深基坑支護細部結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應用研究.pdf

1、深基坑工程是一個十分龐雜的系統(tǒng)工程，在其設(shè)計過程中既要保證支護結(jié)構(gòu)安全可靠又要造價經(jīng)濟，為了協(xié)調(diào)兩者的關(guān)系，深基坑支護工程的優(yōu)化設(shè)計就應運而生。由于深基坑支護工程的優(yōu)化存在諸多難點，例如，1.設(shè)計變量中的連續(xù)變量和離散變量共存，變量數(shù)目眾多，變量組合龐大；2.優(yōu)化目標和設(shè)計變量的關(guān)系復雜，各個設(shè)計變量對優(yōu)化目標的敏感性不一致，建立合理的顯性表達式比較困難，所以傳統(tǒng)的優(yōu)化算法面對復雜的深基坑優(yōu)化的問題往往無能為力，因此，尋找一種合理的、可

2、行的優(yōu)化算法成為關(guān)鍵。為了實現(xiàn)深基坑的優(yōu)化設(shè)計，首先要解決以下四個方面的問題：一是建立一個以造價為目標的深基坑支護細部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型；二是分析不同支護型式的土壓力計算方法；三是建立深基坑支護設(shè)計力學模型；四是尋求能求出的優(yōu)化設(shè)計模型最優(yōu)解的優(yōu)化算法。為此，本文以國家“十一五”科技支撐計劃課題《基坑支護優(yōu)化設(shè)計集成系統(tǒng)研究及深大基坑工程示范》為依托，選擇了上述四個問題作為論文的研究課題。
　　 ①對深基坑工程細部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計問題

3、的進行了數(shù)學描述，給出了設(shè)計變量的選取、約束條件的確定、目標函數(shù)的建立三方面的內(nèi)容。分別對不同的支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計變量進行了敏感性分析，篩選出對優(yōu)化結(jié)果影響較大的設(shè)計變量，歸納總結(jié)了深基坑支護細部結(jié)構(gòu)的主要約束條件，構(gòu)造出以綜合造價為優(yōu)化目標的最終優(yōu)化目標函數(shù)，進而建立了深基坑支護細部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型；
　　 ②為了求解優(yōu)化設(shè)計模型中的約束條件，研究了深基坑不同支護型式的土壓力和支護結(jié)構(gòu)計算分析方法。首先從土壓力的理論發(fā)展出發(fā)，

4、研究了考慮墻背與土之間相互摩擦引起的剪切作用及放坡角度的土釘墻側(cè)向土壓力；然后分析了排樁和地下連續(xù)墻這兩種支護結(jié)構(gòu)在土拱效應下的土壓力原理，分別對圓弧和懸鏈線兩種拱形的土拱效應進行了分析，并兩種拱形的計算結(jié)果進行了比較。根據(jù)兩種土拱形狀計算其平均豎直應力，由此得到了對應于不同內(nèi)摩擦角和外摩擦角的側(cè)土壓力系數(shù)；將其用于水平微分單元法求解支護結(jié)構(gòu)主動土壓力，得到了其主動土壓力強度、土壓力合力和合力作用點的解析公式；
　　 ③針對三種

5、不同的深基坑支護結(jié)構(gòu)，分別提出了各自穩(wěn)定性約束的計算方法。首先，運用簡單條分法對層狀非均質(zhì)土中土釘支護結(jié)構(gòu)進行了穩(wěn)定性分析，得出了最危險滑動面的搜索模型和最小安全系數(shù)的計算公式。然后，采用半無限大彈性空間內(nèi)部水平矩形荷載作用下的Mindlin解來模擬彈簧剛度K，運用到排樁支護結(jié)構(gòu)的彈性地基梁模型的彈簧剛度求解中，得到其內(nèi)力和變形的理論計算式；最后，對半無限大彈性空間內(nèi)部水平線性荷載作用下的Melan公式進行推導，得到條形荷載作用下的位移

6、解答，并將解答運用在矩陣位移法中得到了地下連續(xù)墻的受力情況；同時，為了考慮逐步開挖和加撐的支護結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力，采用增量法對施加在支護結(jié)構(gòu)上的荷載進行修正，得出的支護結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力更加符合實際情況；
　　 ④采用動態(tài)自適應技術(shù)改進交叉算子pc和變異算子pm，提出了新的優(yōu)化算法DAGA。這種算法克服了傳統(tǒng)的遺傳算法在迭代過程中出現(xiàn)的適應度值標定方式復雜、過早的收斂到局部最優(yōu)解和在最優(yōu)值附近收斂速度慢等缺點，從而大大提高了優(yōu)化算法

7、的收斂速度和計算精度；在此基礎(chǔ)上，建立了土釘墻、排樁和地下連續(xù)墻的優(yōu)化系統(tǒng)，開發(fā)了“深基坑優(yōu)化設(shè)計軟件”。該軟件在開發(fā)過程中，運用了VC進行了數(shù)據(jù)的控制與界面的開發(fā)，而對于改進遺傳算法的實現(xiàn)則采用了Matlab，再通過COM組件的方法將二者相結(jié)合。在軟件實現(xiàn)過程中成功地解決了程序的結(jié)構(gòu)設(shè)計和COM組件部分這兩類的技術(shù)難點，并完成了這兩部分的封裝，最終實現(xiàn)了軟件的完整功能。
　　 ⑤應用深基坑優(yōu)化設(shè)計軟件對北京王府井海港城項目深基