基坑工程岩土鲁棒性仿真分析与优化研究

论文摘要

随着我国城市化发展进程的快速推进,基坑工程愈发呈现出“大、深、紧、临”的特点,对开挖支护过程的安全性、稳定性和经济性要求愈发严格。目前基坑支护结构的设计过程对不确定性因素的研究较少,尤其是对岩土参数不确定性因素的处理较为模糊,多依赖于安全系数法、可靠度法和模糊法等,在提高工程成本的基础上依然不能保证支护系统性能。基于此,本文应用鲁棒性理论处理基坑工程岩土参数的不确定性问题,降低支护系统对岩土参数扰动的敏感程度。具体从岩土鲁棒性理论、基坑工程仿真计算和双目标优化设计几个方面展开研究。目前国内外学者对岩土鲁棒性的研究较少,且注重于鲁棒性方法在岩土工程领域的应用与计算,缺少对岩土鲁棒性理论的系统性研究。本文对岩土鲁棒性进行了定义,并通过“2个主体+2个性质”对岩土鲁棒性定义进行分解说明,继而阐述了噪声因素、设计参数和系统响应的相关概念。为更加全面地说明鲁棒性理论的应用价值,本文将鲁棒性与安全性、稳定性和可靠性理论进行了对比分析,剖析了上述理论描述系统性能的不同角度、侧重点和研究程度,并以“系统扰动”为主线揭示了安全性、稳定性、可靠性到鲁棒性理论的递进式发展关系。介绍了多目标优化设计的相关理论,以膝点的定义为思路,提出了一种确定膝点的新方法——牺牲收益率法（简称SGR法）,该方法能够较好得处理相近点、首尾点和局部最优等问题。并与现有的反向转角法、法向边界交叉法和原点垂足法进行对比,全面地介绍了SGR法搜索膝点的先进性。构建了一个基坑工程支护结构鲁棒性优化设计模型,选取岩土参数中的围岩重度、内摩擦角和粘聚力为噪声因素,选择了钻孔灌注桩、内支撑和立柱的支护形式为设计参数,最后选用了围护结构水平位移、基坑外侧土体沉降位移和基坑底部隆起位移反映系统的支护效果。介绍了基坑工程的支护形式与变形机理,应用FLAC3D软件对南宁地铁青秀山站厅明挖基坑进行模拟仿真。分析了开挖支护过程中基坑各部分的变形规律,据此选取了有代表性的三个位置作为基坑支护效果的系统响应指标。设计了一个内外循环嵌套式的鲁棒性优化设计流程,对设计域中的96组可行性设计进行了成本简化计算。应用非支配算法进行鲁棒性——成本双目标优化设计,最后通过牺牲收益率法在帕累托前沿上搜索唯一最优解,并与反向转角法、法向边界交叉法和原点垂足法进行结果验证。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 选题背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 基坑工程不确定性问题研究现状
•     1.2.2 鲁棒性理论研究现状
•     1.2.3 研究现状综述及存在的问题
•   1.3 研究内容及技术路线
•     1.3.1 研究内容
•     1.3.2 技术路线
• 第二章 岩土鲁棒性优化设计理论
•   2.1 岩土鲁棒性理论
•     2.1.1 岩土鲁棒性定义
•     2.1.2 鲁棒性、安全性、稳定性、可靠性对比
•   2.2 优化设计理论
•     2.2.1 优化设计数学模型
•     2.2.2 帕累托前沿
•     2.2.3 唯一最优解
•   2.3 基坑鲁棒性优化模型
•     2.3.1 基坑设计的基本要求
•     2.3.2 基坑系统的不确定性
•     2.3.3 基坑鲁棒性优化模型
•   2.4 本章小结
• 第三章 基坑支护结构及变形机理
•   3.1 桩撑支护
•     3.1.1 排桩墙支护结构
•     3.1.2 内支撑体系
•   3.2 变形机理
•     3.2.1 围护结构变形形式与机理
•     3.2.2 基坑地表沉降形式与机理
•     3.2.3 坑底隆起形式与机理
•   3.3 本章小结
• 第四章 基于FLAC3D的基坑开挖模拟仿真
•   4.1 工程背景
•     4.1.1 工程概况
•     4.1.2 水文地质条件
•     4.1.3 开挖方法
•     4.1.4 基坑支护方案
•     4.1.5 岩土参数
•   4.2 模型建立
•     4.2.1 基本假定
•     4.2.2 本构模型
•     4.2.3 模拟参数
•   4.3 模拟结果及分析
•     4.3.1 开挖前应力场分析
•     4.3.2 不平衡力分析
•     4.3.3 基坑开挖各工况竖向位移分析
•     4.3.4 基坑开挖各工况水平位移分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 鲁棒性分析及优化设计
•   5.1 鲁棒性优化设计流程
•   5.2 基坑支护结构成本
•     5.2.1 桩撑支护总成本
•     5.2.2 钻孔灌注桩成本
•     5.2.3 内支撑成本
•     5.2.4 立柱成本
•     5.2.5 设计方案成本
•   5.3 优化设计
•     5.3.1 钻孔灌注桩水平位移鲁棒性优化设计
•     5.3.2 外围土体沉降位移鲁棒性优化设计
•     5.3.3 坑底隆起位移鲁棒性优化设计
•     5.3.4 组合鲁棒性优化设计
•   5.4 本章小结
• 第六章 结论
•   6.1 结论
•   6.2 有待进一步解决的问题
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在校期间的研究成果及发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 林佳秀

导师: 王景春,李青

关键词: 基坑,岩土工程,鲁棒性,仿真模拟,优化设计,膝点,牺牲收益率法

来源: 石家庄铁道大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 石家庄铁道大学

分类号: TU43

DOI: 10.27334/d.cnki.gstdy.2019.000131

总页数: 86

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