（岩土工程专业论文）支护结构性状及其监测预报的若干研究.pdf

支护结构性状及其监测预报的若干研究 摘要 本文对深基坑开挖中支护结构的性状及其监测与预报等方面展开了若干研 究，包括支护结构弯矩与变形分析、变形预测、现场监测软件研制。 首先，针对带有圈梁( 压顶梁) 及围檩的支护结构，采用自由支撑法，推导 了其弯矩和变形公式，这些公式能考虑圈梁及围檩的空间作用。据此，分析和讨 论了压顶梁、围檩的刚度、支护桩刚度、支撑围檩设置位置对支护结构的内力及 变形的影响规律。 然后，较详细地介绍了人工神经网络b p 模型，采用c + + 语言编写了相应程 序。并应用该程序对杭州环北移动大楼深基坑开挖工程中支护桩的侧向位移进行 了预测，预测效果较好。 最后，针对计算机技术的发展，利用v i s u a lb a s i c6 0 ，在现有, i k j cv 3 0 的 基础上研制了深基坑开挖监测新软件, i k j c ( w i n d o w s 版) 。：研制中采用了基于 w i n d o w s 的编程技术和数据库技术，使得软件界面更加友好，数据管理更加方便。 本文工作为深基坑工程的设计和信息化施工技术增添了新内容心 了、 关链词：支护结构；自由支撑法；人工神经网络；变形预测；深基开挖监测软件 s o m es t u d i e so nt h eb e h a v i o ro f r e t a i n i n g s t r u c t u r ea n di t sm o n i t o r i n ga n d p r e d i c t i o n a b s t r a c t t h i st h e s i sc a r r i e so u ts o m es t u d i e so nt h eb e h a v i o ro f r e t a i n i n gs t r u c t u r ea n di t s m o n i t o r i n ga n dp r e d i c t i o ni nd e e pe x c a v a t i o n ，i n c l u d i n gt h ea n a l y s e so fb e n d i n g m o m e n ta n dd e f o r m a t i o nf o rr e t a i n i n g p i l e s ，t h ed e f o r m a t i o np r e d i c t i o na n dt h e d e v e l o p m e n t o ft h es o f t w a r ef o re x c a v a t i o n m o n i t o r i n g f i r s t l y , t h er e t a i n i n gs t r u c t u r ew i t l lt o p b e a ma n ds t r u t - w a l ei ss t u d i e db a s e do n f r e e e a r t h 。s u p p o na s s u m p t i o n , a n da n a l y t i c a lf o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h eb e n d i n g m o m e n t sa n dd e f o r m a t i o n so ft h e r e t a i n i n gp i l e si so b t a i n e d ，i nw h i c ht h es p a t i a l e f f e c t so f t o p b e a ma n ds t r u t w a l ec a l lb et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n a c c o r d i n gt ot h e f o r m u l a ，t h ei n f l u e n c e so f t h es t i f f n e s so f t o p b e a m ，s t r u t - w a l ea n dr e t a i n i n gp i l e ，a n d t h el o c a t i o no ft h ew a l eo nt h eb e h a v i o ro ft h er e t a i n i n gs t r u c t u r ea r ea n a l y z e da n d d i s c u s s e d t h e n ，b pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki si n t r o d u c e da n dac o r r e s p o n d i n gp r o g r a m d e v e l o p e db yu s i n gc + + c o m p u t e rl a n g u a g e t h ep r o g r a mi s u s e dt o p r e d i c tt h e l a t e r a ld i s p l a c e m e n to f r e t a i n i n gp i l e si na c a s eo f d e e pe x c a v a t i o ni nh a n g z h o u t h e r e s u l ts h o w st h a tt h i sm e t h o dc a na c h i e v eh i 曲a c c u r a c y o f p r e d i c t i o n f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c e ，an e ws o f t w a r ef o r e x c a v a t i o nm o n i t o r i n g ( f f k j cf o rw i n d o w s ) i s d e v e l o p e db yu s i n g v i s u a lb a s i cv 6 0 a n dt h e t e c h n i q u eo fw i n d o w sa n dd a t a b a s eo nt h eb a s i so fj k j cv 3 0 t h e s e t e c h n i q u e sm a k e t h ei n t e r f a c em o r e f r i e n d l ya n d d a t a a d m i n i s t e r i n ge a s i e r t h ew o r kp r e s e n t e dh e r e i na d d sf r e s hc o n t e n t st ot h et e c h n i q u e so f d e s i g na n d i n f o r m a t i o n b a s e dc o n s t m c t i o nf o rd e e pe x c a v a t i o n k e y w o r d s ：r e t a i n i n gs t r u c t u r e ；f r e e - e a r t h - s u p p o r tm e t h o d ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ； d e f o r m a t i o np r e d i c a t i o n ；s o f t w a r ef o rd e e pe x c a v a t i o n m o n i t o r i n g i l 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 近年来，随着高层建筑的高速发展，基坑开挖深度逐渐增大，其支护结构的 难度也随之增大，已经成为高层建筑中的难点和热点。从一定程度上来说，深基 坑支护工程是一项复杂的系统工程，它几乎涉及到岩土力学和工程的各个方面， 如土力学、工程地质学、水文地质学、结构力学以及监理、监测、旌工工法等领 域。它既包含土力学中典型的强度与稳定问题，又包含了结构变形问题，同时还 涉及到土与结构的共同作用。具体说来对基坑围护体系的要求可以分为三个方 面： 1 保证基坑四周边坡的稳定性，满足地下室施工有足够空间的要求。也就 是说基坑围护体系要能起到挡土的作用，这是土方开挖和地下室施工的必要条 件。 2 保证基坑四周相邻建筑物、构筑物和地下管线在基坑施工期间不受损害。 这要求在围护体系施工、土方开挖及地下室施工过程中控制土体的变形，使基坑 周围地面沉降和水平位移控制在容许范围以内。 3 保证基坑工程旆工作业面在地下水位以上。围护体系通过截水、降水、 排水等措施，保证基坑工程施工作业面在地下水位以上。 随着，基坑深度的加大，深基坑支挡围护结构的变形与稳定逐渐成为土木工 程界十分关注的问题。这是因为支挡结构的过量变形和局部失稳都会导致工程事 故的发生。据李永盛报道。在1 9 9 3 年上海动工兴建的1 2 0 个深大基坑中二分之 一的基坑因种种原因发生失稳和不同程度的坍塌( 李永盛1 9 9 5 ) 。 基坑失事，不仅贻误工期，而且会严重影响邻近建筑物和公用设施的安全， 带来难以挽回的经济损失何社会影响。其中最令人关注的是基坑开挖的环境效应 问题，即基坑开挖对邻产带来的影响或是危害。所谓邻产，是指开挖工程影响范 围内的一切产业( 胡邵敏1 9 9 2 ) ，包括： 1 公共设施：道路、铁路、管线和排水沟等。管线包括水管、煤气管、油 管和电讯道等： 2 建筑物：各类房屋及附属物、车库等； 3 其它：交通、行人和车辆等。 基坑失事的原因错综复杂，不仅由于这一领域尚无成熟的理论和积累的实践 经验，而且与施工质量、管理等因素密切相关。然而，支护结构的失稳并不是瞬 浙江大学硕士学位论文 黄凯 间发生的，而是随着开挖的进行，支挡围护结构的变形的加大而逐步发展的。因 而支护结构的变形在基坑开挖安全与稳定中起着至关重要的作用。 面向2 l 世纪岩力学，我国学者杨志法指出应力体系的理论在应用中会遇到 很大困难( 杨志法1 9 9 4 ) ，并建议开展以变形为基础，应力和强度为辅的所谓变 形体系的研究。因为基坑的安全与支挡围护结构的变形有着密切的关系，所以在 基坑开挖工程中开展变形性状的研究具有十分重要的意义。 1 2 深基坑支挡围护结构类型 支护结构分为挡土( 挡水) 及支撑拉结两部分，而挡土部分因地质水文条件 不同又分为透水型及止水型。透水型挡土结构须在基坑内外设排水降水井，以降 低地下水位。止水型挡土结构主要不使基坑外的地下水进入坑内，如做防水帷幕， 地下连续墙等，支护结构的具体分类如下( 余志成，施文华1 9 9 7 ) ： 1 挡土部分 ( 1 ) 透水型挡土结构 透水型挡土结构有以下7 种形式： 1 ) h 型钢、工字钢桩加插板； 2 ) 疏排灌注桩钢丝网水泥抹面； 3 ) 密排桩( 灌注桩，预制桩) ； 4 ) 双排桩挡土： 5 ) 连拱式灌注桩： 6 ) 土钉支护： 7 ) 插筋补强支护。 ( 2 ) 1 t 2 水型挡土结构 止水型挡土结构有以下6 种形式： 1 ) 地下连续墙； 2 ) 深层搅拌水泥桩墙； 3 ) 深层搅拌水泥桩加灌注桩； 4 ) 密排桩间加化学注浆桩； 5 ) 密排桩间加高压喷射水泥桩； 6 ) 闭合拱圈墙。 2 支撑拉结部分 1 ) 锚拉支护( 锚拉梁、桩) ： 2 ) 土层锚杆： 3 ) 钢管、型钢支撑( 水平撑) ； 4 ) 钢筋硷内支撑、斜撑： 浙江大学硕士学位论文 黄凯 5 ) 环梁支护体系； 6 ) 逆作法施工。 杭州深基坑支护结构普遍采用钢筋混凝土灌注排桩加钢筋混凝土内支撑，止 水帷幕普遍采用双头水泥搅拌桩。 1 3 围护结构的变形曲线形态 根据大量由测斜仪测得的围护墙变形曲线，围护墙的变形曲线形态大体上可 区分为以下几种类型： 1 弓形变形曲线 图1 1 弓形变形曲线 如图1 1 所示，这种变形曲线在深厚软土层中，当有支撑的围护墙埋入坑底 以下深度不太大时最为常见，整根曲线向坑内拱出，坑底以下无明显的反弯点， 如图1 1 ( a ) 及( c ) 所示，其中( a ) 为双支撑，( c ) 为三支撑；有的虽有反弯点，但反弯 点以下曲线段很短，如图( b ) 所示。 变形曲线在坑底以上呈单调弯曲的弓形，对于单撑的围护墙来说，是在预料 之中的：但对于两道或两道以上支撑的围护墙，在中间支撑点处按理应出现反向 弯曲，但大量实测曲线表明并非如此，基本上仍呈单调弯曲的弓形。 出现这种现象的原因，是由于第二道支撑的设置，一般总是在开挖到第二道 支撑的底标高以下时才能设置。设置之后，对于钢筋混凝土支撑结构，混凝土凝 固时会产生收缩，其后开始受力时，除了支撑梁本身的压缩变形外，还有作为传 浙江大学硕士学位论文 黄凯 递支撑力的围檩的侧向挠曲变形。因此，第二道支撑作用的滞后延续时间较长。 在这过程中，按传统的方法计算的第二道支撑的支撑力，部分将由第一道支撑 与坑底以下被动土压力承担，第二道支撑实际受力不仅滞后而且小得多，因此大 大改变了围护墙的理论受力情况。至第二道支撑真正发挥作用时，支护桩已产生 较大的拱出变形，由于钢筋混凝土围护墙刚度较大，此时已难以改变它的弯曲方 向。 对于有三道支撑的围护墙，由于第三道支撑与第二道情况相似，故变形曲线 亦呈弓形。有的工程，第二道支撑采用钢管，设置时曾施加约5 0 0 k n 的预顶力， 变形曲线在中间支撑点处仍然不出现反向弯曲，图1 1 ( b ) 就是采用钢管撑的变形 曲线。采用锚杆外拉撑的支护桩，设置时亦旋加预应力，同样未能改变支护桩已 出现的正向挠曲变形，由此可见这种现象具有一定的普遍性。 = 3 05 = 一j ，0 = 3 92 - - 9 5 ；三王：l 9 5 0 01 0 0 0 两5 6 5l 2 丽2 而 图1 2 深埋式的变形曲线 2 变形曲线上段星正向弯曲，下段呈反向弯曲 带撑的深埋式围护墙的变形曲线大多呈这种形态。图1 2 为某工程围护桩的 变形曲线。基坑开挖深度9 6 m ，围护桩采用审7 0 0 冲钻孔桩，桩长2 0 4 m ，桩顶 在地面以下1 8 m ，桩下端已穿透第一层淤泥，进入强度较高的土层1 2 m ，桩 在坑底以下的埋入深度为1 2 6 m ，属于深埋式围护桩。变形曲线在坑底以下1 2 m 处有一反弯点。反弯点以上，曲线为正向弯曲，以下为反向弯曲，末端约有6 m 长一段，曲线基本上为一稍有前倾的直线。桩底位移很小或为零，大都移向坑内。 浙江大学硕士学位论文黄凯 即使在下端一段有移向坑外的位移，其值也很小。 3 前倾型变形曲线 无支撑的悬臂式围护墙，变形曲线呈前倾型，如图1 3 所示，墙顶位移最大， 有时墙端会出现负位移即移向坑外情况，如图中的虚线所示。对于第一道锚撑设 置不及时，即先挖后撑的锚撑式围护墙也会出现前倾型变形曲线。 图1 3 前倾型图1 4 踢脚型 4 踢脚型的变形曲线 在深厚淤泥层中，当围护墙插入深度不太大时，墙底常有较大的正位移，因 此便出现所谓踢脚形的变形曲线，如图1 4 所示。 5 平推型变形曲线 某工程开挖深度1 0 8 m 采用冲钻孔桩围护。桩顶在地面以下1 6 m ，设压顶 梁，桩长1 8 o m ，在压顶粱面以下2 4 3 o m 处设o 6 m 高的围檩一道，用钢构架 作斜撑。采用中心岛先开挖的施工方法，基坑中部开挖到底，先浇底板，再将钢 斜撑撑在围檩与底板上，然后再将基坑边旁土体挖除，基坑土层在深度5 m 以下 为砂层，采用坑内降水方案。通过监测，有部分围护桩的变形曲线呈平推型，桩 顶与桩端位移分别为2 8 r a m 及3 0 m m 。中部位移最小为2 0 m m ，最大为3 0 r a m 。 6 围护墙挠曲变形的拱效应 综上所述，只要在墙顶附近在大开挖前设有撑锚，则围护墙基本上均出现向 坑内鼓出的挠曲变形。由于这种挠曲，将使墙中段的土压力减小，而上下两端土 压力增大，这种现象通常称为“拱作用”或拱效应。但也有人认为，只有锚着点 牢固不动，才可出现拱效应。但是，前面已指出，不论桩顶有无位移，也不论单 支撑或多支撑，弓形的挠曲变形一般都存在，因此，锚撑式围护墙的拱效应是带 普遍性的。其结果是因土压力分散到顶层支撑及坑底以下的土体，使墙承受的弯 浙江大学硕士学位论文黄凯 矩减小，这是十分有利的。 某工程基坑挖深9 2 7 m ( 局部最大达1 t 3 4 m ) 采用钢筋混凝土预制桩围护，桩 断面为4 5 0 m r n x 3 5 0 m m 。最大配筋为5 中2 5 ，设两道支撑。经验算，不足以承受 最大弯矩。当开挖深度到达8 o m 时，相对挠度已接近l 1 0 0 。但其后继续向下开 挖，挠度基本上无显著增长，说明由于大挠曲变形使拱效应充分发挥，土压力产 生重分布，起了卸载作用。如果按极限状态分析，当围护墙因受弯而接近断裂前， 必然先出现较大挠度，而大挠度产生拱效应，卸载作用将使弯矩不再增长，因此 锚撑式围护墙不容易出现断裂事故。悬臂式围护墙的变形曲线呈前倾型，不可能 出现拱效应，因此在实际工程中，悬臂式围护墙的事故较多，与此因素有关。 1 4 围护墙变形与位移的影响因素 影响围护墙的变形与位移的因素是多方面的，现综述如下： 1 支撑条件 ( 1 ) 无支撑的悬臂式及重力式围护墙，墙顶位移最大，呈前倾型，当基坑开挖 深度较大时，往往会有较大位移； ( 2 ) 支撑层数愈多，围护墙的变形与位移愈小； ( 3 ) 锚杆拉撑往往与锚杆灌浆的施工质量有很大关系：另一方面也与锚固土体 的土质有关。当锚固力不足或锚杆受力后的拔出位移过大以及设置支撑不及时等 均将增大围护墙的位移； ( 4 ) 当采用钢筋混凝土支撑梁时，由于设置支撑的滞后，特别是混凝土浇筑后 的收缩，1 个月的收缩率为2 1 0 - 4 ，5 个月可达4 1 0 - 4 。例如5 0 m 长的支撑梁， 收缩量将大于l o m m ，只有当围护墙拱出l o m m 之后，才能开始受力。其它还有 支撑梁的压缩变形与围檩的侧向变形，均将使围护墙的变形与位移增大； ( 5 ) 支承支撑梁的桩柱下沉将使支撑梁下垂，从而也就增大围护墙的位移。 2 围护墙的刚度 地下连续墙一般刚度较大，其次是人工挖孔桩及直径较大的冲钻孑l 桩，钢板 桩与预制的钢筋混凝土桩，一般刚度较小，变形与挠度较大。围护桩的间距大小 对围护结构的变形也有影响。 3 围护墙在坑底以下的入土深度 深度越大，则位移与变形将越小。但当插入深度达到一定值，再加大深度对 减少变形将不起作用。 4 土层强度 c ，舻越大，则主动土压力越小，被动土压力越大，围护墙的位移将越小。 对于墙前土如用深层搅拌法或高压喷射注浆法加固，也能显著减少围护墙的位 6 浙江大学硕士学位论文黄凯 移，同理在墙后用同样方法加固，在起到止水帷幕作用的同时，也对增大围护墙 的整体刚度起一定的作用。 5 地下水的影响 墙后地下水位高时，土压力增大，将增大墙的位移，特别是当出现流砂与管 涌的渗流破坏时，将增大墙的位移。 1 5 现有深基坑支护结构分析的方法 目前，深基坑支护结构的分析方法大致可以分为以下几类： 1 5 1 简化解析法 解析法包括等值粱法、盾恩近似法、t e r z a g h i p e c k 法、1 2 分担法等。其 中，等值梁法较为常用，该方法是针对单撑围护结构净土压力为零点处弯矩很小 的特点，假设该点为一铰接点，分上下两个隔离体分别进行计算( 如图1 5 ) 。 度。 f b l - 、- - - - - 一g 图1 5 等值粱法的计算简图 单撑围护结构的等值梁法： ( 1 ) 取上部隔离体为研究对象，对0 点取矩，计算铰接点处的剪力e c ； ( 2 ) 取下部隔离体为研究对象，对墙趾d 取矩，求c 点以下的必要埋入深 f 浙江大学硕士学位论文 黄凯 r i i 一 r t 一r i 、 l _ 二 r e - - r 2 r ，- 【 r 3 一： j j r j - - 尺j 。 图1 6 = 分之一分担法计算简图 二分之一分担法是多支撑连续梁的一种简化计算方法。t e r z a g h i 和p e c k 根 据柏林和芝加哥等地铁工程基坑挡土结构支撑受力测定，以包络图为基础，以二 分之一分担法将支撑轴力转化为土压力，提出土压力分布图。反之，如士压力分 布图已确定( 设计时必须确定土压力分布) ，则可以用二分之一分担法来计算多 支撑的受力，这种方法不考虑桩、墙体支撑变形，将两个支撑之间的板桩承受的 压力( 土压力、水压力、地面超载等) 平均分配给两个支撑，求支撑承受的反力， 然后求出正负弯矩、最大弯矩，以核定挡土桩的截面及配筋，这种计算较方便。 计算简图1 6 所示。 1 。5 2 弹性地基粱法 平面( 或空间) 问题实体有限元法在模拟基坑开挖时由于存在不可避免的弱 点，即土体本构模型和土体参数难以确定，以及土体按连续介质模拟时采用的边 界条件与实际工程之间可能存在差异，使其应用受到限制。虽然近年来发展了反 分析方法以确定土体参数，使其更加符合实际，但从总体而言，目前在开挖支挡 设计中应用较多的仍然是等值粱法和弹性地基梁法。其中等值梁法基于极限平衡 状态理论，假定支挡结构前、后受极限状态的主、被动土压力作用，不能反应支 挡结构的变形情况，亦无法预先估计开挖对周围建筑物的影响，故一般仅作为支 护体系内力计算的校核方法之一。基坑工程弹性地基梁法则能够考虑支挡结构的 平衡条件和结构与土的变形协调，分析中所需参数单一且土的水平抗力系数取值 已积累了一定的经验，并可有效地计入基坑开挖过程中多种因素的影响，如作用 在挡墙两侧土压力的变化，支撑数量随开挖深度的增加而变化，支撑预加轴力和 支撑架设前的挡墙位移对挡墙内力、变形变化的影响等，同时从支挡结构的水平 位移可以初步估计开挖对邻近建筑的影响程度，因而在实际工程中已经成为一种 重要的设计方法和手段，展现了广阔的应用前景，成功地分析了多项软土地基深 浙江大学硕士学位论文 黄凯 基坑支挡工程。 弹性地基梁法中土对支挡结构的抗力( 地基反力) 用土弹簧来模拟，地基反 力的大小与挡墙的变形有关，即地基反力由水平地基反力系数同该深度挡土墙变 形的乘积来模拟。按地基反力系数沿深度的分布不同形成几种不同的方法。图 1 7 给出地基反力系数的五种分布图示，用下面的通式表达： k = a o + k z ”( 1 1 ) 其中：如为地基反力系数； 4 为地面或开挖面处土的地基反力系数，一般取为零： k 为比例系数； n 为指数，反映地基反力系数随深度而变化的情况： 当 = 1 时 k = k z( 1 2 ) 此式表明水平地基反力系数沿深度线性增大，由于我国常用m 表示比例系 数，故称m 法( 中国交通部标准j t j 0 2 4 8 5 ) 。 采用m 法时土对支挡结构的水平地基反力，可写成如下的形式： f = m z y( 1 3 ) 式中，y 为计算点处挡墙的水平位移。 n = 0 ( a ) n = 0 5 ( b ) n = l ( c ) n - - - 2 ( d )( e ) 图1 7 地基反力系数沿深度的分布图示 对于坍法的求解过程，一般有两种方法( i ) 解析法和有限差分法( 2 ) 杆系 有限单元法。弹性地基梁的挠曲微分方程仅对最简单的情况有解析解，其微分方 程为： 9 浙江大学硕士学位论文 彤譬= q ( z ) ( 1 4 ) “z 式中：e 为挡墙的弹性模量； ，为挡墙的截面惯性矩； z 为地面或开挖面以下深度： q ( z ) 为梁上荷载强度，包括地基反力，支撑力，和其它荷载。 对于设有支撑且挡墙前后作用荷载分布模式比较复杂的挡土结构，可以按有 限差分法的一般原理求解，从而得到挡墙在各个深度的内力和变形。关于杆系有 限单元法的求解过程就不在这里赘述。 1 5 3 支护结构的有限元分析 有限单元法是近三、四十年来随着电子计算机的广泛应用而发展起来的一种 数值解法，它具有极大的通用性和灵活性，因而可以用来求解各种复杂的边界问 题。在岩土工程中，可以利用有限元求解各种复杂的土质条件、加荷历史和边界 条件的问题。因此，有限元法已成为分析岩土工程问题的灵活、实用和有效的手 段。其具体解法就不再赘述。 1 6 人工神经网络概述 人工神经网络a n n ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 是最近发展起来的十分热门的 交叉学科，它涉及生物、电子、计算机、数学、物理等学科，有着非常广泛的应 用背景。这门学科的发展对目前和未来的科学技术的发展将有着重要的影响。人 工神经网络是相对生物神经网络b n n ( b i o l o g i c a ln e u r a ln e t w o r k ) 而言，它模 拟生理学上的真实人脑神经网络，经过抽象、简化而成的一种信息处理系统。人 工神经网络是由大量神经元通过及其复杂和完善的连接而构成的自适应非线性 动态系统。由于神经元之间有着不同的连接方式，所以组成不同结构形态的神经 网络系统是可能的。人工神经网络具有学习、记忆、计算和各种智能处理功能。 它在不同程度和层次上模仿了人脑神经系统的结构及其信息处理功能、储蓄和检 索功能。 1 6 1 神经网络的发展 4 0 年代初，美国m cc u l l o c h 和p i t t s 从信息处理的角度，研究神经细胞行为 的数学模型表达，提出了二值神经元模型，即m p 模型。该模型的提出开始了对 神经网络的研究进程。1 9 4 9 年心理学家d o h e b b 提出著名的h e b b 学习规则， 即由神经元之间结合强度的改变来实现神经学习的方法。虽然h e b b 学习规则在 1 0 浙江大学硕士学位论文 人们研究神经网络的初期就已提出，但是其基本思想至今在神经网络的研究中仍 然发挥着重要的作用。 5 0 年代末期，r o s e n b l a n t 提出感知机( p e r c e p t r o n ) ，首先从工程角度出发，研 究了用于信息处理的神经网络模型。这是一种学习和自组织的心理模型，它基本 符合神经生理学的原理。p e r c e p t r o n 虽然比较简单，却己具有神经网络的一些基 本性质，如分布式存储、并行处理、可学习性、连续计算性等。这些神经网络的 特性与当时流行串行的、离散的、符号处理的电子计算机及其相应的人工智能有 本质上的不同。由此引起许多研究者的兴趣，在6 0 年代掀起了神经网络研究的 第一次高潮。 在6 0 年代末，美国著名人工智能专家m i n s k y 和p a p e r t 对r o s e n b l a t t 的工作 进行了深入研究，指出感知机的功能和处理能力的局限性，甚至连x o r ( 异或) 这样的问题也不能解决。同时也指出在感知器中9 1 入隐含神经元，增加神经网络 的层次，可以提高神经网络的处理能力，但是却无法给出相应的网络学习算法。 因而m i n s k y 作出了悲观的结论。同时由于计算机的飞速发展而使人工智能取得 了显著的成就，神经网络的研究陷入了低潮。 1 9 8 2 年，美国加州理工学院物理学家j j h o p f i e l d 提出了一种新的神经网络 h n - n 。他引入了“能量函数”的概念，使得网络稳定性研究有了明确的判据。 它的电子电路实现为神经计算机的研究奠定了基础。同时开阔了神经网络用于联 想记忆和优化的新途径。h o p f i e l d 发表了一系列有关神经网络运用的文章，有力 地推动了神经网络的研究，掀起了神经网络研究新的高潮。 r u m e l h a r t 和m c c l e l l a n d 于1 9 8 2 年成立了一个p d p ( p a r a l l e ld i s t r i b u t e d p r o c e s s i n g ) 小组，研究并行分布信息处理的方法。他们于1 9 8 6 年提出了多层网 络的误差反传算法( b a c kp r o p a g a t i o n ，简称b p 算法) 。这种算法的主要思想是把 网络的学习过程分为两个阶段：第一阶段( 正向传播过程) ，输入信息从输入层经 过隐含层逐层处理并计算出各单元的实际输出值；第二阶段( 误差反向传播过 程) ，若输出层不能得到期望的输出，那么逐层计算实际输出与期望值之间的误 差，从后向前修正各层之间的权重，在不断的学习和修正过程中，可以使网络的 学习误差达到最小。b p 算法是8 0 年代神经网络研究中最为突出的成果之一，是 迄今为止用得比较广泛和流行的网络。反传算法从实践上证明了神经网络有很强 的运算能力，可以解决很多具体问题。 1 9 8 7 年6 月2 1 日，第一届国际神经网络学术会议在美国圣地亚哥召开，宣 告国际神经网络协会成立，此后，神经网络得到了更为快速的发展。1 9 9 1 年， 国际联合神经网络会议主席r u m e l h a r t 在开幕词中讲到，“神经网络的发展已进 入转折点，它的范围正在不断扩大，领域几乎包括各个方面。”的确，神经网络 已经在极其广泛的领域里得到了应用，神经网络的发展对计算机科学、人工智能、 浙江大学硕士学位论文 认知科学、数理科学、信息科学、微电子学、自动控制与机器人、系统工程等领 域都有重要影响；此外，神经网络理论还在土木工程、机械工程、能源工程等传 统工程领域得到了广泛的应用。目前，各国对神经网络的发展重点是以应用为导 向，以发展更高性能的混合计算机为目标。 神经网络并不是万能的，它也有其局限性，但是神经网络确实能解决一些用 传统方法所难以处理的问题。人工神经网络的非线性映射、学习分类和实时优化 等基本特性已成为一种重要的信息处理方式而普遍应用于各个工程和学科的研 究领域。 1 6 2 神经网络在岩土工程中的应用 人工神经网络研究始于本世纪4 0 年代，但是直到8 0 年代末期，人工神经网 络才开始在土木工程中得到应用。f l o o di ( 1 9 8 9 ) 率先采用人工神经网络方法解 决施工工序问题，随后研究范围逐渐扩大，如施工费用预算( m o s e l h i1 9 9 1 ) 、地震 危害预测( w o n g1 9 9 2 ) 、环境岩土工程问题0 3 a s h e e r a n dn 蛳a 1 9 9 6 ) 等。 g h a b o u s s i ( 1 9 9 2 ) 最早提出用人工神经网络研究岩土材料的本构模型，g h a b o u s s i 等( 1 9 9 4 ，1 9 9 7 ) 提出了一个n p n n ( n e s t e da d a p t i v e n e u r a l n e t w o r k ) n 络用以模拟 砂土的应力应变关系；e l l i s ( 1 9 9 5 ) 采用改进的连续b p 网络模拟砂土的应力应变 关系，该模型可以考虑应力历史和砂土粒径的影响，同时可以考虑卸载和加载的 影响；z h u 等( 1 9 9 8 ) 用递归神经网络r n n ( r e c u r r e n tn e u r a ln e t w o r k ) 模拟残积土 在加载过程中的硬化和软化现象，模拟应力控制和应变控制条件下的力学行为， 并认为该模型可以模拟加载一卸载一再加载的过程；g o h ( 1 9 9 4 ) 用b p 网络研究 了地震液化与土的参数及地震烈度、最大水平加速度等因素的关系；0 0 h ( 1 9 9 6 ) 利用c p t 试验数据，采用b p 网络对砂土液化进行了研究：t e h 等( 1 9 9 7 ) 采用b p 网络预测单桩承载力；k i e f a 等( 1 9 9 8 ) 采用回归神经网络g r n n 预测桩的承载力、 桩侧摩阻力和桩端摩阻力：g o h 等( 1 9 9 5 ) 用b p 网络结合有限元计算结果预测了 软土基坑开挖中挡墙的最大位移；s h i 等( 1 9 9 8 ) 用b p 网络预测由于隧道开挖而引 起的地面沉降。 在国内土木工程界，较早从事神经网络在本学科应用研究工作的是石成钢和 刘西拉，他们采用人工神经网络方法处理震中烈度与震级的关系( 石成钢，刘西 拉1 9 9 1 ) ，在网络的学习过程中，用过滤法解决样本的冲突问题，计算结果具有 较高的精度。国内许多学者也都意识到神经网络在岩土工程中将会得到广泛的应 用，从9 0 年代初到现在，神经网络不断地被应用到岩土工程的许多问题中去， 也取得了不少成果。张清等( 1 9 9 2 ) 基于神经网络方法，对岩石或岩石工程的力学 性态进行了预测；蔡煜东等( 1 9 9 3 ) 根据b p 模型以及地震荷载下砂土的各项物理 力学参数，建立了砂土液化类型的神经网络模型；蔡煜东等( 1 9 9 3 ) 、李东升等 2 浙江大学硕士学位论文黄凯 ( 1 9 9 5 ) 、王炜等( 1 9 9 7 ) 利用神经网络研究了地震预报问题；王虎栓( 1 9 9 3 ) 基于神经 网络研究了峰值地震动物理参数；姜效典等( 1 9 9 4 ) 应用神经网络实现了潜在震源 区的定量划分；谭云亮等( 1 9 9 5 ) 对回采巷道分类指标进行了神经网络聚类分析； 王建华( 1 9 9 6 ) 结合神经网络和信息扩散方法，建立了用长径比预估水泥搅拌桩单 桩沉降的模型；夏元友等( 1 9 9 6 ) 针对边坡稳定性工程地质评价方法过分强调经验 和难以定量的缺点，提出了一种基于神经网络的边坡稳定性工程地质评价方法； 蔡德所等( 1 9 9 7 ) 应用神经网络理论，对岩体爆破效应预测进行了研究；肖专文等 ( 1 9 9 7 ，1 9 9 9 ) 将遗传算法与神经网络相结合，并将其应用于基坑开挖反分析中力 学参数的反演问题；李立新等( 1 9 9 7 ) 以粘弹性位移反分析为基础，探讨了神经网 络在非线性位移反分析中的应用；胡铁松等( 1 9 9 7 ) 研究了岩体爆破效应预测的前 馈网络目的规划方法；李庆来等f 1 9 9 7 ，2 0 0 0 ) 在p i ，s i g m a 网络的基础提出了非线 性预测n p ( n o n l i n e a rp r e d i c t i o n ) 神经网络，并对某基坑的水平位移和支撑力进行 了预测；刘浩吾等( 1 9 9 8 ) 建立了三峡工程岩体爆破地震效应的神经网络模型；刘 和元等f 1 9 9 8 ) 对动力测桩进行了b p 网络分析；杨英杰等f 1 9 9 8 ) 提出了岩石工程相 互作用矩阵的神经网络编码方法；张玉祥( 】9 9 8 ) 利用模糊神经网络对巷道围岩的 稳定性进行识别；樊琨等( 1 9 9 8 ) 基于神经网络，对岩土工程力学参数的反分析进 行了研究；王勇( 1 9 9 8 ) 把有限元法和神经网络方法结合起来，对混凝土面板堆石 坝中的面板最大顺坡拉应力进行了预测；鉴于现有各种计算强夯有效加固深度的 理论存在较多的缺点，汤磊等( 1 9 9 8 ) 提出了一种基于b p 网络的强夯有效加固深 度预估方法：孙海涛等( 1 9 9 8 ) 采用b p 模型，对深基坑工程开挖过程中变形预报 进行了研究：缪林昌等( 1 9 9 9 ) 采用神经网络预测非饱和土的吸力：何玉敖等( 1 9 9 9 ) 提出了一种基于对角递归网络的液化震陷预估方法；周保生等( 1 9 9 9 ) 提出了预测 巷道围岩参数的神经网络模型；邓若宇等( 1 9 9 9 ) 运用神经网络方法，建立了一个 粘土的非线性本构关系模型：徐卫亚等( 1 9 9 9 ) 对三峡永久船闸高边坡变形进行神 经网络预测，得到了永久船闸高边坡的变形量、变形收敛速度与收敛时间等结果： 冯紫良等( 1 9 9 9 ) 利用b p 网络预测了单桩竖向极限承载力。高沛峻等( 2 0 0 0 ) 应用 b p 网络预测了内支撑式人工挖孔桩支护结构的水平变形；何发祥等( 2 0 0 0 ) 探讨 了用b p 网络求解土体导热系数的问题：杨涛等( 2 0 0 0 ) 对岩爆预测进行了研究。 1 7 本文的主要工作 本人在前人工作的基础上，作了以下几项工作： 1 针对带有圈梁及支撑围檩的基坑开挖支护结构，提出准空间模型，采用 自由支撑法，推导了其弯矩和变形公式。并初步研究了压顶梁、围檩的刚度、支 护桩的刚度、支撑围檩设置位置对支护结构的内力及变形的影响规律。 2 引入人工神经网络b p 模型，编制相应程序，应用该程序对支护结构的 浙江大学硕士学位论文黄凯 水平位移进行了分析和预测： 3 采用w i n d o w s 数据库技术，编制深基坑开挖现场监测分析软件j k j c 的 w i n d o w s 版。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章支挡结构水平位移变化规律 2 1 引言 目前，由排桩或地下连续墙构成的桩墙式结构在基坑支护中应用比较广泛， 这种支护型式一般在桩( 墙) 顶和内支撑处沿基坑周边设置圈梁( 分别称为压顶 梁和支撑围檩) ，从而使支护桩( 墙) 、内支撑能形成空间受力体系，工程实践也 证明圈梁对支护结构的内力、变形的影响是显著的。但现有的基坑支护结构设计 方法在计算支护桩( 墙) 的内力、位移时，是按平面问题假定，把支撑的作用简 化为水平方向均布的连续侧向弹簧，弹簧刚度取支撑刚度与支撑间距的比值，而 实际上支撑是通过围檩作用在支护桩( 墙) 上，支撑处的侧向约束作用要明显强 于支撑点之间的围檩的约束作用；对于支护排桩顶部的压顶梁，则现有方法一般 不予考虑。本章提出准空间结构，考虑压顶梁和围檩的空间作用，推导支护桩的 内力与变形计算公式。 l丛jl弛l ( b )( c ) 基坑中典型的圈粱和支撑围檩形式 k k f _ f i j l ，_ 一1 f j j 1 j _ ，_ 一 ( a )( b )( c ) 图2 2 各种圈粱的计算模型 2 2 典型圈粱的力学性状 图2 1 为常见的圈梁和支撑围檩形式，其平面计算简图见图2 2 。设圈梁受单 位均布侧向荷载作用，据对称性取其1 4 结构进行计算，根据力法方程可以分别 浙江大学硕士学位论文 黄凯 得到它们的变形公式 2 2 1 简单圈梁的变形 f 一= 一音 _ 击x 4 + 鲁x 3 + 古( 2 五叫b 2 一( x 一等) f ，x + 警 1 ：一壶 _ 如，+ - 厶g y 。，+ 丢i 一砰1 y z 一( 五一华 砂+ 警 口” l0 y 1 2 式中： i 、 分别为x 向和y 向圈梁的水平位移： x 为口字梁x = ，处的弯矩： z l = e 矿e 。分别为x 轴和y 轴所在的圈梁的材料弹性模量 o1 2 分别为工轴和y 轴所在圈梁的惯性矩； f 1 、，2 分别为x 轴和y 轴所在的圈梁的长度的一半； i ，、i ，分别为x 轴和y 轴所在的圈梁的线抗弯刚度： 仁竽 = 竽 i 。、i 。，分别为圈梁上工轴和y 轴的轴向线抗压刚度； 铲竿心= 竽 ( 2 1a ) 2 2 2 设中撑的圈粱的变形 厶，2 一厶g ) 一a _ 口m 3 。s - g ) ，= 井护+ 她叫卜( 弘铷愕 o x - l t 斟1 y 4 + 钮淞q 卜卜卅砂k o y l z ( 2 2 a ) 1 6 铲 + 一6 2 一 一 z一 塑竖奎兰堡主兰些堡苎 差塑 = 井护+ 赢 捣x 卜瓦1 o 0t h e n f i e l d s a p p e n d c r e a t e f i e l d ( ”s e t t l e m e n t ”，d b b o o l e a n ) i fc i n t ( t x t d i s p n u m t e x t l 0t h e n f i e l d s a p p e n d c r e a t e f i e l d ( ”d i s p l a c e m e n t ” d b b o o l e a n ) i f c i n t ( t x t w a t e r n u m t e x t ) 0t h e n f i e l d s a p p e n d c r e a t e f i e l d ( ”w a t e r ”，d b b o o l e a n ) i f c i n t ( t x t s t e e l n u m t e x t ) 0t h e nf i e l d s a p p e n d ，c r e a t e f i e l d ( ”s t e e l ”，d b b o o l e a n ) i f c i n t ( t x t s o i l n u m t e x t ) 0t h e n f i e l d s a p p e n d c r e a t e f i e l d ( ”s o i l ”，d b b o o l e a n ) f i e l d s a p p e n d c r e a t e f i e l d ( e x c a v a t i o n _ d e p t h ”，d b s i n g l e ) f