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基坑开挖的数值模拟及土体本构模型和参数反演研究

张春会  
【摘要】: 随着我国城市建设的发展和大型水利工程的不断涌现,深基坑工程日益增多,且规模和深度不断加大。有限元法由于强大的适用性,正日益成为深基坑工程计算分析的强有力工具。以往基坑开挖有限元分析经验表明,有限元模拟结果的可靠性极大地依赖于所使用的土体本构模型和计算参数。然而,目前关于这方面的研究尚不完善。为此,本文以深基坑开挖有限元数值模拟为工程背景和研究内容,对其中的两个关键技术问题-土体本构模型和计算参数反演展开研究,研究工作成果如下: 1.为了模拟基坑开挖卸荷过程中加载土体从初始应力状态开始持续地发生非线性弹塑性变形这一特性,将岩土弹塑性理论引入到Duncan-Chang模型中,将Duncan-Chang模型改进、发展成一种新的弹塑性土体模型(即改进Duncan-Chang模型)。 2.详细分析了改进Duncan-Chang模型的数值计算技术,编制了基于改进Duncan-Chang模型的基坑开挖有限元计算程序MDC-Excavation。通过对某基坑开挖模拟,并与观测值比较,初步验证了改进Duncan-Chang模型的合理性。 3.提出用五元件粘弹性土体模型模拟软土基坑开挖中土体的流变性,编制了相应的粘弹性有限元计算程序EV-Excavation。以上海某软土基坑开挖为例,预测了基坑开挖围护结构变形性状,通过与现场观测值比较,表明五元件粘弹性土体模型能较好地模拟软土基坑开挖变形的依时性特征。 4.为了得到软土基坑开挖模拟的等效计算参数,将单纯形法引入到软土基坑开挖位移反分析中,编制了相应的位移反分析程序Back-EV。实例计算表明,在初值选择较好情况下,Back-EV能得到较为理想的计算结果。 5.针对单纯形法易于陷入局部极值和严重依赖初值的缺陷,提出了随机单纯形法,然后将其应用到软土基坑开挖位移反分析中,开发了相应的计算程序RSMB-Excavation。数值实验和实例计算表明,随机单纯形法能更好地找到全局最优解或近似最优解,同时随机单纯形法也不依赖于单纯形初值的选取,因此随机单纯形法是基坑开挖位移反分析的一种有效方法。


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