層狀土中支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定方法

Word版本，下載可自由編輯層狀土中支護(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)算和討論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)也可以為其平安性和適用性提供保證。這樣，如何確定土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的最小平安系數(shù)和其對應(yīng)的最危急滑動(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)者們基于大量的實(shí)驗(yàn)討論，提出了以極限平衡辦法為基礎(chǔ)的分析辦法。采納極限平衡理論討論土釘支護(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)面外形的不同，穩(wěn)定性的分析辦法可以分為楔體穩(wěn)定分析法和圓弧穩(wěn)定分析法。其中，最危急滑動(dòng)面的外形和位置確實(shí)定成為土釘支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。文獻(xiàn)［１］假定土釘墻潛在破碎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通過混沌優(yōu)化辦法搜尋最危急滑動(dòng)面。

文獻(xiàn)［２］則通過復(fù)合形法尋求滑面幾何控制參數(shù)，采納分步黃金分割法尋覓最危急滑裂面圓弧，由此計(jì)算出與之對應(yīng)的最小平安系數(shù)值。文獻(xiàn)［３］采納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)化理論確定最危急滑裂面的位置。但對于目標(biāo)函數(shù)是多峰的、或者搜尋空間很不規(guī)章的優(yōu)化問題，在搜尋最優(yōu)解時(shí)很簡單陷于局部最優(yōu)解對于深基坑開挖邊坡土層分布勻稱的土釘墻，其最危急滑裂面搜尋可歸結(jié)為一個(gè)目標(biāo)函數(shù)為凸函數(shù)的優(yōu)化問題，用上述辦法可以得到全局最優(yōu)解。但假如開挖邊坡土層分布不勻稱時(shí)，得到的目標(biāo)函數(shù)往往是具有多峰的非凸函數(shù)，那么采納上述辦法得到的就很可能是局部最優(yōu)解。

１層狀土中土釘支護(hù)整體穩(wěn)定性分析模型容易條分法是土釘支護(hù)整體穩(wěn)定性分析的最常用的一種辦法。在分析過程中，假定滑動(dòng)面為圓弧，土體為剛塑形材料，不考慮土條之間的互相作用力和力矩。本文討論了層狀非均質(zhì)土中土釘支護(hù)的整體穩(wěn)定性的計(jì)算辦法。

１．１基本假設(shè)１）如圖１［９］，最危急滑動(dòng)面為坡腳圓弧，利用土釘墻地面角點(diǎn)Ａ。２）最危急滑動(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。采納圓弧滑動(dòng)容易條分法舉行土釘墻整體穩(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)椋S，與基坑深度垂直的方向?yàn)椋S。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Ｏ，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，特殊是各層土的性質(zhì)相差較大時(shí)，不能容易的舉行加權(quán)平均后代入上面的公式計(jì)算土釘其中：γｋ為整體滑動(dòng)分項(xiàng)系數(shù)，可取１．３；γ０為基坑側(cè)壁重要性系數(shù)；ｃｉｋ為第ｉ分條滑動(dòng)面處土體粘聚力；φｉｋ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)面搜尋的過程中，圓心的范圍取值應(yīng)盡可能的大，從而使得最危急滑動(dòng)面的圓心落在范圍內(nèi)，但取值范圍過大會(huì)造成搜尋效率降低和計(jì)算時(shí)光增長，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左右分離?。幢镀赂叩姆秶?，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)當(dāng)是ｘ∈［０，４Ｈ］，ｙ∈［Ｈ，５Ｈ］。按照轉(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Ｏ２，坡腳Ａ點(diǎn)速度ｖＡ２是傾斜向上的，說明囫圇滑動(dòng)體將發(fā)生斜向上的滑動(dòng)，這與土釘支護(hù)的邊坡失穩(wěn)時(shí)的實(shí)際狀況不符。而對于圓心位于Ｏ３，滑動(dòng)面與坡面交于Ｄ的狀況同樣與實(shí)際狀況相違反，這是因?yàn)椋觯模驳姆较蚴切焙蠓剑郏保玻?。圖中Ｏ１才是滑動(dòng)面圓心正確的位置，無論ｖＡ１還是ｖＢ１的方向都是斜前方，因此，它的取值范圍應(yīng)當(dāng)為：

２基于ＤＡＧＡ法土釘結(jié)構(gòu)最危急滑

動(dòng)面搜尋土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵在于尋求最危急滑動(dòng)面以及與之對應(yīng)的最小平安系數(shù)。而尋求最危急滑動(dòng)面的過程實(shí)際上就是一個(gè)動(dòng)態(tài)搜尋的過程，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)遺傳算法搜尋滑動(dòng)面辦法，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)，提升運(yùn)算速度和搜尋效率，從而得到全局優(yōu)化解。

２．１目標(biāo)函數(shù)對于最危急滑動(dòng)面可有圓點(diǎn)Ｏ和坡腳Ａ兩點(diǎn)坐標(biāo)確定，因此Ｏ點(diǎn)的縱、橫坐標(biāo)則成為染色體的基因表現(xiàn)型［１３］。按照上面推導(dǎo)的非均質(zhì)土的平安系數(shù)表述式，在給定圓點(diǎn)Ｏ的搜尋范圍的狀況下，平安系數(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常可采納二進(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，為了提升遺傳算法的精度，同時(shí)改善計(jì)算的復(fù)雜性和運(yùn)算效率，采納浮點(diǎn)向量法編碼越發(fā)便利。浮點(diǎn)數(shù)編碼是指將個(gè)體的每個(gè)基因值用某一范圍內(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)設(shè)計(jì)變量，采納一個(gè)浮點(diǎn)向量Ｖ＝［ｘ０ｙ０］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＝［ｉｉ］，其中ｉ和ｉ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、臨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)別種群中個(gè)體優(yōu)良程度的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是算法演變的動(dòng)力。因?yàn)榛瑒?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)，采納將約束以動(dòng)態(tài)方式合并到其中，即形成一個(gè)具有變化的懲處項(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)體計(jì)算適應(yīng)度時(shí)，處以一個(gè)懲處，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)搜尋，從而提升了找到全局最優(yōu)解的概率。因?yàn)橥玲斀Y(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析中平安系數(shù)計(jì)算是一個(gè)有約束的微小值的問題，所以必需將目標(biāo)函數(shù)舉行轉(zhuǎn)換才干建立適應(yīng)度函數(shù)。

２．４競爭、挑選操作按照Ｖｉ所對應(yīng)的適應(yīng)度的大小采納最佳保留策略來舉行優(yōu)勝劣汰操作，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(huì)被交錯(cuò)、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交錯(cuò)、變異操作交錯(cuò)操作是遺傳算法中最重要的遺傳操作，是區(qū)分于其他進(jìn)化運(yùn)算的重要特征。算術(shù)交錯(cuò)運(yùn)算是將種群內(nèi)兩個(gè)相配對的染色體根據(jù)線性的方式互相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)地轉(zhuǎn)變?nèi)旧w上的某一或某些基因而產(chǎn)生新的個(gè)體，即以變異概率隨機(jī)轉(zhuǎn)變某一染色體Ｖｉ＝［ｉｉ］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)化過程中浮現(xiàn)局部最優(yōu)解的可能性，分離對交錯(cuò)算子和變異算子舉行改進(jìn)。其辦法是，對于適應(yīng)度較小的個(gè)體，將交錯(cuò)算子ｐｃ和變異算子ｐｍ取較大值，這樣可以提升搜尋速度；而對于適應(yīng)度較大的個(gè)體，交錯(cuò)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：ｐｃ１、ｐｃ２為交錯(cuò)概率的上、下限；ｐｍ１、ｐｍ２為變異概率的上、下限；ｆ′是交錯(cuò)的２個(gè)個(gè)體中適應(yīng)度較大值；ｆａｖｇ、ｆｍａｘ分離表示當(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)ｆ達(dá)到愜意值或達(dá)到預(yù)先設(shè)定的代數(shù)時(shí)，終止計(jì)算。這時(shí)ｆ所對應(yīng)的設(shè)計(jì)變量組合為最危急滑動(dòng)面。

３工程應(yīng)用

一個(gè)尺寸為１１０ｍ×７８ｍ的高層建造基坑，深度為７．８ｍ。其土層分布最上層為１．９ｍ填土，第２層為０．８ｍ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?；硬杉{土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)，土釘墻面與水平面的夾角為８０°。

４結(jié)論

１）運(yùn)用容易條分法對層狀非均質(zhì)土中土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)舉行了穩(wěn)定性分析，得出了最危急滑動(dòng)面的搜尋模型和最小平安系數(shù)的計(jì)算公式。利用實(shí)例對照分析了非均質(zhì)層狀土和等效均質(zhì)土計(jì)算辦法，分析結(jié)果表明采納等效均質(zhì)土的計(jì)算顯然提升了土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的最小平安系數(shù)，對于其整體穩(wěn)定性是不利。２）為了解決遺傳算法中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)，采納動(dòng)態(tài)