有限土体支护桩土压力计算不确定性分析

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随着社会经济发展,城市地下空间得到大力开发,工程施工中易遇到有限土体这一情况;同时为确保既有建(构)筑物安全,支护结构允许变形量受到限制,其产生位移往往不足以使得支护结构背后土体达到极限状态,经典土压力理论中的假设条件已不适用,导致理论计算与实际有限土体基坑支护结构受力状态存在偏差。研究有限土体情况下土压力计算具有重要意义。基于此,以有限土体基坑支护桩为研究对象,分别基于极限平衡理论和数学拟合方法建立土压力计算模型,同时采用贝叶斯更新方法和Bootstrap方法讨论各计算模型中参数的不确定性。基于极限平衡理论建立有限土体主动土压力计算模型。首先,参考库伦土压力理论基本假设,考虑土体内、外摩擦角对土压力的影响,同时基于极限平衡理论将滑裂面处合力计为R,再由静力平衡条件建立等式并找出最危险破裂角从而获得有限土体主动土压力合力解析式;然后,讨论土体深度z等因素对最危险破裂角的影响,采用差分方法计算主动土压力强度,并分析非黏性土有限土体分界界限;最后,基于土体抗剪强度理论和几何受力分析推导有限土体情况下等效内、外摩擦角解析式,引入二分法快速求解最危险破裂角,将主动土压力合力解析式扩展到黏性土,并分析黏性土有限土体分界界限。基于数学拟合方法构建有限土体位移土压力预测模型。首先,基于半无限土体采用Tanh函数构造出位移土压力拟合公式,并讨论其单调递增性和凹凸性,以保证其曲线变化形式符合位移土压力曲线变化趋势;然后,结合数学求解、既有研究和模型试验实测数据确定指数项,再由其他模型试验实测数据验证取值合理性;最后,基于有效性准则讨论位移土压力拟合公式在有限土体情况下的适用性,并对指数项进行宽高比影响的修正。对于主动土压力计算模型,基于贝叶斯更新方法,获取考虑场地信息更新后粉质黏土内摩擦角概率密度函数表征土体参数的不确定性,取95%置信区间得土体内摩擦角上下限,并由主动土压力解析式计算土压力上下限;对于有限土体位移土压力预测模型,基于Bootstrap方法将小样本问题转化为大样本问题,并绘制样本概率密度函数曲线定量表征待定指数项的统计不确定性,同时由中心极限定理和大数定理,将正态分布视为其概率分布函数,取95%置信区间得位移土压力拟合结果上下限。
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