鉆孔灌注樁基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

鉆孔灌注樁基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙京江（廣東鴻宇建筑與工程設(shè)計(jì)顧問有限公司，廣東 東莞 523009）

將遺傳算法用于基坑地下連續(xù)墻支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，通過(guò)編輯自動(dòng)計(jì)算程序?qū)Φ叵逻B續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。算法全部約束均按基坑相關(guān)規(guī)范要求給出，通過(guò)工程實(shí)例和監(jiān)測(cè)結(jié)果證明該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有效性。

鉆孔灌注樁；基坑支護(hù)；遺傳算法；優(yōu)化設(shè)計(jì)

深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)隨著城市化建設(shè)大量出現(xiàn)，同時(shí)支護(hù)選型和設(shè)計(jì)極為保守造成浪費(fèi)，如何選取合理設(shè)計(jì)基坑同時(shí)保障基坑及周圍環(huán)境安全前提下使工程造價(jià)最低是工程設(shè)計(jì)最關(guān)心的問題，所以深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有顯著技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。

深基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)是個(gè)復(fù)雜的問題，涉及到的設(shè)計(jì)參數(shù)比較多目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系是復(fù)雜的非線性關(guān)系，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法是具備智能性、全局優(yōu)化性和內(nèi)在學(xué)習(xí)性等特點(diǎn)一種優(yōu)化計(jì)算方法，可解決深基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的非線性關(guān)系。

1 遺傳算法基本原理

遺傳算法采用編碼的技術(shù)，效仿了生物物種由低級(jí)到高級(jí)的進(jìn)化過(guò)程，從初始種群開始，采取“優(yōu)勝劣汰，適者生存”的自然法則對(duì)個(gè)體進(jìn)行選擇、交配、變異，進(jìn)而產(chǎn)生新一代種群，重復(fù)逐代演變進(jìn)化，直到產(chǎn)生出滿足條件要求的個(gè)體為止，它是基于種群的智能優(yōu)化法的一種。

遺傳算法具有智能性、全局優(yōu)化性和隱含并行性三個(gè)特點(diǎn)。遺傳算法具有智能算法中的自適應(yīng)、自組織和自學(xué)習(xí)等特點(diǎn)，由于交叉算子的作用，使得搜索方向集中在空間中期望值最高的部分，同時(shí)由于變異算子的作用，確保了群體的多樣性，防止了搜索被引導(dǎo)到局部最優(yōu)。遺傳算法具有潛在的并行性，由于搜索過(guò)程是同時(shí)從多個(gè)點(diǎn)出發(fā)，使得這種多智能體的協(xié)作過(guò)程是異步并發(fā)進(jìn)行的，同時(shí)搜索解空間內(nèi)的多個(gè)區(qū)域，相互交流信息，這種分布式并行模式大大提高整個(gè)算法的快速反應(yīng)能力和運(yùn)行效率。除此之外，遺傳算法還具有通用性、內(nèi)在學(xué)習(xí)性、多解性、非定向性等特點(diǎn)。

遺傳算法常用步驟如下：

（1）定義一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，函數(shù)值表示可行解的適應(yīng)性。

（2）在一定的約束條件下，生成解的初始成員種群。

（3）群體中的每一條染色體被譯碼成適于評(píng)價(jià)的形式，并賦予它一個(gè)適應(yīng)值。

（4）以優(yōu)勝劣汰的機(jī)制，將適應(yīng)值差的染色體淘汰掉，對(duì)幸存的染色體根據(jù)其適應(yīng)值的好壞，按概率隨機(jī)選擇，進(jìn)行復(fù)制，形成新的群體。

（5）按照一定概率隨機(jī)選擇染色體進(jìn)行雜交和變異的操作。

（6）對(duì)子代群體重復(fù)步驟（3）-（5）的操作，進(jìn)行新一輪遺傳進(jìn)化過(guò)程，各代種群的優(yōu)良基因成分逐漸累積，種群的平均適應(yīng)值和最優(yōu)個(gè)體的適應(yīng)值不斷上升，直到迭代收斂（適應(yīng)值趨穩(wěn)定），即找到了最優(yōu)解或準(zhǔn)最優(yōu)解。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

以本文工程實(shí)例采用的三層鋼支撐的鉆孔灌注樁基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式為例進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立。

2.1 優(yōu)化參數(shù)的選取

根據(jù)優(yōu)化參數(shù)的選取原則，將鉆孔灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中的支撐位置m，樁徑D，樁間距S，嵌固深度hd作為優(yōu)化參數(shù)變量，而將混凝土強(qiáng)度等級(jí)，鋼筋等級(jí)，直徑，配筋方式，土層計(jì)算參數(shù)等變量均作為設(shè)計(jì)參量預(yù)先固定下來(lái)，則變量空間為：X=［hd，D，m1，m2，m3，S]T

hd∈［0.5h，1.5h］ D∈［0.6，1.2］ S∈［0.5D，2.5D]

m1∈［0.1h，h-hs'］ m2∈［m1+hs，h-hs'］ m3∈［m2+hs，h-hs']

其中：h為基坑的開挖深度；hs為鋼支撐豎向的最小間距，一般為3.5～5m；hs′為最后一道支撐與基坑底的最小間距；S指的是兩個(gè)樁之間的中心距。將所求解空間X=［hd，D，m1，m2，m3，S]確定每個(gè)變量的精度后，利用二進(jìn)制編碼對(duì)所求變量的解空間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，形成初始種群。

2.2 約束條件處理

2.3 適應(yīng)度函數(shù)的確定

式中：h為基坑開挖的深度，hd為樁的嵌固深度，D為樁徑，S為樁間距。

式中：c為系數(shù)常量，用以調(diào)整適應(yīng)值的區(qū)間，通常取值為100～1000，顯然的值越大，該母體越優(yōu)。

選擇下式作為收斂判別準(zhǔn)則：是一個(gè)充分小正數(shù)），如果滿足了收斂判別，則輸出結(jié)果，否則重復(fù)計(jì)算。優(yōu)化程序的實(shí)現(xiàn)是基于MATLAB語(yǔ)言，首先編寫遺傳算法的運(yùn)算函數(shù)，其中包括了編碼、適應(yīng)度評(píng)判、選擇、交叉、變異、解碼等運(yùn)算，函數(shù)調(diào)用了先前編制好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形計(jì)算的函數(shù)，為了便于了變量的輸入輸出，利用生成界面的GUI函數(shù)，編寫了參量輸入界面、優(yōu)化運(yùn)行和結(jié)構(gòu)計(jì)算界面。

3 工程概況

浙江杭州市區(qū)某車站基坑工程，基坑平均深度為14.6m，按照建筑基坑支護(hù)，本車站基坑支護(hù)工程安全等級(jí)為一級(jí)。綜合本站周邊環(huán)境、地質(zhì)條件和工程造價(jià)等，基坑主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁，鉆孔樁選用循環(huán)鉆施工。本區(qū)間地下水埋深為1.3～2.8m，主要為上層滯水，地下水位不連續(xù)，水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單。

3.1 計(jì)算參數(shù)選取

基坑主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁，樁徑1200m，采用C30混凝土。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平受力體系采用鋼管內(nèi)支撐方案，設(shè)三道內(nèi)支撐，采用Φ600，t=16的鋼管支撐，鋼管材料采用Q235鋼，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類型，按結(jié)構(gòu)整體和單個(gè)構(gòu)件可能出現(xiàn)的最不利情況進(jìn)行組合，依相應(yīng)的規(guī)范要求進(jìn)行計(jì)算，并考慮施工過(guò)程中荷載變化情況分階段計(jì)算。各土、巖層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 土、巖層物理力學(xué)指標(biāo)

3.2 優(yōu)化結(jié)果與分析

通過(guò)程序自動(dòng)計(jì)算，優(yōu)化結(jié)果表明，圍護(hù)樁的嵌固深度和樁間距的對(duì)改變，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果具有較為大的影響，在樁徑不變的情況下，嵌固深度的變小和樁間距的增大，都會(huì)使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)的上部水平位移和彎矩有所增大，但通過(guò)改變支撐的位置和支撐的預(yù)加軸力，可以保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移滿足規(guī)范要求的允許值，優(yōu)化結(jié)果顯示：墻體的最大彎矩比原設(shè)計(jì)增加了14.4%，墻體的最大剪力增加了19.2%，但都在設(shè)計(jì)允許值之內(nèi)。而造價(jià)比原設(shè)計(jì)降低了17.4%，因此優(yōu)化結(jié)果是比較理想的。根據(jù)優(yōu)化后的支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算所得圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和受力優(yōu)化結(jié)果對(duì)比見表2：

4 結(jié)語(yǔ)

利用遺傳算法對(duì)基坑支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行，工程實(shí)例證明遺傳算法具有明顯的優(yōu)化效果，自動(dòng)化計(jì)算程序在工程實(shí)踐中具有應(yīng)用價(jià)值。

趙京江（1982—），男，天津市人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。