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《中南大学》 2005年
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基坑土钉支护的数值模拟及其预报系统

李奋强  
【摘要】:随着工业和城市建设的发展,城市地面空间愈加紧张,地下空间作为一种尚未充分利用的资源,已开始受到重视并加以开发利用,地下车库、地下商场、地下铁道等各种地下设施日益增多,基坑开挖深度由浅向深方向发展。土钉支护以其突出的经济性与良好的工作性能在基坑工程中得到了广泛的应用,许多学者对土钉支护进行了大量的研究和理论研究,但是对土钉支护结构的局部失稳的机理及其性状还没有完全搞清楚,该问题仍有进一步研究的必要。 在有限覆盖系统基础上新发展起来的数值流形方法,在岩土工程界引起了广泛的关注、它以拓扑流形为基础,联合物理网格和数学网格,通过在分析域内各物理覆盖上建立一般覆盖函数和加权求和形成的总体位移函数,可以将解析法、有限元法和适用于块体分析的DDA(Discontinuous Deformation Analysis)法包含并融合于统一的形式中,是一种新的、较为通用的数值方法。 本文主要采用如下两种方法对土钉支护结构在基坑开挖过程中的性状进行探讨:(1)应用数值流形法的基本原理,将有限元网格转换为数值流形法的有限覆盖,然后重新定义网格属性和构造覆盖函数,从非线性理论体系入手,推导了基于变分原理的非线性数值流形元法的理论计算公式,建立了非线性数值流形元法的控制方程;土体模型采用工程界广泛应用的邓肯-张模型,它能较好地反映土体的应力应变特性,原模型是针对平面应变问题提出的,本文将其推广到三维问题上;接触面性状模型采用殷宗泽模型,它能合理地反映接触面及其临近区域剪切破坏带中的变形特性,而且没有额外引入任何参数;在土与土钉的界面上,可设置三维薄层接触面单元,用杆件单元或实体单元来模拟土钉,并编写了相应的计算程序,该程序考虑了基坑的分步开挖、土钉和面层的设置等复杂的施工过程,可对土钉支护结构进行局部分析和整体分析,具有强大的前后处理功能,实现了计算结果的可视化;(2)结合不确定性推理原理,采用一种在线学习的算法,建立了一种具有“自我学习”的动态网络模型,利用基坑开挖前期的实测数据对网络进行训练,并利用训练好的网络对基坑开挖后期的性状进行预测;应用趋势面分析的原理对开挖的坑壁面的土体单元位移进行了计算分析。在此基础上,获得了一些研究成果。 1 土钉支护具有较强的空间效应,支护结构的水平位移曲线在空间效应较弱的剖面处表现为上部大下部小,而在空间效应较强处表现为两头小中间大的“鼓形”分布。在基坑宽度方向上的空间作用比基
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