深基坑开挖数值模拟与参数优化研究

摘要

基坑工程面对各种各样的地基土和复杂的环境条件进行施工作业，存在各种不确定因素，所以很难对基坑工程的设计与施工制定一套标准模式，或用一套严密的理论和计算方法，能够把握施工中可能发生的各种变化。

本文首先介绍了目前常用的几种计算基坑受力与变形的方法和有限元理论，在此基础上，对如何将有限元理论应用于基坑工程，以合理地指导设计与施工做了深入的研究。并就以下两方面应用进行实例分析。

⑴基坑的计算与分析。采用有限元方法对基坑工程进行模拟计算。本文对重力式挡墙围护结构基坑工程进行了有限元模拟计算，根据与实际监测资料的对比分析，表明本文所采用有限元方法是合理可行的。另外本文还比较了增量法与全量法计算结果的差异，讨论了桩体刚度、桩土弹性模量、地面超载、土体性质等因素对支护结构的影响，得到了一些可供工程参考的结论。

⑵基坑围护结构的优化设计。本文选取支撑截面尺寸等作为设计变量（DVs），通过改变这些变量的数值来实现结果的优化。同时以测点的内力、位移等作为状态变量（SVs），通过这些变量可以约束设计，以保证基坑工程的安全。最后以整个支撑系统所用混凝土的体积为目标函数，希望计量减小这个数值，以降低工程的造价，最终得到了令人满意的结果。

关键词：深基坑，支护体系，有限元，优化设计

ABSTRACT

Because of various foundation conditions and complicated environment，some uncertain factors consist in the constructing of foundation pit，so it is difficult in establishing a suit of standard mode for the design and constructing of foundation pit project，or settling all potential movement in constructing of foundation pit project with a suit of narrow theory and cacluational method.

In the first part of this paper，the current calculational methods in common use are introduced，and the main FEM theories are studied，and the characteristic of each theory are analysed，some corresponding improvement is maked. In the second part，how to apply the FEM theories in foundation pit project to guide design and construction is studied，and two main application methods are advanced.

⑴ Calculate and Analyse. Simulate and Calculate the foundation pit project with the bar system FEM or the planar or spacial finite element method. The pile building enclosure with two or three bracing pieces and the gravity retaining wall are particularized as example in this paper. From the antithesis with datum practically measured，it indicates that the FEM which is adopt by this paper is logical and feasible. In addition，in this paper，the calculate results of incremental calculation method and total calculation method are compared；the infection of the piles tiffness、the elastic modulus of soil and pile、the excess load、the soil character to building enclosure are discussed，and some useful conclusions are found.

⑵Optimization Design. According to the design principle of safety and economic，this paper has studied the implement of optimization design for the support construction in foundation pit with the total amount of material as object function，and the pile diameter、the pile length、the supporting location and the supporting diameter as the design variables.

Keywords：deep foundation pit，support system，finite element method，design-optimization

目录

第一章绪论 (1)

1.1 课题背景及研究意义 (1)

1.2 基坑支护现状及存在的问题 (2)

1.2.1 基坑支护现状 (2)

1.2.2 深基坑工程的特点 (3)

1.2.3 深基坑工程中存在的主要问题 (3)

1.3 土体本构关系及数值分析研究现状 (4)

1.3.1 土体本构关系研究现状 (4)

1.3.2 基坑工程数值分析研究现状 (6)

1.4 本文主要研究内容 (8)

第二章有限元理论在深基坑开挖工程中的应用 (10)

2.1基坑工程的有限元分析原理简介 (10)

2.1.1基坑工程有限元基本方程 (10)

2.1.2 土体非线性模型 (13)

2.1.3 接触面的模拟 (16)

2.1.4 建筑基坑开挖基本过程模拟 (18)

2.2 基坑开挖工程简介 (20)

2.2.1 工程概况 (20)

2.2.2 场地水文工程地质概况 (20)

2.2.3 支护方案 (21)

2.3 有限元模型的建立 (21)

2.3.1 模型参数的选取 (21)

2.3.2 基本假定 (22)

2.3.3 网格划分 (22)

2.4 计算结果及分析 (22)

2.4.1 桩身位移分析 (23)

2.4.2 桩身内力分析 (24)

2.4.3 地表沉降分析 (26)

2.4.4 桩体刚度的影响 (28)

2.4.5 桩土弹性模量的影响 (29)

2.4.6 地面超载的影响 (31)

2.5 控制基坑变形工程措施的研究 (32)

2.5.1 设计中对变形的控制措施 (32)

2.5.2 施工中对变形的控制措施 (35)

2.6 小结 (36)

3.1 优化设计理论简介 (38)

3.1.1 优化设计基本概念 (38)

3.1.2 优化设计的步骤与算法 (39)

3.2 深基坑内支撑系统的优化设计研究 (41)

3.2.1工程背景 (41)

3.2.2 设计优化的步骤与方法 (41)

3.2.3 设计优化的结果分析 (43)