基于三维有限元分析的土钉支护结构优化设计研究

通过建立三维有限元模型，对土钉支护的变形和受力性能进行分析，得出土钉力的合理分布。在此基础上，考虑土钉支护的水平位移，采用遗传算法＋复合形法，对土钉支护的结构优化设计进行研究，建立了土钉支护结构的优化设计数学模型，并编制了相应的计算程序。通过算例分析，并与基于极限平衡分析的优化结果相比较，得出合理的土钉支护结构设计的参考结论。     

土钉支护结构的优化设计

根据复形优化原理,提出了基于Bishop法的土钉支护结构的优化分析方法,编写了优化分析程序。工程实例计算表明,该方法是进行土钉优化设计的有效方法。     

有限元法在基坑土钉支护极限高度中的应用

利用有限元方法对基坑土钉支护的极限高度问题进行了研究,分析了影响基坑土钉支护极限高度的主要因素。研究结果表明：基坑土钉支护存在着极限高度,极限高度的求解与地基极限承载力问题有着密切联系,从而利用地基极限承载力的有限元求解思路求得了基坑土钉支护的极限高度;研究了基坑土钉支护参数对极限高度的影响,得出极限高度与各个基坑土钉支护主要参数之间的部分变化规律,并在匀质土体的情况下与土塑性力学中的上下限定理得出的理论解进行了比较,经工程实例验证,结果比较吻合,为基坑土钉支护极限高度的确定提供了一种新的思路。     

土钉支护结构的极限分析方法

土钉支护结构一般均按极限状态进行设计,其中稳定性验算为设计之重点。根据土钉支护结构的特点,从分析土钉支护结构的破坏模式入手,利用土坡的极限破坏理论和结构体的塑性极限分析方法,研究了土钉支护结构旋转滑动破坏的可能性,并依此来分析土钉支护结构的稳定性。研究表明,对位于软弱地基中的土钉支护结构,土钉结构本身的极限破坏的可能性很大,在工程设计中宜采用钢管击入土钉,以增强其抗弯能力。     

土钉支护结构优化设计的有限元分析

考虑土钉-土体的相互作用,建立三维有限元模型,分析计算土钉支护结构的内力和位移,提出了变形控制和应力控制相结合的优化设计方法。采用遗传算法,以应力和位移为约束条件,以工程造价为目标函数,建立了土钉支护结构的优化设计数学模型,并编制了相应的计算程序,通过算例分析,并基于规范法的优化设计结果相比较,得出本文的设计方法更为合理的参考结论。     

深基坑土钉支护稳定性分析

本文采用极限平衡法对深基坑土钉支护的体外和体内破坏进行稳定性分析，编制了分析设计软件，为深基坑土钉设计提供了一个分析方法和一套设计软件。     

基坑土钉合理设计长度优化确定方法探讨

本文针对目前基坑土钉支护设计中土钉设计长度确定方法的不合理性与局限性,从深入研究基坑土钉支护中土钉的受力机理入手,首先建立出基坑土钉设计长度确定的计算模型;其次,在此研究基础上,引入基坑土钉支护稳定性分析的极限平衡方法,通过探讨基坑土钉合理设计长度确定、优化与实施过程,提出了基坑土钉合理设计长度确定的新方法。工程实例分析表明了本文方法的安全性与经济性,具有一定的理论与工程实用价值,完善了基坑土钉支护设计方法和理论。     

土钉墙内部稳定性分析自适应禁忌变异遗传算法

针对土钉墙内部稳定性分析问题,提出一种能同时确定土钉墙任意形状最危险滑动面及相应安全系数的全局优化算法。首先,基于边坡极限平衡法中的Morgenstern-Price法,考虑土钉的加固作用,推导土钉墙安全系数计算公式。然后,分析简单遗传算法（SGA）和禁忌搜索算法（TSA）的不足,引进自适应遗传算法（AGA）,用禁忌变异算子替换自适应遗传算法中的标准变异算子,提出一种新型的混合优化算法--自适应禁忌变异遗传搜索算法（ATMGA）,并将其应用到土钉墙内部稳定性分析领域,建立土钉墙任意形状临界滑裂面稳定性分析优化算法。算例分析表明,（1）与单纯的SGA、TSA以及AGA相比,文中ATMGA法搜索效率高、收敛速度快且能准确地搜索到土钉墙最危险滑动面及其相应的最小安全系数;（2）土钉支护前、后临界滑面位置相差较大,建议在实际工程中对支护后基坑的临界滑面以及相应的安全系数进行重新搜索。     

均质土体中土钉受力的极限分析上限法

土钉支护是加固机制上的锚固机制,土钉支护的受力和变形是随施工过程逐步变化的。采用追踪施工过程的增量计算方法,并将稳定性分析与土钉轴力计算相统一,根据稳定性要求来计算土钉受力,是土钉支护中土钉受力计算的合理途径。考虑到土钉支护中土与土钉共同作用以及潜在滑移面处土钉受力的特点,在土钉支护的稳定性分析中可以采用极限分析上限方法。根据上限方法中的相容速度场以及土钉受力与位移的关系,可确定在上限分析中每一开挖工况下土钉轴力增量的比例关系。应用上限方法的能量方程进行每一开挖工况下土钉支护稳定性的计算,即可优化求解出每一开挖工况下的土钉所需提供的能量耗散,而后依据上述确定的增量比例系数,即可求得该开挖工况下的土钉轴力增量,而各开挖工况下土钉轴力增量的积累即为最终土钉轴力。通过工程实例计算表明,上述方法是准确和有效的。     

土钉支护稳定分析的模拟退火-随机投点耦合算法

充分地考虑土钉支护的特殊性,建立了一个比较精确的基于一般破裂面的土钉支护稳定性分析方法。对土钉支护内部稳定分析和外部稳定分析分别建立其优化数值分析模型;然后导入模拟退火算法和随机投点法,结合两者的特长建立了一种可有效求解该模型的耦合算法,并编制了相应的计算程序;通过工程实例证明了基于一般破裂面的土钉支护稳定性分析方法的有效性,并得出了若干对土钉支护稳定分析具有参考意义的结论。     

土钉墙地基承载力问题探讨

土钉墙墙底地基土的承载力验算是土钉墙支护设计的一项重要内容。国内的工程实践中,通常将土钉墙地基承载力与坑底土抗隆起验算合并考虑。针对具体案例,通过Plaxis3D有限元数值模拟,分析研究了土钉墙底部土体发生地基承载力失稳的破坏模式、破坏荷载以及土钉墙墙底应力分布特点等,探讨了依据我国相关规程进行土钉墙坑底隆起或地基承载力计算可能存在的问题。借鉴国外加筋土挡墙地基承载力计算的一般方法,将土钉墙作为荷载倾斜、偏心的刚性基础对待,利用荷载倾斜、偏心条件下传统刚性浅基础的地基承载力的Meyerhof解和Vesic解,对土钉墙地基承载力进行了计算和对比,通过对比发现,Meyerhof解更接近实际,据此,提出了土钉墙地基承载力计算的合理模式。     

基坑土钉支护边坡有限元稳定性分析方法探讨

针对基坑土钉支护开挖边坡的稳定性,讨论了极限平衡方法的局限性,指出应用有限元方法分析评价基坑土体结构稳定性是近年来研究的新趋势。采用滑面应力分析法和强度折减法两种有限元方法对基坑边坡的稳定性进行了研究。对于无支护的基坑边坡,两种有限元方法得到的安全系数和滑动面结果一致,且滑动面形状随基坑土体强度的降低保持不变。对于采用土钉支护的基坑边坡,两种有限元方法得到的安全系数结果一致,不同阶段下滑动面形状和位置不同,这主要是由于在强度折减时,仅仅对土体强度参数进行折减,而未考虑土钉自身强度的降低。最后指出,在应用强度折减法时,是否考虑土钉自身强度的折减有待进一步研究。     

基于塑性极限分析上限法理论的土质边坡可靠度分析

将极限分析的上限定理、有限元离散思想、随机规划理论和蒙特卡洛方法这四者结合起来,提出了一种土质边坡可靠度分析的上限数值方法。首先采用三节点有限单元离散土质边坡,然后将土体的抗剪参数设为随机变量,根据上限定理构建同时满足三角形单元的塑性流动约束条件、单元公共边的塑性流动约束条件和单元速度边界条件的机动许可速度场,并根据内功功率等于外功功率条件建立目标函数,构建土质边坡可靠度分析的上限法随机规划模型。采用蒙特卡洛方法求解上限法随机规划模型,同时提出了一种基于上限法速度场的边坡失效风险系数估算方法,该方法特别适用于具有多种失效模式的边坡风险分析。对2个经典算例进行了深入分析,验证了方法的正确性。     

土钉支护中土钉力和位移的计算问题

土钉支护是一种比较经济的支护方式,工程实践中已广泛应用,但其设计理论则相对缺乏。针对目前土钉支护设计中存在的主要问题,即土钉力和土钉支护位移的计算分析,以工程实测资料为背景,根据侧壁主动土压力与总土钉力相等的原则,考虑施工过程的影响和增量法的思想,提出了基于经验和理论相结合的土钉力计算公式。按照弹性力学理论,对由于土的开挖引起支护的土体侧移提出了简易的位移计算公式。通过工程实测检验了公式的正确性。这些计算公式简便,其结果较符合实际,较好地解决了土钉支护设计的主要问题,可为工程设计提供参考。     

基于二阶锥规划有限元增量加载法的条形浅基础极限承载力分析

地基极限承载力分析是土力学研究中的一个经典课题。基于Hellinger-Reissner混合变分原理和有限元方法,将岩土体弹塑性问题构造成基于有限元框架的二阶锥规划（second-order cone programming,SOCP）问题,进而提出一种基于二阶锥规划理论的增量有限元法,即FEM-SOCP法。将岩土体弹塑性问题构造成二阶锥规划的数学优化问题,可以避免采用传统弹塑性计算中复杂的应力点积分等算法和屈服面棱角的平滑处理。此外,对于二阶锥规划问题,可以采用具有原始?对偶内点求解法的标准数学规划求解器MOSEK进行求解。将增量加载FEM-SOCP法应用于经典的基底粗糙的条形浅基础地基极限承载力分析中,分别考虑了关联和非关联塑性条件下的Mohr-Coulomb屈服准则。数值结果表明：所提出的增量加载FEM-SOCP法获得的地基承载力系数及地基承载力与传统FEM计算结果基本一致,而与常规有限元计算结果相比,基于增量加载的FEM-SOCP法所获得的屈服区更加平滑。     

考虑剪切抗力的修正土钉单元及其应用

通常的有限元和有限差分分析方法都视土钉单元为只能承受单轴拉压的一维单元,不能承受弯矩。事实上大量土钉的剪切抗力对边坡稳定有着不可忽视的贡献。基于FLAC3D有限差分方法,提出了一种土钉单元剪切抗力的计算方法,并对某基坑土钉加固体系考虑和不考虑剪切抗力两种情况与实测值进行了对比分析,说明了土钉单元剪切抗力对边坡稳定的作用是不容忽视的,同时也说明提出的土钉单元的剪切抗力计算方法是合理的。     

复合土钉在深基坑支护中的应用

土钉支护对基坑变形的调节和控制能力较差,不适于对变形控制要求较严格的深基坑工程.采用微型桩＋预应力锚索配合土钉支护的新型复合土钉支护方案,经有限元计算对复合土钉和一般土钉的两种方案变形曲线进行对比、分析.结果表明,对基坑变形要求严格时,该复合土钉支护方案能有效地控制基坑变形.     

一汽乘用车所基坑土钉墙支护优化设计

分析了长春一汽乘用车所基坑工程地质条件,对基坑支护方案进行分析论证,并对所采用的土钉墙支护方案进行设计。采用单因素分析法,在土钉倾角合理区间内,对土钉倾角进行最优设计,得出了土钉倾角对基坑边坡稳定性影响规律。本工程采用土钉墙支护的方案,短时高效地完成了工程任务节约了投资。实践证明,通过土钉倾角优化设计,在工程造价不变的情况下,大幅提升施工安全。为土钉墙支护在长春基坑工程中的应用研究提供了借鉴。