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应用于基坑围护结构变形计算的非线性土体弹簧模型及参数研究

汇报人：

2024-01-25

引言

非线性土体弹簧模型理论

基坑围护结构变形计算方法

参数敏感性分析与优化

工程实例验证与应用

结论与展望

contents

目

录

引言

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国内外学者在非线性土体模型方面进行了大量研究，提出了多种模型，如修正剑桥模型、邓肯-张模型等。

目前，非线性土体弹簧模型在基坑围护结构变形计算中的应用逐渐受到关注，但仍存在模型参数确定困难、计算复杂等问题。

未来发展趋势将更加注重模型的实用性和计算效率，以及考虑更多影响土体行为的因素。

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研究目的：建立适用于基坑围护结构变形计算的非线性土体弹簧模型，并探讨模型参数的确定方法。

研究内容

对比分析现有非线性土体模型的优缺点，选择合适的模型作为基础。

通过室内试验和现场监测数据，标定和验证模型参数。

将所建立的非线性土体弹簧模型应用于实际基坑工程案例，分析围护结构变形计算结果。

探讨不同因素对非线性土体弹簧模型参数的影响规律。

非线性土体弹簧模型理论

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将土体视为由一系列弹簧组成的连续体，通过弹簧的变形来模拟土体的应力-应变关系。

土体弹簧模型定义

弹簧刚度

变形协调条件

反映土体抵抗变形的能力，与土体的物理性质、应力状态等因素有关。

确保围护结构与土体之间变形协调，避免产生过大的相对位移。

非线性弹簧刚度确定

考虑土体的非线性应力-应变关系，通过试验或经验公式确定非线性弹簧刚度。

模型建立方法

基于有限元法、有限差分法等数值方法，建立非线性土体弹簧模型。

边界条件处理

合理设置模型的边界条件，以模拟实际基坑开挖过程中的约束情况。

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室内试验法

通过室内土工试验，获取土体的物理力学参数，为模型提供参数依据。

现场测试法

通过现场原位测试或监测数据，反演分析得到土体的力学参数。

经验公式法

根据工程经验或相关规范，采用经验公式计算土体的力学参数。

数值模拟法

结合室内试验和现场测试数据，利用数值模拟方法进行参数优化和验证。

基坑围护结构变形计算方法

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随着荷载的增加，围护结构的变形逐渐增大，且变形速率也逐渐加快。

基坑围护结构变形具有非线性特性

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土体的压缩性、抗剪强度等物理力学性质对围护结构变形有显著影响。

围护结构变形受土体性质影响

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随着时间的推移和外部环境（如温度、湿度）的变化，围护结构的变形也会发生变化。

变形与时间和环境因素有关

参数敏感性分析与优化

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全局敏感性分析

同时考虑多个参数的变化，采用多元回归、方差分析等统计方法，分析各参数对基坑围护结构变形的综合影响。

基于代理模型的敏感性分析

利用代理模型（如多项式回归、神经网络等）拟合参数与基坑围护结构变形之间的关系，进而分析各参数的敏感性。

局部敏感性分析

通过改变单一参数值，观察其对基坑围护结构变形的影响程度，评估各参数的敏感性。

土体弹性模量

土体弹性模量越大，基坑围护结构的变形越小，反之亦然。

土体泊松比

泊松比反映了土体的侧向变形能力，泊松比越大，基坑围护结构的侧向变形越大。

支护结构刚度

支护结构刚度越大，对土体的约束作用越强，基坑围护结构的变形越小。

基坑开挖深度

随着基坑开挖深度的增加，基坑围护结构的变形逐渐增大。

基于敏感性分析的参数优化

根据敏感性分析结果，确定关键参数及其影响规律，有针对性地进行参数优化。

综合考虑基坑围护结构变形、稳定性、经济性等多个目标，采用多目标优化算法（如遗传算法、粒子群算法等）进行参数优化。

利用代理模型拟合参数与基坑围护结构变形之间的关系，采用优化算法（如梯度下降法、模拟退火法等）在代理模型上进行参数寻优。

将优化后的参数应用于实际工程案例，通过对比分析验证参数优化效果。

多目标优化方法

基于代理模型的参数优化

工程实例验证

工程实例验证与应用

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某地铁站基坑工程，长150m，宽20m，深12m，采用地下连续墙作为围护结构。

工程概况

场地土层主要为黏性土、粉土和砂土，地下水位位于地表下2m。

地质条件

基坑开挖采用分层开挖方式，每层开挖深度为2m，共开挖6层。

施工情况

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模型建立

根据地质勘察报告和基坑设计参数，建立非线性土体弹簧模型，模拟基坑围护结构的变形行为。

模拟结果

通过模型计算，得到基坑围护结构在不同开挖阶段的水平位移和竖向位移，以及土压力分布情况。

效果分析

将模拟结果与现场监测数据进行对比，发现两者吻合度较高，验证了非线性土体弹簧模型在基坑围护结构变形计算中的有效性。

对比方法

除了非线性土体弹簧模型外，还采用了有限元法和经验公式法进行基坑围护结构变形计算。

对比结果

通过对比分析，发现非线性土体弹簧模型在计算精度和计算效率上均优于其他两种方法。有限元法虽然