第一章 绪论
1.1 研究意义和目的
我国自改革开放以后，社会经济快速发展。我国的城镇化随着社会经济的进步不断推进。有关研究资料显示，上世纪 70 年代至上世纪 90 年代，我国的城市数量大幅增长。2015 年我国的城镇化率大约为 56%。有学者预测 2050 年我国的城市化率将会达到 75%，这个数据也正是发达国家城市化率。随着我国社会经济的快速发展，城市建设不断加快，高楼大厦在城市中变得普及。但是快速发展的城镇化也会带来诸多的问题，例如：交通变得异常的堵塞、城市土地不够用、城市的空气质量下降、城市的周边环境被污染等。随着高楼大厦的出现，大量的基坑工程被实施。有关研究资料显示，近年来我国的基坑数量达到顶峰，基坑的面积非常大与其他发达国家，我国的基坑深度更深、基坑的规模更大。
文章通过资料查阅发现，我国基坑工程相关研究起步较晚、研究成果较少，大部分的研究都是再出现基坑事故后才取得了突破性的进展。我国的深大基坑工程出现了较多的问题。例如：我国的珠海拱北祖国广场在基坑开挖半年时间内已经完成了基坑总量的80%工作量，但是 1998 年 5 月 6 日整个基坑开始出现倾斜问题，并在几个小时内基坑全部塌陷，整个施工团队半年的努力都付诸泡影。从这次事故中我国吸取了沉痛的教训，在基坑设计时要求对基坑的塑性区进行有效识别、加强施工组织的管理。除此以外，我国出现深大基坑坍塌事故数量较多。有资料显示我国的基坑工程出现的事故率大约为25%。
我国学者袁振华[6]对我国 2000 年到 2015 年之间发生的 50 多起基坑事故进行研究，并通过统计分析总结出我国基坑事故发生的主要原因。其中包括：基坑整体失稳、基坑设计缺乏合理性、基坑的施工质量较差等。袁振华认为基坑具有较高的风险性，不同地区的基坑具有不同特点[7]。我国的基坑具有下列的一些显著特征：深度较深、规模和尺寸较大、场地限制、基坑与周围的保护对象距离较小等。上述基坑的特点也使我国基坑的设计和变形预测会面临更大的困难，这也对我国基坑的设计和变形预测提出了更高的要求。
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1.2 国内外研究现状
早在几千年以前人们就开始探索基坑工程，基坑工程的发展历史久远。古人往往会采用放坡开挖、木桩运输等方式来开展基坑工程。古人主要依靠积累的基坑实际经验来开展工程项目。18 世纪中期，铁路、港口被大量新建，由此基坑工程开始兴起。20 世纪 20 年代，国外学者提出了太沙基土力学[9]等理论，这些理论有效的推动着土力学的进步。
文章通过文献查找发现，20 世纪 40 年代国外学者 Clough[10]利用现场监控的方式对基坑内支撑墙的变形状况进行了充分的研究和分析，国外学者 Clough 对基坑的实际数据进行测量后，通过计算提出了基坑开挖稳定性等预测方式。国外学者 Ou[12]、Finno[13]对不同土质的基坑开挖导致的变形现象进行了研究分析。
20 世纪 60 年代，国外学者 Peck[14]对大量的基坑工程进行研究，并对软土深基坑开展了分析，他提出的基坑地表沉降预估相关结论沿用至今。国外学者 Eide[15]对软土基坑开展分析，并将相关的监测仪器运用到了基坑变形的监测研究中。
随着全球基坑变形预测技术的发展和进步，国外学者对基坑变形的研究开始向着精细化、多元化方向发展。国外学者 Clough 和 O’Rourke[16-17]以基坑墙体位移为研究对象，对基坑墙体位移与地表沉降之间的关系开展分析。国外学者 Mana[18]选择了十多个基坑作为研究对象，在太沙基的研究结论上确定了基坑侧壁最大位移量和抗隆起稳定系数的关系。国外学者 Karlsrud[19]通过大量的实例研究提出基坑变形和抗隆起安全系数的关系，并绘制了详细的图表。国外学者 Hsieh，Wong，Ou，Carder[20-23]以不同的土体为研究对象对不同土体中基坑沉降问题开展研究并取得了较为丰硕的研究结果。
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第二章 深基坑开挖有限元数值模拟
2.1 土工有限元分析概述
站在现代化的计算机和工程项目及其基本理论基础之上，有限元法的应用能够帮助解决在工程中诸多的复杂问题[31]。从 1960 年以后开始，有限单元法被广泛的应用到土木工程的问题处理过程中，由于它能够对比较复杂的条件和形状进行分析，因此它的应用也得到广泛的推广。当前有限元法已经被广泛的应用到各个领域中，也成为了土木工程进行数据分析的主要方法之一。
ABAQUS 软件目前是市场中的一款功能较为强大的软件，在进行问题分析的时候会偏向于从简单的分析过程再过渡到复杂的非线性问题的分析。该软件功能较为丰富，能够对任意形状的单元库都进行模拟，所以它内部也集成了比较丰富的材料模型，能够对目前大多数的工程材料进行模拟。作为一款通用的模拟工具而言，它可以解决诸多的计算问题，不仅能够让用户体验到强大的功能，同时也能够带给用户比较简单的操作体验，在许多模拟过程中甚至对于一些非线性问题的处理而言，只需要在软件中输入相应的工程数据就能够得出想要的计算结果。而对于非线性的分析过程而言，可以通过将相应的荷载量进行调整，从而达到相应的计算效率以及对应的精确度。
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2.2深基坑开挖过程中土体及支护结构变形的 ABAQUS 有限元分析
借助于 ABAQUS 有限元软件来完成对整个工程项目的受力分析和数字的模拟过程，一般来说该过程主要包括的步骤如下所示：
2.2.1 有限元分析步骤
（1）建模
在实际过程中，对于模型的选取以及区域的确定等各方面工作都是有很大难度的，因此必须要借助于容易处理的几何模型来辅助完成。对于几何的曲线部分可以采用曲线模拟的方法，但是同时也要注意到在这个过程中的单元表示方法，一般是用曲面或者曲线来近似表达的。在曲线这一部分则是由实验单元数量来进行控制，如果单元的数量越多的话，那么这就会表示在曲线的部分则会更加圆滑，但是整个单元对应的计算时间也会相应的延长。由于在计算过程中，硬件和软件的客观条件导致了必须要进行单元数量的控制。所以就要对单元数量进行优化，一般采用了折中的方法。人们对于部分精确度较高的区域会引起足够的重视，进一步才会对几何的细节来进行模拟，而整个分析和计算的过程也需要考虑到几何所带来的影响。对于模拟系统而言，这个过程中也要借助于相应的知识和经验完成判断，许多情况下几何的细节特点只是为了达到美观的效果，而对于工程系统的 性能影响却是可以忽略不计的，因此可以删除、忽略或简化这些细节特征。
（2）计算范围的确定
对许多大型的工程项目而言都会涉及到无限域，在有限元法运用的过程中，它是对有限的区域进行的离散化。为了避免该方法应用过程中产生巨大的误差，因此就要选取一个有效的计算范围，一旦范围过大就会让后续工作量进一步提升，导致计算的时间也会延长。而计算的范围一旦减少，那么边界的条件会对后续进一步的计算也会造成影响，所以在完成这个计算之前就需要对计算的范围进行合理确认。
对于基坑的开挖影响范围而言，在某种程度上主要决定于整个开挖部位的平面形状或者开挖的深度以及土质条件等各方面因素。如果围护墙在各方面条件上都能够呈现出轴对称的状态，那么就会将对称轴的其中一面作为计算域。
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3.1 神经元与网络结构 ............................................. 17
3.1.1 生物神经元 ........................................... 17
3.1.2 人工神经元 ....................................... 18
第四章 有限元数值模拟计算及结果分析 ................................. 29
4.1 工程概述 .............................. 29
4.2 污水站基坑支护工程监测方案设计 ................29
第五章 深基坑施工变形神经网络预测 ............................................ 49
5.1 BP 神经网络模型的 MATLAB 实现 ............................... 49
5.1.1 基于 MATLAB 的 BP 神经网络工具箱函数 ......................... 49
5.1.2 BP 网络创建函数 .................................. 50
第六章 深基坑工程变形控制方法
6.1 基坑工程变形控制的理论模型及算法
深基坑工程变形控制应贯穿在整个工程中勘察、设计、施工和监测等全过程：重视基坑勘察与环境现状调查、合理划分基坑施工环境影响区域和确定基坑变形控制标准、加强基坑施工变形的监测和预测工作，从而制定基坑变形控制与环境保护对策。
6.1.1 预测控制
预测控制是一种基于模型的控制，具有预测模型、滚动优化和反馈校正等特点。已经证明，此控制方法对于非线性系统能产生一定的稳定性。
预测控制对模型的要求不同于其他传统的控制，它强调的是模型的功能而不是结构，只要模型可利用过去已知的数据预测未来的系统输出行为就可以作为预测控制的模型。预测控制是一种优化控制算法，但它与通常的离散最优控制算法不同，不是采用一个不变的全局最优化目标，而是采用滚动式的有限时域优化策略。也就是说，优化过程不是一次离线完成，而是反复在线进行。这种局部的有限时域的优化目标使它只能获得全局的次优解。
但是由于优化过程反复在线进行，而且能更为及时地校正因模型失配、时变和干扰等引起的不确定性，始终把优化过程建立在从实际过程中获得的最新信息的基础上，因此可以获得鲁棒性较满意的结果。
由于实际系统存在着非线性、时变、模型失配和干扰等不确定因素，使得基于模型的预测不可能准确地沿某个参考轨迹达到预期的设定值。在预测控制中，通过系统的预先设定值与模型的预测值相比较，得出模型的预测误差，通过极小化某个目标函数导出未来的控制序列，这个控制序列使未来的预测序列沿某个参考轨迹逐步达到设定值，从而使系统演化朝着预期的方向发展。正是这种由模型预测再加反馈校正的过程使预测控制具有很强的扰干扰和克服系统不确定性的能力。
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结论与展望
一、结论
通过以上论述可以总结出，现在工程界较为常用的三种基坑变形预测的方法分别是常规分析法、有限元分析法和系统分析法。这三种方法其实分别对应不同的领域，第一种方法是通过大量的实践得出的经验总结类的方法；而第二种方法是根据工程力学衍生出的方法；第三种则是通过建构网络解决问题。常规分析法，这是最基本的基坑工程方法，该方法一般只适用于简单的基坑工程，具有很强的区域性且计算误差大、基坑变形因素考虑单一，存在一定的风险和不稳定性；有限元分析法，力学计算的重要方法之一，能够很好的解决几何非线性问题，其精髓是先化整为零，再化零为整，但基坑工程中有限元法方法受计算模型、计算参数影响较大，对复杂多变的岩土体基坑变形预测结果较差；系统分析法，一种新型的网络预测方法，通过大量数据寻找到规律，完成建模以及数据预测，在监测数据较少时或者变形体发生新的变形情况时，预测偏差较大。
这三种方法没有一种能够独挡一面的较为全能的方法，多种方法相结合成为了目前主要的研究方向。本论文结合 ABAQUS 有限元预测分析法和 BP 神经网络系统分析法对某污水站基坑支护工程的变形进行预测研究，结论如下：
1）对于深基坑问题，若要获得较为准确的结果，必须有大量的实测数据，随着训练数据量的增加，求解精度也随之提高，这样学习出来的网络，对各个工况具有很好的适应性，预测精度较高。
2）有限元可以模拟计算基坑周边地表沉降等基坑各种变形，通过对基坑变形云图分析，可以得出基坑的基本变形特征及趋势，模拟结果与监测结果基本一致，但存在一定误差。在第 12 天数值附近出现了较大的沉降，这是由于在模拟中土层的突然开挖移除，造成的地层应力缺失，模拟数据无法准确预测突发情况，因此造成差异。ABAQUS在模拟计算时，难以对本基坑较复杂的地质情况、市政建筑、管线完全考虑，在模型建模时进行了简化，如采用平均厚度的地层，忽略土体固结和蠕变效应等，因而不可避免的导致了计算值与实测值之间存在误差。但是模型基本反映了土体竖向位移沉降的变形规律，所以该建模方法简单有效，对类似工程具有指导作用。如果想要得到精确的模拟预测结果，ABAQUS 模拟过程需更精细化的处理。
参考文献（略）