基坑土釘支護的數值模擬及其預報系統(tǒng).pdf

1、隨著工業(yè)和城市建設的發(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施日益增多，基坑開挖深度由淺向深方向發(fā)展。土釘支護以其突出的經濟性與良好的工作性能在基坑工程中得到了廣泛的應用，許多學者對土釘支護進行了大量的研究和理論研究，但是對土釘支護結構的局部失穩(wěn)的機理及其性狀還沒有完全搞清楚，該問題仍有進一步研究的必要。 在有限覆蓋系統(tǒng)基礎上新發(fā)展起來

2、的數值流形方法，在巖土工程界引起了廣泛的關注、它以拓撲流形為基礎，聯合物理網格和數學網格，通過在分析域內各物理覆蓋上建立一般覆蓋函數和加權求和形成的總體位移函數，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、較為通用的數值方法。 本文主要采用如下兩種方法對土釘支護結構在基坑開挖過程中的性狀進行探討：(1)應用數值流形法的基

3、本原理，將有限元網格轉換為數值流形法的有限覆蓋，然后重新定義網格屬性和構造覆蓋函數，從非線性理論體系入手，推導了基于變分原理的非線性數值流形元法的理論計算公式，建立了非線性數值流形元法的控制方程；土體模型采用工程界廣泛應用的鄧肯-張模型，它能較好地反映土體的應力應變特性，原模型是針對平面應變問題提出的，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

4、；在土與土釘的界面上，可設置三維薄層接觸面單元，用桿件單元或實體單元來模擬土釘，并編寫了相應的計算程序，該程序考慮了基坑的分步開挖、土釘和面層的設置等復雜的施工過程，可對土釘支護結構進行局部分析和整體分析，具有強大的前后處理功能，實現了計算結果的可視化；(2)結合不確定性推理原理，采用一種在線學習的算法，建立了一種具有“自我學習”的動態(tài)網絡模型，利用基坑開挖前期的實測數據對網絡進行訓練，并利用訓練好的網絡對基坑開挖后期的性狀進行預測；應

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行了計算分析。在此基礎上，獲得了一些研究成果。 1土釘支護具有較強的空間效應，支護結構的水平位移曲線在空間效應較弱的剖面處表現為上部大下部小，而在空間效應較強處表現為兩頭小中間大的“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，土釘支護的空間效應不明顯，而在開挖范圍內的上部，空間效應比較明顯。 2在土體發(fā)生變形的條件下，土釘周圍的應力

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

7、加了土體的抗剪強度；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力，但另一方面其法向分量又降低了土體的抗剪強度。 (3)從土釘的整個方向看來：根據土釘所受的剪應力大小，認為在開挖階段土釘抗剪作用不是很明顯，主要表現為受拉作用。 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、有支護作用的柔性結構體，共同承擔基坑外圍土體的側壓力并維護本身的穩(wěn)定性，變被動支護為主動支護。該作用是由于由土釘本身的剛度和強度以及它在土體內的分布空間所決定的，主要體現在適宜的土釘間距情況下釘間土形成的土拱效應，約束釘間土的側向變形。 4考慮神經網絡是一種處理非線性問題的有效工具，可以將其應用到研究土體的本構關系中來。對土釘應力的前期變化進行監(jiān)測和后續(xù)的變化進行預測將有助于分析支護結構的內部穩(wěn)定性，而對支護結構的水平位移的前期