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深基坑支护细部结构优化及应用研究

丁敏  
【摘要】:深基坑工程是一个十分庞杂的系统工程,在其设计过程中既要保证支护结构安全可靠又要造价经济,为了协调两者的关系,深基坑支护工程的优化设计就应运而生。由于深基坑支护工程的优化存在诸多难点,例如,1.设计变量中的连续变量和离散变量共存,变量数目众多,变量组合庞大;2.优化目标和设计变量的关系复杂,各个设计变量对优化目标的敏感性不一致,建立合理的显性表达式比较困难,所以传统的优化算法面对复杂的深基坑优化的问题往往无能为力,因此,寻找一种合理的、可行的优化算法成为关键。为了实现深基坑的优化设计,首先要解决以下四个方面的问题:一是建立一个以造价为目标的深基坑支护细部结构优化设计模型;二是分析不同支护型式的土压力计算方法;三是建立深基坑支护设计力学模型;四是寻求能求出的优化设计模型最优解的优化算法。为此,本文以国家“十一五”科技支撑计划课题《基坑支护优化设计集成系统研究及深大基坑工程示范》为依托,选择了上述四个问题作为论文的研究课题。 ①对深基坑工程细部结构优化设计问题的进行了数学描述,给出了设计变量的选取、约束条件的确定、目标函数的建立三方面的内容。分别对不同的支护结构的设计变量进行了敏感性分析,筛选出对优化结果影响较大的设计变量,归纳总结了深基坑支护细部结构的主要约束条件,构造出以综合造价为优化目标的最终优化目标函数,进而建立了深基坑支护细部结构优化设计数学模型; ②为了求解优化设计模型中的约束条件,研究了深基坑不同支护型式的土压力和支护结构计算分析方法。首先从土压力的理论发展出发,研究了考虑墙背与土之间相互摩擦引起的剪切作用及放坡角度的土钉墙侧向土压力;然后分析了排桩和地下连续墙这两种支护结构在土拱效应下的土压力原理,分别对圆弧和悬链线两种拱形的土拱效应进行了分析,并两种拱形的计算结果进行了比较。根据两种土拱形状计算其平均竖直应力,由此得到了对应于不同内摩擦角和外摩擦角的侧土压力系数;将其用于水平微分单元法求解支护结构主动土压力,得到了其主动土压力强度、土压力合力和合力作用点的解析公式; ③针对三种不同的深基坑支护结构,分别提出了各自稳定性约束的计算方法。首先,运用简单条分法对层状非均质土中土钉支护结构进行了稳定性分析,得出了最危险滑动面的搜索模型和最小安全系数的计算公式。然后,采用半无限大弹性空间内部水平矩形荷载作用下的Mindlin解来模拟弹簧刚度K,运用到排桩支护结构的弹性地基梁模型的弹簧刚度求解中,得到其内力和变形的理论计算式;最后,对半无限大弹性空间内部水平线性荷载作用下的Melan公式进行推导,得到条形荷载作用下的位移解答,并将解答运用在矩阵位移法中得到了地下连续墙的受力情况;同时,为了考虑逐步开挖和加撑的支护结构的变形和内力,采用增量法对施加在支护结构上的荷载进行修正,得出的支护结构的位移和内力更加符合实际情况; ④采用动态自适应技术改进交叉算子p_c和变异算子p_m,提出了新的优化算法DAGA。这种算法克服了传统的遗传算法在迭代过程中出现的适应度值标定方式复杂、过早的收敛到局部最优解和在最优值附近收敛速度慢等缺点,从而大大提高了优化算法的收敛速度和计算精度;在此基础上,建立了土钉墙、排桩和地下连续墙的优化系统,开发了“深基坑优化设计软件”。该软件在开发过程中,运用了VC进行了数据的控制与界面的开发,而对于改进遗传算法的实现则采用了Matlab,再通过COM组件的方法将二者相结合。在软件实现过程中成功地解决了程序的结构设计和COM组件部分这两类的技术难点,并完成了这两部分的封装,最终实现了软件的完整功能。 ⑤应用深基坑优化设计软件对北京王府井海港城项目深基坑支护工程进行优化分析。在优化设计中,保持深基坑支护结构原设计中预应力锚杆参数不变,对设计变量支撑位置、桩径、桩间距、嵌固深度和混凝土强度等级进行了优化。通过对原设计和优化结果的比较,验证了该软件完全适用于深基坑支护细部结构的优化设计领域。


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