深基坑土体力学参数动态反演研究.doc

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1、一 位移反分析的基本原理从系统角度来看，基坑工程是一个复杂的巨系统，人们对其进行的各种施工活动，均可看成系统输入，而人们量测到的位移、变形破坏则为系统对输入的响应，即系统的输出（如图1-l所示）。而反分析则是根据一个灰色系统的输出确定输入的过程，也可以看成由系统的输出到输入的映射。而人工神经网络（Artificial Neural Network，简称ANN）是一个复杂的非线性动态系统，具有大规模的并行处理和分布式的信息存储能力、良好的自适应性、很强的学习联想、容错性和抗干扰能力，几乎可以模拟任何复杂的非线性系统。图1-1 基坑工程系统示意图用神经网络建模不需要知道变形与所求参数之间的关系，通

2、过样本学习和记忆，就可找出输入（岩土体力学参数）与输出（位移）之间的非线性特征关系。基坑工程计算中较多采用三层BP网络模型。神经网络具有很强的非线性映射能力，数值模拟具有很好的定量分析能力，两者结合起来是位移智能化反分析的一条有效途径。本文进行基坑岩土体力学参数的位移反分析研究主要综合运用了正交试验法、有限差分法以及BP神经网络方法。根据正交试验对各土层土体力学参数进行分组设计，运用有限差分软件FLAC3D对基坑开挖工况进行模拟计算，根据计算结果构建BP神经网络训练样本，采用BP神经网络模型进行土体力学参数的位移反分析研究。具体实施步骤如下：（1）按正交试验法进行土体力学参数分组设计；（2）产

3、生BP神经网络的训练样本集：首先根据有限差分计算，得到由计算位移值和相应输入岩土体力学参数组成的雏形样本集；再将雏形样本集经过样本空间的映射，转换为0，1实数空间范围内的实际训练样本；（3）确定BP网络结构，用样本集对网络进行学习训练，建立计算位移与输入参数之间的非线性关系；（4）利用训练好的神经网络进行后期的计算，把测得的实际位移输入到训练好的神经网络进行反分析，神经网络则输出相应的岩土体力学参数；（5）把反分析所得的岩土体力学参数输入有限差分正分析程序，进行内力、变形等预测分析。利用神经网络模拟有限差分计算过程，不仅可以提高反分析计算的精度，同时还可以提高计算效率。1.1 FLAC3D的基

4、本理论和计算原理许多工程分析问题，都可归纳为在给定的边界条件下求解其控制方程（常微分方程或偏微分方程）的问题，但能用解析方法求出精确解的只是方程性质比较简单，且几何边界相当规则的少数问题。对于大多数的工程技术问题，由于物体的几何形状较复杂或者问题的某些特征是非线性的，人们在广泛吸收现代数学、力学理论的基础上，借助于计算机技术来获得满足工程要求的数值解，这就是数值模拟技术。目前在岩土工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限元法（Finite Element Method）、边界元法（Boundary Element Method）、离散元法（Discrete Element Method）、块体

5、理论（Block Theory）反演分析（Back Analysis）、有限元边界元耦合法。本次对基坑开挖支护的数值模拟，采用FLAC3D软件进行。FLAC是快速拉格朗日差分分析（Fast Lagrangian Analysis of Continua）的简写。FLAC是力学计算的数值方法之一，该名词渊源于流体动力学，它研究每个流体质点随时间变化的情况，即着眼于某一个流体质点在不同时刻的运动轨迹、速度及压力等。快速拉格朗日差分分析将计算域划分为若干单元，单元网格可以随着材料的变形而变形，即所谓的拉格朗日算法，这种算法可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大

6、变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。 1.1.1 FLAC3D的本构模型岩土本构关系是指通过一些试验测试少量的岩、土体弹塑性应力应变关系曲线，然后通过岩土塑性理论及某些必要的补充假设，将这些试验结果推广到复杂应力、组合状态中去，以求取应力应变的普遍关系；将这种应力应变关系以数学表达式表达，即称为岩土本构模型。岩土材料的多样性及其力学特性的差异，使得人们无法采用统一的本构模型来表达其在外力作用下的力学响应特性，因而开发出了多种岩土本构模型。FLAC3D中内置12种岩土本构模型以适应各种工程分析的需要，它们是：（1） 空模型（Null Model）：通常用来表示被移除或开挖的材料，且移除

7、或开挖区域的应力自动设置为零。在数值模拟的后续阶段，空模型材料也可以转化成其他的材料模型。采用这种模型，可以进行诸如开挖、回填之类的模拟。（2）弹性模型（Elastic model）：弹性本构模型具有卸载后变形可恢复的特性，其应力应变规律是线性的，与应力路径无关，包含3个弹性模型。各向同性弹性模型（Elastic Isotropic model）代表均匀连续各向同性并为线性应力应变关系的材料；正交各向异性弹性模型（Orthotropic Model）适用于具有良好各向异性弹性性质的弹性材料；横观各向异性弹性模型（Transversely Isotropic Model）适用于模拟在各层的法线方

8、向和切线方向的弹性模量有明显差异的层状弹性材料。（3）塑性模型（Plastic model）：包含8个塑性模型。德鲁克普拉格模型（Drucker-Prager Model）是一种塑性模型，其剪切屈服应力是法向应力的函数；莫尔库仑模型（Mohr-Coulomb Model）代表在剪切荷载下产生屈服的材料，但其屈服应力仅仅决定于大小主应力，中主应力对屈服不产生影响；应变硬化/软化莫尔库仑模型（Strain-Hardening/Softening Mohr-Coulomb Model）基于莫尔库仑塑性模型，它能够反映荷载超过土体初始破坏条件时剪切强度所表现出的硬化或软化特性；遍有节理模型（Ubiqu

9、itous-Joint Model）用来模拟岩土材料（主要为岩石）中的软弱面；双线性应变软化遍有节理模型（Bilinear Strain-Hardening/Softening Ubiquitous-Joint Model）结合了应变软化莫尔库仑模型和遍有节理模型的特性，这种模型对岩体或土体和节理均采用了双线性破坏准则；修正剑桥模型（Modified Cam-clay Model）能够考虑土体塑性体积变形的影响。 1.1.2 FLAC3D的计算原理FLAC程序的基本原理和算法与离散元相似，但它却像有限元那样适用于多种材料模式与边界条件的非规则区域的连续问题求解；在求解过程中，FLAC采用了离散

10、元的动态松弛法，不需要求解大型联立方程组（刚度矩阵）。同时，同以往的差分分析方法相比，FLAC不但可以对连续介质进行大变形分析，而且能模拟岩体沿某一软弱面产生的滑动变形，FLAC还能在同一计算模型中针对不同的材料特性，使用相应的本构方程来比较真实地反映实际材料的动态行为。具体地讲，FLAC的基本原理如下：FLAC用差分方法求解，因此首先要生成网格。将物理网格（图1-2）y映射在数学网格（图1-3）上，这样数学网格上的某个编号为i，j的结点就与物理网格上相应的结点的坐标x，y相对应，这一过程可以想象为数学网格是一张橡皮做的网，拉扯以后可以变为物理网格的形。 图1-2 物理网格 图1-3 数学网格

11、假定某一时刻各个节点的速度为己知，则根据高斯定理可求得单元的应变率，进而根据材料的本构定律可求得单元的新应力。根据高斯定理，对于函数F有： （1-1）式中，是函数求解域（或单元）的体积；是的边界；是的单位外法线矢量。定义梯度的平均值 （1-2）式中，表示求平均值。 对于一个具有条边的多边形，上式可写成对条边求和的形式： （1-3）式中，是多边形的边长，是在上的平均值。假定以速度代替式（1-3）中的，且取边两端的结点（即差分网络的角点）和的速度平均值，则： （1-4）对于三角形单元（如图1-4）： （1-5）同理可求出值。由几何方程可求得单元的平均应变增量： （1-6） 图1-4计算单元示意图

12、图1-5积分路径由广义虎克定律，各向同性材料的本构方程为：式中，为拉梅常数；，即体积应变； （1-7）因此单元的平均应力增量可表达成： （1-8）同时，若以应力表示应变，则其本构关系为： （3-9）式中，为泊松比；为弹性模量；为应力第一不变量。这样，通过上述各式的迭代求解，便可求出每一迭代时步相应各单元的应力和应变值。由莫尔库仑屈服准则： （1-10）将式（1-10）转换成用单元应力表示的形式： （1-11）式中，根据各单元值的大小便可判断单元屈服与否（屈服；否则不屈服）。上面已求出了各域（单元）的应力，下面来求各结点的平衡力。由结点的运动方程： （1-12）式中，为总加速度；为重力加速度。对

13、（1-12）沿积分路径积分（见图1-5）得： （1-13）其中，为某结点周围单元作用在该结点的集中力。 （1-14）式中，指作用在结点中的合力（净力）。 利用中心差分，得该结点加速度和速度： （1-15） （1-16）其中，为结点上一时步的速度，而也已求出。进一步得结点位移： （1-17）图3-6 拉格朗日差分法计算循环按照上述思路，通过迭代求解，便可求出各个时步模型各单元（或结点）的应力、变形值，进而可模拟出整个模型变形破坏过程。拉格朗日差分法计算循环如图1-6所示。 1.1.3 FLAC3D的优点及其在岩土工程中的应用FLAC程序的功能非常强大，它不但可以用于分析计算一般岩土体的应力和变形

14、情况，还可以进行水热力三者的耦合分析、地震动力分析以及岩土体蠕变行为分析等。与现行的数值方法相比，F LAC具有以下几方面的优点：（1）求解过程中，采用迭代法求解，不需要存储较大的刚度矩阵，比有限元方法大大地节省了内存，这一优点在三维分析中显得特别重要。（2）在现行的FLAC程序中，采用了“混合离散化”（mixed discrimination）技术可以比有限元的数值积分更为精确和有效地模拟计算材料的塑性破坏（plastic collapse）和塑性流动（plastic flow）。（3）采用显式差分求解，几乎可以在与求解线性应力应变本构方程相同的时间内，求解任意的非线性应力应变本构方程。因此

15、，FLAC它比一般的差分分析方法相比大大地节约了时间，提高了解决问题的速度。（4）在FLAC中，所用的是全动力学方程（full dynamic equation），即使在求解静力学问题时也如此。因此，它可以很好地分析和计算物理非稳定过程，这是一般的有限元方法所不能解决的。（5）可以比较接近实际的模拟岩土工程施工过程。FLAC采用差分方法，每一步的计算结果与时间相对应，用此可以充分考虑施工过程中的时间效应。同时，FLAC程序采用人机交互式的批命令形式执行，在计算过程中可以根据施工过程对计算模型和参数取值等进行实时地调整，达到对施工过程进行实时地仿真的目的。此外，FLAC3D具有良好的前后处理功能

16、，计算时三维网格自动被剖分成四面体单元。因此，在网格形状划分上没有太多限制，可以准确地模拟工程实际：每个单元体都可以有自己的材料模型，材料可以在外力及应力作用下屈服流动，网格也随着材料的变形而改变（大变形模式）。由于显式方法不需形成矩阵，因此，对计算机硬件的要求也相应降低；同时，程序对差分方程解迭代的精确性和收敛性进行了优化，计算时间和计算结果都能够满足要求。对于岩土材料来说，显式方法很容易引入材料的非线性本构关系。对于遵循非线性应力应变关系的材料来说，也不需要进行迭代计算（这往往在计算中造成很大误差）；相应于某一给定的应变增量的应力增量，可以在给定的区域内，按实际发生的那样，指定使其符合非线

17、性本构方程。这样，非线性定律可以按它正确的物理模式得以遵循，而不是取决于迭代方法途径的敏感性。岩土工程问题包含力学、流体流动、热传导等广泛的物理过程。FLAC程序可以模拟这些运动的单个过程，也可模拟它们之间的耦合作用。具体来讲， FLAC3D程序可用于下列岩土工程问题的研究：（1）边坡稳定和基础设计中的承载能力及变形分析；（2）隧道、矿山巷道等地下工程的变形与破坏分析；（3）隧道等地下工程衬砌、岩石锚杆、锚索、土钉等支护结构的分析；（4）隧道及采矿工程中的动力作用与震动分析；（5）水工结构中流体流动以及水一结构相互作用分析；（6）基础与大坝由于振动或变化的孔隙压力作用发生的液化现象分析；1.2

18、 BP神经网络的基本理论与计算原理人工神经网络理论是八十年代后期世界范围内迅速发展起来的一个前沿的研究领域，它是利用物理可实现的器件或利用计算机来模拟生物神经网络的某些结构和功能，具有非线性映射能力和无模型估计的特征，是处理非线性映射问题的有效工具。神经网络因其具有自组织、自学习、自适应和并行处理（响应速度快）等特点，同时还具有很强的输入输出非线性映射能力和易于学习与训练的优点，引起了众多领域科学家的广泛关注，成为目前国际上非常活跃的前沿领域之一。人工神经网络有数十种模型，比较典型的有BP网络、Hopfield网络、CPN网络、RBF网络、CNN网络等，目前，在人工神经网络地实际应用中，绝大部

19、分的神经网络模型是采用前向多层神经网络的反传学习理论，它也是前向网络的核心部分，并体现了人工神经网络最精华的部分。1.2.1 BP神经网络的基本理论误差逆传播神经网络是目前应用最广的神经网络，它是按照误差逆传播学习算法进行训练的多阶层神经网络，简称BP（Back-Propagation）网络。BP神经网络是一种具有二层或二层以上的阶层型神经网络。上下层之间各神经元实现全连接，即下层的每一个单元与上层的每个单元都实现权连接，而每层的各个神经元之间无连接。网络按照有教师示教的方式进行学习，当一个学习样本提供给网络后，神经元的激活值，从输入层经中间层向输出层传播，在输出层的各神经元获得网络的输入响应

20、。在这之后，按减小希望输出与实际输出误差的方向，从输出层经各中间层逐层修正各连接权，最后回到输入层，因此得名“误差逆传播算法”。随着这种误差逆传播修正的不断进行，网络对输入模式响应的正确率也不断上升。由于误差逆传播网络及其算法增加了中间隐层并有相应学习规则可循，使其具有识别非线性模式的能力。特别是其数学意义明确，步骤分明的学习算法，更使其具有广泛的应用前景。常用的网络有三到四层。采用越多的中间层，训练时间就会急剧增加，这是因为中间层越多，误差向后传播的过程计算就越复杂。而且中间层增加后，局部最小误差也会增加。网络在训练过程中，往往容易陷入局部最小误差而无法摆脱。网络的权重难以调整到最小误差处。

21、对于大多数实际问题，一层中间层即三层网络就已经足够。而有时采用一个中间层时，需要用较多的处理单元，这时如果选用两个中间层，每层处理单元会大大减少，反而可以取得更好的效果。采用适当的中间层处理单元是非常重要的。中间层处理单元数选用太少，网络难以处理较复杂的问题，但若中间层处理单元数过多，会使网络训练时间急剧增加，而且过多的处理单元容易使网络的训练过度。也就是说网络具有过多的信息处理能力，甚至将训练数据组中没有意义的信息也记住，这时网络就难以分辨数据中真正的模式。BP神经网络算法的基本思想是：根据样本的希望输出和实际输出之间的平方误差，利用梯度下降法，从输出层开始，逐层修正权系数。BP算法的学习过

22、程由正向传播和反向传播两个过程组成，在正向传播过程中，输入信息从输入层经隐含层传向输出层，如果输出层得不到预期输出，则进行反向传播，将误差信号沿原来的连接通路返回，通过修改各层节点的权重，使误差最小。网络不仅有输入层节点、输出层节点，而且还有隐含层节点。隐含层可以是一层，也可以是多层。最基本的BP网络只有三层结构，如图1-7所示。即输入层、隐含层和输出层。图1-7 三层BP网络基本结构图1.2.2 BP神经网络模型的计算原理一、 BP网络的学习算法假设BP网络为三层网络，输入层（以编号）有个神经元，隐含层（以编号）有个神经元，输出层（以编号）有个神经元。设有M个样本，输入向量，输出向量，。则隐

23、含层和输出层神经元的净输入为： （1-18）各层神经元的输出为： （1-19）其中：为Sigmoid型函数（简称S型），即： （1-20）因此，各神经元的输出应为： （1-21） （1-22）对于输入层，。公式（3-21）、（3-22）中，。设第个输出神经元希望输出为，实际输出为，则对每个学习样本的误差平方和为： （1-23）系统的平均误差是： （1-24）为了方便起见，省略下标p，上式可写成： （1-25）根据梯度最速下降法，权值（包括阈值）的变化项与成正比，即： （1-26）这里为学习率，负号代表梯度下降方向。则对于隐含层与输出层之间权值变化： （1-27）若记，则（1-27）式可写为 （

24、1-28）对于输入层与隐含层之间权值变化，尽管在细节上与上式不同，但仍可写为： （1-29）若记，则（3-29）式可写为 （1-30）但是不能直接计算，而是以参数的形式表示，即 （1-31）故 （1-32）公式（1-32）的含义为：由输出层各神经元的值可以求出隐含层各神经元的值，计算的方法是按正向传播相反的方向用相应的权值对输出层的进行加权求和，这就是误差反向传播的含义。 在实用中BP算法存在两个重要问题：收敛速度慢，目标函数存在局部极小。为解决这些问题，许多人研究并提出了许多方法，其中很具有代表性方法是在（1-28）和（1-32）中增加一个动量项，即： （1-33） （1-34）式中为迭代次

25、数，为比例常数。二、BP网络计算步骤根据BP网络学习算法，BP网络学习步骤可归纳如下：（1）根据问题的特征和环境，确定神经网络的结构，包括神经网络的层数、各层中的神经元个数等；（2）网络的初始化：输入学习率、；给定最大学习误差（收敛精确度）；给输入层至隐含层连接权矩阵、隐含层至输出层的权矩阵赋初值；（3）为网络提供一组学习样本； （4）正向传播，计算实际输出。计算实际输出与期望输出的误差，利用它修正， ，为迭代次数；（5）误差回传，修正前一层的，直至输入层；（6）输入下一个学习样本，回至（4），直到输完为止；（7）计算系统误差E，若E小于给定值，结束并转向（8）；否则回至（3），反复迭代，直至

26、收敛；（8）预测新样本，并输出预测结果。 1.3 正交试验设计法为了建立基坑岩土体力学参数与测点位移的映射关系，需要事先给定一定数量的样本对神经网络进行训练，而选取的样本应能够覆盖全部可能发生的输入输出状态。各个反分析的岩土体力学参数取值都有一定的范围，把取值范围进行水平划分，假设有m个反演参数，它们各有l1、l2、lm个水平，则取值的可能性有l1l2lm种。当反演的参数个数不多，每个参数的水平数也较少时，把各种可能取值作为输入样本，可以获得较为丰富的结果，结论也较正确。当参数较多，水平数也较大时，把各参数的可能取值作为样本是不可能的。例如，有五个土体参数，每个参数都有五个水平，则有55=31

27、25个取值样本。对于大多数场合，做这么多的试验是不可能的。因此，在进行神经网络学习时结合适当的样本构造方法，既能保证网络训练的准确性，又减少了样本的个数。通常的神经网络学习样本的选取方法有两种，正交试验设计法和均匀试验设计法。根据本文中涉及土体力学参数个数和水平数，决定采用正交试验设计法来构造学习样本。正交试验设计（Orthogonal experimental design）是研究多因素多水平的一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，正交试验设计是分析因素设计的主要方法。是一种高效率、快速、经济的实验设计方法

28、。例如作一个三因素三水平的实验，按全面实验要求，须进行33=27种组合的实验，若按正交试验设计，则只需作9次。1.3.1 正交试验设计法的基本概念一、正交试验法的常用名词（1）指标。在试验中需要考查的效果的特性值，简称为指标。指标与试验目的是相对应的。例如，试验目的是提高产量，则产量就是试验要考查的指标；如果试验目的是降低成本，则成本就成了试验要考查的指标。总之，试验目的多种多样，而对应的指标也各不相同。指标一般分为定量指标和定性指标，正交试验需要通过量化指标以提高可比性，所以，通常把定性指标通过评分定级等方法转化为定量指标。（2）因素。因素也称因子，是试验中考查对试验指标可能有影响的原因或要

29、素，它是试验当中重点要考查的内容。通常用大写英文字母A、B、C等来表示。一个字母表示一个因素，因素又分为可控因素和不可控因素。可控因素指在现有科学技术条件下，能人为控制调节的因素；不可控因素指在现有科学技术条件下，暂时还无法控制和调节的因素。正交试验中，首先要选择可控因素列入到试验当中，而对不可控因素，要尽量保持一致，即在每个方案中，要对试验指标可能有影响的不可控因素，尽量要保持相同状态。这样，在进行试验结果数据的处理过程中，就可以忽略不可控因素对试验造成的影响。（3）水平。试验中选定的因素所处的状态和条件称为水平或位级。例如：加热温度为70、80、90这3个状态，可分别用“1”、“2”、“3

30、”来表示。又如1个因素分为2水平，用“1”和“2”来表示。同理，一个因素也可分为4水平、5水平或更多水平，以此类推。图1-8 正交表代号图解二、正交试验法的基本工具正交法的基本工具是正交表。它是一种依据数理统计原理而制定的具有某种数字性质的标准化表格。以基本的L4（23）正交表为例：从表1-1看，该表是一个3列4行的矩阵，每1个因素占用1列，该表最多能考查3个因素，每个因素分为2水平，共有4个横行，也就是有4个试验方案，每1行是1个方案。假若用A因素占第1列，B因素占第2列，C因素占第3列，则：1号方案为A1B1C1，2号方案为A1B2C2，3号方案为A2B1C2，4号方案为A2B2C1,只要

31、因素列上，各因素水平对号入座，方案就确定好了，有几个横行就有几个试验方案。再以L9（34）表为例，根据对L4（23）表的理解，则L9（34）表为4列9行的矩阵，即该表最多可安排4个因素，有9个试验方案，每个因素分为3水平，即每个纵列只有1、2、3这3个数码。通过认真分析这两个正交表，可以发现，每1个纵列中，各种数码出现次数相同，在L4（23）表中，每列“1”出现2次，“2”出现2次，在L9（34）表中，“1”、“2”、“3”各出现3次。正交表中，任意2列，每1行组成1个数字对，有多少行就有多少个这样的数字对，这些数字对是完全有序的，各种数字对出现的次数必须相同，正交表必须满足以上两个特性，有一

32、条不满足，就不是正交表。如L9（34）正交表，任意2列各行组成的数字对分别为：（1，1）、（1，2）、（1，3）、（2，1）、（2，2）、（2，3）、（3，1）、（3，2）、（3，3），共9种，每种出现一次，且完全有序。正交表一般以通式表示为：LN（MK）表现为K列N行的矩阵，表示为该表最多能考察K个因素，每个因素都分为M个水平。 表3-1 L4（23） 表的格式 表3-2 L9（34） 表的格式项目列123行1111212232124221项目行1234列111112122231333421235223162312731328321393321 1.3.2 正交试验法的主要用途第二次世界大战

33、后，试验设计作为质量管理技术之一，受到各国的高度重视，以日本人田口玄一博士为首的一批研究人员在1949年发明了用正交表安排试验方案，1952年田口玄一在日本东海电报公司，运用正交表进行试验取得了全面成功，之后正交试验设计法在日本的工业生产中得到迅速推广。据统计，在正交法推广的头10年，试验项目超过100万项，其中三分之一的项目效果显著，获得极大的经济效益。我国从20世纪50年代开始，以中国科学院数学研究所的研究人员为基础深入研究正交试验设计这门科学，并逐步应用到工农业生产中去，其后正交试验设计得到了广泛研究，尤以上海、江苏等地的推广成绩显著。正交法之所以受到人们的关注，是因为在工农业生产和科学

34、研究过程中，科学试验是必由之路，而采用正交法安排试验方案可以解决以下问题：（1）可以节省大量人力、物力、财力和时间。（2）能够明确影响试验指标各因素的主次顺序，即了解哪些因素重要，哪些因素次要。（3）可以迅速找到优化方案，在产品开发设计中，迅速找到优化方案，可以大大缩短产品开发设计周期；在生产过程中很快找到优化方案，可以尽快使生产工艺按最佳工艺条件运行，早日实现高效益。（4）通过试验结果分析，可以进一步指明试验的方向，克服盲目性，等等。二 名都站深基坑土体力学参数动态反演2.1名都站深基坑基本概况2.1.1工程概况名都站作为武汉市地铁2号线重点工程，位于虎泉街与雄楚大街交叉口，华师一附中初中部

35、南侧，沿虎泉街设置。站位北侧有中国五环化工工程总公司及其家属区、华师一附中初中部、保利华都施工区，南侧有武汉西藏中学，西侧有荣军医院等单位。车站起讫里程为右ZK26+167.007右ZK26+408.307，标准段宽度为18.86m。名都站为地下两层站台岛式车站，地下一层为站厅层，地下二层为站台层；主体结构位于交叉口正下方，附属结构位于人行道与绿化带正下方。车站外包长度241.3m，标准段宽度18.86 m，结构顶板覆土厚度3 m，整个车站建筑物由车站主体、出入口、通道及风亭四部分组成。车站设有出入口4个, 通道1个,风亭2个。车站总建筑面积为11932.1m2,其中主体建筑面积为9096m2

36、。图2-1为名都站基坑平面示意图。图2-1名都站深基坑平面示意图车站主体及附属结构采用明挖法施工，主体围护采用d=1000mm钻孔灌注桩桩间距1300mm作为基坑围护结构，桩顶设冠梁，桩间采用C20挂网喷砼保持桩间土稳定；采用600,12钢管三道作为内支撑；钻孔灌注桩之间采用800旋喷桩止水。出入口、通道围护结构采用8001200钻孔灌注桩加钢支撑作为基坑围护结构，采用600,12钢管两道作为内支撑。钻孔灌注桩之间采用800旋喷桩止水，基坑平面内一般采用对撑，在端部与角部采用斜撑。基坑支护及土方开挖程序如下：1）施工钻孔灌注桩和旋喷桩等围护结构，完成后，全部开挖至地面以下2.0m后施工冠梁，钢

37、筋混凝土挡墙，安装第一道钢管支撑，接力开挖至第二次开挖面；2）安设第二道支撑，然后向下开挖至第三次开挖面；3）安设第三道支撑，向下开挖至基底上50cm，50cm采用人工清底。为确保施工的顺利进行和基坑的安全稳定，指导施工，在施工期间对围护结构顶部的水平位移和沉降位移及周边建筑物的沉降位移进行实时监测。2.1.2工程地质及水文地质条件据勘察报告提供资料，名都站场地地基土自上而下依次描述如下：1、第四系近代人工填土层（Qml）杂填土：厚度1.53.7m。2、第四系中更新统冲积层（Q2al）粉质粘土，厚度1.83m；3、冲、洪积层（Q2al+pl）粉质粘土，厚度2.64.7；4、粉质粘土层（10-1

38、）粉质粘土，厚度4.7m黄褐色，结构紧密，含少许铁、锰质结核及其氧化物。5、粘土层（10-2）粘土，厚度7.211.1m；黄褐、棕红色，夹灰绿色条带或团块，结构紧密，硬塑状，裂隙发育，具烛状光泽。含少许铁、锰质结核，碎石含量约占515%，呈棱角状。5、粘土层（10-3）粘土，厚度6.48.8m；黄褐、棕红色，夹灰绿色条带或团块，结构紧密，硬塑状，裂隙发育，具烛状光泽。含少许铁、锰质结核。 依据勘察报告提供资料显示，场区内地下水主要为上层滞水和岩溶隙水，上层滞水水量不丰，主要赋存于人工填土层中，水位不连续，无统一的自由水面，埋深为0.52.50m，主要接受地表水与大气降水补给。岩溶裂隙水，主要分

39、布三叠系灰岩中的岩溶洞穴、裂隙带中，呈近EW向条带展布，上覆15.020.0m粘性土，岩溶裂隙水埋深2125m，具微承压性，水量不丰，主要通过两侧裸露基岩接受大气降水入渗补给。地下水腐蚀性评价：根据岩土工程勘察报告，拟建工程场区地下水对混凝土结构无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋无腐蚀性，对钢结构有弱腐蚀性。环境土对混凝土及钢结构腐蚀性评价：根据岩土工程勘察报告，拟建工程场区环境土对混凝土、钢筋混凝土结构中的钢筋均无腐蚀性，对钢结构有弱腐蚀性。2.2 数值模拟计算模型与初始计算参数本文采用有限差分软件FLAC3D，对金色雅园站深基坑建立三维数值模型。考虑到基坑平面、支护结构、地面附加荷载以及基坑

40、开挖情况对基坑南部标准段部分建立模型，进行有限差分计算，数值模型平面图和模型网格划分见图2-2和图2-3。图2-2 数值模型平面图（1）计算域范围：基坑开挖深度为16.4m，当前开挖长74m，基坑宽18.5m。根据基坑开挖影响长度方向约为开挖深度的3-4倍，深度方向约为开挖深度的2-4倍，选取模型尺寸为110m8460m（长宽高）。（2）模拟单元：土体采用三维六面体8节点的实体单元模拟，钻孔灌注桩和高压旋喷桩采用3节点的桩单元模拟，钢支撑采用3节点的梁单元模拟。（3）边界约束：由于模型范围选取足够大，因此我们在基坑的长边方向（X方向）两端（X=0,X=130）施加X方向约束，基坑的短边方向（Y

41、方向）两端（Y=0,Y=84）施加Y方向约束，而在模型的底面（Z=-60）施加了XYZ三个方向的约束。（4）计算中采用直角坐标系：坐标原点为模型的底面（Z=-60）处，X轴平行于基坑长边，Y轴平行于基坑短边。所取范围为：X向为0130.0m，Y向为084.0m，Z向为-60.0-0m。（5）材料模型：结构材料（钻孔灌注桩，高压旋喷桩和钢支撑）采用各向同性的弹性模型，土体采用弹塑性的莫尔库伦模型（6）荷载：主要有地应力场、重力、地下水和施工荷载。对于场地内地下水下的土体采用有效应力的方式考虑地下水的影响。图2-3 模型网格划分图根据工程地质勘察报告，并考虑提高三维有限差分的收敛性和位移反分析的可

42、靠性，将模型范围内土层概括为以下四层：第一层为填土层，厚2.6m；第二层为粉质粘土层，厚4.7m；第三层为粘土层，厚16.8m；第四层为灰岩，厚35.9m。各土层力学参数范围值见表2-1。表2-2为各土层力学等效参数，是通过土层简化前各简化土层所包含的土层力学参数的加权平均计算获取的。表2-1 土体力学计算参数土层层厚/m密度/103kg/m3压缩模量E/MpaC/kPa/素填土2.61.867.0-9.03-718-240.30.4粉质粘土4.71.988.2-9.430.5-35.315.1-16.90.33-0.36粘土16.81.899.2-12.832.3-36.214.5-15.7

43、0.30-0.33灰岩35.92.6822.514.547.50.26表2-2 土体力学计算等效参数土层层厚/m密度/103kg/m3压缩模量E/MpaC/kPa/素填土2.61.868.05220.3粉质粘土4.71.978.732.515.90.35粘土16.81.8911.234.615.40.32灰岩35.92.6822.514.547.50.26根据基坑开挖和支护的施工步序，计算共考虑4个工况：(1)工况1：开挖至标高-2米，并在-1米处设置第一道支撑。(2)工况2：开挖至标高-6.7米，并在-6米处设置第二道支撑为。(3)工况3：开挖至标高-11米，并在-9.2米处设置第三道支撑。

44、(4)工况4：开挖至标高-16.4米，并在-12.7米处设置第四道支撑。计算中将每一个工况作为一个计算步时，按增量法近似模拟施工过程。2.3 BP网络学习样本的构建2.3.1土体力学参数正交试验分组就基坑工程而言，与地下围护结构受力、变形直接相关的土体力学参数有E(弹性模量)、(泊松比)、c(内摩擦力)和(内摩擦角)，由于基坑开挖18.4至底板时涉及土层为上部三层土层，而工况1和工况2涉及到第一个土层，工况3涉及到第二个土层，工况4涉到及第三个土层，故可从上至下依次对基坑开挖涉及的三个土层的力学参数进行反演，在进行上部土层的工况进行模拟时，下部土层的力学参数采用土层力学等效参数代替，将各土层岩土力学参数按每个参数4水平划分，则各土层岩土力学参数的水平划分见表2-3、表2-4和表2-5。表2-3填土层岩土力学参数的水平划分 因素水平E(MPa)C（KPa）（）173180.327.674.33200.3338.345.66220.36497240.4表2-4 粉质粘土层岩土力学参数的水平划分 因素水平E(MPa)C（KPa）（）18.230.515.10.3328.632.115.70.3439.033.716.30.3549.435.316.90.36表2-5 粘土层岩土力学参数的水平划分 因素水平E(MPa)C（KPa）（）19.232.314.50.3021