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本文以武汉市市政建设集团有限公司申报的《反演分析在武汉长江隧道基坑支护中的应用研究》项目为依托,研究基坑工程中土体参数m的取值,而通过位移反分析法来确定土体的m值对基坑支护设计计算具有重要的现实意义,首先,反分析方法得到的m值是较为符合实际工程情况中的支护结构体系和土体状态的综合指标,因此可以利用实际工程中已施工完成工况的实测位移,来反演出土体在后续工况条件下的m值,进而预测后续工况下支护结构的变形位移,以实现工程的动态优化设计;其次,可以经过工程地质条件相类似的多个实际工程的反演分析,来确定各类型条件下基坑工程支护设计所需用到的土体m值的取值范围,从而可以节约大量资源。
简单介绍了基坑工程的发展、现状、研究存在的问题以及反分析方法的发展及现状;然后选取武汉地区的武汉长江隧道汉口明挖段基坑工程、武昌明挖段基坑工程以及武汉市轨道交通二号线金色雅园地铁站基坑工程三个工程实例,从工程概况、工程地质条件、基坑围护设计、基坑监测布置等方面作了介绍,并简单分析了选取这些工程实例的原因。第一,所选三个工程实例都是武汉地区基坑工程建设中非常成功的例子,基坑支护侧向位移控制非常成功;第二,三个基坑都呈长宽比较大的长条形线状基坑,且在一定的长度范围内其支护形式相同(桩+内支撑或者地下连续墙+内支撑),与论文中的反演分析条件十分贴切;第三,可以对相同和不同成因的同类型土体m值进行反演,从而使反演结果更具有广泛性和代表性。
接着详细介绍了优化反演计算的整个过程,根据本文研究对象的具体情况,取围护结构实测位移和计算位移的差值平方和最小构建目标函数,并结合实际工程经验,采用参数变化的方法将约束问题转化为无约束问题。详细阐述了经典单纯形基本思想和计算方法,并分析了该方法在求解高度非线性目标函数最优值问题时容易出现的畸变或退化问题,引进了映射单纯形的思想,保证每次迭代后单纯形与初始单纯形相似。MATLAB编制单纯形优化算法程序,并编制接口程序实现对ANSYS的实时调用,完成整个优化反演计算过程。
优化反演分析步骤如下:
(1)根据土体的类别和物理性质,由工程经验和相关规范确定地基土水平抗力系数的比例系数m的初值及其变化范围。
(2)由m初值,进行参数变化,获得相应初始向量。
(3)MATLAB编单纯形程序,由初始向量经单纯形算法构造初始单纯形,并调用编制的ANSYS有限元程序,计算得到该工况下支护结构的水平位移。
(4)由计算位移值和实测位移值构建目标函数,由收敛准则对计算结果进行判别。
(5)用单纯形优化算法,通过迭代逐次改进m值,调用ANSYS有限元程序计算该工况位移。
(6)根据反分析得到的m值,预测下一工况或相邻地段支护结构的位移。
最后经工程实例的反演分析研究,得到如下结论:
(1)在进行分工况反演时任一工况下均可以反演得到所有待求土体的m值。
(2)土体m值对围护结构位移有影响,m值增大,桩身位移减小,m值减小,桩身位移增大;位于最终开挖面以上的土层m值对开挖面以上结构位移影响程度大于开挖面以下部位;在设计允许的围护结构位移范围内,进行基坑支护设计计算时适当提高m值的取值,有利于节约工程成本。
(3)利用基坑上一工况或相邻地段开挖反演得到的m值来预测下一工况或临近地段围护结构开挖过程中的位移的方法是可行的,而由此考虑信息化施工时,及时提高开挖面以下土层m值以减小网护结构的位移是行之有效的方法。
(4)经过反演分析,获得武汉几个地区主要土层的m值优化取值范围。