刚性桩复合地基承载特性计算与预测方法研究

论文摘要

利用桩体置换作用,刚性桩复合地基具有比天然地基更高的承载力、控制变形等特性,同时,又比桩基经济,因此在工程中得到越来越广泛的应用,并取得了很好的经济效益和社会效益;但对其计算方法的研究还相对落后于工程实践,因此,刚性桩复合地基的承载特性研究已经成为基础工程研究领域的热点,具有很强的学术价值和现实意义。本文在现有研究成果的基础上,对刚性桩复合地基承载理论进行了系统的研究,构建了复合地基优化设计模型;利用人工智能理论及方法对刚性桩复合地基承载力及沉降进行了预测研究,建立了刚性桩复合地基承载力及沉降预测模型;结合工程实例,验证了上述模型的有效性。本文进行的主要研究工作和取得的重要成果有:(1)基于复合地基的设计思想,对长短桩复合地基的承载力和沉降设计理论进行了研究,根据长短桩复合地基形式的不同,讨论了长短桩复合地基的承载力和沉降计算模式;结合工程实例,归纳总结了采用长短桩复合地基设计的适用范围,并发现长短桩复合地基特别适用于压缩土层较厚的地基;通过理论计算和现场检测结果的对比分析,证明了在软弱地基条件下,长短桩复合地基应用的可靠性。(2)基于有限元理论分析,建立单桩CFG复合地基有限元分析模型及长短桩复合地基模型,系统研究了桩土模量比、垫层、桩的置换率等因素对承载特性的影响,得到刚性桩复合地基中桩土共同作用的规律性结论。(3)利用智能方法对刚性桩复合地基承载力预测进行了研究,提出了两种单桩承载力预测模型。第1种是利用遗传算法确定初始权值,建立预测单桩承载力的BP网络模型,即根据遗传算法全局搜索的特点,利用它对BP网络的初始权值以及阈值分布进行优化,然后再建立单桩承载力预测的BP网络模型,使BP网的预测值更准确。第2种是提出了基于模拟退火的承载力预测模型,即利用模拟退火可以得到组合优化问题的近似解的特点,根据单桩承载力预测的因素,充分利用乘法原理、非线性及模拟退火算法建立了基于模拟退火的单桩承载力预测模型。这两种模型都通过了工程实例验证,结果表明:两种方法都可以准确预测单桩承载力,后者的预测结果优于前者。(4)利用智能方法对基础沉降的预测模型进行了研究,提出了两种基础沉降预测模型。第1种是利用改进的灰色模型,通过使用多项式逼近法,利用多项式在离散观测点上的导数代替常用的差分,由最小二乘法,从整体上得出时间响应方程的三个估计值来建立改进的灰色沉降预测模型。第2种是利用多元非线性回归与遗传算法结合,提出了基于遗传算法的刚性桩复合地基的沉降预测模型。这两种模型都通过了工程实例验证,结果表明:两种方法都可以准确预测单桩沉降,后者的预测结果优于前者。(5)在分析PKPM系列CAD软件对地基设计过程中的有关环节的处理方法的基础上,将复合地基的优化设计与PKPM结合起来,给出了一个基于PKPM的复合地基优化设计的系统构架;利用MVC模式实现了一个基于PKPM的复合地基优化设计系统,由此说明了此框架的可能性;并研究了PKPM的数据转换、显示层、控制层及数据层的不同操作及主要系统功能的具体实现技术。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 复合地基的本质及其形成条件
• 1.2.1 复合地基的本质
• 1.2.2 复合地基的形成条件
• 1.3 复合地基的分类
• 1.4 复合地基的基本概念
• 1.4.1 面积置换率
• 1.4.2 桩土应力比
• 1.4.3 复合模量
• 1.4.4 复合地基承载力特征值
• 1.5 刚性桩复合地基研究现状
• 1.5.1 刚性桩复合地基的计算方法现状
• 1.5.2 复合地基承载特性预测方法研究现状
• 1.6 论文主要研究内容
• 第2章 刚性桩复合地基的计算方法研究
• 2.1 刚性桩复合地基的设计思想
• 2.2 刚性桩复合地基承载力的计算方法
• 2.3 刚性桩复合地基褥垫层的作用机理
• 2.3.1 刚性桩复合地基中褥垫层的作用
• 2.3.2 刚性桩复合地基褥垫层的合理厚度
• 2.4 刚性桩复合地基沉降计算方法
• 2.4.1 现有的沉降计算方法
• 2.4.2 对现有沉降计算方法的讨论
• 2.4.3 修正的沉降计算方法
• 2.4.4 刚性长短桩复合地基的沉降计算
• 2.5 刚性桩复合地基工程实例
• 2.5.1 工程概况
• 2.5.2 工程地质情况
• 2.5.3 长短桩复合地基的设计
• 2.5.4 长短桩复合地基处理效果评价
• 2.6 本章小结
• 第3章 刚性桩复合地基的有限元分析
• 3.1 有限元原理
• 3.1.1 有限元基本方程
• 3.1.2 有限元分析的求解过程
• 3.1.3 有限元分析的本构模型
• 3.1.4 非线性问题的求解
• 3.2 单桩CFG复合地基有限元分析
• 3.2.1 单桩CFG复合地基计算模型
• 3.2.2 数值计算结果分析
• 3.3 多桩复合地基有限元分析
• 3.3.1 多桩复合地基计算模型
• 3.3.2 计算结果分析
• 3.4 本章小节
• 第4章 单桩承载力预测方法的研究
• 4.1 单桩承载力神经网络预测
• 4.1.1 单桩承载力神经网络预测模型
• 4.1.2 误差反向传播算法
• 4.1.3 数据预处理和后处理
• 4.2 用遗传算法改进的单桩承载力神经网络预测
• 4.2.1 遗传算法的优势
• 4.2.2 遗传算法内容
• 4.2.3 基于遗传算法的单桩承载力神经网络预测方法
• 4.2.4 工程实例
• 4.3 模拟退火改进算法的单桩承载力预测方法
• 4.3.1 模拟退火算法
• 4.3.2 基于模拟退火算法的单桩承载力预测方法
• 4.3.3 工程实例
• 4.4 本章小结
• 第5章 沉降预测方法的研究
• 5.1 沉降预测的数学模型
• 5.1.1 静态预测方法
• 5.1.2 动态预测方法
• 5.2 基于灰色模型的沉降预测
• 5.2.1 灰数与灰色建模
• 5.2.2 灰色系统的基本原理
• 5.2.3 灰色系统的特性
• 5.2.4 改进的灰色沉降预测方法
• 5.3 基于遗传算法的预测沉降模型参数学习算法
• 5.3.1 沉降预测公式的改进
• 5.3.2 工程实例
• 5.3.3 利用多组数据建模预测未知沉降
• 5.3.4 沉降预测对比实例
• 5.3.5 沉降预测公式的进一步改进
• 5.4 本章小结
• 第6章 基于PKPM的复合地基优化设计系统研究
• 6.1 系统顶层用例图
• 6.1.1 数据准备用例
• 6.1.2 系统参数设置用例
• 6.1.3 复合地基资料管理用例
• 6.1.4 复合地基性能计算用例
• 6.1.5 布桩图形显示用例
• 6.2 系统的主要类
• 6.2.1 剪力墙类
• 6.2.2 柱类
• 6.3 系统的实现
• 6.3.1 系统开发模式
• 6.3.2 桩的图形处理
• 6.3.3 桩体类的设计
• 6.3.4 数据的保存
• 6.3.5 MFC中图形化操作
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 本文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录1 攻读博士学位期间撰写的学术论文
• 附录2 攻读博士学位期间参加的科研项目