層狀土中支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定方法支護(hù)結(jié)構(gòu)

1、層狀土中支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定方法支護(hù)結(jié)構(gòu)層狀土中支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定方法土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析是判定土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)是否正常工作的一個(gè)重要依據(jù)，在土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算和研究中具有極其重要的地位。整體穩(wěn)定性分析即可以確定土釘設(shè)計(jì)所選各個(gè)參數(shù)的是否合理，是否可行，同時(shí)也可以為其安全性和適用性提供保證。這樣，如何確定土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)和其對應(yīng)的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置，就成為土釘支護(hù)設(shè)計(jì)工作中的首要任務(wù)。對于土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析，學(xué)者們基于大量的試驗(yàn)研究，提出了以極限平衡方法為基礎(chǔ)的分析方法。采用極限平衡理論研究土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，通常首先假定一個(gè)潛在的滑動(dòng)面，對于假設(shè)滑動(dòng)面形狀的不同，穩(wěn)定性的分析方法

2、可以分為楔體穩(wěn)定分析法和圓弧穩(wěn)定分析法。其中，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的形狀和位置的確定成為土釘支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。文獻(xiàn)1假定土釘墻潛在破裂面為圓弧形考慮土釘抗拔力與土條自身的阻滑力的耦合作用利用混沌優(yōu)化方法搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。文獻(xiàn)2則利用復(fù)合形法尋求滑面幾何控制參數(shù)，采用分步黃金分割法尋找最危險(xiǎn)滑裂面圓弧，由此計(jì)算出與之對應(yīng)的最小安全系數(shù)值。文獻(xiàn)3采用在分析土釘墻整體穩(wěn)定性時(shí)，潛在滑裂面為對數(shù)螺旋曲線，并借助復(fù)合形法優(yōu)化理論確定最危險(xiǎn)滑裂面的位置。但對于目標(biāo)函數(shù)是多峰的、或者搜索空間很不規(guī)則的優(yōu)化問題，在搜索最優(yōu)解時(shí)很容易陷于局部最優(yōu)解對于深基坑開挖邊坡土層分布均勻的土釘墻，其最危險(xiǎn)滑裂面搜索可歸結(jié)為一個(gè)目標(biāo)

3、函數(shù)為凸函數(shù)的優(yōu)化問題，用上述方法可以得到全局最優(yōu)解。但如果開挖邊坡土層分布不均勻時(shí)，得到的目標(biāo)函數(shù)往往是具有多峰的非凸函數(shù)，那么采用上述方法得到的就很可能是局部最優(yōu)解。而遺傳進(jìn)化算法的優(yōu)點(diǎn)恰好擅長搜索全局最優(yōu)解，即使在所定義的適應(yīng)函數(shù)或目標(biāo)函數(shù)是不連續(xù)的、非規(guī)則的情況下，它也能以很大的概率找到整體最優(yōu)解4。文獻(xiàn)5成功地將遺傳算法應(yīng)用到以圓弧滑動(dòng)簡單條分法為基礎(chǔ)的土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析中。但遺傳算法同樣存在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(diǎn)，為此，文獻(xiàn)6將單純形法引入經(jīng)驗(yàn)遺傳，提出了一種針對連續(xù)設(shè)計(jì)變量的經(jīng)驗(yàn)遺傳一單純形算法。文獻(xiàn)7將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法相結(jié)合，利用神經(jīng)

4、網(wǎng)絡(luò)算法建立起優(yōu)化設(shè)計(jì)變量和安全系數(shù)最小值之間的非線性映射關(guān)系，從而提高了運(yùn)算速度和搜索效率。本文根據(jù)極限平衡原理和遺傳算法理論8,提出了采用動(dòng)態(tài)自適應(yīng)技術(shù)和非標(biāo)準(zhǔn)的遺傳操作算子改進(jìn)遺傳算法的新算法，并將其引入到土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析中去，建立了一種能同時(shí)確定土釘支護(hù)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面和最小安全系數(shù)的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)遺傳算法模型，為土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供新方法。1層狀土中土釘支護(hù)整體穩(wěn)定性分析模型簡單條分法是土釘支護(hù)整體穩(wěn)定性分析的最常用的一種方法。在分析過程中，假定滑動(dòng)面為圓弧，土體為剛塑形材料，不考慮土條之間的相互作用力和力矩。本文研究了層狀非均質(zhì)土中土釘支護(hù)的整體穩(wěn)定性的計(jì)算方法。1.1基本

5、假設(shè)1如圖1 9，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面為坡腳圓弧，通過土釘墻地面角點(diǎn)A2最危險(xiǎn)滑動(dòng)面圓心位于土釘墻上方，即位于BC上方。1.2模型的建立1土釘穩(wěn)定性分析的坐標(biāo)系。采用圓弧滑動(dòng)簡單條分法進(jìn)行土釘墻整體穩(wěn)定性驗(yàn)算，首先建立直角坐標(biāo)系，以基坑底坡腳A點(diǎn)位坐標(biāo)原點(diǎn)，基坑深度方向?yàn)閥軸，與基坑深度垂直的方向?yàn)閤軸。2滑動(dòng)面圓弧半徑。如圖1所示，圓弧滑動(dòng)面的圓心坐標(biāo)為0 x。，yo,圓弧的半徑為R,基坑深度為H,那么滑動(dòng)面的方程為10 11：對于非均質(zhì)土，特別是各層土的性質(zhì)相差較大時(shí)，不能簡單的進(jìn)行加權(quán)平均后代入上面的公式計(jì)算土釘其中：Yk為整體滑動(dòng)分項(xiàng)系數(shù)，可取1.3；Y。為基坑側(cè)壁重要性系數(shù)；cik為第i分條

6、滑動(dòng)面處土體粘聚力；eik為第i分條滑動(dòng)面處土體內(nèi)摩擦角；Sh為土釘?shù)乃介g距。1.3滑動(dòng)面圓心范圍在滑動(dòng)面搜索的過程中，圓心的范圍取值應(yīng)盡可能的大，從而使得最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的圓心落在范圍內(nèi)，但取值范圍過大會造成搜索效率降低和計(jì)算時(shí)間增長，同時(shí)還有可能產(chǎn)生一些不合理的滑動(dòng)面。文獻(xiàn)3中，圓心的橫坐標(biāo)向坡腳A左右分別取4倍坡高的范圍，縱坐標(biāo)自坡肩向上4倍坡高，坡肩向下到坡底的范圍。而文獻(xiàn)5中則認(rèn)為，圓心取定的范圍應(yīng)該是xE0,4H,yEH,5H。根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)理論滑動(dòng)體中每一點(diǎn)的速度將垂直圓心和坡腳的連線，當(dāng)圓心位于A點(diǎn)的右側(cè)，如圖5所示的0 2,坡腳A點(diǎn)速度vA2是傾斜向上的，說明整個(gè)滑動(dòng)體將發(fā)生斜向上的

7、滑動(dòng)，這與土釘支護(hù)的邊坡失穩(wěn)時(shí)的實(shí)際情況不符。而對于圓心位于。3,滑動(dòng)面與坡面交于D的情況同樣與實(shí)際情況相違背，這是由于vD2的方向是斜后方12。圖中。1才是滑動(dòng)面圓心正確的位置，無論vAl還是vBl的方向都是斜前方，因此，它的取值范圍應(yīng)該為：2基于DAGA法土釘結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面搜索土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵在于尋求最危險(xiǎn)滑動(dòng)面以及與之對應(yīng)的最小安全系數(shù)。而尋求最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的過程實(shí)際上就是一個(gè)動(dòng)態(tài)搜索的過程，它在數(shù)學(xué)上是一個(gè)動(dòng)態(tài)優(yōu)化的過程。因此，提出的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)遺傳算法搜索滑動(dòng)面方法，能夠克服收斂到局部最優(yōu)解和在最優(yōu)值附近收斂速度慢的缺點(diǎn)，提高運(yùn)算速度和搜索效率，從而得到全局優(yōu)化解。2

8、.1目標(biāo)函數(shù)對于最危險(xiǎn)滑動(dòng)面可有圓點(diǎn)0和坡腳A兩點(diǎn)坐標(biāo)確定，因此0點(diǎn)的縱、橫坐標(biāo)則成為染色體的基因表現(xiàn)型13。根據(jù)上面推導(dǎo)的非均質(zhì)土的安全系數(shù)表達(dá)式，在給定圓點(diǎn)0的搜索范圍的情況下，安全系數(shù)的目標(biāo)函數(shù)可表示為：.2編碼方式確定和初始化種群遺傳算法染色體編碼通?？刹捎枚M(jìn)制編碼、格雷編碼和浮點(diǎn)數(shù)編碼等。對于土釘整體穩(wěn)定性分析問題，為了提高遺傳算法的精度，同時(shí)改善計(jì)算的復(fù)雜性和運(yùn)算效率，采用浮點(diǎn)向量法編碼更加方便。浮點(diǎn)數(shù)編碼是指將個(gè)體的每個(gè)基因值用其中一范圍內(nèi)的一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)來表示，個(gè)體編碼長度等于其決策變量的位數(shù)14 15。在土釘整體穩(wěn)定性分析模型中，滑動(dòng)面所對應(yīng)的圓心坐標(biāo)xo,yo設(shè)計(jì)變量，采用一

9、個(gè)浮點(diǎn)向量V= xOyO表示。當(dāng)進(jìn)化代數(shù)計(jì)數(shù)器t 0時(shí)，隨機(jī)產(chǎn)生n個(gè)染色體構(gòu)建成初始種群，其中第i個(gè)染色體為Vi=xOiyOi,其中xO 1和yOi為Vi的基因16。2.3適應(yīng)度函數(shù)的設(shè)計(jì)適應(yīng)度是用來衡量種群中各個(gè)個(gè)體在優(yōu)化計(jì)算中能達(dá)到、接近于或有助于得到最優(yōu)解的好壞程度。而度量個(gè)體的適應(yīng)度的函數(shù)稱之為適應(yīng)度函數(shù)。適應(yīng)度函數(shù)是區(qū)分種群中個(gè)體優(yōu)良程度的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是算法演化的動(dòng)力。由于滑動(dòng)面圓心的位置存在一定的范圍，因此土釘整體穩(wěn)定性分析是一個(gè)有約束的優(yōu)化問題，在構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)時(shí)，采用將約束以動(dòng)態(tài)方式合并到其中，即形成一個(gè)具有變化的懲罰項(xiàng)的適應(yīng)度函數(shù)。罰函數(shù)的作用是將在解空間中無對應(yīng)可行解的個(gè)體

10、計(jì)算適應(yīng)度時(shí)，處以一個(gè)懲罰，從而降低其個(gè)體的適應(yīng)度，使該個(gè)體被遺傳到下一代群體中的概率減小，便于指導(dǎo)搜索，從而提高了找到全局最優(yōu)解的概率。由于土釘結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析中安全系數(shù)計(jì)算是一個(gè)有約束的極小值的問題，所以必須將目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能建立適應(yīng)度函數(shù)。因此，轉(zhuǎn)換后的適應(yīng)度函數(shù)為：通過適應(yīng)度函數(shù)將土釘整體穩(wěn)定性分析的約束最優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束最優(yōu)化問題。式(18)表明，當(dāng)點(diǎn)X不滿足約束條件時(shí)，說明它在可行域之外，需對目標(biāo)函數(shù)的值加以懲罰；或者當(dāng)點(diǎn)X位于約束邊界附近時(shí)，入(X)將趨于無窮大，迫使迭代點(diǎn)只能在可行域內(nèi)移動(dòng)。2.4競爭、選擇操作根據(jù)Vi所對應(yīng)的適應(yīng)度的大小采用最佳保留策略來進(jìn)行優(yōu)勝劣汰

11、操作，將迄今為止最佳個(gè)體直接傳遞到下一代或至少等同于前一代，確保最優(yōu)個(gè)體不會被交叉、變異等遺傳運(yùn)算所破壞，從而保證遺傳算法的收斂性。2.5交叉、變異操作交叉操作是遺傳算法中最重要的遺傳操作，是區(qū)別于其他進(jìn)化運(yùn)算的重要特征。算術(shù)交叉運(yùn)算是將種群內(nèi)兩個(gè)相配對的染色體按照線性的方式相互交換它們之間的部分基因，從而產(chǎn)生新的染色體。變異操作是以一個(gè)很小的概率隨機(jī)地改變?nèi)旧w上的其中一或一些基因而產(chǎn)生新的個(gè)體，即以變異概率隨機(jī)改變其中一染色體Vi=(xO)i(yO)i中一個(gè)或者幾個(gè)基因，從而產(chǎn)生新的染色體。為了降低進(jìn)化過程中出現(xiàn)局部最優(yōu)解的可能性，分別對交叉算子和變異算子進(jìn)行改進(jìn)。其方法是，對于適應(yīng)度較小

12、的個(gè)體，將交叉算子pc和變異算子pm取較大值，這樣可以提高搜索速度；而對于適應(yīng)度較大的個(gè)體，交叉算子pc和變異算子pm則取較小值，這樣可以降低收斂于局部最優(yōu)解的可能性17 18。其中：pci、pc2為交叉概率的上、下限；pml、pm2為變異概率的上、下限;f是交叉的2個(gè)個(gè)體中適應(yīng)度較大值；favg.fmax分別表示當(dāng)前種群的平均適應(yīng)度和個(gè)體的最大適應(yīng)度19。2.6迭代終止循環(huán)執(zhí)行2.3 2.5步的操作，直到目標(biāo)函數(shù)fX,入達(dá)到滿意值或達(dá)到預(yù)先設(shè)定的代數(shù)時(shí)，終止計(jì)算。這時(shí)fX,入所對應(yīng)的設(shè)計(jì)變量組合為最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。3工程應(yīng)用一個(gè)尺寸為110m78m的高層建筑基坑，深度為7.8 m。其土層分布最上

13、層為1.9 m填土，第2層為0.8 m的細(xì)砂層，第3層為2.7m的粉質(zhì)粘土層，第4層為1.8m的粉土，以下為強(qiáng)分化砂巖，其厚度大于12m。各土層相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表1?；硬捎猛玲斨ёo(hù)結(jié)構(gòu)，土釘墻面與水平面的夾角為8 0。土釘層數(shù)為6層，其水平間距和垂直間距均為1.2m, 土釘鉆孔直徑為tll0mm, 土釘入射角為10，鋼筋采用II級25螺紋鋼。土釘墻面板采用厚度為100mm的噴射混凝土?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C20，鋼筋網(wǎng)采用t82 5 0mm2 5 0mm。圖6為該基坑的土層分布情況以及土釘支護(hù)形式。采用本文方法求取的最小安全系數(shù)為1.2628所對應(yīng)的圓心坐標(biāo)為一6.8,16.8。在搜索最危

14、險(xiǎn)滑動(dòng)面時(shí)，一些文獻(xiàn)有時(shí)為了計(jì)算的簡便將層狀土層轉(zhuǎn)化為均質(zhì)土考慮，即將土層參數(shù)均值化。均值化方法分為2種，即直接平均和加權(quán)平均，前者是將所有土層簡單數(shù)學(xué)平均，后者則根據(jù)土層厚度的貢獻(xiàn)平均2 0。本文也采用加權(quán)平均法對該實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算。將非均質(zhì)的層狀土轉(zhuǎn)化為均質(zhì)土后，即對土層重度、粘聚力、摩擦角、土的摩阻力分別進(jìn)行加權(quán)平均后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，當(dāng)圓心位于一5.8,13 時(shí)，安全系數(shù)達(dá)到最小值1 .322 1,與分層計(jì)算時(shí)所得最小安全系數(shù)為1.2 6 2 8存在一定的差別。從而驗(yàn)證了土性參數(shù)的取值對工程計(jì)算的影響很大，這說明將層狀土轉(zhuǎn)化為均質(zhì)土的計(jì)算結(jié)果是欠準(zhǔn)確的。4結(jié)論1運(yùn)用簡單條分法對層狀非均質(zhì)土中土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，得出了最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的搜索模型和最小安全系數(shù)的計(jì)算公式。通過實(shí)例對比分析了非均質(zhì)層狀土和等效均質(zhì)土計(jì)算方法，分析結(jié)果表明采用等效均質(zhì)土的計(jì)算明顯提高了土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)，對于