（岩土工程专业论文）蚁群算法与基坑土钉支护优化设计.pdf

辽宁科技大学硕士论文 中文摘要 摘要 土钉支护技术作为一种新型的基坑支护技术，因其经济可靠且施工简便快捷， 已经在我国得到迅速推广和应用。 基坑土钉支护结构是一种临时性的工程设施，其设计过于保守就会造成不必要 的浪费，这说明在基坑工程设计中采用优化设计是十分重要的。然而土钉支护结 构所涉及的设计参数多，维数高，解空间庞大，优化设计面临着严重的组合爆炸 问题，另外优化目标与设计变量之间关系错综复杂，难以用公式具体表达。因此 如何合理地确定支护结构的设计参数是一个复杂的优化设计难题。文中将上述问 题作为研究课题，引入近年来兴起的新型人工智能一蚁群算法应用于该领域做了 一定的研究，研究工作主要集中在以下几个方面： 1 、分析了蚁群算法在支护设计计算中的适用性，针对基本蚁群算法容易出现 停滞、局部搜索差等缺陷，通过在在蚁群算法中嵌入单纯形替换法以增强局部优 化能力，以及引入交叉算子以丰富解的多样性，从而提出了一种新的混合蚁群算 法。典型测试函数表明，该混合算法明显提高了优化能力。 2 、基坑土钉支护结构优化设计是一个二重优化问题，它涉及到基坑边坡加固 后最小安全系数的确定和土钉支护参数优化两方面。本文以土钉支护的极限平衡 设计方法和土钉修正条分法为基础，采用文中提出的混合蚁群算法，建立了土钉 支护结构稳定性安全系数、土钉支护结构参数优化设计的双群体智能蚁群模型。 通过工程算例进行验证说明该模型的优良性能和可靠性。 3 、对复合土钉支护进行较深入分析研究，将新型混合蚁群算法应用于其中， 建立了复合土钉支护设计模型，通过计算算例对复合土钉支护相关参数进行了敏 感性分析，为指导复合土钉支护设计和施工提供了依据。 4 、以上算法或模型用c 语言实现软件设计和实现，方便修改和调试。 关键词：混合蚁群算法，土钉支护，优化设计，单纯形替换法 辽宁科技大学硕士论文 英文摘要 a b s t r a c t a san e wr e t a i n i n gt e c h n i q u e ，s o i ln a i l i n gi sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di no u r c o u n t r yb e c a u s ei t i sak i n do fe c o n o m i c ，r e l i a b l et e c h n o l o g ya n di sc o n v e n i e n ti n c o n s t r u c t i o n t h es o i l - n a i l b r a c i n gi n f o u n d a t i o np i ti sap r o v i s i o n a l e s t a b l i s h m e n t ，i tw i l lb e w a s t e f u li fi t s d e s i g n o ft h e s u p p o r t i n gs t r u c t u r e i st o o c o n s e r v a t i v e ，t h e r e f o r e o p t i m i z a t i o nd e s i g no fs o i l n a i lb r a c i n gi sv e r yi m p o r t m e n t h o w e v e ro n ei st h ee x i s t i n g o fn u m e r o u s l yd i s c r e t ev a r i a b l e s ，h i g hd i m e n s i o n a l i t ya n dg r e a ts o l u t i o ns p a c e s ，w h i c h m a yl e a dt ot h ee x p l s i o no fc o m b i n a t i o n ，t h eo t h e ri st h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n o p t i m i z a t i o no b j e c ta n dt h ed e s i g nv a r i a b l e si sv e r yc o m p l e x ，a n dc a r lh a r d l yb e e x p r e s s e db yp l a i n te q u a t i o n s oi tw i l lb e c o m ead i f f i c u l tp r o b l e mt h a th o wt og a i na a p p r o p r i a t ep a r e m e n t so fs u p p o r t i n gs t r u c t u r e t h i sa r t i c l ed o e st h ec e r t a i nr e s e a r c ho n t h es o i ln a i l i n gt e c h n o l o g yf o rf o u n d a t i o np i t ，w h i c hb a s e so nt h ee m e r g i n ga r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e - m a tc o l o n ya l g o r i t h m ，a n dt h er e s e a r c hw o r ki sm a i n l yc o n c e n t r a t e do n s e v e r a la s p e c t si nf o l l o w i n g ： 1 t h ec r o s s o v e ro p e r a t o ri sa d d e di n t ot h eb a s i ca n tc o l o n ya l g o r i t h mf o re n h a n c i n g t h ev a r i e t yo fs o l u t i o n s ，a n dt h es i m p l e xr e f l e c t i o na l g o r i t h i ni si n t r o d u c e dt oc o m b i n e w i t ha n tc o l o n ya l g o r i t h mt oi n c r e a s et h ea b i l i t yo fl o c a lo p t i m i z a t i o n c o n s e q u e n t l ya h y b r i da n tc o l o n ya l g o r i t h m ，w h i c ho v e r c o m e st h ep r o b l e me x i s t i n gi nt h ea n tc o l o n y a l g o r i t h ms u c ha st h el o ws e a r c h i n ge f f i c i e n c yi nl o c a lo p t i m i z a t i o na n ds t a g n a t i o n ，i s p r o p o s e di nt h i sp a p e r c a s e ss t u d yo nt e s tf u n c t i o n ss h o wi t so p t i m i z e da b i l i t yi s e n h a n c e do b v i o u s l y 2 t h eo p t i m u md e s i g nf o rt h es o i l n a i l i n gs t r u c t u r ei sad o u b l e - l e v e lo p t i m u m p r o b l e m o nt h eb a s i so ft h el i m i te q u i l i b r i u mm e t h o do ft h es o i l n a i l i n gb r a c i n ga n d r e v i s e ds l i c em e t h o d ，t h ei m p r o v e da n tc o l o n ya l g o r i t h mi su s e dt oe s t a b l i s hn o to n l yt h e i n t e l l i g e n tm o d e lo fs e a r c h i n gc r i t i c a ls l i ps u r f a c ea n dt h es m a l l e s ts a f e t yc o e f f i c i e n ti n t h es o i ln a i l i n gb r a c i n gs t r u c t u r e ，b u ta l s ot h ei n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o nm o d e lo ft h es o i l n a i l i n gd e s i g np a r a m e t e r a tl a s t ，t h em o d e l sa r ea p p l i e di nt h ep r o j e c te x a m p l e s ，w h i c h f i n a l l yi n d i c a t et h em o d e l s h a v et h ef i n ep e r f o r m a n e ea n dt h er e l i a b i l i t y 3t h en e wh y b r i da n ta c o l o n ya l g o r i t h mi sa p p l i e di nt h ec o m p o s i t es o i ln a i l i n gt o e s t a b l i s ht h ed e s i g nm o d e lo fc o m p o s i t es o i ln a i l i n gs u p p o r t i n gt h r o u g ht h ec o m p o u n d n 辽宁科技火学硕士论文英文摘要 s o i ln a i l i n gr e s e a r c h e dc o m p r e h e n s i v e l y , a n dc o n c l u d et h e s e n s i t i v i t y o fs o m e p a r a m e t e r st ot h es t a b l ef a t o rs oa st oi n s t r u c t et h ed e s i g na n dt h ec o n s t r u c t i o no ft h e c o m p o u n ds o i ln a i l i n g 4 t h er e a l i z a t i o no fa l la l g o r i t h m so tt h em o d e l sa b o v ea r ec o m p l e t e db yt h ec l a n g u a g e ，w h i c hi sa d v a n t a g e o u si nt h er e v i s i o na n dt h ed e b u g g i n g k e yw o r d s ：h y b r ida n tc o i o n ya i g o r i t h m ，s o il n a ii in gb r a c in g o p t i i n iz a t i o nd e s i g n ，s i m d l e xr e f i e c t i o na i g o r i t h m 1 1 1 - 独创性声明 本人声明所呈交的沦文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特另, j j r l 以标注和致谢的地方外， 论文中小包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 清华大学或其它教育柳构的学位或证二f 5 而使用过的材料，与我一同工 作的同志对本研究所做的任伺贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签名：篮! 凰墅e t 期：至! 丑：! ! 墅 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规 签名：4 逝导师签名：日期：d 1 丑 辽宁科技人学硕士论文 第一章绪论 1 1 土钉支护技术简介 i 1 1 概念 土钉支护结构是用于基坑开挖和边坡支护的一种新型挡土技术，自2 0 世纪7 0 年代初正式应用于土方工程中以来，已经得到迅速的推广和应用。目前，在高层 建筑深、大基坑的开挖和高速公路大型边坡的支护工程中使用比较广泛。由于其 经济可靠且施工快速简便，引起了工程界的普遍关注和重视，成为继桩、墙、撑、 锚等传统方法之后又一种日趋成熟的土体支护技术。 所谓“土钉”就是置入现场原位土体中较密间距排列的细长杆件( 多为钢筋、 钢管) ，通常以压力灌注方式使钉体外裹水泥砂浆或水泥净浆浆体，形成注浆钉i ”。 土钉支护用于基坑或边坡开挖时的典型工序为：第一，开挖有限深度( 该深度应 小于自然边坡保持直立的临界高度) ；第二，在这一深度的作业面上设置土钥并灌 注水泥浆体，形成注浆钉；第三，在土钉的端部连接钢筋网片，并构筑喷射混凝 土面层；第四，继续向下开挖有限深度并重复上述步骤，直至所需的深度。其施 工的程序遵照从上至下、分步修筑、边挖边支、同步进行的原则。 1 1 2 土钉支护作用机理 土体的抗剪强度较低，抗拉强度几乎可以忽略，但土体具有一定的结构整体 性，当开挖基坑时，土体存在使边坡保持直立的临界高度，当超过这一深度或者 在地面超载及在其它因素作用下，将发生突发性整体破坏。所采用的传统的支挡 结构均基于被动制约机制，即以支挡结构自身的强度和刚度，承受其后的侧向土 压力，防止土体整体稳定性破坏。 土钉支护则是由在土体内放置一定长度和密度的土钉体构成的。土钉与土共 同工作，形成了能大大提高原状土强度和刚度的复合土体，土钉的作用是基于这 种主动加固的机制。土钉与土的相互作用，还能改变土坡的变形与破坏形态，显 著提高了土坡的整体稳定性。 试验表明：直立的土钉墙在坡顶的承载能力约比素土墙提高一倍以上。更为 重要的是，土钉墙在受荷载过程中不会发生素土边坡那样突发性的塌滑。它不仅 辽宁科技大学硕士论文 绪论 推迟了塑性变形发展阶段，而见明显地呈现出渐进性变形与开裂破坏并存且逐步 扩展的现象，直至丧失承受更大荷载的能力，仍不会发生整体性塌滑。 土钉在复合土体内的作用可概括为以下几点： ( 1 ) 土钉对复合体起骨架约束作用 该作用是由土钉本身的刚度和强度以及它在土体内的分布空间所决定的。它 具有制约土体变形的作用，并使复合土体构成一个整体。 ( 2 ) 土钉对复合体起分担作用 在复合土体内，土钉与土体共同承担外荷载和土体自重应力。由于土钉有高 的抗拉、抗剪强度以及土体无法比拟的抗弯刚度，所以当土体进入塑性状态后， 应力逐渐向土钉转移。当土体开裂时，土钉分担作用更为突出，这时土钉内出现 弯剪、拉剪等复合应力，从而导致土钉体中浆体碎裂，钢筋屈服。复合土体理性 变形延迟及渐进性开裂变形的出现均与土钉分担作用密切相关。 ( 3 ) 土钉起着应力传递与扩散作用 在同等荷载作用下，由土钉加固的土体内的应变水平比索土边坡土体内的应 变水平大大降低，从而推迟了开裂域的形成与发展。 ( 4 ) 坡面变形的约束作用 在坡面上设置的与土钉达成体的钢筋混凝土面板是发挥土钉有效作用的重 要组成部分。坡面鼓胀变形是开挖卸荷、土体侧向变位以及塑性变形和开裂发展 的必然结果，限制坡面鼓胀能起到削弱内部塑性变形，加强边界约束作用、这对 土体开裂变形阶段尤为重要。 1 1 3 土钉支护与锚杆、加筋土墙的比较 土钉墙与加筋土墙的比较 两者的相似之处： ( 1 ) 一般情况下，均不旋加预应力； ( 2 ) 借助土的微小变形使杆件受力而工作； ( 3 ) 通过土与杆件的黏结而使加强的土体稳定，而后形成类似于重力式挡墙的结 构，支撑其后部土体传来的土压力和荷重； ( 4 ) 侧向面板基本上不受力，对整个结构物的稳定性不起很大作用，而且很薄。 两者的不同之处： ( 1 ) 施工顺序不同，加筋土墙是自下而上先修筑面板和筋系，然后夯填土体而形 成的；土钉墙则是随着边坡或基坑开挖自上而下逐步形成，故两者的受力条 辽宁科技大学硕士论文绪论 件截然不同； ( 2 ) 土钉用于原状土的挖方工程，对于土质量无法选择和控制；加筋土用于填方 工程，在一般情况下，对土的种类可以选择，对土的工程性质是可以控制的： ( 3 ) 随着新型工程材料的不断出现，加筋条多采用土工合成材料，直接同土接触 而起作用；而土钉则多用金属杆，通过砂浆同土接触而起作用( 有时候直接 在原状土中打入钢筋或角钢而作用) ； ( 4 ) 加筋条带，一般水平放置，而土钉则倾斜一定角度安设。 土钉与锚杆的对比 ( 1 ) 锚杆安装后，通常施加预应力，主动约束挡土结构的变位；而土钥一般不施 加预应力，必须借助土体产生小量变位，而使土钉受力后工作，故两者的受 力状态不同，结构上的要求自然也是不同的。 ( 2 ) 锚杆只在锚固长度内受力，而自由段长度内只起传力作用；土钉则是全长受 力，故两者在杆件长度方向上的应力分布是不同的。 ( 3 ) 锚杆的密度小，每个杆件都是重要的受力部位；而土钉密度大，靠土钉的相 互作用形成复合整体作用，其中个别土钉发生破坏或不起作用，对整个结构 物影响不大。 ( 4 ) 锚杆挡墙或锚杆背拉的挡土结构受力较大，要求锚头特别牢固；土钉的面板 基本上不受力，其锚头用一小块钢板同杆件连接起来即可。 ( 5 ) 锚杆一般较长，直径较大，所需的各种机具也较大；土钉的长度一般较短， 直径较小，所需的各种机具均较灵便。 1 2 复合土钉支护 所谓复合土钉墙支护就是土钉墙与止水帷幕、各种微型桩等其他超前支护措 施一起联合使用的一种土钉墙支护形式，这些超前加固措施较为有效地解决了土 体的自立性、隔水性以及喷射混凝土面层与土体的粘结问题从而使土钉墙在砂 性土、粉土、粘性土及淤泥质土中得以应用。 表1 列出的是工程中常用的几种基本支护形式，其中适用条件系已有工程经 验1 。 表1 复合土钉墒基本支护形式 辽宁科技大学硕士论文绪论 序 支护 支护结构示意图结构要点适用条件 号形式 1 、帷幕：深层搅拌桩或砂层较厚、环境 挂阿喷射： 土钉高压旋( 摆) 喷桩墙；不宜人工降水， 2 、土钉：钢管土钉； 无放坡条件，坑 3 、坡形：直立式或上部深1 0 m 以内。 放小坡。 混凝土 、帷幕 截水型土 1 钉墙 建剿卜钉 1 、士钉：钢筋或钢管土放坡受限制，土 钉( 地下水位以下) ：质较好，但基坑 加强型十 一 2 、预应力锚杆：锚索或较深，实际t 程 厚壁钢管，预应力锚杆在己达1 9 3 m ( 坡 2 水平方向可单一布置或顶运土重车川 钉墙 与土钉间隔布置；流不息) 。 3 、坡形近于直立，坡度1 ： 0 1 。 1 、坡形：直立式或上部人工填土、淤泥 拄冈喷射 。土钉 放小坡；质土、砂层较 “截水 混凝土 2 、土钉、预应力锚杆、厚，环境不宜人 帷幕基本同上。工降水，无放坡 条件，基坑深度 较大，实际工程 超过1 5 m 。 加强型” 、性幕 3 土钉墙 ( 一) 陌磊习 1 、微型桩d 2 5 0 4 0 0 m m ，建筑物距基坑 中置钢筋骨架，j 字钢或极近，其他截水 “截水 挂阿喷射 钢管；帷幕难以实施： e 凝土、f 土f f 2 微型桩与截水水桩( 素环境对基坑变 桩) 相间布置或微型桩单形要求严格。 一布置： 3 、土钉、预应力锚杆基 加强犁” 寒、微型桩 本同上。 4 土钉墙 ( 二) 软土及砂层厚， i 、帷幕、七钉、预应力 不宜人t 降水， 锚杆基本同上； 道路、管线距坑 2 、微型桩根据需要按一 近，对变形要求 定距离间隔布置： 严格，( 如燃气 “截水一 挂冈喷射 、微型桩3 、坡形为直立式，或上 管) 基坑较深 昆凝土 加强型” 5 十钉墙 ( 三) 帷幕7 7 部放小坡。 实际一科已超 过1 5 m 。 辽宁科技大学硕士论文绪论 1 3 土钉支护技术发展现状及问题 现代土钉技术始于2 0 世纪7 0 年代，可以看作是在6 0 年代兴起的隧道新奥法 施工技术基础上的延伸和发展。所谓新奥法技术即在隧道开挖过程中将喷射混凝 土和全黏结注浆锚杆相连接，使新成孔的隧道壁很快稳定成型，充分利用或保持 原应力状态，克服应力释放，避免了在该过程中可能存在的洞体塌方事故，使土 体支护和洞壁加固合二为一，开挖和支护同步进行，大大提高了工程的进度和效 益。新奥法施工技术在当时法国的地铁工程建设中发挥了相当积极的作用。 1 9 7 2 年法国工程师首先将新奥法技术推广于边坡开挖支护中，以保持边坡的 稳定，在儿尔赛附近为拓宽一处铁路路基的边坡开挖中1 4 1 ，首次应用了喷射混凝土 面层，并在土体中置入了钢筋作为临时支护，整个边坡的开挖和支护是分步进行 交替作业，开挖的边坡坡度为7 0 0 ，长9 6 5 m ，最大坡高2 1 6 m 。这是有详细记载 的第一例土钉支护工程。根据1 9 8 6 年发表的一份报告估计，此时法国每年大约有 5 0 个工程项目应用土钉技术，其中约1 0 用作永久支护设施，另外还开展了土钥 支护的基础性研究，例如巴黎路桥学院( c e r m e s ) ，从1 9 7 5 1 9 8 1 年在s c h l o s s e r 教授、j u r a n 博士主持下完成了土钉支护系统的模型试验和理论研究。1 9 8 6 年法国 开展了一项名为c l o u t e r r e 四年研究计划，投资约4 0 0 万美元，这项研究包括三个 大型土钉墙试验【s 1 。该试验研究的主要结论有：( 1 ) 土钉中的拉力沿其长度变化， 最大拉力位置不在端部面层处，而是离开面层一定距离。土钉靠近面层的端部拉 力与钉中最大的比例随着往下丌挖而降低。( 2 ) 土钉在使用阶段主要受拉，土体 发生变形后在土钉周围首先出现的是拉力，只是到临近破坏时，土钉的抗弯刚度 才起作用，使土钉同时受到弯剪：士钉破坏时弯剪作用对于提高支护承载能力的 贡献很少，但对防止快速破坏有一定的好处。( 3 ) 极限平衡分析方法能够估计土 钉支护破坏时的承载能力。( 4 ) 施工过程中的每步开挖深度对于土钉支护的稳定 至为重要。开发应用土钉支护仅次于法国的是德国。德国在承包商k a r lb a u e ra c 资助下，k a r l s r u h e 大学岩土力学联合研究所从1 9 7 5 年开始了项为期4 年的研究， 包括其中的8 项大型足尺试验和上百个抗拔试验1 6 l ，试验主要在砂土中进行。这一 项研究的主要结论为：( 1 ) 土钉墙支护性能与重力式挡土墙类似；( 2 ) 对于直立 墙面和水平地表情况，土钉长度以墙高的o 5 o 8 倍为宜( 无地下水) ；( 3 ) 钉距 应小于1 , 5 m ；( 4 ) 面层压力可视为均布，大约为库仑主动土压力的0 4 o 7 倍。 当然，英国、美国【7 i 等国也和法国、德国一样十分重视土钉墙的工作性能的试 验研究。包括分析方法和程序开发、大型足尺土钉墙试验与模型试验、离心机试 辽宁科技大学硕士论文 验、实际工程的土钉内力实测与支护变形实测等，获得了许多宝贵的一手资料， 并编制了有关土钉墙的技术文件，包括设计和旋工监理手册。 我国土钉支护技术起步于2 0 世纪8 0 年代，山西煤矿设计院王步云是最早研究 和应用土钉技术的学者之一。1 9 8 0 年在山西孝义柳湾煤矿的边坡开挖中，为解决 土体滑动塌方问题采用了土钉支护技术。该工程边坡挖深约1 l m ，坡角为8 0 度，边 坡总长为4 0 m ，土体为粉质黄土，采用直径2 5 m m 的钢筋作土钉，钉体的平均长度 为9 m ，面层为1 8 0 m m 厚的喷射混凝土，这是有记载的国内应用土钉技术支护边坡 的首例工程【8 1 。国内应用土钉技术进行基坑支护的首例工程为1 9 9 2 年深圳文锦广场 的基坑边壁抢险加固工程，解放军某部【9 , i o l 在长期对土中喷锚支护进行研究开发的 基础上，根据自己的经验，首次在基坑支护中获得成功。此后，这项技术得到迅 速发展，据统计仅该部队在各地完成的基坑土钉支护项目己不少于5 0 0 项，其中有 相当数量是用于基坑支护失稳时的加固和塌滑事故的抢险处理。近年来清华大学 的陈肇元、崔京浩，北京工业大学孙家乐，以及广州军区建筑工程设计院和总参 兵三所等单位，在土钉墙的研究开发应用方面做了不少工作。1 9 9 6 年9 月由建设部 科技委主办，清华大学士木工程系和8 9 0 0 2 部队承办的土钉支护技术研讨会在清华 大学召开，随后又由这两个单位主编起草专门的土钉规范基坑土钉支护技术规 程1 1 1 。另外出版的基坑规范建筑基坑支护技术规程( j g j l 2 0 9 9 ) 【1 2 1 也包含了 土钉支护一节。除上述单位外，有许多高校相继投入土钉支护的研究。如清华大 学土木水利学院对土钉支护的有限元分析方法( 包括三维有限元分析) 和极限平衡 分析方法的研究，并开发用于施工现场的土钉支护计算机辅助系统【l 引，进行土钉 支护工作性能的现场实测，以及室内的离心机模型试验；南京工程兵工程学院与 同济大学等合作进行软土中的复合土钉支护研究：同济大学、武汉水利电力大学、 浙江大学也分别作过室内模型试验。随着国家现代化建设的发展，高层建筑的基 坑支护工程越来越多，作为一种有效的支护技术，土钉技术得到了迅速的发展。 现在这项技术已经在北京、深圳、广州、长沙、武汉、石家庄、成都、西安等地 的基坑工程中得到了比较广泛的应用，并且取得了显著的经济和社会效益，在应 用实践中，也取得了很多成就，比如发展了洛阳铲成孑l 的施工技术。 近年来我国许多学者和工程技术人员对土钉墙结构的稳定性分析做了大量的 研究，提出了一些有实用价值的新观点。于红蕾【1 4 l 等针对软土的变形特征，提出了 适合分析软土变形的结构性模型。宋二祥【1 5 】等针对基坑土钉支护，讨论其安全系 数的强度参数折减有限元计算方法，包括土钉支护体系的三维有限元模型、安全系 数的折减强度参数计算、极限状态的确定以及极限状态下的计算方法等。按所建 辽宁科技大学硕士论文绪论 议方法，编制了三维有限元计算程序。王安宝u 刮等采用优化理论中的复形调优法 对滑移面进行分析，建立了搜索最危险滑移面的计算模式，克服了条分法需要大 量计算且难以找到真正危险滑移面的缺点，提高了工作效率。刘大鹏【”i 等从极限 平衡分析法推导的稳定性安全系数公式出发，研究了土钉倾角对边坡稳定性的影 响，认为在土钉足够长的条件下，最佳土钉入射角为仰角或水平，在土钉比较短 时，最佳土钉入射角为倾斜向下，而且应该是从上到下逐层减少向下倾角，这与通常 认为土钉设置的倾斜度应逐层增加向下倾角的看法相反。李典庆1 1 8 1 等在土钉抗拔 试验结果的基础上，提出了采用贝叶斯理论来估计粘结强度的新方法，建立了粘 结强度的先验分布，讨论了未破坏试验、部分破坏试验和破坏试验3 种情况下粘 结强度的更新。李讯i 悖1 等通过对某基坑进行三维数值模拟，得出了土钉支护基坑 的位移场和土钉受力规律，说明了使用数值方法模拟基坑开挖的有效性，并为使 用极限平衡法计算土钉支护基坑安全系数时土钉抗力取值提出了参考意见。曹伟 军i2 0 】等依据混凝土板冲切和剪切破坏标准，给出考虑面层影响的土钉抗拔力的计 算方法。此外，胡建林等在施工现场对土钉的受力进行了监测；刘治安等根据深 基坑施工过程中变形破裂观察资料、位移监测资料及土钉应变测试资料对土钉支 护的作用机理作了初步探讨。也有不少文章对土钉加固支护体系的设计方法及应 用进行了深入的研究和对土钉支护体系的事故进行分析等。这些研究对土钉墙支 护技术的理论探讨和工程应用都起到了很大的推动作用。特别是近年来土钉支护 与其它的止水设施或支护结构相结合使用所形成的复合土钉支护，如土钉支护与 搅拌桩、旋喷桩相结合构成的止水型土钉支护、土钉与预应力锚杆相结合构成的 加强型土钉支护、土钉与微型桩、超前注浆、超前竖向土钉相结合的超前加固型 土钉支护，大大拓宽了土钉支护的应用领域。 目前，在国外对土钉墙的研究中，对永久性土钉防腐措施的研究，提出了密封 防护、环氧树脂覆盖防护、灌浆防护等。在土钉试验研究方面，对极限试验设计 试验、施工试验、徐变试验进行了研究，并制订了试验验收规范。然而仍然有很 多问题需要解决，比如土钉墙后的土压力作用机理需要深入的研究；破坏机理有 待进一步认识；更加切合实际的力学模型有待进一步探讨；对土钉徐变和松弛的 研究；稳定性分析设计方法的进一步研究；施工过程中和竣工后的变形( 位移) 监控等。 1 4 基坑土钉支护优化方法应用现状 从一定程度上说，基坑土钉支护工程是一项复杂的系统工程，它几乎涉及到 岩土力学与工程的各个方面，如土力学、工程地质学、水文地质学、结构力学以 辽宁科技大学硕士论文 绪论 及监理、监测、施工方法等领域，因此，影响基坑稳定的不确定性因素比较多。 一旦支护失败，后果不堪设想，不仅会延误工期造成经济损失，更重要的是，还 可能对周围建筑及城市生命线工程产生不可低估的不良影响，甚至危及人身安全。 另一方面，我国的基坑土钉支护工程起步晚，尽管在9 0 年代发展迅速，但仍然处 于探索阶段，可依据的理论不够成熟与完善，设计带有极大的经验性，使得设计 偏于保守，造成了大量的浪费，现在市场竞争日趋激烈，让有限的资源最大限度 的利用己得到了人们的共识。因此，基坑土钉支护工程的设计关系到工程的安全 ( 包括支护结构本身和周边环境) 和投资大小这两个根本问题。因此，怎样在保证 基坑及周围环境安全的前提下，使土钉支护工程造价更加经济合理，就成为目前 一个急待解决的课题，许多学者就此问题进行了不断的探索。工程优化设计技术 就是在此基础上产生的，它是解决经济合理与安全可靠二者矛盾的有效手段。 优化方法是一种以数学为基础，用于求解各种工程问题优化解的应用技术， 在土钉支护工程中优化技术得到了相应的应用。王安宝，史维汾，王国俊i l6 l 在条 分法分析土钉支护稳定的基础上，采用优化理论中复形调优法对滑移面进行分析， 建立了搜索最危险滑移面的计算模式，克服了条分法需要大量试算且难以找到真 正的最危险滑移面的缺点。罗晓辉，何立红1 2 ”采用s a r m a 法分析土钉墙内部稳定 性，潜在滑裂面可以是任意形状，并借助s l p 优化理论确定最危险滑裂面的位置。 陈昌富，陈立功【2 2 l 将土钉墙的稳定性分析推及到可靠性分析范畴，并用消去法中 的二分法和约束随机方向法来搜索最危险滑裂面。张明聚，宋二祥，陈肇元【2 剐假定 土钉墙潜在破裂面为圆弧形，利用对滑面几何控制参数采用分步黄金分割法寻找 最危险滑裂面圆弧，并由此计算与之对应的最小安全系数值。刘尧军，刘志春， 刘志华1 2 4 l 提出穷举法和优选法两种方法确定最危险滑动面，并指出其精度影响因 素、可靠性和效率。邓建刚，傅旭东口5 1 基于复形原理，提出了用于土钉支护结构 设计的b i s h o p 优化分析方法。编制了优化分析程序，并对工程实例进行优化分析。 张明聚，王明生1 2 6 1 根据极限平衡理论，假定双线性滑移面，推导出土钉支护稳定 安全系数的计算公式，用单纯形求算最不利滑移面。 由于传统优化方法存在许多不足，越来越不能满足工程的需求。因此，产生 一些新颖的优化算法，如模糊优化理论、人工神经网络、混沌、遗传算法、进化 规划、模拟退火、禁忌搜索及其混合优化策略等，为解决复杂的工程问题提供了 新的思路和手段。近年来，许多学者和工程技术人员对这些优化算法在基坑土钉 中应用进行了研究和探讨。 辽宁科技人学硕士论文绪论 邹广电，蒋婉莹1 2 7 l 充分考虑土钉支护特殊性，建立了一个比较精确的基于一 般破裂面的土钉支护稳定性分析方法。对土钉支护内部稳定分析和外部稳定分析 分别建立优化数值分析模型；然后导入模拟退火算法和随机投点法，结合两者特 长建立了一种可有效求解该模型的耦合算法，并编制了相应的计算程序。祝方彳， 彭振斌，隆威等1 28 】基于圆弧滑动面模型，利用变尺度混沌优化方法搜索土钉支护 危险滑动面。贺可强，王胜利，阳吉宝1 2 9 j 以土钉支护结构整体稳定性计算的圆弧 滑动简单条分法为基础，运用遗传算法对北京某大厦基坑的土钉支护结构最危险 滑移面的位置进行了动态搜索与确定，并计算了其稳定系数。梧松，吴玉山 3 0 1 采 用改进遗传进化算法调整土钉设计参数，并利用复合形法搜索支护结构的临界滑 面，从而得出保证工程安全可靠且造价最低的最优设计方案。陈昌富p 1 1 利用从模 拟自然进化过程的遗传进化算法和求解约束优化问题的复合形法而发展起来的复 合遗传算法来搜索最危险滑动面，提出了一种深基坑土钉墙内部稳定性分析的复 合遗传进化调优算法。胡长明，李文广1 3 2 1 用非饱和土强度理论建立了土钉支护整 体稳定性最小安全系数公式，用m a t l a b 计算机语言实现了遗传算法寻找非饱和土 土构最危险滑裂面和与其对应的最小安全系数的自动寻优。刘大鹏，宋彦华f 3 3 l 通 过将神经网络与遗传算法结合进行土钉支护优化设计。高盟，张远芳p 4 l 通过建立 三维有限元模型，对土钉支护的变形和受力性能分析，得出土钉力的合理分布。在 此基础上，考虑土钉支护的水平位移，采用复合形算法，对土钉支护的结构优化设 计进行研究，建立了土钉支护结构的优化设计数学模型，并编制了相应计算程序。 综上所述，目前深基坑土钉技术优化取得了较大的进展，尤其是对遗传算法 有研究和应用几乎贯穿了整个深基坑工程领域。模糊数学理论、灰色理论、神经 鼹络也有一定的研究和应用，但非常有限，有待进一步研究探讨。由于生产实践 的需要，基本智能优化方法显露了越来越多的不足，由此，科研工作者对基本智 能优化方法进行改进，提出了各种新型的混合智能优化算法，取得了一系列的成 果，对新型混合智能优化算法的研究正处于发展时期，还需要科研工作者和工程 技术人员不懈地努力。 1 5 本课题的确立及主要研究工作 基坑土钉支护结构设计中，通常设计者需要对设计参数进行多次调整、反复 验算，才能使得计算结果满足设计的要求。这样的设计方法虽然能满足设计的要 求，但是利用这种方法得到的设计参数往往只是一个可行解，而不是所有可行解 中的最优解或较优解，而且费力费神。对于特定的土钉支护方案，其设计参数很 辽宁科技人学硕士论文绪论 多，约束条件复杂，它们都会影响计算结果的精确性，直接关系着基坑土钉支护 结构的经济与安全问题。因此，如何寻找一组最佳设计参数，既满足安全问题， 又达到经济要求，是一个复杂的优化设计问题。由于基坑工程土钉设计中涉及的 参数和因素很多，所以利用传统的优化方法处理时存在很大的困难。 在这种情况下，作为一种先进的技术一人工智能理论被逐步引入岩土工程领 域。人工智能技术凭借其鲁棒性、并行性等特性，适合处理岩土工程优化方面的 优势，从2 0 世纪8 0 年代末在岩土： 程领域得到逐步应用与发展。蚁群算法是一 种新型的仿生优化算法，它简单通用、鲁棒性即稳健性强、适合于并行处理和适 应性好等特点。从而，为岩土工程领域的复杂、非线性问题提供了很好的解决办 法，无论在理论研究上还是实际工程应用上部具有重要的意义和价值。 本文主要着重于应用理论研究，把蚁群算法这种先进的人工智能技术引入基 坑土钉支护工程领域进行研究。针对基坑土钉支护工程问题的特征，进行基坑土 钉支护工程蚁群算法理论研究，以本文改进混合蚁群算法为基础，建立土钉支护 工程优化设计模型，主要包括： 1 、在广泛阅读文献的基础上，对土钉支护技术发展状况以及土钉支护设计优 化研究现状与发展趋势进行较为全面的了解，并进行文献综述。 2 、较为系统地介绍近年来受到了各个学科领域重视的一种全局优化算法一蚁 群算法，分析其基本原理、方法。针对基本蚁群算法容易出现停滞现象、局部搜 索差等缺陷，在蚁群算法中嵌入单纯形替换法与交叉算子以提出一种新的混合蚁 群算法。同时借助c 语言编制改进前后的蚁群算法函数优化程序。通过典型测试 函数表明，该混合算法明显提高优化能力。 3 、较全面学习基坑土钉支护设计理论，对土钉支护内部稳定性分析的通用条 分法计算过程进行详细的推导，思路清晰，利于编程。 4 、探讨蚁群算法在基坑土钉支护结构设计中的应用，将土钉支护设计计算与 蚁群算法有机结合起来，提出基于新型智能蚁群算法的土钉支护参数设计方 法，建立基坑的土钉支护结构优化设计的蚁群智能双模型，通过c 程序实现土钉 支护工程优化计算并将计算结果与原结果进行对比分析。 5 、对复合土钉支护进行较深入分析研究，将新型混合蚁群算法应用于复合土 钉支护，建立复合土钉支护设计模型，通过计算算例对复合土钉支护结构参数进 行敏感性分析。 辽宁科技大学硕士论文稳定性分析理论 第二章土钉支护稳定性分析理论与优化设计方法 2 1 土钉支护的破坏形式 1 、内部破坏 内部破坏形式主要有两种： 1 ) 整体破坏 即墙体内产生裂缝与滑移，将加固体分割为滑动区与约束区。由于滑体下移， 将同时导致土钉弯曲、剪切与拉伸，最终可能拔出或断裂。产生这种情况的主要 原因是土钉的总体抗拉或抗拔能力不够，其次是抗弯、抗剪能力不够。 2 ) 局部破坏 即墙体的某些个别地方发生的有限损坏。例如面层与土钉结合点的断裂；个 别土钉的损坏；面层局部开裂、隆起或背面刷空等。这些破坏的出现多由于施工 和材料质量不佳，或排水、防水、防腐蚀不力，设计不好也会造成面层破坏。 蕙食意 图l 体内破坏 2 、外部破坏 外部破坏指发生于墙体之外的破坏，主要形式有：土钉墙沿基底平移；土钉 墙绕墙趾倾覆；墙基土体失稳；沿深远土层整体滑移。 t b ) 螭裰 c 纂t 戋穗 f 幽深屡潴稿 辽宁科技大学硕士论文 稳定性分析理论 幽2 士钉婿外部破坏形式 3 、超量变形 土钉