基坑土釘支護(hù)的數(shù)值模擬及其預(yù)報系統(tǒng).pdf

1、隨著工業(yè)和城市建設(shè)的發(fā)展，城市地面空間愈加緊張，地下空間作為一種尚未充分利用的資源，己開始受到重視并加以開發(fā)利用，地下車庫、地下商場、地下鐵道等各種地下設(shè)施日益增多，基坑開挖深度由淺向深方向發(fā)展。土釘支護(hù)以其突出的經(jīng)濟(jì)性與良好的工作性能在基坑工程中得到了廣泛的應(yīng)用，許多學(xué)者對土釘支護(hù)進(jìn)行了大量的研究和理論研究，但是對土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的局部失穩(wěn)的機(jī)理及其性狀還沒有完全搞清楚，該問題仍有進(jìn)一步研究的必要。 在有限覆蓋系統(tǒng)基礎(chǔ)上新發(fā)展起來

2、的數(shù)值流形方法，在巖土工程界引起了廣泛的關(guān)注、它以拓?fù)淞餍螢榛A(chǔ)，聯(lián)合物理網(wǎng)格和數(shù)學(xué)網(wǎng)格，通過在分析域內(nèi)各物理覆蓋上建立一般覆蓋函數(shù)和加權(quán)求和形成的總體位移函數(shù)，可以將解析法、有限元法和適用于塊體分析的DDA(DiscontinuousDeformationAnalysis)法包含并融合于統(tǒng)一的形式中，是一種新的、較為通用的數(shù)值方法。 本文主要采用如下兩種方法對土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑開挖過程中的性狀進(jìn)行探討：(1)應(yīng)用數(shù)值流形法的基

3、本原理，將有限元網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為數(shù)值流形法的有限覆蓋，然后重新定義網(wǎng)格屬性和構(gòu)造覆蓋函數(shù)，從非線性理論體系入手，推導(dǎo)了基于變分原理的非線性數(shù)值流形元法的理論計算公式，建立了非線性數(shù)值流形元法的控制方程；土體模型采用工程界廣泛應(yīng)用的鄧肯-張模型，它能較好地反映土體的應(yīng)力應(yīng)變特性，原模型是針對平面應(yīng)變問題提出的，本文將其推廣到三維問題上；接觸面性狀模型采用殷宗澤模型，它能合理地反映接觸面及其臨近區(qū)域剪切破壞帶中的變形特性，而且沒有額外引入任何參數(shù)

4、；在土與土釘?shù)慕缑嫔?，可設(shè)置三維薄層接觸面單元，用桿件單元或?qū)嶓w單元來模擬土釘，并編寫了相應(yīng)的計算程序，該程序考慮了基坑的分步開挖、土釘和面層的設(shè)置等復(fù)雜的施工過程，可對土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部分析和整體分析，具有強(qiáng)大的前后處理功能，實現(xiàn)了計算結(jié)果的可視化；(2)結(jié)合不確定性推理原理，采用一種在線學(xué)習(xí)的算法，建立了一種具有“自我學(xué)習(xí)”的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型，利用基坑開挖前期的實測數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，并利用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)對基坑開挖后期的性狀進(jìn)行預(yù)測；應(yīng)

5、用趨勢面分析的原理對開挖的坑壁面的土體單元位移進(jìn)行了計算分析。在此基礎(chǔ)上，獲得了一些研究成果。 1土釘支護(hù)具有較強(qiáng)的空間效應(yīng)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移曲線在空間效應(yīng)較弱的剖面處表現(xiàn)為上部大下部小，而在空間效應(yīng)較強(qiáng)處表現(xiàn)為兩頭小中間大的“鼓形”分布。在基坑寬度方向上的空間作用比基坑長度方向上作用大；在開挖面附近及以下深度，土釘支護(hù)的空間效應(yīng)不明顯，而在開挖范圍內(nèi)的上部，空間效應(yīng)比較明顯。 2在土體發(fā)生變形的條件下，土釘周圍的應(yīng)力

6、轉(zhuǎn)移到土釘上，并通過土釘與土體接觸界面上的粘結(jié)力或摩擦力，使土釘被動受拉；土釘起著應(yīng)力傳遞與擴(kuò)散作用，很大程度上減小了土體的拉應(yīng)力分布區(qū)，減小了坡腳處的應(yīng)力集中區(qū)和集中程度，使得土釘分布區(qū)內(nèi)的剪應(yīng)力相對減小。 (1)土釘前端抗剪抗彎的作用明顯大于土釘?shù)奈膊浚瑫r土釘中部存在一個扭矩平衡點(diǎn)，這一部位也是容易造成土釘屈服或被折斷的位置。 (2)土釘中的拉應(yīng)力作用包括兩個方面：一是直接減小了土體單元的剪應(yīng)力，二是通過法向分量增

7、加了土體的抗剪強(qiáng)度；而剪力的作用包括兩個方面：一是通過其切向分量增加了作用于土體單元的剪應(yīng)力，但另一方面其法向分量又降低了土體的抗剪強(qiáng)度。 (3)從土釘?shù)恼麄€方向看來：根據(jù)土釘所受的剪應(yīng)力大小，認(rèn)為在開挖階段土釘抗剪作用不是很明顯，主要表現(xiàn)為受拉作用。 3土釘具有骨架約束連接作用并具一定的錨固作用，它能充分發(fā)揮土體本身的自承自穩(wěn)及擋土能力。一方面釘土間的摩擦阻力提高了土釘本身強(qiáng)度，另一方面由于土釘與土體共同作用形成一個具

8、有支護(hù)作用的柔性結(jié)構(gòu)體，共同承擔(dān)基坑外圍土體的側(cè)壓力并維護(hù)本身的穩(wěn)定性，變被動支護(hù)為主動支護(hù)。該作用是由于由土釘本身的剛度和強(qiáng)度以及它在土體內(nèi)的分布空間所決定的，主要體現(xiàn)在適宜的土釘間距情況下釘間土形成的土拱效應(yīng)，約束釘間土的側(cè)向變形。 4考慮神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種處理非線性問題的有效工具，可以將其應(yīng)用到研究土體的本構(gòu)關(guān)系中來。對土釘應(yīng)力的前期變化進(jìn)行監(jiān)測和后續(xù)的變化進(jìn)行預(yù)測將有助于分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部穩(wěn)定性，而對支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移的前期