第一篇阳逻长江公路大桥南锚碇基坑围护结构内力反演与施工变形滚动预测研究摘要南锚碇特大特深圆形基坑的科研内容包括岩土体等效力学参数的动态反演和变形滚动预测。在研究中，反演了基坑开挖过程中围护结构( 地下连续墙和内衬) 的内力和土体等效力学参数，分析和总结了围护结构在基坑开挖和内衬浇筑各个阶段的内力变化规律以及地连墙外侧水土压力理论值与实测值的对应关系，探索了施工因素( 内衬浇筑和土体丌挖) 与非施工因素( 环境温度) 对内力的影响规律。同时，分别采用有限元( F E M ) 和人工神经网络( A N N ) 方法进行了变形超前预测。主要研究成果有：( 1 ) 对各层土体参数的敏感性分析表明对墙体位移的影响最大的因素是基坑开挖施工工艺和粉细砂层的弹模、泊松比。( 2 ) 选取亚粘土等四层土体进行土体参数反分析，并用于基坑变形的有限元正演预测。结果表明，地墙最大变形预测值与实测值的趋势一致，绝对误差较小。随着基坑开挖的进行和反演次数的增加，对内力和变形的预测效果越来越好。( 3 ) 修正和发展了前人的内力反演理论，即根据主筋的四种实际受力情况分别进行反演计算：a 内外侧主筋都受压；b 内侧主筋受拉、外侧主筋受压；c 内侧主筋受压、外侧主筋受拉；d 内外侧主筋都受拉。而前人理论大多只考虑了一种受力情况。( 4 ) 总结了内衬弯矩在基坑开挖和内衬浇筑过程中的周期性波动规律，即随着内衬施工的进行，内衬弯矩曲线出现周期性峰值。另外，反演计算结果表明，基坑开挖过程中轴力基本上表现为压力，拉力很少且数值很小。初期轴力为8 0 0 0 2 5 0 0 0 k N ，后期轴力为2 0 0 0 0 1 0 0k N 。后期内衬弯矩在1 0 0 0 - 2 0 0 0k N m 范围内波动。( 5 ) 地连墙的弯矩变化规律与内衬迥然不同。随着内衬施工的进行，各深度处的弯矩和轴力变化曲线依次呈现“先大幅波动、后平稳变化”的趋势。弯矩波动期为8 天，待内衬施工深度超过开挖面后才趋于平稳变化：轴力波动期为2 3 天，波动期过后地墙压力增大。地墙初期和后期弯矩值大体在1 0 0 0 1 0 0 0k N m 范围。轴力多为压力，且后期轴力比初期大，为一6 0 0 0 0 k N 。( 6 ) 对南锚碇基坑而言，围护结构内力的影响因素极为复杂。通过寻找各因素的内在逻辑关系，探索了内衬浇筑、土体开挖、底板浇筑和温度对内力的影响规律。内衬浇筑对内力的影响表现为两个方面：对内村的弯矩而言，当某块内衬混凝土浇筑后因水化放热产生一个持续作用时间为1 2 天的正弯矩，使上方各道内衬的内侧钢筋受压，使其弯矩变化曲线产生攀升。基坑开挖和后期混凝土温度降低则使得其作用逐渐弱化，表现在弯矩变化曲线从每一个波峰回落。内衬浇筑对开挖面附近地连墙弯矩的影响规律与此相同。因此，围护结构弯矩曲线的波动性与内衬浇筑和基坑开挖直接相关，或者说，内衬浇筑和基坑开挖施工是导致围护结构弯矩波动的直接原因。底板浇筑对内力的影响规律与此相同。温度对内力的影H 向规律是：温度升高在内衬中产生一个正弯矩，使得内衬弯矩曲线攀升；而温度降低使内衬中产生一个负弯矩，因而内衬曲线回落。换言之，不管是因为混凝土浇筑还是气温升高，只要其结果使得内衬温度升高，内衬中就会产生正弯矩作用，弯矩曲线就会攀升。这两个因素的作用在逻辑上是一致的。( 7 ) 上覆粘土层和淤泥质土层的实测土压力接近主动土压力，粉细砂层的实测土压力接近静止土压力，卵石层的实测土压力大于静止土压力。( 8 ) 粉细砂以下土体孔隙水压力实测值与计算出的静止水压力具有较好的一致性。( 9 ) 1 2 次变形报告的预测总数为1 3 0 8 个，有实测数据可供比较的预测结果共计1 2 7 6 个。其中，预测值与实测值的相对误差 1 0 的为2 4 7 个，仅占1 9 4 ；绝对误差 0 )( 3 4 )( 3 - 5 )当趋于无穷时，S i g m o i d 函数趋近于阶跃函数，通常情况下取值为1 。有时为方便起见，常把式( 1 ) 中的一谚也看做是对应恒等于1 的输入量x 。的权值，这时式( 1 ) 又可写为；，图3 - 1 神经元结构模型6、，60 工。脚=，o| IOX只一= Ow中其( 2 ) 神经f 叫络梭弘神经州络是I i ：1 人：I ；= 1 1 “ j t l 经J iJ 。泛十J ：连接j 成的H 络。根槲连接山式的1 i 川，神经网络叫分成心大类：没有反馈的枷川网络和相互结合。删络。f m 叫络I j I 输入止：、l f l | 1 l J誓( 或【1 1 隐L ；) 和输m ，均I 成，。J b 训。有若十J 矗侮I ，n 勺神经元只接受胁b ：- 4 q l 绎J 醐0输出。【酊特I 佤连接型州络中任辽肼个神经元叫都f J 。能连接，此输入俯婴“ | | i 纶几之州反复往返传递，从柴初态J I ：始。纤过幸i 玖的变化，渐渐趟：柴一稳定j l 凡态或进入削驯振荡等儿他状态。| | | j 菲虽然已仃数f 利t 的 I I 经I 叫络楼) 弘，化川。将j e 旧q 为i 人类，即I 订向I 叫宝 ( F e e d f o r w a r dn e u r a ln e t w o r k s ) 、反饿叫络( F e e d b a c kn e u r a ln e t w o r k s ) 和f | 纰移ll 叫络( S e l f - o r g a n i z i n gn e u r a ln e t w o r k s ) 。3 2 2B P 褂经I 叫编H 时，P , I ，网络( B a c k P r o p a g a t i o nN e u r a lN e t w o r k ) 足应刑垃为泛的神经M 络之，它足利r 泓阳传扦荇的多J ，“口m 荆坌 。j C 结构如图3 - 2 所q ：。H 络除输入输1 y t i ( 或称为- 辑7 j ) 外，还仃层或多层的隐脎1 ，点，刚层m 囊小，没仃仟们批合。输入俯0 从输入膳竹点依次f 过符隐以凯? 、i ，然厢他剑输。竹点，缚+ 联1 y 点n q 输J l 影响卜止H ，点的输。l ，J ? 、iI n 厄特- P 传递函数) j J 豆常为S i g m o i d 两数。B PI 叫络l q - 祈做址个从输入到输j | “| ，J 高度I I ：线。m 映射，州l ? ：一，I ( A 3 = 儿返种削络小仪仃输入m _ 、输“ m 氯，I 【J 还柯层或多层隐禽1 ，点。刈J ：输入信息，婴先阳f j i 传捅士l J I 强含止Y 点卜，经过秤f p 几的特4 盹为S i g m o i d ，鹎的激i I 嘲数运卯后，把隐禽1 y 点的输俯，虬f o j f f 到输m j i ，域而给输当f 粜。例络的列过褂州f J 用I 反目传播曲湖；分纠成。化l 川U 传播过袱- h 锥从 ：l I 纬J “i ，J 状态j l j i 绷们I J jJ ，1 4 1 1 给) c i v i l络。如果输层4 ；能 ：f 到朋畸! 输，就址实际输优j _ J l J J ? ! 输仇之| 1 | J f 洪后，刖么 I入反向传播过羁! ，将跌箍倍I o 。1 1 原来的连接通路遁，通过修改符J 崩I ”纶J i 的权f J ，逐次地向输入膳传播l 进 j ：计算， _ f 经过化阳传播过干I t 。这阳个过张的反复逛川，使褂以簸信= 最小。实际卜拱差达到人们行希单的璎求时I 叫络的。弘刊过桦就结水。B P 辨法址住甘| J 1 j 指导卜，适合J ：多J 。D i s 绎，i I 删络的种! 爿，它足让点钉：梯度l ? 降法的j 南俐jf ：的，j 体l ? ：法蜘1 + F 。设含有共层和“ 个节点的一个任意网络，每层单元只接受前一层的输出信息并输出给下一层各单元，各节点的特性为S i g m o i d 型。为简单起见，假设网络只有一个输出y 。设给定个样本( 札，乩) ( 肛1 ，2 ，A 。，任一个节点i 的输出为q 。对某一个输入为x + ，网络的输出Y t ，节点j 的输出为O i k ，现在研究第，层的第个单元，当输入第尼个样本 时，节点J 的输入为： 删：= w 汐肚I - 1 ( 3 - 7 )式中畋。表示第1 - 1 层第个单元在输入第七个样本时的输出，其值为： 吆1 = G e 缘i - 1 ) ( 3 - 8 )若按照下式定义误差函数：Ek = I Z ( y 扩了i 0 ( 3 - 9 )式中歹肛为单元的实际输出，则总误差为：E = E k( 3 一1 0 )一o于是可O E k = 嚣可O n e t 二= 旦3 n e t 盖啡1( 3 - ，1 )孤；a n e l t 女枞：_ k卜“。舣双2 轰下面分两种情况来讨论：( a ) 若节点为输出单元，即嚷= 歹止，则J ：= 丽O E , O n e t = 熹O y 等O n e t = 一。舳：)( 3 ，2 )j kj i kJ|ikk 。kh kJ、：”l J( b ) 若节点不是输出单元，则 以2 嚣专篆毒肋B 耄妻荐送至虾一层( + 1 ) 层的输入，计算薏要从( f + 1 ) 层算回来0 假鼬1 ) 层有m 个单元，则：口轰= 莓黑O n e t _ ：Z 型o o l k = 荨黑O e G 吆1 = 荟跏孑( 3 _ 4 )a ( ) ；11 ”一音”p 1 叫由式( 3 1 3 ) 及f 3 1 4 1 式可以得到：占：= 碟1 w 孑f k 。，0 )( 3 一1 5 )最后，反向传播算法的步骤可归纳如下：( 1 ) 选定权系数初值；( 2 ) 重复下述过程直到收敛：对k = - i 到N正向计算过程：计算每层各单元的D ，n e t _ ；k 和Y 。，k = 2 ，反向计算过程：对每层各单元计算占：，I = L - 1 到2 。 修正权值W 。= W 0 岩J 0( 3 - 1 6 ) G W #其中为账筹= 兰k = l 豢3 2 3 预测模型的建立( 1 ) 输入层及输出层的设计网络输入、输出层的设计根据使用需要来设计。在本项研究中，欲对基坑地下连续墙的变形进行预测，因此输出层单元的输出项即为地下连续墙的水平位移。输入层的结构取决于影响地连墙变形的主要影响因素。对于武汉阳大桥南锚碇基坑地下连续墙变形，它的影响因素较多，包括围护结构的形式、基坑内外水土压力的变化情况、基坑开挖深度、施工顺序及地连墙的无支撑暴露时间等，这些影响因素同时作用于基坑系统。但由于施工的动态特性，其中一些因素参数的获得存在一定的难度，因此，以变形影响因素作为输入变量并不可行。而墙体变形蕴含了各因素与墙体变形的内在关系，综合反映了各因素对变形的影响，鉴于此，本文采用与墙体变形有关的串行控制变量，考虑用墙体变形的时问序列来进行预测分析，利用已有的地下连续墙变形监测资料，去预测今后一定时段内同一点位的墙体变形值。即，将前期墙体变形的监测值作为输入，以未来该点的变形作为输出。在阳逻南锚基坑工程中，经反复试算、研究，最后确定( 3 + 1 ) 的输入、输出结构形式，即以墙体某一点过去三天的变形值来预测该点下一天的变形值。( 2 ) 隐含层数及隐含层单元数的选取研究表明：一个具有S 型单隐含层加上一个线性输出层的网络，能够逼近任何一切连续函数。虽然增加隐含层数可以提高网络的精度，但同时也使网络复杂化，延长了网络的学习时间，而依