層狀土中支護結構穩(wěn)定方法支護結構

1、層狀土中支護結構穩(wěn)定方法支護結構層狀土中支護結構穩(wěn)定方法土釘支護結構整體穩(wěn)定性分析是判定土釘支護結構是否正常工作的一個重要依據(jù)，在土釘支護結構設計計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計所選各個參數(shù)的是否合理，是否可行，同時也可以為其安全性和適用性提供保證。這樣，如何確定土釘支護結構的最小安全系數(shù)和其對應的最危險滑動面位置，就成為土釘支護設計工作中的首要任務。對于土釘支護結構整體穩(wěn)定性分析，學者們基于大量的試驗研究，提出了以極限平衡方法為基礎的分析方法。采用極限平衡理論研究土釘支護結構的整體穩(wěn)定性，通常首先假定一個潛在的滑動面，對于假設滑動面形狀的不同，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，最危險滑動面的形狀和位置的確定成為土釘支護設計的關鍵。文獻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)化方法搜索最危險滑動面。文獻2則利用復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滑裂面圓弧，由此計算出與之對應的最小安全系數(shù)值。文獻3采用在分析土釘墻整體穩(wěn)定性時，潛在滑裂面為對數(shù)螺旋曲線，并借助復合形法優(yōu)化理論確定最危險滑裂面的位置。但對于目標函數(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，其最危險滑裂面搜索可歸結為一個目標

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，得到的目標函數(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。而遺傳進化算法的優(yōu)點恰好擅長搜索全局最優(yōu)解，即使在所定義的適應函數(shù)或目標函數(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5成功地將遺傳算法應用到以圓弧滑動簡單條分法為基礎的土釘支護結構整體穩(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，為此，文獻6將單純形法引入經(jīng)驗遺傳，提出了一種針對連續(xù)設計變量的經(jīng)驗遺傳一單純形算法。文獻7將人工神經(jīng)網(wǎng)絡與遺傳算法相結合，利用神經(jīng)

4、網(wǎng)絡算法建立起優(yōu)化設計變量和安全系數(shù)最小值之間的非線性映射關系，從而提高了運算速度和搜索效率。本文根據(jù)極限平衡原理和遺傳算法理論8,提出了采用動態(tài)自適應技術和非標準的遺傳操作算子改進遺傳算法的新算法，并將其引入到土釘支護結構整體穩(wěn)定性分析中去，建立了一種能同時確定土釘支護最危險滑動面和最小安全系數(shù)的動態(tài)自適應遺傳算法模型，為土釘支護結構的優(yōu)化設計提供新方法。1層狀土中土釘支護整體穩(wěn)定性分析模型簡單條分法是土釘支護整體穩(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)土中土釘支護的整體穩(wěn)定性的計算方法。1.1基本

5、假設1如圖1 9，最危險滑動面為坡腳圓弧，通過土釘墻地面角點A2最危險滑動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)定性分析的坐標系。采用圓弧滑動簡單條分法進行土釘墻整體穩(wěn)定性驗算，首先建立直角坐標系，以基坑底坡腳A點位坐標原點，基坑深度方向為y軸，與基坑深度垂直的方向為x軸。2滑動面圓弧半徑。如圖1所示，圓弧滑動面的圓心坐標為0 x。，yo,圓弧的半徑為R,基坑深度為H,那么滑動面的方程為10 11：對于非均質(zhì)土，特別是各層土的性質(zhì)相差較大時，不能簡單的進行加權平均后代入上面的公式計算土釘其中：Yk為整體滑動分項系數(shù)，可取1.3；Y。為基坑側壁重要性系數(shù)；cik為第i分條

6、滑動面處土體粘聚力；eik為第i分條滑動面處土體內(nèi)摩擦角；Sh為土釘?shù)乃介g距。1.3滑動面圓心范圍在滑動面搜索的過程中，圓心的范圍取值應盡可能的大，從而使得最危險滑動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算時間增長，同時還有可能產(chǎn)生一些不合理的滑動面。文獻3中，圓心的橫坐標向坡腳A左右分別取4倍坡高的范圍，縱坐標自坡肩向上4倍坡高，坡肩向下到坡底的范圍。而文獻5中則認為，圓心取定的范圍應該是xE0,4H,yEH,5H。根據(jù)轉動理論滑動體中每一點的速度將垂直圓心和坡腳的連線，當圓心位于A點的右側，如圖5所示的0 2,坡腳A點速度vA2是傾斜向上的，說明整個滑動體將發(fā)生斜向上的

7、滑動，這與土釘支護的邊坡失穩(wěn)時的實際情況不符。而對于圓心位于。3,滑動面與坡面交于D的情況同樣與實際情況相違背，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，它的取值范圍應該為：2基于DAGA法土釘結構最危險滑動面搜索土釘支護結構的整體穩(wěn)定性分析的關鍵在于尋求最危險滑動面以及與之對應的最小安全系數(shù)。而尋求最危險滑動面的過程實際上就是一個動態(tài)搜索的過程，它在數(shù)學上是一個動態(tài)優(yōu)化的過程。因此，提出的動態(tài)自適應遺傳算法搜索滑動面方法，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，提高運算速度和搜索效率，從而得到全局優(yōu)化解。2

8、.1目標函數(shù)對于最危險滑動面可有圓點0和坡腳A兩點坐標確定，因此0點的縱、橫坐標則成為染色體的基因表現(xiàn)型13。根據(jù)上面推導的非均質(zhì)土的安全系數(shù)表達式，在給定圓點0的搜索范圍的情況下，安全系數(shù)的目標函數(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制編碼、格雷編碼和浮點數(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，同時改善計算的復雜性和運算效率，采用浮點向量法編碼更加方便。浮點數(shù)編碼是指將個體的每個基因值用其中一范圍內(nèi)的一個浮點數(shù)來表示，個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，滑動面所對應的圓心坐標xo,yo設計變量，采用一

9、個浮點向量V= xOyO表示。當進化代數(shù)計數(shù)器t 0時，隨機產(chǎn)生n個染色體構建成初始種群，其中第i個染色體為Vi=xOiyOi,其中xO 1和yOi為Vi的基因16。2.3適應度函數(shù)的設計適應度是用來衡量種群中各個個體在優(yōu)化計算中能達到、接近于或有助于得到最優(yōu)解的好壞程度。而度量個體的適應度的函數(shù)稱之為適應度函數(shù)。適應度函數(shù)是區(qū)分種群中個體優(yōu)良程度的標準，同時也是算法演化的動力。由于滑動面圓心的位置存在一定的范圍，因此土釘整體穩(wěn)定性分析是一個有約束的優(yōu)化問題，在構建適應度函數(shù)時，采用將約束以動態(tài)方式合并到其中，即形成一個具有變化的懲罰項的適應度函數(shù)。罰函數(shù)的作用是將在解空間中無對應可行解的個體

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

11、操作，將迄今為止最佳個體直接傳遞到下一代或至少等同于前一代，確保最優(yōu)個體不會被交叉、變異等遺傳運算所破壞，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)別于其他進化運算的重要特征。算術交叉運算是將種群內(nèi)兩個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。變異操作是以一個很小的概率隨機地改變?nèi)旧w上的其中一或一些基因而產(chǎn)生新的個體，即以變異概率隨機改變其中一染色體Vi=(xO)i(yO)i中一個或者幾個基因，從而產(chǎn)生新的染色體。為了降低進化過程中出現(xiàn)局部最優(yōu)解的可能性，分別對交叉算子和變異算子進行改進。其方法是，對于適應度較小

12、的個體，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；而對于適應度較大的個體，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個個體中適應度較大值；favg.fmax分別表示當前種群的平均適應度和個體的最大適應度19。2.6迭代終止循環(huán)執(zhí)行2.3 2.5步的操作，直到目標函數(shù)fX,入達到滿意值或達到預先設定的代數(shù)時，終止計算。這時fX,入所對應的設計變量組合為最危險滑動面。3工程應用一個尺寸為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，以下為強分化砂巖，其厚度大于12m。各土層相關物理力學參數(shù)見表1?；硬捎猛玲斨ёo結構，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計強度等級為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形式。采用本文方法求取的最小安全系數(shù)為1.2628所對應的圓心坐標為一6.8,16.8。在搜索最危

14、險滑動面時，一些文獻有時為了計算的簡便將層狀土層轉化為均質(zhì)土考慮，即將土層參數(shù)均值化。均值化方法分為2種，即直接平均和加權平均，前者是將所有土層簡單數(shù)學平均，后者則根據(jù)土層厚度的貢獻平均2 0。本文也采用加權平均法對該實例進行了計算。將非均質(zhì)的層狀土轉化為均質(zhì)土后，即對土層重度、粘聚力、摩擦角、土的摩阻力分別進行加權平均后得到的數(shù)據(jù)進行計算。結果表明，當圓心位于一5.8,13 時，安全系數(shù)達到最小值1 .322 1,與分層計算時所得最小安全系數(shù)為1.2 6 2 8存在一定的差別。從而驗證了土性參數(shù)的取值對工程計算的影響很大，這說明將層狀土轉化為均質(zhì)土的計算結果是欠準確的。4結論1運用簡單條分法對層狀非均質(zhì)土中土釘支護結構進行了穩(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。通過實例對比分析了非均質(zhì)層狀土和等效均質(zhì)土計算方法，分析結果表明采用等效均質(zhì)土的計算明顯提高了土釘支護結構的最小安全系數(shù)，對于