深基坑工程建模理论与稳定性评判的关键技术研究

【摘要】：基坑工程中的数值仿真存在着许多的技术难题，本文在系统总结基坑工程中存在的关键问题的基础上，从基坑的建模、反分析方法、稳定性分析及临界变形指标几个方面进行了深入研究，提出了相应的解决方法。传统有限元模拟大型深基坑施工时，模型难以真实反映挡墙和支护结构的弯曲变形效应，故其计算结果与实际相差较大，这对工程是不利的。为了在数值模拟方面力求合理地反映基坑工程中复杂结构体系的实际效应，迫切需要建立一种新的数值计算模型，一方面可以提高传统有限元的计算精度，另一方面，既可直接应用于三维实体和中厚度板壳结构又易于与其它带转动自由度的梁单元相容，并且在处理复杂组合结构体时无需引入任何过渡单元就可完成数值实施。本文首先建立了一种新型单元——RH8单元，推导了该单元的确定性有限元及随机有限元列式，建立了基坑的有限元数值模拟的新模型；在此基础上本文对基坑的动态模拟及基坑的稳定性进行了研究。全文的主要内容如下： 1．基于非协调元理论和修正的Reissner泛函中引入独立转动场的变分原理，将转角自由度作为独立自由度，创建了一种新的三维八结点单元——RH8单元，并根据变分原理推导了相应的有限元列式，最后还对其适用性进行了讨论。 2．将本文所建立的单元用于梁、板、块体同时存在的复杂组合结构体系问题当中，讨论了该单元在处理联结问题的优势，通过若干考例验证了该单元在计算组合结构时的合理性。针对大型结构中计算量较大的问题，讨论了提高新型单元计算效率的处理方法。 3．提出了带独立转动自由度的随机变分原理，在此基础上推导了新型单元的随机有限元列式。 4．基于新型单元模式对连续墙、支撑及土体进行模拟，从而建立了基坑施工模拟的新模型，对实际工程应用中该模型存在的问题及解决方法进行了探讨。 5．系统综述了反分析计算方法，对目前反分析中存在的问题进行了总结。针对实际存在的问题，提出了并行进化演化反演算法，采用面向对象的编程思想编制了相应的程序，验证了该算法的有效性。 6．在干扰能量法和超变形法的基础上，提出了基坑稳定评判的广角度综合评判法。同时考虑参数的随机性，以杆件的干扰能量作为功能函数，提出了支撑体系的体系可靠度计算方法，采用可靠度来对基坑的稳定性进行评价。最后还对基坑临界 摘要 变形指标问题进行了探讨。 7.针对国内某一特大型深基坑施工，利用本文方法进行了应力和变形分析、土 层参数反分析、基坑支撑体系的体系可靠度分析，对基坑的安全稳定性进行了评价， 得到合理的研究结果。 关键词:深基坑、建模理论、稳定性、转动自由度、体系可靠度、临界变形指标