地铁深基坑土体力学参数动态反演

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（ArtificialNeuralNetwork，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。§1.1FLAC3D的基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（FiniteElementMethod）、边界元法（BoundaryElementMethod）、离散元法（DiscreteElementMethod）、块体理论（BlockTheory）反演分析（BackAnalysis）、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（FastLagrangianAnalysisofContinua）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、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。1.1.1FLAC3D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（NullModel）：通常用来表示被移除或开挖的材料，且移除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（Elasticmodel）：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（ElasticIsotropicmodel）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（OrthotropicModel）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（TransverselyIsotropicModel）适用于模拟在各层的法线方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（Plasticmodel）：包含8个塑性模型。德鲁克—普拉格模型（Drucker-PragerModel）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-CoulombModel）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/SofteningMohr-CoulombModel）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（Ubiquitous-JointModel）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（BilinearStrain-Hardening/SofteningUbiquitous-JointModel）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（ModifiedCam-clayModel）能够考虑土体塑性体积变形的影响。1.1.2FLAC3D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（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。1.1.3FLAC3D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，FLAC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”（mixeddiscrimination）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（plasticcollapse）和塑性流动（plasticflow）。（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，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（fulldynamicequation），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，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；§1.2BP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。1.2.1BP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。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。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1.2.2BP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Siggmoidd型函数（简简称S型），即即：（1-200）因此，各神经元元的输出应应为：（1-21）（1-22）对于输入层，。公公式（3--21）、（3--22）中中，，。设第个输输出神经元元希望输出出为，实际际输出为，则则对每个学学习样本的的误差平方方和为：（1-233）系统的平均误差差是：（1-244）为了方便起见，省省略下标pp，上式可写写成：（1-255）根据梯度最速下下降法，权权值（包括括阈值）的的变化项与与成正比，即即：（1-266）这里为学习率，负负号代表梯梯度下降方方向。则对于隐含层与与输出层之之间权值变变化：（1-227）若记，则（1--27）式式可写为（1-288）对于输入层与隐隐含层之间间权值变化化，尽管在在细节上与与上式不同同，但仍可可写为：（11-29）若记，则（3--29）式式可写为（1-300）但是不能直接计计算，而是是以参数的的形式表示示，即（11-31）故（1-322）公式（1-322）的含义义为：由输输出层各神神经元的值值可以求出出隐含层各各神经元的的值，计算算的方法是是按正向传传播相反的的方向用相相应的权值值对输出层层的进行加加权求和，这这就是误差差反向传播播的含义。在实用中BP算算法存在两两个重要问问题：收敛敛速度慢，目目标函数存存在局部极极小。为解解决这些问问题，许多多人研究并并提出了许许多方法，其其中很具有有代表性方方法是在（1-28）和（1-32）中增加一个动量项，即：（11-33）（11-34）式中为迭代次数数，为比例例常数。二、BP网络计计算步骤根据BP网络学学习算法，BP网络学习步骤可归纳如下：（1）根据问题的特特征和环境境，确定神神经网络的的结构，包包括神经网网络的层数数、各层中中的神经元元个数等；；（2）网络的初始化化：输入学学习率、；给定最最大学习误误差（收敛敛精确度）；；给输入层层至隐含层层连接权矩矩阵、隐含含层至输出出层的权矩矩阵赋初值值；（3）为网络提供一一组学习样样本；（4）正向传播，计计算实际输输出。计算算实际输出出与期望输输出的误差差，利用它它修正，，为迭代次次数；（5）误差回传，修修正前一层层的，直至至输入层；；（6）输入下一个学学习样本，回回至（4），直到到输完为止止；（7）计算系统误差差E，若E小于给定定值，结束束并转向（8）；否则回至（3），反复迭代，直至收敛；（8）预测新样本，并并输出预测测结果。§1.3正交试验验设计法为了建立基坑岩岩土体力学学参数与测测点位移的的映射关系系，需要事事先给定一一定数量的的样本对神神经网络进进行训练，而而选取的样样本应能够够覆盖全部部可能发生生的输入输输出状态。各各个反分析析的岩土体体力学参数数取值都有有一定的范范围，把取取值范围进进行水平划划分，假设设有m个反演参参数，它们们各有l1、l2、…、lm个水平，则则取值的可可能性有ll1×l2×…×lm种。当反反演的参数数个数不多多，每个参参数的水平平数也较少少时，把各各种可能取取值作为输输入样本，可可以获得较较为丰富的的结果，结结论也较正正确。当参参数较多，水水平数也较较大时，把把各参数的的可能取值值作为样本本是不可能能的。例如如，有五个个土体参数数，每个参参数都有五五个水平，则则有55=31225个取值值样本。对对于大多数数场合，做做这么多的的试验是不不可能的。因因此，在进进行神经网网络学习时时结合适当当的样本构构造方法，既既能保证网网络训练的的准确性，又又减少了样样本的个数数。通常的神经网络络学习样本本的选取方方法有两种种，正交试试验设计法法和均匀试试验设计法法。根据本本文中涉及及土体力学学参数个数数和水平数数，决定采采用正交试试验设计法法来构造学学习样本。正交试验设计（Orthogonalexperimentaldesign）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。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正交交试验设计计法的基本本概念一、正交试验法法的常用名名词（1）指标。在试验验中需要考考查的效果果的特性值值，简称为为指标。指指标与试验验目的是相相对应的。例例如，试验验目的是提提高产量，则则产量就是是试验要考考查的指标标；如果试试验目的是是降低成本本，则成本本就成了试试验要考查查的指标。总总之，试验验目的多种种多样，而而对应的指指标也各不不相同。指指标一般分分为定量指指标和定性性指标，正正交试验需需要通过量量化指标以以提高可比比性，所以以，通常把把定性指标标通过评分分定级等方方法转化为为定量指标标。（2）因素。因素也也称因子，是是试验中考考查对试验验指标可能能有影响的的原因或要要素，它是是试验当中中重点要考考查的内容容。通常用用大写英文文字母A、B、C等来表示示。一个字字母表示一一个因素，因因素又分为为可控因素素和不可控控因素。可控因素指在现现有科学技技术条件下下，能人为为控制调节节的因素；；不可控因因素指在现现有科学技技术条件下下，暂时还还无法控制制和调节的的因素。正交试验中，首首先要选择择可控因素素列入到试试验当中，而而对不可控控因素，要要尽量保持持一致，即即在每个方方案中，要要对试验指指标可能有有影响的不不可控因素素，尽量要要保持相同同状态。这这样，在进进行试验结结果数据的的处理过程程中，就可可以忽略不不可控因素素对试验造造成的影响响。（3）水平。试验中中选定的因因素所处的的状态和条条件称为水水平或位级级。例如：：加热温度度为70℃、80℃、90℃这3个状态，可可分别用“1”、“2”、“3”来表示。又又如1个因素分分为2水平，用用“1”和“2”来表示。同同理，一个个因素也可可分为4水平、5水平或更更多水平，以以此类推。图1-8正交表表代号图解解二、正交试验法法的基本工工具正交法的基本工工具是正交交表。它是是一种依据据数理统计计原理而制制定的具有有某种数字字性质的标标准化表格格。以基本本的L4（23）正交表表为例：从表1-1看，该该表是一个个3列4行的矩阵阵，每1个因素占占用1列，该表表最多能考考查3个因素，每每个因素分分为2水平，共共有4个横行，也也就是有44个试验方方案，每11行是1个方案。假假若用A因素占第第1列，B因素占第第2列，C因素占第第3列，则：：1号方案为为A1B1C1，2号方案为为A1B2C2，3号方案为为A2B1C2，4号方案为为A2B2C1,只要因素素列上，各各因素水平平对号入座座，方案就就确定好了了，有几个个横行就有有几个试验验方案。再以L9（344）表为例例，根据对对L4（23）表的理理解，则LL9（34））表为为4列9行的矩阵阵，即该表表最多可安安排4个因素，有有9个试验方方案，每个个因素分为为3水平，即即每个纵列列只有1、2、3这3个数码。通过认真分析这这两个正交交表，可以以发现，每每1个纵列中中，各种数数码出现次次数相同，在在L4（23）表中，每每列“1”出现2次，“2”出现2次，在L9（34）表中，“1”、“2”、“3”各出现3次。正交交表中，任任意2列，每1行组成1个数字对对，有多少少行就有多多少个这样样的数字对对，这些数数字对是完完全有序的的，各种数数字对出现现的次数必必须相同，正正交表必须须满足以上上两个特性性，有一条条不满足，就就不是正交交表。如LL9（34）正交表表，任意22列各行组组成的数字字对分别为为：（1，1）、（1，2）、（1，3）、（2，1）、（2，2）、（2，3）、（3，1）、（3，2）、（3，3），共9种，每种种出现一次次，且完全全有序。正交表一般以通通式表示为为：LN（MK）表现为为K列N行的矩阵阵，表示为为该表最多多能考察KK个因素，每每个因素都都分为M个水平。表3-1L4（23）表的格式式表3-2L9（34）表的格式式项目列123行1111212232124221项目行1234列1111121222313334212352231623127313283213933211.3.2正交交试验法的的主要用途途第二次世界大战战后，试验验设计作为为质量管理理技术之一一，受到各各国的高度度重视，以以日本人田田口玄一博博士为首的的一批研究究人员在11949年年发明了用用正交表安安排试验方方案，19952年田田口玄一在在日本东海海电报公司司，运用正正交表进行行试验取得得了全面成成功，之后后正交试验验设计法在在日本的工工业生产中中得到迅速速推广。据据统计，在在正交法推推广的头110年，试试验项目超超过1000万项，其其中三分之之一的项目目效果显著著，获得极极大的经济济效益。我我国从200世纪50年代开开始，以中中国科学院院数学研究究所的研究究人员为基基础深入研研究正交试试验设计这这门科学，并并逐步应用用到工农业业生产中去去，其后正正交试验设设计得到了了广泛研究究，尤以上上海、江苏苏等地的推推广成绩显显著。正交交法之所以以受到人们们的关注，是是因为在工工农业生产产和科学研研究过程中中，科学试试验是必由由之路，而而采用正交交法安排试试验方案可可以解决以以下问题：：（1）可以节省大量量人力、物物力、财力力和时间。（2）能够明确影响响试验指标标各因素的的主次顺序序，即了解解哪些因素素重要，哪哪些因素次次要。（3）可以迅速找到到优化方案案，在产品品开发设计计中，迅速速找到优化化方案，可可以大大缩缩短产品开开发设计周周期；在生生产过程中中很快找到到优化方案案，可以尽尽快使生产产工艺按最最佳工艺条条件运行，早早日实现高高效益。（4）通过试验结果果分析，可可以进一步步指明试验验的方向，克克服盲目性性，等等。二XX站深基坑土体力学参数动态反演§2.1XX站站深基坑基基本概况2.1.1工程程概况XX站作为XXX市地铁2号线重点点工程，位位于XX街与XX大街交交叉口，XXX南侧，沿沿XX街设置置。站位北北侧有XXX化工工程程总公司及及其家属区区、XX、XX施工区区，南侧有有XX西藏中中学，西侧侧有XX医院等等单位。车车站起讫里里程为右XXX～右XX，标准准段宽度为为18.886m。XX站为地下两两层站台岛岛式车站，地地下一层为为站厅层，地地下二层为为站台层；；主体结构构位于交叉叉口正下方方，附属结结构位于人人行道与绿绿化带正下下方。车站站外包长度度241..3m，标标准段宽度度18.886m，结结构顶板覆覆土厚度≥≥3m，整整个车站建建筑物由车车站主体、出出入口、通通道及风亭亭四部分组组成。车站站设有出入入口4个,通道1个,风亭2个。车站站总建筑面面积为111932..1m2,其中主体体建筑面积积为90996m2。图2-1为XX站基坑坑平面示意意图。图2-1XX站深深基坑平面面示意图车站主体及附属属结构采用用明挖法施施工，主体体围护采用用d=10000mm钻钻孔灌注桩桩桩间距@@13000mm作为为基坑围护护结构，桩桩顶设冠梁梁，桩间采采用C200挂网喷砼砼保持桩间间土稳定；；采用φ600,δ12钢管三三道作为内内支撑；钻钻孔灌注桩桩之间采用用φ800旋喷喷桩止水。出出入口、通通道围护结结构采用φφ800@@12000钻孔灌注注桩加钢支支撑作为基基坑围护结结构，采用用φ600,δ12钢管两两道作为内内支撑。钻钻孔灌注桩桩之间采用用φ800旋喷喷桩止水，基基坑平面内内一般采用用对撑，在在端部与角角部采用斜斜撑。基坑坑支护及土土方开挖程程序如下：：1）施工钻钻孔灌注桩桩和旋喷桩桩等围护结结构，完成成后，全部部开挖至地地面以下22.0m后后施工冠梁梁，钢筋混混凝土挡墙墙，安装第第一道钢管管支撑，接接力开挖至至第二次开开挖面；22）安设第第二道支撑撑，然后向向下开挖至至第三次开开挖面；33）安设第第三道支撑撑，向下开开挖至基底底上50ccm，50cmm采用人工工清底。为为确保施工工的顺利进进行和基坑坑的安全稳稳定，指导导施工，在在施工期间间对围护结结构顶部的的水平位移移和沉降位位移及周边边建筑物的的沉降位移移进行实时时监测。2.1.2工程程地质及水水文地质条条件据勘察报告提供供资料，XXX站场地地地基土自自上而下依依次描述如如下：1、第四系近代人人工填土层层（Qmll）杂填土：厚度11.5～3.7m。2、第四系中更新新统冲积层层（Q2aal）粉质粘土，厚度度1.8～3m；3、冲、洪积层（Q2al+pl）粉质粘土，厚度度2.6~~4.7；；4、粉质粘土层（10-1）粉质粘土，厚度度4.7mm黄褐色，结结构紧密，含含少许铁、锰锰质结核及及其氧化物物。5、粘土层（100-2）粘土，厚度7..2～11.1mm；黄褐、棕棕红色，夹夹灰绿色条条带或团块块，结构紧紧密，硬塑塑状，裂隙隙发育，具具烛状光泽泽。含少许许铁、锰质质结核，碎碎石含量约约占5～15%，呈呈棱角状。5、粘土层（100-3）粘土，厚度6..4～8.8m；黄黄褐、棕红红色，夹灰灰绿色条带带或团块，结结构紧密，硬硬塑状，裂裂隙发育，具具烛状光泽泽。含少许许铁、锰质质结核。依据据勘察报告告提供资料料显示，场场区内地下下水主要为为上层滞水水和岩溶隙隙水，上层层滞水水量量不丰，主主要赋存于于人工填土土层中，水水位不连续续，无统一一的自由水水面，埋深深为0.55～2.500m，主要要接受地表表水与大气气降水补给给。岩溶裂裂隙水，主主要分布三三叠系灰岩岩中的岩溶溶洞穴、裂裂隙带中，呈呈近EW向条带带展布，上上覆15..0～20.00m粘性土土，岩溶裂裂隙水埋深深21～25m，具具微承压性性，水量不不丰，主要要通过两侧侧裸露基岩岩接受大气气降水入渗渗补给。地下水腐蚀性评评价：根据据岩土工程程勘察报告告，拟建工工程场区地地下水对混混凝土结构构无腐蚀性性，对钢筋筋混凝土结结构中钢筋筋无腐蚀性性，对钢结结构有弱腐腐蚀性。环境土对混凝土土及钢结构构腐蚀性评评价：根据据岩土工程程勘察报告告，拟建工工程场区环环境土对混混凝土、钢钢筋混凝土土结构中的的钢筋均无无腐蚀性，对对钢结构有有弱腐蚀性性。§2.2数值值模拟计算算模型与初初始计算参参数本文采用有限差差分软件FFLAC33D，对XX站深基基坑建立三三维数值模模型。考虑虑到基坑平平面、支护护结构、地地面附加荷荷载以及基基坑开挖情情况对基坑坑南部标准准段部分建建立模型，进进行有限差差分计算，数数值模型平平面图和模模型网格划划分见图22-2和图2-3。图2-2数值模型型平面图（1）计算域范围：：基坑开挖挖深度为116.4mm，当前开开挖长744m，基坑坑宽18..5m。根根据基坑开开挖影响长长度方向约约为开挖深深度的3--4倍，深深度方向约约为开挖深深度的2--4倍，选选取模型尺尺寸为110m×844×60mm（长×宽×高）。（2）模拟单元：土土体采用三三维六面体体8节点的实实体单元模模拟，钻孔孔灌注桩和和高压旋喷喷桩采用3节点的桩桩单元模拟拟，钢支撑撑采用3节点的梁梁单元模拟拟。（3）边界约束：由由于模型范范围选取足足够大，因因此我们在在基坑的长长边方向（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）计算中采用直直角坐标系系：坐标原原点为模型型的底面（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0－130.0m，Y向为0－84.0m，Z向为-60.0-0m。（5）材料模型：结结构材料（钻钻孔灌注桩桩，高压旋旋喷桩和钢钢支撑）采采用各向同同性的弹性性模型，土土体采用弹弹塑性的莫莫尔—库伦模型型（6）荷载：主要有有地应力场场、重力、地地下水和施施工荷载。对对于场地内内地下水下下的土体采采用有效应应力的方式式考虑地下下水的影响响。图2-3模型网网格划分图图根据工程地质勘勘察报告，并并考虑提高高三维有限限差分的收收敛性和位位移反分析析的可靠性性，将模型型范围内土土层概括为为以下四层层：第一层层为填土层层，厚2..6m；第第二层为粉粉质粘土层层，厚4..7m；第第三层为粘粘土层，厚厚16.88m；第四四层为灰岩岩，厚355.9m。各各土层力学学参数范围围值见表22-1。表2-2为各土层层力学等效效参数，是是通过土层层简化前各各简化土层层所包含的的土层力学学参数的加加权平均计计算获取的的。表2-1土体力力学计算参参数土层层厚/m密度/103kkg/m3压缩模量E/MMpaC/kPaφ/°μ素填土2.61.867.0-9.003-718-240.3~0.44粉质粘土4.71.988.2-9.4430.5-355.315.1-166.90.33-0..36粘土16.81.899.2-12..832.3-366.214.5-155.70.30-0..33灰岩35.92.6822.514.547.50.26表2-2土体力力学计算等等效参数土层层厚/m密度/103kkg/m3压缩模量E/MMpaC/kPaφ/°μ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根据基坑开挖和和支护的施施工步序，计计算共考虑虑4个工况：：(1)工况1：开开挖至标高高-2米，并在-1米处设置第第一道支撑撑。(2)工况2：开开挖至标高高-6.77米，并在-6米处设置第二二道支撑为为。(3)工况3：开开挖至标高高-11米，并在-9.22米处设置第第三道支撑撑。(4)工况4：开开挖至标高高-16..4米，并在-112.7米米处设置第第四道支撑撑。计算中将每一个个工况作为为一个计算算步时，按按增量法近近似模拟施施工过程。§2.3BPP网络学习习样本的构构建2.3.1土体体力学参数数正交试验验分组就基坑工程而言言，与地下下围护结构构受力、变变形直接相相关的土体体力学参数数有E(弹性模模量)、μ(泊松比)、c(内摩擦擦力)和φ(内摩擦角角)，由于基基坑开挖118.4至至底板时涉涉及土层为为上部三层层土层，而而工况1和工况2涉及到第第一个土层层，工况33涉及到第第二个土层层，工况44涉到及第第三个土层层，故可从从上至下依依次对基坑坑开挖涉及及的三个土土层的力学学参数进行行反演，在在进行上部部土层的工工况进行模模拟时，下下部土层的的力学参数数采用土层层力学等效效参数代替替，将各土土层岩土力力学参数按按每个参数数4水平划分分，则各土土层岩土力力学参数的的水平划分分见表2--3、表2-4和表2-5。表2-3填土层岩岩土力学参参数的水平平划分因素水平E(MPa)C（KPa）Φ（°）μ173180.327.674.33200.3338.345.66220.36497240.4表2-4粉质粘粘土层岩土土力学参数数的水平划划分因素水平E(MPa)C（KPa）Φ（°）μ18.230.515.10.3328.632.115.70.3439.033.716.30.3549.435.316.90.36表2-5粘土层层岩土力学学参数的水水平划分因素水平E(MPa)C（KPa）Φ（°）μ19.232.314.50.30210.433.614.90.31311.634.915.30.32412.836.215.70.33根据各土层土体体参数水平平的划分，采采用正交设设计法按44因素4水平的方方式进行试试验设计，构构建各土层层的正交设设计表L16（44）。表6为正交设设计表L16（44），表中中第一列代代表试验序序号，第一一排代表试试验因子，表表中间的数数据代表试试验因子的的各个水平平。2.3.2BBP网络学学习样本的的构建根据正交试验设设计表L16（44）设置有有限差分法法对基坑开开挖支护的的工况进行行模拟计算算所需岩土土力学参数数，一组参参数输入到到有限差分分程序后计计算到对应应的工况得得到一组计计算位移值值，16组试验验对应有116组正分分析位移值值，这样便便得到了BBP神经网网络的雏形形样本集。在在位移反分分析中，BBP网络的的输入输出出关系为：：输入—计算位移移值，输出出—参数（岩岩土力学参参数）。表表2-7至2-12依次为为各个土层层的BP神经网网络训练样样本。表2-6正交设设计表L116（44）KN1234111112122231333414445213462243723128242193142103231113324123413134123144214154341164432表2-7正分析填填土层的输输入计算参参数KN1234173180.3274.33200.33375.66220.36477240.457.673220.467.674.33240.3677.675.66180.3387.677200.398.343240.33108.344.33220.3118.345.66200.4128.347180.361393200.361494.33180.41595.66240.31697220.33表2-8正分析在在深度-22m位置的的计算位移移值（单位位：mm）序号CX4CX8CX12CX1617.987.107.3817.1726.886.328.2718.6336.916.369.1219.7147.857.069.8720.1157.266.969.1019.6566.135.828.8318.9977.146.387.9718.2586.025.637.3317.0495.895.598.1117.96105.725.227.3916.97117.366.839.3519.82127.226.389.1619.29136.975.868.9219.00147.147.078.9118.65154.935.177.3816.66165.855.549.0216.87表2-9正分析粉粉质粘土层层的输入计计算参数KN123418.230.515.10.3328.232.115.70.3438.233.716.30.3548.235.316.90.3658.630.516.30.3668.632.116.90.3578.633.715.10.3488.635.315.70.339930.516.*0.3410932.116.30.3311933.715.70.3612935.315.10.35139.430.515.70.35149.432.115.10.36159.433.716.90.33169.435.316.30.34表2-10正分分析在-66m和-4m位置置的计算位位移（单位位：mm）序号CX16（-66m）CX12（-66m）CX16（-22m）CX12(-2m)112.138.9613.7211.18211.888.9113.6611.08311.658.7113.1711.05411.328.8713.1210.92511.438.5512.9610.87611.298.1313.0510.76711.058.1012.9110.61810.877.9612.8310.44910.668.0312.7510.321010.617.9712.5510.171110.327.8212.5310.111210.177.7612.4710.021310.127.7112.369.891410.397.6912.439.93159.977.5712.319.88169.637.6312.299.84表2-11正分分析粘土层层的输入计计算参数KN123419.232.314.50.3029.233.614.90.3139.234.915.30.3249.236.215.70.33510.432.315.30.33610.433.615.70.32710.434.914.50.31810.436.214.90.30911.632.315.70.311011.633.615.30.301111.634.914.90.331211.636.214.50.321312.832.314.90.321412.833.614.50.331512.834.915.70.301612.836.215.30.31表2-12正正分析在--10m、-6m和-2m位置置的计算位位移（单位位：mm）序号CX16（-10m)CX12(-10m)CX16(-6m)CX12(-6m)CX16(-2m)CX12(-2m)130.6934.7738.2734.1341.6436.52227.3728.8529.1924.2540.1131.34324.8925.9824.3121.2835.6827.60419.9123.3722.7027.3626.5424.17519.9624.1823.3626.1327.1625.82618.1521.7821.9224.2727.8524.33724.1829.4930.1726.9340.5632.85819.9424.0925.5321.3738.2137.36917.0120.1522.3723.7229.7326.231017.5620.8723.1124.5130.0930.091119.2624.3624.0627.5930.7333.741221.0425.1926.6324.2432.9629.521319.7324.9224.8928.3429.4828.141422.4327.5227.1420.6932.7532.421515.4917.3322.1917.6228.3625.081616.9916.0721.5718.5128.0326.09§2.4位移移反分析2.4.1填土土层位移反反分析BP神经网络的的训练雏形形样本见表表2-7和2-8，输入层层为深基坑坑桩体变形形测斜位移移，输出层层为填土层层岩土体力力学参数。网网络结构为为4×111×4，即即输入层为为4个节点，输输出层为44个节点，隐隐含层为111个节点点，隐含层层激活函数数采用taansigg函数，输输出层激活活函数采用用logssig函数数；采用LLveneebergg-Marrquarrt优化算算法进行网网络训练。网网络迭代4454步收收敛，收敛敛误差为11e-100，训练过过程如图44。图2-4填土层BBP网络训训练过程示示意图基坑开挖到工况况2时，四个个测斜孔CCX4，CX8，CX12,CX16在-2m位置置的实测位位移为u0=[7.887，6.944,8..26，19.553]T(单位：mmm)。把u0输入到训训练好的神神经网络中中进行反分分析，神经经网络输出出相应的填填土层土体体力学参数数R=[77，5.666，22，0.366]T，把反演演输出的力力学参数代代回正分析析的模型中中进模拟计计算，得出出相应测斜斜孔的位移移为u1=[8..11，7.255，8.244，20.33]T,实测位移移与反分析析的力学参参数的计算算位移误差差见表2--13。表2-13填土土层反分析析参数计算算位移与实实测位移误误差监测点CX4CX8CX12CX16实测位移（mmm）7.876.948.2619.533计算位移(mmm)8.117.258.0320.3绝对误差0.240.310.230.77相对误差（%）3.054.472.793.94由表2-13可可知，填土土层反分析析土体力学学参数的计计算位移与与实测位移移的误差符符合规定的的5%误差范范围，故可可确定填土土层土体力力学参数为为R=[77，5.666，22，0.366]T。2.4.2粉粉质粘土层层位移反分分析根据正交试验法法构造粉质质粘土层土土体力学参参数的雏形形样本，表表2-9为正分析析粉质粘土土层的输入入计算参数数，将分组组试验参数数输入正分分析模型进进行数值模模拟计算，由由于工况33的开挖支支护主要涉涉及粉质粘粘土层，故故模拟计算算到工况33的位置即即可，由每每组试验参参数计算得得到相应的的计算位移移，本次监监测取基坑坑测斜孔CCX12和和CX166两个监测测点的-66m位置和和-2m位置置的监测位位移作为反反分析实测测位移数据据，因此正正分析计算算位移也应应取CX112和CX166在-6m和-2m两个个位置的计计算位移，见见表2-10，与正正交试验法法构造的粘粘土层土体体力学参数数一起构建建神经网络络的训练雏雏形样本。与填土土层反演方方法一样BBP神经网网络的输入入层为深基基坑桩体变变形测斜位位移，输出出层为填土土层岩土体体力学参数数。网络结结构为4××11×44，即输入入层为4个节点，输输出层为44个节点，隐隐含层为111个节点点，隐含层层激活函数数采用taansigg函数，输输出层激活活函数采用用logssig函数数；采用LLveneebergg-Marrquarrt优化算算法进行网网络训练。网网络迭代6637步收收敛，收敛敛误差为11e-100，训练过过程如图22-5。图2-5粉质粘土土层BP网络训训练过程示示意图基坑开挖到工况况3时，测斜斜孔CX12和CX16在-6m和-2m位置置的实测位位移为u0=[8.225,100.76,,11.443,133.51]]T(单位：mmm)。把u0输入到训训练好的神神经网络中中进行反分分析，神经经网络输出出相应的粘粘土层土体体力学参数数R=[88.2，35.33，16.99，0.333]T，把反演演输出的力力学参数代代回正分析析的模型中中进模拟计计算，得出出相应测斜斜孔的位移移为u1=[8.664,111.33,,12.005,122.96]]T,实测位移移与反分析析的力学参参数的计算算位移误差差见表2--14。表2-14粉质质粘土层反反分析参数数计算位移移与实测位位移误差监测点CX12(-6M)CX16(-6M)CX12(-2M)CX16(-2M)实测位移8.2510.7611.43313.51计算位移8.6411.3312.0512.96绝对误差0.390.570.620.55相对误差（%）4.735.325.454.09根据规定的误差差范围5%%内为可接接受范围，反反演得到的的力学参数数代回正分分析模型计计算位移与与实测位移移相对误差差最大达到到5.455%。由于于反演参数数较少，可可对神经网网络反演的的力学参数数进行手动动调整，经经过调整，得得到土体力力学参数RR1=[8..2，30.55，16.99，0.333]T，其通过过正分析的的计算位移移和监测点点实测位移移的误差比比较见表22-10。由由表2-15可知，填填土层反分分析力学参参数的位移移验证误差差达到规定定的范围之之内，可以以确定填土土层力学参参数为R1=[3，15.55，10，0.4]]T。表2-15反分分析结果RR1的计算位位移与实测测位移的误误差监测点CX12(-6M)CX16(-6M)CX12(-2M)CX16(-2M)实测位移8.2510.7611.43313.51计算位移8.4811.1911.8913.18绝对误差0.230.430.460.33相对误差（%）2.743.984.012.432.4.3粘粘土层位移移反分析根据正交试验法法构造粘土土层土体力力学参数的的雏形样本本，表2--11为正分分析粘土层层的输入计计算参数，将将分组试验验参数输入入正分析模模型进行数数值模拟计计算，由于于工况4的开挖支支护主要涉涉及粉质粘粘土层，故故模拟计算算到工况44的位置即即可，由每每组试验参参数计算得得到相应的的计算位移移，本次监监测取基坑坑测斜孔CCX12和和CX166两个监测测点的-110m,--6m和-2m位置置的监测位位移作为反反分析实测测位移数据据，因此正正分析计算算位移也应应CX122和CX166在-10mm,-6mm和-2m两个个位置的计计算位移，见见表2-12，与正正交试验法法构造的粘粘土层土体体力学参数数一起构建建神经网络络的训练雏雏形样本。与填土土层反演方方法一样BBP神经网网络的输入入层为深基基坑桩体变变形测斜位位移，输出出层为填土土层岩土体体力学参数数。网络结结构为4××11×44，即输入入层为4个节点，输输出层为44个节点，隐隐含层为111个节点点，隐含层层激活函数数采用taansigg函数，输输出层激活活函数采用用logssig函数数；采用LLveneebergg-Marrquarrt优化算算法进行网网络训练。网网络迭代7730步收收敛，收敛敛误差为11e-100，训练过过程如图22-6。图2-6粘土层BBP网络训训练过程示示意图基坑开挖到工况况4时，YCXX4和YCX66在-10mm,-6m和-2m位置置的实测位位移为u0=[244.67,,29..13,33.885,366.21,,36.447,440.377]T(单位：mmm)。把u0输入到训训练好的神神经网络中中进行反分分析，神经经网络输出出相应的粉粉质粘土层层土体力学学参数R==[10..4,334.9,,14..5,00.3]TT，把反演演输出的力力学参数代代回正分析析的模型中中进模拟计计算，得出出相应测斜斜孔的位移移为u1=[25..83,229.822,35..09,335.433,36..07,339.222]T,实测位移移与反分析析的力学参参数的计算算位移误差差见表2--16。表2-16粘土土层反分析析参数计算算位移与实实测位移误误差监测点CX12（-110m)CX16(-110m)CX12(-66m)CX16(-66m)CX12(-22m)CX16(-22m)实测位移24.6729.1333.8536.2136.7440.37计算位移25.8329.8235.0935.4336.0739.22绝对误差1.160.691.240.780.671.15相对误差（%）4.712.363.652.141.822.85由表2-16可可知，粉质质粘土层反反分析土体体力学参数数的位移验验证误差达达到规定的的范围之内内，因此可可以确定填填土层力学学参数为RR1=[100.4,34.99,144.5,0.3]]T。以上根据基坑施施工的各个个工况及相相应时期对对地下连续续墙体变形形的监测数数据，采用用有限差分分正分析与与BP神经网网络相结合合的方式对对基坑开挖挖涉及的各各土层的土土体力学参参数进行了了反分析研研究，并对对各个土层层及相应的的施工工况况时期地下下围护结构构的变形进进行验证分分析，最终终得到基坑坑开挖各土土层土体力力学参数值值，见表22-17。表2-17各土土层土体力力学参数位位移反分析析结果参数土层Es(MPa))C（KPa）Φ（°）μ填土层75.66220.36粘土层8.230.516.90.33粉质粘土层1.0434.914.50.3底部垫层22.514.547.50.26三XX站深基坑土土体力学参参数动态反反演§3.1XX站站深基坑基基本概况3.1.1工程程概况作为XX地铁二二号线重点点站点的XXX站沿XX二路布布置，位于于XX二路中中段正下方方。车站以以北为XXX路与XX二路十十字路口，以以南为XXX三路与XXX二路十字字路口。站站点起讫里里程为：右右XX～右XX，有效效站台中心心里程为右右CK3++226..157,,车站总长长534..6m。站站点土建工工程项目包包括车站主主体及通道道、出入口口、风道、风风亭。车站站南北向全全长5344.6m，标标准段宽118.5mm（轨排井井宽22..7m，南南端头井宽宽22.55m）。车车站外包尺尺寸为534..6×188.5×112.611m（长×宽×高），车车站设有折折返线、4座独立的的出入口和和4组风亭，出出入口用通通道与站厅厅层相通，并并预留了5座物业出出入口。总总建筑面积积为245568m22。车站位于XX二二路中段，车车站东侧为为正在建设设中的XXXC区、西侧侧为XX移动公公司；折返返线东侧为为XX空地，西西侧为XXXD区。车站站所处位置置以北为XXX路与XX二路十十字路口，以以南为XXX三路与XXX二路十字字路口。目目前存在交交通的为XXX路、XX五路和和XX三路的的东西向车车流。图33-1为XX站基坑坑平面示意意图。车站主体采用地地下连续墙墙与多层Ф609××16mmm（Ф609××12mmm）钢管支支撑作基坑坑支护体系系，基坑施施工采用分分段、分层层开挖土方方，结构采采用明挖顺顺作法施工工。车站顶顶部覆土厚厚度约3..0m，车车站主体基基坑深度标标准段约为为15.889m，盾盾构段约为为17.88m。地下连续续墙厚0..8m，深深度为28.8～24.8mm，幅段之之间采用“H型钢”接头。地地下连续墙墙总计219幅。图3-1XX站基基坑平面示示意图车站基坑保护等等级为一级级，车站结结构采用00.8m厚厚地下连续续墙作为围围护结构，选选用内衬墙墙与围护结结构间设置置柔性防水水层的复合合墙，并兼兼作与内衬衬墙共同承承受使用阶阶段荷载的的永久结构构，浇筑地地下连续墙墙结构使用用防水混凝凝土，其强强度指标为为C30，抗抗渗等级为为S8。基坑坑开挖采用用基坑分层层、分段开开挖，支撑撑与监测及及时跟进的的方法进行行施工。开开挖遵循“时空效应应”理论，分分层、分段段开挖，严严格遵守“开槽支撑撑、先撑后后挖、分层层开挖、严严禁超挖”的施工原原则，纵向向放坡，根根据车站支支撑具体布布设情况，土土方分层开开挖。车站采用明挖顺顺作法施工工，支护结结构采用地地下连续墙墙加钢管支支撑系统。车车站基坑沿沿深度方向向设置四道道钢支撑（局局部三道钢钢）支撑。基基坑钢支撑撑均采用直直径Ф609mmm，壁厚厚16mmm（12mmm）的钢管管。施工中中，支撑架架设与土方方开挖两工工序密切配配合，支撑撑遵循“开槽支撑撑、随挖随随撑”的原则。基坑土方开挖分分6级进行开开挖，开挖挖面标高分分别为：+19.8880m，+18.1180m，+12.1180m，+9.8880m，+6.3880m，+4.8880m。具具体开挖过过程为：开开挖表层土土至冠梁底底标高，浇浇筑冠梁；；开挖至第第一道支撑撑底标高，安安装第一道道钢支撑，设设于地面下下800mmm冠梁上上，并施加加钢支撑预预应力，然然后向下开开挖至第二二道支撑底底标高，安安装第二道道钢支撑，施施加预应力力后，继续续向下开挖挖，完成第第三、四道道钢支撑的的安装和预预应力的施施加后继续续开挖道坑坑底，浇筑筑基坑底板板。为确保保施工的顺顺利进行和和基坑的安安全稳定，指指导施工，在在施工期间间对围护结结构顶部的的水平位移移和沉降位位移、地下下连续墙的的水平位移移和周边建建筑物的沉沉降位移进进行实时监监测。基坑坑围护结构构顶部的水水平位移和和沉降位移移以及周边边建筑物的的沉降位移移采用经纬纬仪和水准准仪进行量量测；地下下连续墙体体水平位移移采用测斜斜仪进行量量测。3.1.2工工程地质及及水文地质质条件车站位于XX一一级阶地，地地势平坦。地地形主要由由第四纪全全新统人工工堆积层QQ4ml组成，岩岩性为粉质质粘土、淤淤泥质粉质质粘土、淤淤泥质粉质质粘土夹粉粉土、粉质质粘土粉土土粉砂互层层、粉砂夹夹粉土、粉粉砂、砂类类土。一、工程地质条条件工程勘察表明，站点地层主要由第四纪全新统人工堆积层（Q4ml）组成，岩性为粉质粘土、淤泥质粉质粘土、淤泥质粉质粘土夹粉土、粉质粘土粉土粉砂互层、粉砂夹粉土、粉砂、砂类土。车站范围内各土层如下：（1-1）层杂填填土：松散散，由粘性性土、砂土土与砖块、碎碎石、块石石、炉渣等等建筑及生生活垃圾混混成，层厚厚0.6～2.4m。（1-2）层素填填土：褐黄黄～灰色，松松散，高压压缩性，粘粘性土及砂砂土为主组组成，混少少量碎石、砖砖瓦片等，层层厚1.11～1.7m。（1-3）层淤泥泥：灰黑色色，软～流流塑，高压压缩性，含含有机质及及生活垃圾圾，层厚22.8～3.9m。（3-1）层粘土土：黄褐～～褐黄～灰灰褐色，可可塑（局部部偏硬塑），中中压缩性，含氧化铁、铁锰质结核，层厚1.0～6.8m。（3-1a）层粘土土：褐黄色色，中偏高高压缩性，含含氧化铁、铁铁锰质结核核，层厚11.0～4.2m。（3-3）层淤泥泥质粉质粘粘土:褐灰～深灰色，软软～流塑，高高压缩性，含含有机质、腐腐植物，局局部夹薄层层粉土，层层厚1.22～10.0mm。（3-4）层粉质质粘土夹粉粉土、粉砂砂：灰色、中中密，少夹夹粉质粘土土薄层。含含长石、石石英、云母母等，层厚厚6.4～12.3mm。（3-5）层粉质质粘土、粉粉土、粉砂砂互层：灰灰褐色，粉粉质粘土呈呈软～可塑塑状态。粉粉质粘土软软～可塑，粉粉土稍～中密，粉粉砂松软～～稍密，层层厚4.66～21.1mm。（4-1）层粉细细砂：灰色色，稍密～～中密，由由云母片、长长石、石英英等矿物组组成，土质质均匀，层层厚1.77～4.9m。（7-1）层粘土土：黄褐色色，可～硬塑，压压缩性中偏偏低，含氧氧化铁、铁铁锰质结核核、高岭土土，分布于于里程右AAK2+8848以北北地段，层层厚2.22～7.2mm。（7-2）层粘土土：黄褐色色，硬塑，压压缩性中偏偏低，含氧氧化铁、铁铁锰质结核核。该层分分布于里程程右AK22+8733以北地段段，层厚11.7～8.4mm。（7-3）层粉质质粘土：灰灰色，可塑塑（局部软软塑），中中压缩性，含含氧化铁，云云母片及少少量腐殖物物，夹薄层层粉土。该该层分布于于里程右AAK2+8897以北北地段，层层厚0.99～9.2m。（9）层粉质粘土夹砂砂、卵石：：褐黄～灰灰色，硬塑塑～坚硬，含铁锰氧化物，夹粉细砂、中粗砂、砾卵石、砂卵石。该层分布于右AK2+898以北地段，层厚1.8～8.0m。（13-1）层含含碎石粉质质粘土：灰灰绿，硬塑塑～坚硬，成份以粘性土混粗砾砂、碎石组成，成份混杂，不均，层厚0.8～5.0m。（14-1）层半半胶结砂砾砾岩夹泥质质粉砂岩：：灰绿～兰兰灰色，主主要由砂岩岩、灰岩、硅硅质岩岩屑屑及泥质、粉粉砂质基质质半胶结而而成，层厚厚6.4～13.6m。（14-2）层半半胶结砂砾砾岩夹泥质质粉砂岩：：灰绿～紫紫红色，主主要褐铁泥泥质、钙质质胶结，具具砂状结构构，块状构构造，主要要由砂岩、石石英砂岩，硅硅质岩等岩岩屑及泥质质、粉砂质质基岩半胶胶结而成，层层厚1.00～13.1mm。二、水文地质条条件XX市属中国东东南季风气气候区，具具有夏季炎炎热、冬季季寒冷，降降水充沛等等主要气候候特点，年年平均气温温15.99℃，极端最最高气温441.3℃℃，极端最最低气温--18℃。夏季高高温闷热，相相对湿度最最热时800%，冬季季有霜冻和和降雪发生生。本地区区雨量充沛沛，多年平平均降雨量量12611.2mmm，降水多多集中在6～8月份。站点场地位于XXX一级阶阶地后缘，场场地内的地地下水有上上层滞水，孔孔隙承压水水两种类型型：上层滞水主要赋赋存于人工工填土(Qml)层，无统统一自由水水面，大气气降水、地地表水和生生产、生活活用水渗入入是其主要要的补给来来源，勘察察测得其初初见水位埋埋深为1..0～3.6m，稳稳定水位埋埋深为1..2～4.3m。孔隙承压水为赋赋存于一级级阶地第四四系全新统统冲积（Q4al）粉质质粘土、粉粉土、粉砂砂互层土层层及局部分分布的粉细细砂中弱孔孔隙承压水水，其补给给方式主要要为径流补补给，水位位随季节变变化大，与与XX、汉江江具有一定定的水力联联系，其上上覆粘性土土层及下伏伏残积土、基基岩为相对对隔水顶、底底板。根据施工资料知知，20006年11月10日在JZ-JJSYY--W1号抽抽水试验孔孔中测得承承压水头在在地面下44.65米米，相当于于绝对标高高16.337米（黄海高高程），汉汉口地区XXXI级阶地承承压水位标标高最高为为20.00m左右，承承压水头标标高年变化化幅度在33.0～4.0m之间间。拟建场场地地下水水对地下混混凝土及混混凝土中钢钢筋均无腐腐蚀性，对对地下钢结结构具弱腐腐蚀性。根据上述地质、水水文资料可可知，表层层填土、淤淤积土上层层滞水，无无统一自由由水位。下下部粉质粘粘土、粉土土、粉砂互互层及局部部粉砂，砂砂夹卵石层层中孔隙承承压水，与与XX有一定定的水力联联系，含水水层上部透透水性差，厚厚度为100.0～16.8mm。上部粘粘性土为隔隔水顶板，下下部K-EE基岩为相相对隔水底底板。车站站基坑基本本坐落在（3-5）层粉质粘土夹粉土、粉砂层中。总体而言，车站站场地内含含水层渗透透性较差，地地下赋存的的承压水顶顶板埋深相相对较浅，而而场地承压压水水头高高。根据水水位计算，在在车站施工工时将出现现突涌，为为确保施工工期间安全全，应对场场地地下水水的危害采采取有效措措施进行处处理。经各种技术、经经济对比分分析及根据据XX市地下下水处理的的成功经验验，该场地地最经济可可行的承压压水处理方方案为采用用中深井真真空抽排降降水方案。降降水设计方方案取降水水井孔径为为550mmm，管径径250mmm,孔深31..0m（降降水井孔口口标高为根根据现场情情况高于现现地面0..30～0.50米，基坑外外降水井孔孔亦可低于于现地面00.30～～0.50米），降水水井主要沿沿基坑边布布置，距基基坑两边的的距离为22.5～3.0m,为保证成成井质量，降降水井要求求采用冲击击成孔。对于上层滞水采采用帷幕隔隔渗，因本本场地支护护结构采用用地下连续续墙，可有有效的隔段段上层滞水水，因此对对本场地上上层滞水不不再另设隔隔渗帷幕，基基坑内的明明水可采用用坑内集水水井明沟抽抽排。§3.2数值值模拟计算算模型与初初始计算参参数本文采用有限差差分软件FLACC3D，对XX站深基基坑建立三三维数值模模型。考虑虑到基坑平平面、支护护结构、地地面附加荷荷载以及基基坑开挖情情况对基坑坑南部标准准段部分建建立模型，进进行有限差差分计算，数数值模型平平面图和模模型网格划划分见图3-2和图3-3。图3-2模型平平面图（单位：m）（1）计算域范围：：基坑开挖挖深度为115m，当当前开挖长长64m，基基坑宽188.5m。根根据基坑开开挖影响长长度方向约约为开挖深深度的3-4倍，深度度方向约为为开挖深度度的2-4倍，取基基坑沿长边边方向延伸伸约46mm，基坑两两侧短边各各延伸约440m，基基坑底部以以下取455m，到达达下部含碎碎石粉质粘粘土层，对对计算结构构不会有大大的影响，即即模型尺寸寸为1100m×100mm×60m（长长×宽×高）。（2）模拟单元：地地下连续墙墙和土体采采用三维六六面体8节点的实实体单元模模拟，钢支支撑采用33节点的梁梁单元模拟拟。（3）边界约束：由由于模型范范围选取足足够大，因因此我们在在基坑的长长边方向（X方向）两端（X=0,X=110）施加X方向约束，基坑的短边方向（Y方向）两端（Y=0,Y=100）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）计算中采用直直角坐标系系：坐标原原点为模型型的底面（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0－110.0m，Y向为0－100.0m，Z向为-60.0-0m。（5）材料模型：结结构材料（地地下连续墙墙和钢支撑撑）采用各各向同性的的弹性模型型，第四系系土体采用用弹塑性的的莫尔—库伦模型型。FLAC3D程程序中，土土体的变形形参数采用用的是体积积模量和剪剪切模量，而而不是直接接采用弹性性模量。计计算时，需需利用下列列公式将变变形模量转转化为剪切切模量和体体积模量：：（3-1）式中：为泊泊松比。（6）荷载：主要有有地应力场场、重力、地地下水和施施工荷载。对对于场地内内地下水下下的土体采采用有效应应力的方式式考虑地下下水的影响响。（7）计算模型整体体经离散后后单元总数数72000个，节点点总数为88448个个。图3-3模型网网格划分图图根据工程地质勘勘察报告，并并考虑提高高三维有限限差分的收收敛性和位位移反分析析的可靠性性，将模型型范围内土土层概括为为以下四层层：第一层层为填土层层，厚6..3m；第第二层为粘粘土层，厚厚5.4mm；第三