基坑土钉支护的有限元分析及优化设计研究

论文摘要

土钉支护技术是一种高效、简便、经济的新型挡土技术，在目前基坑工程中应用极为广泛，然而人们对其作用机理及支护理论的研究还不够透彻深入。作为一种l临时的支护结构，如果设计过于保守就会造成不必要的浪费;反之，如果片面地追求经济效益，降低了基坑稳定性、变形控制和设计安全方面的要求而造成工程事故，导致更大的经济损失。解决这一矛盾的有效途径就是要找到一种有效的土钉支护优化设计方法。本文结合中交四航局科研课题“大断面、超长明挖隧道施工监控技术研究”，采用有限元分析软件MIDAS/GTS，分析基坑分步开挖土钉支护施工过程中的土钉内力及基坑变形规律，在此基础上引入遗传算法对该工程土钉支护结构设计参数进行优化调整处理，并以数值模拟的手段进行优化方案评估。通过本文的工作，可得以下结论：(1)基坑在分步开挖和土钉逐层施工过程中，土钉轴力呈纺锤形分布，当开挖完成后，基坑中部的土钉轴力较大，与之对应的水平位移也较大。(2)遗传算法在土钉支护优化设计中具有独到的优越性，通过调用GAOT工具箱的遗传算法函数，借助Matlab环境，可轻松编制出遗传算法程序，并完成对具体问题的求解。(3)根据遗传算法求解结果进行土钉支护参数优化调整所得优化方案，经评估证明其不但节约了成本，而且保证了基坑稳定性，并更有利于基坑的变形控制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出和研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 基坑工程概述
• 1.2.2 基坑工程设计计算理论研究现状
• 1.2.3 基坑土钉支护技术研究现状
• 1.3 本文的主要研究思路及内容
• 第二章 土钉支护的理论分析
• 2.1 土钉支护技术简介
• 2.1.1 土钉支护的概念
• 2.1.2 土钉支护的特点
• 2.1.3 土钉支护的施工方法及施工质量控制标准
• 2.1.4 土钉支护施工过程监测
• 2.2 土钉支护的作用机理
• 2.3 土钉支护的力学性状
• 2.3.1 土钉工作的受力分析
• 2.3.2 土钉最大拉力的计算方法
• 2.4 土钉支护稳定性分析
• 2.4.1 土钉支护的破坏模式
• 2.4.2 土钉支护的稳定性分析
• 2.5 土钉支护的设计原则和步骤
• 2.5.1 土钉支护的设计原则
• 2.5.2 土钉支护的设计过程
• 2.6 本章小结
• 第三章 土钉支护有限元分析理论基础
• 3.1 有限元分析的基本理论
• 3.1.1 有限元法概述
• 3.1.2 有限元法分析过程
• 3.2 土钉支护有限元分析理论基础
• 3.2.1 土的本构模型
• 3.2.2 土钉支护有限元计算常用单元分析
• 3.2.3 基坑开挖单元的添加和删除原理
• 3.3 本章小结
• 第四章 基坑土钉支护实例分析
• 4.1 有限元分析软件MIDAS/GTS 简介
• 4.2 工程概况及场地地质条件
• 4.2.1 工程概况
• 4.2.2 场地地质条件
• 4.3 土钉支护有限元分析模型的建立
• 4.3.1 分析模型的建立
• 4.3.2 有限元计算参数的确定
• 4.3.3 工况设置
• 4.4 计算结果分析
• 4.4.1 土钉轴力分析
• 4.4.2 侧壁水平位移分析
• 4.4.3 坑周地表沉降分析
• 4.4.4 坑底回弹分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 遗传算法与土钉支护优化设计
• 5.1 遗传算法概述
• 5.1.1 遗传算法的发展回顾
• 5.1.2 遗传算法的应用领域
• 5.1.3 遗传算法的特点
• 5.1.4 遗传算法的基本概念
• 5.1.5 遗传算法的数学理论基础
• 5.2 遗传算法的实现过程
• 5.2.1.染色体编码与解码
• 5.2.2 初始群体的生成
• 5.2.3 适应度值评价检测
• 5.2.4 选择
• 5.2.5 交叉
• 5.2.6 变异
• 5.2.7 终止条件判断
• 5.3 遗传算法应用示例
• 5.3.1 Matlab 遗传算法工具箱（GAOT）介绍
• 5.3.2 Matlab 遗传算法工具箱（GAOT）的应用举例
• 5.4 基坑土钉支护优化设计的遗传算法
• 5.4.1 基坑土钉支护优化设计的数学模型
• 5.4.2 问题的求解
• 5.5 基坑土钉支护优化方案的数值模拟评估
• 5.5.1 基坑土钉支护优化方案稳定性分析
• 5.5.2 优化方案的支护内力及基坑变形分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的论著及参与的科研项目
• 发表论文情况
• 参与科研项目