算方法，稳定分析中考虑土钉 墙外部整体稳定分析，仅考虑钉土之间抗拉作用，并编制了相应程序。张明聚【2 6 】 等人提出了类似边坡稳定分析的瑞典条分法，考虑了土钉的抗拉作用，认为抗拉 能力由其拔出、拉断强度条件判定。王宝安、史维汾等人在条分法分析土钉支护 的基础上，针对条分法存在的问题，提出了优化方法，建立了搜寻最危险面的计 算模式。罗晓辉等采用s a r m a 提出的扰动力概念，建立了考虑土条间作用影响的 土钉墙支护结构稳定分析的极限状态方程，结合可靠度理论，分析了影响土钉支 护结构稳定各随机变量变异性以及安全系数和可靠度之间的关系。 以上各种方法代表了不同时期土钉墙试验观测和理论研究的成果，具有较高 的价值，但是也存在一定的不足之处，主要有： i 无法考虑体变形，也不能计算基坑开挖的影响； 2 大多数方法( 除机动法) 不能分析土钉的局部稳定，不能得出土条对土钉施 6 上海大学硕七学位论文 加拉力的大小，虽然机动法能够给出一些结果，但是它仅能考虑水平方向平 衡，不能考虑竖向平衡，也没有扩展到三维空间 3 各方法都是根据特定的试验场地和试验条件提出的简化计算方法，其应用具 有一定的局限性。 常见的土钉墙理论分析方法还有工程简化法和经验计算法。工程简化法实质 是预先给定滑动面的位置，和不同部位土钉的最大拉力。虽然这种方法在理论上 显得较为粗糙，但是可以用来估算土钉拉力并进行土钉的初步设计。经验设计法 是在目前土钉墙的工作机理尚不明确的前提下，依靠人们通过长期工程实践积累 的大量经验确定土钉墙的土钉间距、直径、倾角等参数的实用方法。 有限元法因其强大的通用性和良好的计算精度越来越受到人们的关注，利用 有限元法不仅能计算土钉墙中的土钉内力，还能够考虑土体的非均匀性和各项异 性的影响，更重要的是，有限元法的应用可以考虑深基坑工程中分步开挖对基坑 变形的影响。但是，虽然有限元方法具有这方面的强大优势，其计算精度往往依 赖于基坑各力学参数的选取，因此参数的选取问题也成为了有限元计算结果应用 于工程实际一个瓶颈。杨林德，李象范叨等人针对上海软土地基上的复合型土钉 墙编制了二维有限元计算程序，采用平面g o o d m a n 单元模拟土体与土钉之间的 作用，分析了开挖过程中土体沉降变化和土钉内力变化趋势。宋二祥等人口8 】采用 d u n c a n - - c h a n ge b 模型模拟土体，以双弹簧模型模拟土体与土钉之间的作用， 编制了有限元程序，分析了基坑开挖过程中复合型土钉墙支护结构的内力和变形 情况。宋二祥等人开发了p l a x i s 土工有限元通用程序，在土钉支护体系的计算上 取得了较好的分析结果。 目前有限元方法分析复合型土钉墙的问题主要集中在钉土界面关系的模拟 以及土体本构模型的选取上。由于计算技术的限制，同时考虑三维状态下的钉土 界面与整体模型计算量过大，且计算不易收敛。目前对于软粘土的本构关系的认 识仍然有一定争议，而对经过注浆加固后的土体的力学性能至今也没有得到广泛 的共识。这些都是在应用有限元法时需要进一步解决的问题。 1 2 5 智能理论在基坑工程中应用的研究现状 人工神经网络( a 币f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，简称a n n ) 在过去2 0 年中得到大力 7 上海大学硕十学位论文 研究并取得了重要进展，成为人工智能领域较为活跃的一个分支。 岩土体是一个多相、非均质、各向异性的空隙体，影响岩土工程问题的因素 是复杂多样的。岩土体的变形破坏特征极其复杂，而且具有高度非线性，目前针 对岩土体在复杂条件下的变形破坏机理的研究尚不充分，土体本构模型不得不在 特定条件下进行假设，套用已有的理论和定理进行处理，这就导致分析结果常常 与实际出入很大。 岩土体是一种不确定系统，岩土工程中既有客观上的不确定性，也有主观上 的不确定性。客观上的不确定性包括工程本身的随机性、模糊性、信息的不完整 性和信息处理的不确定性。由于这些不确定性，加上岩土体变形破坏机理认识不 清，导致了理论分析主观上的不确定性。 既然岩土工程都带有不确定性( 随机性、模糊性、信息不完全性和未确定性 等) ，对许多带全局性、综合性的问题都要求做出系统分析，人工智能分析方法 也因此越来越多的受到了人们的重视。 张清1 2 9 1 等首次将人工智能中的神经网络引入岩石力学领域，用以预测岩体工 程的力学形态，提供了一种有益的尝试。之后一些学者逐步将神经网络用于围岩 分类、边坡稳定性评价，变形预测、参数反演等方面，在一定程度上推动了人工 神经网络在地下工程领域的应用发展。j hd e n g , c el c c 【3 0 】建立了岩石边坡的位 移反分析法，应用b p 神经网络建立反分析模型，g a 遗传算法优化网络，使得 反分析结果独立于初始值，得到了较理想的结果。m s i r a t , c j t a l b o t 3 1 】在瑞典 a s # 硬岩实验室的试验结果上研究了人工智能神经网络在辨识、分类、预测岩 石破裂面方面的应用。韩风山等【3 2 1 应用改进的神经网络提出了煤巷锚杆支护设计 与决策的新方法，并采用该方法预测了煤巷锚杆的支护方式和支护参数。冯夏庭 等【3 3 谰述了岩石力学问题的几种神经网络建模方法、非线性力学参数关系、利用 历史信息预测未来信息、利用局部信息预测整体信息、利用小尺度信息预测大尺 度信息等建模方法。指出了合理的学习样本、学习参数、学习算法、网络结构等 在提高神经网络模型的泛化能力与非线性表达能力的关键所在。 王晓鸿等【蚓对受基坑工程施工扰动的土体环境控制问题采用神经网络的方 法进行研究，提出了受基坑工程旅工扰动的土体环境智能控制的理论，阐述了受 扰动土体环境不仅仅局限于施工过程控制，还应该包括设计过程的控制。李守巨 8 上海大学硕士学位论文 等3 5 1 应用人工神经网络方法，根据土工大坝的岩体渗流场的水头观测数据和注水 试验的数据，建立了一种含水层参数识别的数值方法。袁金荣掣3 q 通过对神经网 络和模糊控制以及专家系统的集成，建立了一套集基坑施工变形预测与控制于一 体的智能化施工控制系统。研制开发了便于实际工程使用的基坑施工变形的智能 化预测控制软件系统和盾构隧道施工地层移动的神经网络预测软件。陈有亮 3 7 1 总结论述了智能理论在岩石蠕变、水利和基坑工程中的应用，并结合模糊控制理 论将人工神经网络应用于岩土工程智能预测控制领域，拓展了智能理论的应用范 围。 虽然神经网络在岩土工程领域已有所发展，但是与其它学科相比，还只是起 步阶段，缺乏系统性、全面性与实用性，特别是缺乏一种较为系统而通用的神经 网络建模方法。目前神经网络在其它领域所取得的成绩，以及在岩土工程领域的 初步应用成果已显现出广阔的应用前景，它有可能在岩土工程领域突破传统方法 的瓶颈。因此，全面而深入地进行神经网络在岩土工程领域的应用研究具有十分 重要的意义。 1 3 本文技术路线和主要研究内容 本文针对目前最常见的两种基坑支护形式，从两方面入手研究，分别采用有 限元方法和人工智能理论对基坑的变形及其对周边环境的影响进行分析和预测。 编制基于a n s y s 平台的空间m 法被动式基坑支护体系的有限元分析程序和土体 一复合土钉支护共同作用的主动式基坑支护体系分析程序。并采用b p 神经网络 对基坑变形进行预测。通过各种方法得到的基坑变形与实测数据的对比，验证所 建立模型的精确性。各章主要内容如下： 第一章：概括总结深基坑计算理论的发展历史和研究现状，回顾人工智能理 论在基坑工程中的应用及存在的问题，提出本文的技术路线和主要研究内容。 第二章：编制了a n s y s 平台下的空间m 法被动式基坑支护体系的有限元程 序，分析地下连续墙和内支撑在分步开挖中的变形应力分布规律，考虑钢筋混凝 土地下连续墙的非线性本构关系，对墙体的开裂分析进行初步探讨。 第三章：编制a n s y s 平台下的土体一复合土钉墙共同作用的主动式基坑支 护体系分析程序，分析复合土钉墙结构在基坑开挖中的变形应力分布规律和基坑 9 上海大学硕士学位论文 开挖对周边环境的影响，探讨复合土钉墙各参数变化对基坑变形的影响。 第四章：编制基于m a t l a b 平台下的b p 神经网络预测程序，利用前章有限元 计算结果及工程实测数据训练网络，通过建立以最小预测误差为目标的隐含层节 点和层间传递函数的正交试验，确定最佳预测网络，并应用该网络对基坑变形进 行预测。 第五章：总结全文，得出结论，提出研究展望。 1 0 上海大学硕士学位论文 第2 章被动式基坑支护体系开挖变形分析 空间m 法在地下连续墙支护基坑开挖中的应用 带内支撑的地下连续墙是一种典型的被动式支护体系，它依靠地下连续墙自 身刚度和连接在墙体上的内部支撑共同承担坑外土体的作用，起到维护基坑安全 稳定的作用。地下连续墙最早使用是二十世纪5 0 年代意大利的s a n t am a l i a 大坝 下深4 0 m 的防渗墙和v e n a f r o 附近的贮水池以及引水工程中深3 5 m 的防渗墙。 我国1 9 5 8 年采用排桩式地下连续墙作为水坝防渗墙，1 9 7 4 年试用排桩式地下连 续墙建造煤矿竖向煤井并获得成功，近2 0 年来地下连续墙的技术日趋成熟，工 程实践也越来越多。采用地下连续墙作为基坑支护结构一般适用于以下几种情况 的基坑【3 】：1 ) 基坑深度大于1 0 m ；2 ) 软土或者沙土地基；3 ) 密集的建筑群施工 并且对周围地表和沉降有严格控制条件；4 ) 维护结构和主体结构结合且对抗渗 性有严格要求的建筑；5 ) 逆做法施工。 本章针对上海市轨道交通6 号线德平路地铁站基坑端头井段地下连续墙在 开挖过程中的变形和应力分布进行三维有限元分析。考虑了钢筋混凝土地下连续 墙的非线弹性本构关系以及支撑结构的弹塑性本构关系。墙外土体采用水土合算 应用r a n k i n e 理论计算土压力，基坑内部土体视为土弹簧，采用空间“m ”法分 析墙体在整个开挖过程中的变形和内力分布，并对墙体混凝土的开裂进行了初步 分析。 2 1 地下连续墙计算基本理论 地下连续墙的计算方法有很多种，传统的方法有线弹性法、自由支撑法，这 两种方法是基于古典弹性理论，不考虑土体变形对连续墙内力和土体内力的影 响，可以得到一维状态下的解析解；还有如张有龄法、m 法等考虑了墙体变形， 可以得到一维弹性状态下的墙体侧移和内力分布；日本森重龙马法考虑了墙体和 土体的共同变形，可以得到一维状态下的弹性解析解，但是该方法需要确定的参 数较多，给工程应用带来了许多不便，因此采用较少。还有一类方法是采用有限 元数值解法，其中一种是采用杆系有限元法，分析一维状态下基坑与支护结构共 上海大学硕士学位论文 同变形条件下的支护结构的内力位移，另外一种是考虑土体一地下连续墙一内支 撑的共同作用分析三维状态下基坑的变形情况。近年来很多学者在该方面取得了 令人满意的成果f 3 s 】。然而该类方法虽然能够考虑诸多因素对基坑开挖变形的影 响，但与此同时需要确定的大量土体本身以及土体与支撑结构接触面的参数往往 又通过经验确定，一定程度上降低了计算的精度，使得此类方法的应用受到了一 定的限制。基于这些原因，我国目前工程设计中采用的方法仍然是古典的线弹性 法、自由支撑法以及假设比较合理计算符合实际的m 法，而m 法事实上也是基 于共同变形理论的一种方法，因此在深基坑地下连续墙的设计中采用的也较多。 对单道和多道支撑的挡土墙，其内力计算可以采用竖向弹性地基梁( 板) 的 基床系数法。挡土结构随着基坑的开挖，内支撑逐层架设，计算一般采用平面应 变假设按一维情况计算。根据地面超载情况以及地下连续墙是否允许位移和支撑 的预加轴力等条件按照主动或者静止状态计算坑外挡土墙上的土压力。开挖面以 上按照三角形分布荷载计算，开挖面以下按照矩形荷载计算。坑内开挖面以下的 土体按照弹性抗力状态的基床系数法计算，即将土体简化为土弹簧。 张有龄法假设水平基床系数k 是一个常数，该理论的一个不足是根据其假 设得到了地面处反力最大的结论，这与实际状况是不符的。r i c h a r dl w o o d w a r d 和b bb r o m s 认为只有预固结的粘土才可以应用这一假设。 为了修正张有龄法的缺陷，有人提出可以将挡土结构在土中弹性曲线的第一 个横向位移为零点以下的水平基床系数取为常数，地面到该点之间的基床系数随 深度按照直线增大，同时还假设土的横向反力按照二次抛物线分布。 r i c h a r dj w o o d w a r d 和b bb r o m s 等人认为，地面处的水平基床系数取为零， 而且随深度按照直线增加。这一假设就是i n 法水平基床系数的取值方法，即 k = m y( 2 1 ) 挡土结构的横向位移随深度也迅速减小，这恰恰符合了基床系数随深度增加 的假设，因此与工程实际是相符合的。当然水平基床系数的取值最终还是取决与 土质本身的，对应于不同的土质，m 值的变化是相当大的。 以上分析的是经典的地下连续墙分析方法，从中不难发现，无论是弹性解析 解法还是有杆系限元数值解法，都是在一维状态下进行的。而三维状态的土体一 基坑一内支撑共同作用法因其参数的不确定性使其应用受到限制。但对于一个实 1 2 上海大学硕士学位论文 际基坑而言，虽然可以将基坑的跨中位置的墙体按照平面应变问题进行计算，然 而对于基坑的角部再用此假设显然存在不合理性，因为两边墙体的相互约束作用 是不能忽视的。地铁的端头井部分就处在这样的一个位置，因此有必要对其建立 三维有限元模型分析内力和变形。笔者试将传统的m 法从一维问题拓展到了三 维问题【3 9 柚】，结合有限元工具，建立了空间m 法的计算模型，如图2 - i 所示。 水土压力 图2 - 1 空间m 法计算示意图 土压力 2 2 有限元基本理论及钢筋混凝土非线性本构关系 2 2 1 有限元法基本理论概述 有限元法是目前应用最广泛的数值计算方法， ( 1 ) 将复杂的集合体离散为多个简单体的集合， q ；q q 是具有某种特征的单元 ( 2 ) 列出节点的位移模式 g = k 。，“：】 g ) = a o + q 手+ + 口，卜i f ”- 1 其基本的求解思路如下f 4 1 ，4 2 】： 以求无限逼近原集合体；即 ( 3 ) 列出以节点位移为基本未知量的各单元物理量表达式 “= ) g 。位移矩阵，g ) 是形函数； 占= 口g ) 9 8 应变矩阵，b g ) 是几何矩阵； 口= d 口g ) q 应力矩阵，d 是材料的本构方程； ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 1 3 上海大学硕士学位论文 n 。= 当g 。7 足g c p 7 矿势能矩阵，p r 是荷载和支反力和矩阵； ( 2 7 ) z k 。= l 曰7 d _ 8 d q 单元刚度矩阵； ( 2 8 ) ( 4 )由单元刚度矩阵组装形成总体刚度矩阵和荷载矩阵，并列出静力平衡方程 足g = p ( 2 - 9 ) ( 5 ) 将位移边界条件带入静力平衡方程求得节点位移矩阵； ( 6 ) 根据节点位移矩阵求单元节点位移，进而求出单元各节点的位移、应力、 应变得出问题的解答。 上述六点是最基本的基于弹性力学的有限元方法解答思路，随着计算技术的 发展和材料本构关系的深入研究，越来越多复杂的问题也能够通过有限元来求解 了。特别是许多优秀的通用有限元软件的问世，更大大加强了有限元法的应用。 人们一方面可以将物体离散化一拼装一求解大型矩阵这一繁琐的数学问题交给 计算机解答，另一方面也可以处理材料弹性本构关系以外的诸如弹塑性、粘弹塑 性等复杂的本构关系，使得有限元分析更加精确的反映材料的力学性能。 2 2 2 钢筋混凝土非线弹性本构关系 传统的基坑支护结构的计算，无论是一维问题的弹性解析解，还是考虑土体 一地下连续墙一内支撑共同作用三维有限元数值解，往往都将钢筋混凝土地下连 续墙作为线弹性结构计算，即只考虑其弹性变形，用弹性模量e 和各向同性的泊 松比v 来表达其本构关系。而实际上，钢筋混凝土材料只有在极低的应力条件下 才显示为线弹性性质，随着应力的增高，混凝土受拉区的开裂以及钢筋的滑移都 会产生非线性的变形，因此，本章采用钢筋混凝土的非线性本构关系对地下连续 墙在受荷过程中的变形、应力状态以及混凝土开裂进行分析h 3 1 。 钢筋混凝土材料的非线性属性主要通过对其刚度矩阵d 的修正来实现，采用 八节点等参单元来描述钢筋混凝土，其刚度矩阵可以表达为： 【d 】- i i 一兰k b c 】+ 兰k 【d ，l ，- 1 j b i f 2 1 0 ) 所：钢筋配筋率； ：加筋材料的种类，允许x , y , z 三个方向的加筋； 1 4 上海大学硕士学位论文 【眈】：混凝土刚度矩阵； 【d q ：钢筋的刚度矩阵。 【d c 】= 硐e ( 2 1 1 ) 当混凝土受荷超过弹性阶段后，出现局部开裂( 裂缝可以假设为闭合型裂缝 和张开型裂缝两种) ，混凝土开始进入非线性阶段，为此引入剪力传递系数b l 来 模拟由于裂缝产生而导致的剪应力损失。产生裂缝后混凝土材料的应力应变关系 矩阵表达式为： 够】= 南 墨g 尘 ooooo o上上00o 0上上0oo ooo益oo 2 0000三0 ooooo 盈 式中的置表示图2 所示的应力应变曲线的斜率。 图2 - 1 r t 的示意图 ( 2 1 2 ) ：。半 。半。：。半。 y y 叶o o o y y o o o 叫y y o o o 上海大学硕士学位论文 对于闭合裂缝而言，假设所有垂直于裂缝的压应力都能传递到裂缝上，剪应 力只能传递厉倍，则其刚度矩阵可以描述为 防】= 硐e 1 一y - ， i ， 0 o o p l y y o o 0 l ， l ， l l ， 0 o o 0 o 0 尼半o o 0 1 - 2 v 0 2 o o ，尼半 ( 2 1 3 ) 对于钢筋混凝土，除了考虑其弹性关系以外，引入了一个破坏准则，即 w i l l a m w a r n k e t 4 4 j 五参数破坏准则。该破