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基于混合遗传算法的深基坑桩锚支护优化设计研究 摘要 桩锚支护结构是深基坑支护工程中被广泛应用的一种支护结构 形式。本文系统地分析了桩锚支护结构的主要影响因素及其组成，将 桩锚支护体系划分为排桩围护和锚杆锚固两个既相对独立又紧密联 系的子系统。指出：桩锚支护优化设计必须在方案设计和细部结构设 计两个层次上协同进行，并分析了这两个层次间的交互关系。 本文筛选出对桩锚支护体系优化结果影响较大的设计变量，归纳 总结了其主要约束条件，构造出以综合造价为优化目标的最终优化目 标函数，进而建立了桩锚支护体系各层次优化设计数学模型。同时， 还对桩锚支护结构的计算模式进行了优化分析。 遗传算法作为一种新型概率搜索算法，具有多点搜索、并行计算 和自适应全局寻优等优点，特别适合于求解像深基坑桩锚支护优化设 计这类离散型设计变量多、优化目标高度非线性、解空间十分庞大的 复杂工程问题。但遗传算法也存在着过早收敛( 早熟) 和局部搜索能 力差等缺陷。为此，本文进一步引入了局部搜索能力较强的模拟退火 算法，将其融入到遗传算法的搜索进程中去，从而构造出一种既具有 总体把握能力又具有较强局部搜索能力的混合遗传算法。 在建立桩锚支护结构的优化设计模型，选取优化算法后，开发了 桩锚支护优化设计系统软件，并应用此软件对工程实例进行优化设 计，验证了软件的优化设计效果。 关键词：深基坑桩锚支护优化设计混合遗传算法 r e s a r c ho nt h eo p t i m l z a t l 0 nd e s l g n0 fp l l e a n c h o r s u p p o r t l n gf o rd e e pe x c a v a t l 0 nb a s e d0 nm i x e dg e n e t l c a l g o r i t h m a b s t r a c t p i l e sa n da n c h o r ss u p p o r t i n gs t r u c t u r ea r ew i d e l ya p p l i e di nr e t a i n i n g a n dp r o t e c t i n ge n g i n e e r i n go fd e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n t h ep r i m a r y f a c t o r sa n dt h ec o m p o n e n tp a r to fp i l e a n c h o rs u p p o r t i n gs y s t e ma r e a n a l y z e di ns y s t e m a t i ce n g i n e e r i n gm e t h o di nt h i sp a p e r t h ep i l e - a n c h o r s u p p o r t i n gs y s t e mi s d i v i d e di n t ot w os u b s y s t e m s ，p i l e se n c l o s u r e s t r u c t u r es u b - s y s t e ma n da n c h o r ss h e e tb r a c i n gs t r u c t u r es u b s y s t e m ，w i t h m u t u a li n d e p e n d e n c ya n dc l o s ea s s o c i a t i o n t h e nt h ep a p e rp r o p o s e st h a t t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fp i l e sa n da n c h o r ss u p p o r t i n gs t r u c t u r em u s tb e i m p l e m e n t e dc o l l a b o r a t i v e l yo nt h es c h e m ed e s i g nl e v e la n dd e t a i l s t r u c t u r ed e s i g nl e v e l ，a n da n a l y s e st h ei n t e r r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et w o l e v e l s a f t e rs i f t i n go u tt h e d e s i g n v a r i a b l e st h a ti n f l u e n c e l a r g e l y t h e o p t i m i z a t i o nr e s u l t so fp i l e a n c h o rs u p p o r t i n gs y s t e ma n di n d u c t i n gt h e m a i nc o n s t r a i n tc o n d i t i o no ft h es y s t e m ，t h i sp a p e rc o n s t r u c t st h ef i n a l o p t i m i z a t i o no b j e c tf u n c t i o nw h i c hu s i n gc o m p o s i t ec o n s t r u c t i o nc o s ta s o p t i m i z a t i o no b j e c t , a n d f u r t h e rb u i l dm a t h e m a t i c a lm o d e lo f o p t i m i z a t i o nd e s i g na i m e da tp i l e a n c h o rs u p p o r t i n gs y s t e m m o r e o v e r , t h i sp a p e rc a r r i e so no p t i m i z a t i o na n a l y s i so fc a l c u l a t i o nm o d eo fp i l e s a n da n c h o r ss u p p o r t i n gs t r u c t u r e g e n e t i ca l g o r i t h mi san o v e lp r o b a b i l i t ys e a r c h i n ga l g o r i t h m ，a n d p o s s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i p o i n ts e a r c h i n g ，p a r a l l e lc o m p u t i n g a n ds e l f - a d a p t i v eg l o b a lo p t i m i z a t i o n s o ，i ti s v e r ys u i t a b l ef o rt h e s o l u t i o no fc o m p l e xe n g i n e e r i n gp r o b l e m s ，j u s ta st h ep r o b l e mo ft h e o p t i m i z a t i o nd e s i g no fp i l e a n c h o rs u p p o r t i n gs y s t e m ，w h i c ho f t e nh a s n u m e r o u sv a r i a b l e s ，h i g h l yn o n l i n e a ro p t i m i z a t i o no b j e c t sa n dt h eg r e a t s o l u t i o n s p a c e s h o w e v e r g e n e t i ca l g o r i t h ma l s o h a sd e m e r i t s ，f o r 豇 e x a m p l e i tc o n v e r g e n c et o oe a r l y , i t sl o c a ls e a r c h i n gc o m p e t e n c ei sp o o r c o n s e q u e n t l y , t h i sp a p e rf u r t h e l i n t r o d u c e ss i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m w i t hs t r o n gl o c a ls e a r c h i n ga b i l i t y , b l e n d si ti n t ot h es e a r c h i n gc o h r s eo f g e n e t i ca l g o r i t h m ，a n dt h e ne s t a b l i s h am i x e dg e n e t i ca l g o r i t h m ，t h a t p o s s e s sg l o b a lg u i d i n gc a p a c i t ya sw e l la ss t r o n gl o c a ls e a r c h i n ga b i l i t y a f t e rb u i l d i n go p t i m i z a t i o nd e s i g nm o d e lo fp i l e sa n da n c h o r s $ l t p p o r 衄s t r u c t u r ea n dd e t e r m i n i n go p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，t h i sp a p e r d e v e l o p st h es o f t w a r en a m e d o p t i m i z a t i o nd e s i g ns y s t e mf o rp i l e sa n d a n c h o r s s u p p o r t i n g s t r u c t u r e ”，a n da p p l i e s t h es o f t w a r et ot h e o p t i m i z a t i o nd e s i g no f r e a lp r o j e c tf o rt e s t i n gi t so p t i m i z a t i o ne f f e c t k e y w o r d s ：d e e pf o u n d a t i o np i t ；p i l e a n c h o rs u p p o r t i n g ；o p t i m i z a t i o n d e s i g n ；m i x e dg e n e t i ca l g o r i t h m 广西大学硬士学位论文 基于混合遗传算法的深基坑桩锚支护优化设计研究 第一章绪论 1 1 问题的提出及本课题的研究现状 1 1 1 问题的提出 随着高层、超高层建筑的蓬勃发展，深基坑开挖臼益增多，深基坑支护 工程的重要性也f j 益突显出来。在各种深基坑支护体系中，利用排桩与锚杆 组成的桩锚式支护体系以其施工简便、护壁效果好、安全可靠、便于机械开 挖等特点，在我们国家得到了广泛应用i 仅北京、天津、深圳、厦门、武 汉等城市的统计。其桩锚支护锚杆的使用量就在数十万米以上 在进行深基坑桩锚支护工程设计的过程中，我们可以发现：由排桩类 型( 钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预制桩) 与锚杆层数( o ，l ，2 ，3 层) 进行不同组 合而形成的桩锚支护方案是不唯一的；支护结构参数( 如嵌固深度，支点 位置、桩径、桩边距、桩身混凝土等级等) 是不唯一的；计算模式也具有 非唯一性，例如对于单支点排桩支护结构，常用的实用计算模式有自由端法 和固定端法1 2 l ，对于多支点排桩支护结构，其计算模式更多，常用的主要有： 二分之一分割法、简支梁法、整体等值梁法、分段等值梁法等1 3 1 。 正是由于深基坑桩锚支护工程实施具有上述种种非唯一性，这就使得其 设计工作具有较大的随意性，或是偏于保守造成浪费，或是过于盲目造成工 程事故。为使深基坑桩锚支护结构设计能满足经济、安全、合理的设计原则， 必须对其进行优化设计。因此，深入讨论桩锚支护优化设计方法具有重要的 经济价值和良好的社会效益。 1 1 2 桩锚支护体系优化设计研究现状 围绕基坑工程支护优化设计尤其是桩锚式支护优化设计问题，工程技术 和研究人员丌展了许多的研究1 作，如袁勇、刘亚芹采用惩罚函数法对单排 锚拉灌注桩基坑围护结构进行优化设计【4 l ；王锦山运用人工神经网络原理， 构筑了深基坑桩排支护设计的多级神经网络，对深基坑桩排支护设计的参数 进行设计和优化1 5 】；封盛、辛业洪采用计算机辅助设计的方法对深基坑双排 桩支护结构进行优化设计1 6 】；郭方胜、刘祖德采用层次分析方法建立起深基 坑支护系统方案的评价体系i7 】；李云安采用强度、变形及成本控制的多目标 第1 章绪论 函数随机搜索最佳方案的整体优化设计方法，对深基坑支护结构进行优化设 计l o l ；冯玉国运用模糊数学原理对深基坑支护方案进行优选9 1 。 上述深基坑支护结构优化设计方法虽能起到一定的优化效果，但仍存在 着一些不足和面临蕾一些难题：桩锚支护优化设计属于一项系统工程，足 深基坑支护设计体系中的一个子系统，可将其划分为方案优化设计和细部结 构优化设计两个层次，这两个层次是相互影响、密不可分的，在设计中应将 两者纳入到一个统一体中进行分析i l m ，前述的桩锚支护优化设计方法，大都 将方案设计和细部设计割裂歼来，从而在设计中留下明显的人为扰动痕迹： 对于深基坑桩锚支护工程，其需要优化的细部设计变量众多，且大多是离 散变量，要寻找它们之间最优组合或匹配，求解空间将非常庞大，优化设计 面临着组合爆炸问题【1 1 1 ；深基坑桩锚支护优化设计的目标函数往往是隐式 的，再加上设计变量也具有离散特性，这就使得优化目标和设计变量之间很 难建立起确定的函数关系，对此，现有的最优化数学方法也无能为力因此， 寻求新的优化方法是十分必要的。吴恒、周东等学者把遗传算法引入到深基 坑支护优化设计中来，为基坑支护优化问题开辟了一条新的途型1 2 】i l l l 【1 0 1 本文在上述研究的基础上，在遗传算法中进一步引入模拟退火算法，构 造出一种更为高效的混合遗传算法，并将其应用于深基坑桩锚支护优化设计 中来，为解决基坑支护优化算法的效率问题作了一次有益的、崭新的尝试。 1 2 混合遗传算法用于桩锚支护体系优化设计的可行性 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ，简称g a ) 是由美国的j o h nh o l l a n d 教授和 他的学生通过对生物进化过程进行模拟，抽象建立并发展起来的一种全局搜 索算法1 1 ”。它借鉴了达尔文的优胜劣汰、适者生存的自然选择和自然遗传的 机理，其本质足一种求解问题的高效并行仝局搜索方法。遗传算法使用群体 搜索技术，通过对当前群体施加选择、交叉、变异等一系列遗传操作，从而 产生新一代群体，并逐步使群体进化到包含或接近最优解的状态 目前，遗传算法在许多领域得到了广泛的研究和应用，并已在解决诸多 典型组合优化问题中显示了良好的性能和效果。把遗传优化方法引入深基坑 支护工程优化设计中，可以有效地解决基坑支护工程优化设计研究中存在的 2 广西大学硕士学位论文 基于混合遗传算法的深基坑桩锚支护优化设计研究 弱点和面l 临的难题。遗传优化设计方法不受设计空间的可微性、连续性等限 制，特别适合求解如支护工程这类具有离散设计变量和非确定性因素的工程 设计问题。在因素匹配与取值问题上，它可以减少人为“扰动”，并将出现概 率大的优化准则隐含在整个分析过程之中，使得支护工程方案没计与细0 b 结 构设计的演化协同进行l i 。深基坑桩锚支护优化设计作为基坑支护设计体系 中的一个子系统，采用遗传优化方法同样可以有效地解决其优化设计研究中 存在的不足和面临的难题。 但另一方面，在实际应用中，遗传算法也会出现一些不尽如人意的地方， 如早熟问题、局部搜索能力较差问题等。对于深基坑桩锚支护优化设计问题， 由于其优化设计变量多，解空间十分庞大，若采用常规的遗传算法进行优化， 则将会使得其求解效率较低、求解质量较差基于上述考虑，本文引入局部 搜索能力较强的模拟退火算法，将其作为遗传算法的一个独立算子，置于遗 传算法进化过程中，从而构成一种混合遗传算法，使其既具有遗传算法全局 寻优的特点，又具有较强的局部搜索能力，最终达到提高运行效率和求解质 量的目的。 1 3 桩锚支护体系优化设计的研究思路 本文针对桩锚支护结构这一典型基坑支护形式为研究对象，运用系统工 程方法，研究分析其主要影响因素和体系结构，建立桩锚支护工程优化设计 数学模型，引入混合遗传优化算法，编制出深基坑桩锚支护遗传优化设计程 序。本文研究思路如下： ( 1 ) 收集有关基坑支护工程的实例及相关文献资料，运用系统工程的观 点，对桩锚式支护结构所涉及的各因素进行归类、分析，划分相应的研究层 次； ( 2 ) 研究分析各层次、各因素日】的相互关系，确定深基坑桩锚支护优化 设计的流程； ( 3 ) 研究桩锚式支护结构优化设计变量、约束条件以及目标函数，建立 起桩锚支护体系优化设计数学模型； ( 4 ) 构造适合于深基坑桩锚支护体系的混合遗传优化算法； ( 5 ) 开发深基坑桩锚支护遗传优化设计软件系统 第l 章绪论 研究思路也可用流程图表示如下： 桩锚支护f 稃实例及相 关资料收集 甲甲 各层次、冈 素相关关系 分析 桩锚支护体 系优化设计 数学模璎 桩锚支护的 混合遗传优 化算法 1 4 本文的主要工作和论文的结构 桩锚支护遗 传优化设计 系统 1 4 1 本文的主要工作 根据上述研究思路和对桩锚支护优化设计的研究现状的分析，本文主要 做了以下一些工作： ( 1 ) 基于对桩锚式基坑支护工程实例及相关文献资料地广泛阅读，系 统地探讨了深基坑桩锚支护体系的各类影响因素，深入剖析桩锚支护的体系 结构，将其优化设计划分为两个层次：方案优化设计和细部结构优化设计； ( 2 ) 综合分析了桩锚支护体系的计算模型，确定了桩锚支护体系的优化 设计变量、约束条件和目标函数，并在此基础上建立起桩锚支护体系的优化 设计数学模型： ( 3 ) 引入遗传算法，并进一步将局部搜索能力较强的模拟退火算法融入 到遗传算法演化过程中，从而构造出了一个具有较高效率的混合遗传优化算 法： ( 4 ) 依据上述模型和优化算法，运用v i s u a lc + + 语言设计、开发出深基 坑桩锚支护遗传优化设计软件系统，并用工程实例对其进行检验。 1 4 2 论文的结构 本文共分为七章。 第一章主要介绍本课题的研究意义，及其国内外的研究现状，并提出论 文的研究思路和所做的主要工作 第二章首先简单介绍了深基坑桩锚支护结构的特点及其工作机理，然后 对其各类影响因素做了系统地归纳，分析，并深入剖析了桩锚支护系统的结 构组成和设计层次，最后对桩锚支护结构的计算模式进行了优化分析。 广西大学硕士学位论文 基于混合遗传算法的深基坑桩锚支护优化设计研究 第三章是本文的重点，首先筛选出对桩锚支护体系优化结果影响较大的 设计变量，归纳总结了桩锚支护体系的主要约束条件，构造出以综合造价为 优化目标的最终优化目标函数，并在此基础上建立了桩锚支护体系各层次优 化设计数学模型。 第四章主要介绍了遗传算法的基本思想和特点，以及深基坑桩锚支护优 化设计遗传算法的实现方法，并进一步将模拟退火算法引入到遗传算法中去， 构造出了一种混合遗传算法。 第五章主要介绍了桩锚支护体系优化设计系统软件的主要功能模块和各 模块的实现方法，给出了此软件运行流程、整体框架图以及软件的使用界面。 第六章选取了一个深基坑桩锚支护工程实例，运用本文编制的软件系统 对其进行优化设计分析，以检验此软件系统的优化效果。 由于时间紧促，加之作者的理论水平和应用实践经验有限，文中的错误 和疏漏之处在所难免，恳请各位专家和学者不吝指正。 广西大学硕士学位论文 基于混合遗传算法的深基坑桩锚支护优化设计研究 第二章深基坑桩锚支护体系分析及其优化设计 基坑工程是涉及诸如场地环境因索、施工技术因素、岩土性状的力学因 素在内的一项系统工程【b l 。深基坑桩锚支护工程是基坑工程这一大系统中的 一个重要分支，同样也可以将其看作是一个具有高度综合性的系统事件，它 不仅受到诸多外部环境因素的约束和影响，还受到内部设计变量复杂的耦合 关系的制约。如果对其采用相对孤立的传统分析方法，将不能很好地解决问 题，因此，必须用系统工程的方法对其进行观察、分析，找出其所涉及的各 类因素以及各因素问的相互作用关系，进而对其进行剖析和评价，以使其内 部各要素达到最佳组合 2 1 桩锚支护体系的特点 桩锚支护体系是指护坡桩配合一道或多道锚杆的支护形式，它是一种超 静定结构，稳定性好，安全性能高，在各地区各种地层中都有成功应用的实 例。桩锚支护体系主要由挡土结构物与土层锚杆系统两部分组成，有时还有 腰梁和圈粱，另外在基坑地下水位较高的地方，支护桩后还有防渗堵漏的水 泥土墙等。挡土结构物包括人工挖孔桩、钻孔灌注桩、预制桩以及各种类型 的板桩；土层锚杆系统由锚杆( 索) 、自由段、锚固段及锚头、垫块等组成。 桩锚支护体系利用土层锚杆与周围土体间的摩擦阻力以及排桩嵌固段受到的 被动土压力来抵抗桩后土压力，并维持着整个支护结构的稳定性1 1 4 】。锚杆与 桩之间采用檩或桩顶圈梁连接，锚杆多为预应力锚杆，这样可大大减小桩顶 ( 墙顶) 的位移量，提高支护的可靠度。桩顶设钢筋混凝上圈梁一方面可加强 护坡桩的整体，另一方面可与上层锚杆连接。它们之间相互联系、相瓦影响、 相互作用就形成了一个有机的整体。 桩锚支护体系具有下述特点【”】： ( 1 ) 锚杆在整个基坑支护体系中主要作为受拉构件，提供反力维持土 体平衡； ( 2 ) 锚杆拉力的大小及作用点可根据需要进行调整； ( 3 )锚杆可以结合地层的分布灵活的布置： 第2 章深基坑桩锚支护体系分析及其优化设计 ( 4 )锚杆能施加预拉力，主动控制支护结构的变形量，降低桩身弯矩 峰值，从而减少桩的入土深度和配筋； ( 5 ) 支护桩在基坑歼挖前施工，拉锚与开挖工作并行施工，对土方丌 挖和运输干扰较小； ( 6 ) 能提供较宽敞的工作空问，便于地下结构的施工： ( 7 ) 能采用与其它支护形式相结合的各种灵活支护方式； ( 8 ) 在各种土层中，即使是软土地层也能良好地应用： ( 9 ) 施工简便，噪音污染小。 这些特点使得桩锚支护结构适用于深基坑及超深基坑工程，以及地层土 质条件较差、周边环境需要严格控制情况下的基坑支护工程。 但另一方面，由于桩锚支护结构中的排桩要求必须有足够深的嵌入深度， 而且桩身以抵抗受弯承载力为主，桩身混凝土材料的强度特性得不到充分的 发挥，因此，与其它的支护结构相比，桩锚结构工程量较大，相对造价较耐”1 。 这也就要求在运用桩锚体系对基坑进行支护时，设计人员应寻求合理的桩锚 布置方式，尽量降低支护结构的工程数量，即对桩锚支护结构进行优化设计 2 2 桩锚支护体系的工作机理及破坏模式 2 2 1 桩锚支护体系的工作机理分析 在深基坑周围的土压力、地下水压力及附近建筑物等附加简载作用下， 桩锚支护结构中排桩体有向深基坑内侧倾倒的趋势，并产生相对侧向位移 深基坑底面至排桩嵌固底端深度范围内的土体，由于受到排桩体侧向位移的 影响而产生被动土压力，来抵抗桩体承受的部分主动土压力。另外，作用在 深基坑上部桩体上的锚杆由于预应力作用( 对于无预应力锚杆，由于桩体的 侧向位移作用，同样会产生抗力) 也会为阻止桩体位移而抵抗部分主动土压 力。冈此支护桩体所受的主动土压力由被动k 压力和锚卡t 锚固力共同承担。 当主动土压力小于等于被动土压力和锚卡t 极限锚固力时，围护桩体无侧向位 移，即支护体系有效；当主动土压力大于被动土压力和锚杆极限锚固力时， 围护桩体产生侧向位移，当位移超出允许位移时，支护体系失效另外，要 保证桩体本身具有足够的强度，以免在最大剪力处出现剪切破坏，在最大弯 矩处挠度过大【1 6 1 广西大学硕士学位论文基于混台遗传算法的深基坑桩锚支护优化设计研究 锚杆在正常工作状态下，由于涉及拉杆、注浆体、土体等各部分的相互 作用，受力情况复杂，所涉及的各部分材料性能差异很大，所以对锚杆体系 的工作机理一时还难以分析清楚。般认为锚杆的锚固力通过非锚固段传到 锚固段。当锚固段锚r 受力时，茸先通过锚卡t ( 通常为粗钢筋或俐绞线) 与周边 水泥砂浆之间的握裹力传到砂浆中，然后通过砂浆与周围上体的摩擦力传到 土体深处【 l ，如图2 一l 。 土层 孔擘摩阻力r ：j 之，t - 一。7 j 、，、j 、 土层 f 一孔壁对砂浆的平均摩阻力一砂浆对钢筋的平均握裹力 图扣l 锚杆受力机理 f i g 2 - 1w o r k i n gm e c h a n i s m o f a n c h o rs h e e t 强 _ | 衄 矗 撂 实践已表明，单根锚杆的承载力除锚杆必须具有足够的截面积以承受极 限拉力外，主要受两个因素控制：一个是锚固段的胶结材料同孔壁的粘结力； 另一个是胶结材料同钢丝或钢绞线的握裹力。由于钢材同水泥浆之问的握裹 力比水泥浆同孔壁的粘结强度大近十倍，甚至几十倍，所以钢材同水泥浆的 握裹力一般不起控制作用一般工程可不必进行锚杆同水泥浆握裹力的计算 i l s 。 2 2 2 桩锚支护体系的破坏模式及其原因 桩锚支护系统的安全可靠性通过以下三方面来保障：桩有足够的嵌固 深度；桩身有足够的强度和刚度；锚杆能提供足够的锚拉力并能将锚挣 力可靠、有效地传递到桩上。这三肯中的任何一方面出现问题，都会导致支 护体系的结构破坏。从这个意义上说，桩锚支护体系的可能破坏形式及其相 应的破坏原因可概括为三种【1 9 , 2 0 l ： 第2 章深基坑桩锚支护体系分析及其优化设计 盯一盯一已一 弗【，j jj l _ j一叫j j 一叫l ( a ) 剔脚破坏( b ) 桩身断裂破坏( c ) 倒覆破坏 图2 _ 2 桩锚支护体系的三种破坏形式 矾昏2 - 2t h r e ef a i l u r em o d e l so fp i l e - a n c h o rs u p p o r t i n gs y s t e m ( 1 ) 剔脚破坏桩底端剔出，桩体绕锚点转动，破坏原因是桩的嵌固深度 不足。由于支护桩的入土嵌固深度不够，导致基坑踢脚破坏，其破坏特征是 支护桩底端位移过大，支护桩后地表面沉降过大，如图2 - 2 ( a ) 所示 ( 2 ) 桩身断裂破坏桩身在最大弯矩处断裂，桩体从跨中断为两截。出现 这种破坏的原因或者是桩体强度不足( 配筋不足或混凝土强度不足或桩体有 质量缺陷) ，或者是桩体因刚度不足导致跨中变形过大而折断使基坑失稳。这 种破坏的标志是桩从跨中断裂。如图2 - 2 ( b ) 。 ( 3 ) 倒覆破坏 锚杆因某种原因失效或因某种原因使末失效的锚卡t 无法 正常工作( 即锚杆无法将锚拉力有效传到桩上) ，使桩由锚拉支护转变为悬臂形 式，桩的受力状态发生改变，支护桩顶端向基坑内侧变位过大，导致桩体整 体倒覆。这种破坏的标志是桩整体倒覆，桩从根部折断，如图2 - 2 ( c ) 2 3 桩锚支护设计的主要影响因素 基坑支护工程设计受到多种因素的影响和制约，其中仃代表性的因素有： 建筑用地、场地地质条件、地下水状况、施工技术和方法、季节气候情况、 卸荷方式等。这些因素大致可归类为三类：环境因素、力学因素和技术因素 【l l 】【2 l 】深基坑桩锚支护工程作为基坑工程的一个分支，或多或少地也都同样 受到这些因素的影响这些因素中对其作用最直接、最明显的因素有： 2 3 1 建筑用地 一 广谣大学硕士学位论文 基于混合遗传算法的深基坑桩锚支护优化设计研究 从建筑用地的地理位置和环境考虑，在进行桩锚支护设计时应注意以下 两点： ( 1 ) 高层建筑多处市中心，建筑场地周围建筑物密集，地下管线、地下基 础、地f 洞室等现存的地下设施多，限制了基坑丌挖和支护。区l 此，住进行 桩锚支护方案设计时，要充分考虑基坑支护形式对基坑周围建筑物和地下设 施的安全构成的潜在威胁。例如，当基坑周围的建筑物采用的是筏形基础或 箱形基础等基础形式时，如果锚杆长度过长，层数过多，则势必会对建筑物 的基础产生较大的扰动，甚至造成其结构破坏，进而危及临近建筑物的安全： 但如果周围建筑物采用的是桩基础，锚杆对建筑物的影响则相对较小。 ( 2 ) 在城市中，一般对环保要求较高，选择支护方案时，应考虑到支护工 程施工产生的振动、噪音、泥浆等对城市功能正常运行的影响。 2 3 2 场地岩土特性 场地岩土特性是决定桩锚支护结构细部参数的一个重要因素，不同特性 的场地其对支护结构细部参数的要求也各不相同，把握了场地岩土特性就为 选择合理的细部参数提供了保证例如，当场地岩土特性比较好，具有一定 的自稳能力时，可适当减小支护桩桩长和桩径，增大桩间距，减少锚杆层数。 2 3 3 地下水 地下水对基坑桩锚支护结构形式的选取有很大的影响。统计资料表明， 国内因地下水处理不当引发的基坑支护事故占2 2 之多1 2 2 1 因此，充分掌握 基坑周围地下水的分布状况和物理化学性质，是合理选择桩锚支护形式的先 决条件之一例如，当场地的地下水位埋藏较浅且水量较大时，支护桩形式 采用人工挖孔桩就不如钻孔灌注桩适宜，前者降水及护壁的困难会更大，稍 有不慎还可能导致施工无法进行。 2 3 4 施工技术和方法 随岩土工程技术的发展，各种岩土工程施工机具、施工技术种类日益繁 多，不同的施工技术方法均有着各自特点，其肘支护j 二程也将产，上不州的影 响。因此在进行桩锚支护方案设计时，必须结合场地的环境条件，选择适宜 的施工技术和方法1 2 3 1 例如，当采用钻孔灌注桩作为支护桩时，其成孔施工 方法有两种：干作业成孔施工法和湿作业成孔施工法，这两种施工方法各有 其优点和适用范围。干作业成孔施工法成孔效率高、质量好，噪音小，能避 免泥浆造成的环境污染，它适用于地下水位以上的一般粘性土、砂土及人工 第2 章深基坑桩锚支护体系分析及其优化设计 填土；湿作业成孔施工法则适用于一般粘性土、淤泥和淤泥质土、砂性土和 碎石类土，尤其适用地下水位较高的地层。 2 4 桩锚支护系统结构分析 2 4 1 桩锚支护工程的构成体系 桩锚支护系统隶属于支挡结构系统，支挡结构系统又与地下水控制系统、 土方开挖系统共同构成了一个完整的基坑支护系统，它们是基坑支护系统的 一级子系统l l ”。本小节就是在地下水控制子系统与土方丌挖子系统既定的情 况下，具体研究分析支挡结构系统中的桩锚支护系统。 构成桩锚支护系统的一级子系统有： ( 1 ) 排桩围护孑系统 排桩围护系统是指起护坡作用的支护结构体，其设计方案亦即排桩的类 型，包括人工挖孔灌注桩、钻( 冲) 孔灌注桩、预制桩此系统的细部参数， 亦即排桩的细部参数主要有：桩径、桩边距、桩嵌固深度、桩身砼强度等级、 桩身配筋方式、桩身钢筋类别 ( 2 ) 锚杆锚固子系统 锚杆锚固系统是指提供水平约束力，改善支护桩的受力性状的结构体，其 设计方案，即是锚杆层数，包括o 、l 、2 、3 层( 鉴于目前施工技术和基坑深 度的要求，锚杆层数一般不会超过3 层) 。此系统的细部参数主要有：锚杆设 置深度、锚杆水平位置锚杆倾角、自由段长度、锚固段长度、锚固段直径、 锚筋类别。 2 4 2 桩锚支护体系设计的两个层次 基坑支护工程设计属于系统工程设计，它包括方案设计和细部结构设计 两个层次。对深基坑桩锚支护工程设计而言，方案设计就是在工程地质、场 地水文、施工技术等外部环境条件一定的情况下，寻找一种安令、经济的桩 锚结构组合，主要是指选择合理的排桩类型和锚卡t 层数，进行组合。其组合 形式，可用图2 3 表示： 广西大学硬士学位论文基于混合遗传算法的深基坑桩锚支护优化设计研究 排 桩 类 型 无锚杆( 悬臂 层锚柯 二层锚杆 三层锚杆 锚 杆 设 置 图2 _ 3 桩锚支护体系方案设计的组合形式 f i g 2 - 3c o m b i n a t i o nf o r mo f s c h e m ed e s i g no f p i l e - a n c h o r s u p p o r t i n gs y s t e m 细部结构设计贝是针对某一特定的支护方案。对桩锚的细部参数进行优 化，包括桩锚的细部结构尺寸，配筋方式、材料参数及材料用量、顶部圈梁 的设计等，以使该支护结构在满足各种约束条件的同时造价最低。 方案设计和细部结构设计既相互独立又相互影响：细部结构设计是在给 定的支护方案下进行的，不同的支护方案决定了不同的细部结构设计；细部 结构设计的结果又反过来影响支护结构方案的设计过程。因此，在基坑支护 工程设计中，方案设计和细部结构设计必须协同进行。 在基坑支护优化设计中，方案设计和细部设计是两个不同空间、不同层 次的设计问题：前者是问题空l 日j ，也h u 方案空l 、日j ，是全体支护方案的集合： 后者是解空间，也叫细部结构空间，是与各支护方案相对应的全体细部结构 的集合。基坑支护优化设计就是对方案空间和细部结构空间进行交替搜索的 过程：对方案空间的搜索，使支护方案发生改变，为细部结构空间的搜索提 供新的焦点；对细部结构空间的搜索，将获得满足支护方案要求的细部结构 解，细部结构解的产生又影响着方案空间的搜索，使得方案向更合理的方向 演化，由原方案改变为新的方案。如此不断搜索下去，直到寻找到最优化的 支护方案和它所对应的细部结构参数1 2 。 2 5 桩锚支护体系计算模型的优化分析 2 5 1 土压力计算方法的优化分析 由填土( 填土和填土表面上荷载) 或挖土坑壁原位土产生的侧向土压力 、【j 第2 章深基坑桩锚支护体系分析及其优化设计 是基坑支护结构所承受的主要荷载。因此，在设计支护结构时首先要确定土 压力的大小、方向和作用点。这是一个复杂的问题，它受到多种因素的影响。 目前对侧向土压力的计算多是采用传统的库仑和朗肯土压力理论1 2 ”。库 仑理l 仓提出时作了如下上璺假设：垴后上体足理想的敞体，剐粘聚力c = 0 ； 滑移面为一平面；滑移体为刚体；朗肯理论则主要基于如下假设：墙后 土体与墙间没有摩擦，即土体与墙丑j 的摩擦角8 = 0 。j f 是由于库仑理论和朗 肯理论的建立都基于某些理论假设，因此其计算结果都有一定的误差。表2 一l 给出了朗肯理论、库仑理论和比较严格的t 压力理论( 可参考前苏联学者索 科洛南斯基用极限平衡理论求出的理论解) 计算出的主、被动土压力系数。 表2 一l 库仑，朗肯土压力系数与极限平衡理论土压力系数的比较 t a b l e2 - 1c o m p a r i s o no fe a r t hp r e s s u r ec o e f f i c i e n ta m o n gc o u l o m b i 。r a n k i n sa n dl i m i t e q u i l i b r i u mt h e o r y 口 1 0 0 2 0 0 3 0 04 0 0 艿 0 05 01 0 00 01 0 02 0 00 91 5 03 0 00 02 0 04 0 0 极限平衡理论 0 7 0o 6 7o 6 50 4 90 4 5o 4 40 3 3o 3 0o 3 1o 2 20 2 0o 2 2 k 。 库仑理论0 7 0o 6 60 6 40 4 90 4 50 4 3o 3 3o 3 0o 3 0o 2 2o 2 00 2 1 朗肯理论0 7 0 40 4 90 3 3 3o 2 1 7 极限平衡理论1 4 21 5 61 6 62 0 42 5 53 0 43 o o 4 6 26 5 54 6 09 6 9 1 8 2 置。 库仑理论 1 4 21 5 71 7 3 2 0 4 26 33 5 2 30 0 4 9 8l o 14 6 01 1 89 2 6 朗肯理论 1 4 22 0 33 0 04 6 0 ( 摘自秦四清，深摹坑工程优化设计，地震出版社) 由上表可见，对于计算主动土压力系数，三种理论的差别不大；对于计 1 算被动土压力系数，当伊 4 0 0 ，占在o 妄伊范围内取值时，用库仑公式比用 j 朗肯公式显然更好，而当妒、万较大时，库仑公式和朗肯公式计算误差很大。 库仑理论考虑了墙背与土的摩擦角，而末考虑十的内聚力对卜压力的影 响；朗肯理论虽可考虑土内聚力，但不能考虑墙背与土的摩擦对土压力的影 响基于此，有些文献提出了计算土压力的混合法【2 6 】，即计算主、被动土压 力时，采用朗肯理论公式，但公式中的主、被动土压力系数采用库仑理论公 式计算。这种方法尽管不符合两种古典土压力的推导条件，在理论上不够严 谨，但由于同时考虑了墙背与土的摩擦角以及内聚力c 的影响，减少了实际土 压力分布的差异，所它在工程实用上效果不错，是可以实际应用的。 广西大学硕士学位论文基于混合遗传算法的深基坑桩锚支护优化设计研究 此外，关于土压力计算方法还有建筑地基基础设计规范法、太沙基一佩 克法和日本铃木法等。建筑地基基础设计规范法的主动土压力计算，一般用 于挡土墙计算，在基坑支护设计中，不太常用；太沙基一佩克法、铃木法等 部足根掘地区经验总结出束的，蹦此在困内深星坑支护工程中，用这些方法 计算土压力的实例并不多见。 2 5 2 桩锚支护结构计算方法优化分析 2 5 2 1 桩锚支护结构计算方法概述 在基坑工程中，常把桩锚支护结构简化为梁结构，采用工程力学的方法 来进行计算求解。从严格意义上来讲，桩土是相互依存，共同作用的统一体， 将支护结构分离出来，使用侧土压力来取代桩土相互作用是一种近似的处理 方法。支护结构的计算方法主要有以下两种思路i l ”： ( 1 ) 使用侧土压力作为桥梁，将支护结构从桩土共同作用中分离出来。 这种计算方法简单，其中的关键问题是侧向土压力的计算是否合理。该方法 能解决工程实际问题，且精度能满足工程要求，因此被规范采用。 ( 2 ) 桩土协同作用分析分别建立支护结构及土体的变形微分方程，使 用位移和应力连续条件联合求解。当地质条件简单，对支护结构变形做一定 简化后可得到近似的理论解，一般情况下，只能借助数值分析法，通过有限 单元法或有限差分法求解。从某种意义上讲，有限单元法是解决支护结构计 算最有力的工具，会越束越受到工程界重视。 2 5 2 2 桩锚支护结构计算方法优化分析 ( 1 ) 悬臂式捧桩支护结构 对于悬臂式( 无锚点) 排桩支护结构，其主要依靠排桩的嵌固深度来平 衡由上部地面荷载和主动土压力所形成的侧压力，以实现桩土体系的稳定。 因此，悬臂式排桩的嵌固深度通常很大，故可以将桩下端看作固定端，运用 悬臂梁理论来进行设计计算。 ( 2 ) 单层桩锚支护结构 对于单层桩锚支护结构，常见的实用计算模式可分为自由端法和固定端 法【甜自由端法也叫简支梁法，它把基坑底以下的桩段看作简支端，锚固力 作用点看作是另一个支点，整个桩相当于一个简支梁，并根据平面力系的平 衡条件来确定锚固力和桩的嵌固深度。固定端法也叫等值梁法，它把桩下端 看作固定端，将锚杆作用点作为辊轴支座，反弯点作为铰支座( 反弯点的位 第2 章深基坑桩锚支护体系分析及其优化设计 置有不同的取法，一般近似取土压力为零处作为反弯点的位置) ，然后对反弯 点列力、力矩平衡方程求出锚固力和桩的嵌固深度1 1 1 1 。 某大楼基坑丌挖深度1 0 5 m ，地面超载取2 0 k n m 2 ，土重度加权值 2 0 1 k n m 3 ，内胯擦角加权值2 5 4 0 ，内聚力血l 权值1 7 3 k p a ，支撑位置距桩顶 距离3 0 m ，支护体系采用单排钻孔灌注桩加单层锚杆支护形式。上述两种计 算模式的计算结果如表2 _ 2 所示。 从此计算结果【2 6 】可以 看出，采用固定端法( 等僮 梁法) 计算的结果相对自由 端法( 简支梁法) 来说，嵌 固深度增加，最大弯矩和锚 杆拉力却减小 表2 _ 2 固定端法和自由端法计算结果对比袁 t a b l e 2 2t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so ft w om e t h o d s 采用何种计算模式来 进行设计，从而使单层桩锚支护结构既满足稳定性要求又满足经济性要求? 这就要根据场地地层，特别是基坑下部土层性状来确定。当基坑底部土质较 差时，考虑到桩的稳定性，宜使桩的嵌固深度适度增大，此时选择固定端法 进行设计较为安全；对于基坑底部土质较好的情况，采用自由端法进行设计 则较为合适。另外，从力学的角度来看，固定端法不如自由端法符合力学理 论，但固定端法计算出的锚固力更接近实际。因此，有学者提出采用固定端 法计算锚固力，而用自由端法计算桩的嵌固深度【2 7 1 【2 引。 ( 3 ) 多层桩锚支护结构 对于多层桩锚支护结构，常用的静力平衡计算方法主要有：二分之一分 割法、简支梁法、整体等值梁法、分段等值梁法、山肩邦男近似法等。这5 种计算方法都是结构力学的方法，前4 种为较古典的计算方法，它们计算时 考虑的条件是：土压力已知，不考虑桩体和锚卡t 的变形。而山肩邦男近似法 属于桩体弯矩和锚杆轴力不随丌挖过程变化的计算方法，它计算时考虑的条 件是：土压力已知，考虑桩体变形，但不考虑锚卡t 变形pj 。 某基坑深h = 2 3 5 m ，基坑以上土的参数： = 1 8