论文题目: 基坑土钉支护的数值模拟及其预报系统
论文类型: 博士论文
论文专业: 地质工程
作者: 李奋强
导师: 彭振斌
关键词: 基坑开挖,土钉支护,数值流形元法,局部与整体分析,空间效应,动态神经网络,预报
文献来源: 中南大学
发表年度: 2005
论文摘要: 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
论文目录:
第一章 绪论
1．1 引言
1．2 土钉支护技术的概述
1．2．1 土钉支护技术的概念
1．2．2 土钉支护的发展概况
1．2．3 土钉支护的应用范围、优点及其局限性
1．3 土钉支护的研究现状
1．3．1 土钉支护机理的研究现状
1．3．2 土钉支护性状的研究现状
1．3．3 土钉支护的数值计算方法
1．3．3．1 土钉支护的极限平衡分析
1．3．3．2 土钉支护的有限元分析
1．3．4 土钉支护结构的变形预测分析
1．4 目前土钉支护计算分析方法的比较、本文研究内容及思路
1．4．1 目前土钉支护数值计算方法的比较
1．4．2 土钉支护结构变形预测方法的比较
1．4．3 本文研究的主要内容
第二章 土钉支护数值流形法的基本理论
2．1 数值流形法的基本原理
2．1．1 数值流形法的有限覆盖
2．1．1．1 数学覆盖和物理覆盖
2．1．1．2 有限覆盖函数和位移函数
2．1．1．3 数值流形法的平衡方程
2．1．2 有限单元覆盖接触的进入理论
2．1．2．1 覆盖接触与覆盖接触的进入线
2．1．2．2 覆盖的接触矩阵
2．1．3 数值流形法的变分原理
2．1．3．1 塑性流动理论的基本方程
2．1．3．2 非线性数值流形法的变分原理
2．1．3．3 非线性数值流形法控制方程的建立
2．2 土体的位移模式及其本构模型
2．2．1 土体单元选择和位移模式
2．2．2 土体本构关系的选用
2．3 支护结构模拟
2．3．1 土钉单元的模拟
2．3．2 接触面性状的模拟
2．4 应力修正
2．4．1 拉裂修正
2．4．2 剪切修正
2．5 分布开挖过程的模拟
2．5．1 开挖分析
2．5．2 开挖应力场、位移场的计算
2．5．3 开挖荷载的计算
2．5．4 被挖除单元和结点的处理
2．5．5 开挖过程的模拟
2．6 本章小结
第三章 土钉支护程序的设计
3．1 数值流形法的数据类
3．1．1 数学覆盖节点类
3．1．2 物理覆盖节点类
3．1．3 流形单元类
3．1．4 裂缝节点类
3．1．5 数据类的管理
3．2 物理覆盖的自动剖分
3．2．1 裂纹树的重构
3．2．2 积分区域的记录
3．2．3 单元物理覆盖的自动剖分
3．3 数值流形法的对象设计
3．3．1 公用函数类
3．3．2 流形单元类
3．3．3 边界条件类
3．3．4 组集和求解方程类
3．4 面层接触单元的设计
3．5 程序简介
3．5．1 开发平台
3．5．2 程序的主要功能
3．5．3 程序检验
3．6 本章小结
第四章 土钉支护的数值仿真分析
4．1 仿真模型的建立
4．1．1 参考算例的描述
4．1．1．1 工程概况与岩土条件
4．1．1．2 支护结构参数
4．1．1．3 开挖进度
4．1．2 仿真模型及计算参数
4．1．2．1 支护结构仿真模型
4．1．2．2 计算参数
4．1．2．3 开挖过程的数值模拟
4．2 仿真计算分析
4．2．1 支护结构的位移分析
4．2．1．1 开挖土体的整体位移分析
4．2．1．2 开挖过程的数值模拟分析
4．2．1．3 水平位移的空间性状分析
4．2．2 土体特征单元应力路径的模拟分析
4．2．3 土钉拉应力、剪应力的模拟分析
4．2．3．1 土钉的拉应力分析
4．2．3．2 土钉的剪应力分析
4．2．4 土钉与土体界面单元的剪应力分析
4．3 本章小结
第五章 土钉支护的预报系统
5．1 动态神经网络实时模型
5．1．1 神经网络在岩土工程中的应用
5．1．2 网络结构模型
5．1．3 不确定性推理模型
5．1．3．1 单一路径的不确定性推理模型
5．1．3．2 多路径的不确定性组合推理模型
5．1．4 程序的开发
5．2 趋势面分析
5．2．1 基本模型
5．2．2 规则点的正交多项式趋势面分析
5．2．3 不规则点的正交多项式趋势面分析
5．2．4 程序的开发
5．3 程序检验
5．3．1 动态网络预测
5．3．2 趋势分析
5．4 本章小结
第六章 工程应用
6．1 工程概况及土钉墙施工
6．2 开挖地质体的计算分析
6．3 神经网络预测
6．3．1 土钉应力的预测
6．3．2 支护结构水平位移的预测
6．4 坑壁面位移变化趋势的分析
6．5 本章小结
第七章 结论与展望
7．1 主要结论
7．1．1 理论研究成果
7．1．2 计算分析结果
7．2 开展进一步研究的设想
参考文献
攻读学位期间主要的研究成果
致谢
发布时间: 2006-03-28
参考文献
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- [5].深基坑开挖有限元模拟及现场实测研究[D]. 宗金辉.天津大学2006
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