【复合地基智能优化设计研究8700字（论文）】

复合地基智能优化设计研究目录TOC\o"1-3"\h\u7006复合地基智能优化设计研究 140981.1CFG桩复合地基智能优化设计数学模型 2298041.1.1CFG桩复合地基处理的设计分析 2151981.1.2CFG地基承载力的计算方法 362451.1.3CFG桩地基沉降量的计算方法 41041.1.4优化变量 6197211.1.5约束条件 649561.1.6目标函数 7197631.1.7CFG桩智能优化设计数学模型 712641.2水泥土搅拌桩复合地基智能优化设计 8191691.2.1水泥土搅拌桩复合地基处理的设计分析 868521.2.2水泥土搅拌桩地基承载力的计算方法 9190461.2.3水泥土搅拌桩地基沉降量的计算方法 941701.2.4优化变量 10266751.2.5约束条件 11112441.2.6目标函数 11260711.2.7水泥搅拌桩智能优化设计模型 11129291.3组合桩复合地基智能优化设计 12471.1.1碎石桩+CFG组合桩复合地基处理的设计分析 12213291.1.2碎石桩+CFG组合桩地基承载力的计算方法 13245361.1.3碎石桩+CFG组合桩地基沉降量的计算方法 13146381.1.4优化变量 15159641.1.5约束条件 1544671.1.6目标函数 16280901.1.7碎石桩+CFG组合桩智能优化设计模型 1681721.4算法验证 1774791.4.1GA函数的遗传计算 17283911.4.2优化模型计算流程 18198591.4.3CFG桩的模型实现 19258671.4.4水泥搅拌桩的模型实现 19143651.4.5碎石桩+CFG组合桩的模型实现 20一般情况下，复合地基的设计计算都是在按照规范的基础上，进行人为的计算与经验判断，绝大多数情况下都会受到客观因素的影响，无法得到较佳的设计方案。一方面费时费力，一方面徒增时间成本与投资成本，造成严重的投资浪费。为了解决这一现实问题，从最优化理论角度出发，将单目标优化等成熟的理论体系引入到模型建立过程中去，提升优化设计模型的可靠性。1.1CFG桩复合地基智能优化设计数学模型1.1.1CFG桩复合地基处理的设计分析根据地基处理规范与地基基础设计规范的研究，可得CFG桩复合地基设计的关键影响因素主要包括以下几类：（1）设计参数依据地基处理规范和地基基础设计规范中的公式要求，推定优化设计主要参数为桩长、桩径、桩间距、置换率、褥垫层厚度等关键点。①桩长l《建筑地基处理技术规范》7.7.2中阐述，一般情况下，CFG桩的桩长参考实际工程地质条件而定，具体根据岩土勘察报告，大致确定桩端持力层，进而根据设计要求和建筑物规模，综合考虑结构要求与施工技术要求，综合考虑确定桩长的值。②桩径d桩径d的大小与成桩工艺及施工机具息息相关。《建筑地基处理技术规范》7.7.2中规定，当采用不同的机械工具时，桩径大小根据机械器具来确定，根据国内常见的机械情况，桩径宜取350～600mm、300～600mm、600～800mm这三类。③桩间距s根据《建筑地基处理技术规范》7.7.2中，桩间距在面对独立基础、筏基等几种类型时，一般取3倍到5倍桩径；墙下条基单排布桩桩间距一般取3到6倍桩径；④置换率根据《建筑地基处理技术规范》7.1.5要求，面积置换率m用式3-1来表示：m=d2式中，d为桩体直径（m）；de为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径（m），工程中常用的布桩方式有三种，不同布桩方式de的计算方法如下：dedde其中：s—桩间距；s1—纵向桩间距；s2—横向桩间距。⑤褥垫层厚度根据《建筑地基处理技术规范》7.7.2中，褥垫层厚度一般情形下取值为0.4到0.6倍桩径。（2）施工方式与施工设备根据规范显而易见，地基基础设计与施工方法、机械设备息息相关，根据施工方法与设备的影响区别，可以将其分为三类，见表3-1：表3-1施工工艺及适用范围Tab.3-1Constructiontechnologyandscopeofapplication施工方法适用范围第一类长螺旋钻中心压灌、振动沉管和干成孔粉土、砂土、黏性土等地下水位以上的中等密实程度的地基土第二类泥浆护壁钻孔灌注素混凝土地下水位以下的地基土第三类钢筋混凝土预制桩噪声或泥浆污染要求严格的地区1.1.2CFG地基承载力的计算方法结合规范，按照《建筑地基处理技术规范》JGJ79—2012中的规定的具有粘结强度的桩型复合地基，来计算CFG的承载力，具体公式如3-5式所示：fspk式中：fspk—复合地基承载力特征值(kPa)；ƛ—单桩承载力系数；m—桩土面积置换率；fsk—处理后桩间土承载力特征值(kPa)。Ra—单桩承载力特征值(kN)；Ap—桩的截面积(m2)；β—桩间土承载力折减系数；Ra可按下式计算：Ra=式中：up—桩周长(m)；qs—桩周第i层土的侧阻力特征值(kPa)；Li—桩长范围内第i层土的厚度(m)；p—端阻力发挥系数；qp—桩端端阻力特征值(kPa)。桩复合地基承载力标准值fa按3-7式进行修正：fafspk—同上；m—基础底面以上土的加权平均重度；dm—基础埋深（m）。1.1.3CFG桩地基沉降量的计算方法CFG桩复合地基的沉降量S由以下三部分组成，如图3-1所示，即Se=式中：S—复合地基的竖向沉降量S1—桩长范围内土的压缩变形；S2—加固区下卧层的变形；S3—褥垫层的压缩变形；根据规范与沉降量的计算书的，CFG复合地基沉降量可根据《建筑地基处理技术规范》（GB50007—2011）中规定的分层总和法来计算，具体计算式如3-9式所示：Se=[i=1n图3-1CFG桩的复合地基沉降变形Fig.3-1SettlementdeformationofCFGpilecompositefoundation式中：n1—加固区的土层数；n2—沉降计算范围内所划分的土层数；Esi—基础底面以下第i层土的压缩模量(MPa)；—压缩模量提高系数，=P0—对应于荷载标准值的基础底面处的附加应力（kPa），p0zi、zi-1—基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离（m）；ii-1—基础底面至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数；ψ—沉降计算修正系数，根据地区经验确定，无地区经验时可根据表3-2取值：表3-2变形计算经验系数Tab.3-2TheempiricalcoefficientofdeformationwascalculatedES（Mpa）2.54715201.110.740.2复合地基变形计算深度范围内压缩模量的当量值ES按3-10式计算：ES式中：Ai—第i层土附加应力系数沿土层厚度方向的积分值；Esi—基础底面下第i层土的压缩模量(MPa),桩长范围内的复合土层按复合土层的压缩模量取值。1.1.4优化变量根据的地基处理规范得，CFG复合地基承载力公式、沉降量公式、面积置换率公式得，利用桩径和桩间距可求得面积置换率，而地基承载力公式与沉降量公式又与桩长、桩径、桩间距、置换率几个值息息相关，因此CFG桩复合地基选择桩长l、桩径d、桩间距s为模型构建中的优化变量。1.1.5约束条件(1)复合地基承载力约束加固处理后的复合地基的承载力必须大于等于建筑物所要求的承载力值，即[P]−f[P]为设计所要求的地基承载力值。(2)复合地基沉降量约束加固处理后的复合地基的沉降量必须小于等于建筑物所要求的沉降量值，即Se[S]为设计要求的沉降值。(3)设计变量取值约束条件设计变量的确定根据规范要求，并结合实际工程所选择的施工工艺与机械设备来确定桩长l、桩径d、桩间距s的大致范围，当施工工艺与机械设备确定的情形下（本处以长螺旋钻中心压灌，三角形布桩为例），根据《建筑地基处理技术规范》可得设计变量取值范围如下：0350mm3d≤s≤5d（3-15）1.1.6目标函数在满足工程要求的前提下，将CFG桩身混合料的总用量最少作为复合地基加固的最优方案。将桩体材料造价控制的最低即为目标函数的实现。故目标函数采用桩体造价f来计算，可以表示如下：f(l,d,s)=cml式中：c—单位桩长所需费用；m—同上；Ap—同上（m2）；l—桩长（m）；B—基础宽度；H—基础高度。1.1.7CFG桩智能优化设计数学模型综上分析：CFG复合地基智能优化设计的数学模型可以表示为：求X=x1x2minf（X）=cmls.tgi其中：g1X=[p]−fspkggg1.2水泥土搅拌桩复合地基智能优化设计1.2.1水泥土搅拌桩复合地基处理的设计分析通过查阅相关规范资料，可得水泥土搅拌桩桩复合地基设计的基本对象主要包括以下几类：(1)设计参数依据地基处理规范和地基基础设计规范中的公式要求，推定优化设计主要参数为桩长、桩径、桩间距、置换率、褥垫层厚度、水泥渗入比等关键点。①桩长水泥土搅拌桩按照桩体材料划分为柔性桩。柔性桩就必须思考有效桩长这个关键点。因此工程实际中水泥搅拌桩设计桩长时，应依据有效桩长来计算。有效桩长，即在固定上部竖向荷载的条件下，随着桩长的增大，桩顶沉降量逐渐减小。但是当桩长达到某一个值的时候，桩长增长不会再引起柔性桩的桩顶沉降量变化，故这定值长度即为有效桩长。因此在工程设计中桩的有效桩长问题对经济性的影响是极其重要的。在采用水泥搅拌桩复合地基处理时，需要选择合适的持力层，但不能一股脑儿的增加桩长，而应该通过资料计算确定有效桩长后，有效桩长的长度值附近设置设计桩长，这样方可减少有一定程度的工程浪费。

②桩径桩径的选择主要根据施工机具与施工工艺来确定，据国内常见施工机械，桩径大致为500-700mm。③桩间距桩间距与桩径密切联系，水泥土搅拌桩复合地基的桩间距大于等于2倍桩径。④置换率根据布桩方式进行置换率的计算。

⑤褥垫层厚度根据《建筑地基处理技术规范JGJ-2012》规范，褥垫层厚度可取200-300mm。⑥水泥掺入比采用水泥搅拌桩复合地基处理时，需要进行室内配比试验，通常选择土质最差的一层土层。水泥掺入比一般用公式aw=(掺入的水泥土重量/被加固的软土湿土重量)*100%或者aw=(掺入的水泥土重量/被加固软土的体积)*100%，后者在实际工程中一般去180-250kg/m3。（2）施工工艺和施工设备干喷和湿喷的区分主要是由于固化剂掺入状态的不同，湿喷在实际工程中应用较广泛。现阶段，国内常用的施工搅拌设备就是浆液喷射搅拌机和粉体喷射搅拌机。而浆液喷射所用的是单轴和双轴搅拌机。1.2.2水泥土搅拌桩地基承载力的计算方法结合规范，按照《建筑地基处理技术规范》JGJ79—2012中的规定的具有粘结强度的桩型复合地基，来计算水泥搅拌桩的承载力，具体公式如3-18式所示：fspk水泥搅拌桩单桩竖向承载力的计算是由水泥土桩本身的强度和水泥桩所加固的桩间土的性能两个方面决定的。单桩承载力特征值Ra应由现场原位荷载试验得出，在无荷载试验数据的情况下，初步设计时可用以下两式进行计算：Ra=upi=1nqRa=式中：Ra一同上；fcu一与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块边长为的立方体；Ƞ一桩身强度折减系数，其余符号意义同前。1.2.3水泥土搅拌桩地基沉降量的计算方法水泥土搅拌桩复合地基的沉降量计算是将桩身范围内加固层与加固体下卧土层的压缩量之和作为复合地基的沉降量。故地基沉降量Se由桩土复合地基的沉降量S1和下部未加固下卧层的沉降量S2组成，如图3-2所示：图3-2水泥土搅拌桩复合地基沉降变形Fig.3-1Settlementdeformationofcementmixingpilecompositefoundation（1）S1加固区沉降的计算结合规范的计算要求，S1的计算采用复合模量法（Esp）。s1Esp式中：pz—搅拌桩复合土层顶面的附加压力值(kPa)，pz=p0-dm；Esp—搅拌桩复合土层的压缩模量；Es—桩间土的压缩模量（kpa）；Ep—根据水泥土渗入比取值，Ep=100fcu；m—桩的置换率；l—桩的长度。复合地基底面处的附加应力pzlpzl式中：z—基础地面至加固区顶面的距离；—压力扩散角，其余符号意义同前。（2）S2下卧层沉降的计算下卧层沉降S2采用分层总和法计算其沉降。引用公式3-24计算未加固下卧层的沉降量S2：si=p式中：si—第i层土的沉降量；其余符号意义同前；故总沉降量Se=1.2.4优化变量根据的地基处理规范得，水泥土搅拌桩复合地基承载力公式、沉降量公式、面积置换率公式得，利用桩径和桩间距可求得面积置换率，而地基承载力公式与沉降量公式又与桩长、桩径、桩间距、置换率几个值息息相关，因此水泥土搅拌桩复合地基选择桩长l、桩径d、桩间距s为模型构建中的优化变量。1.2.5约束条件(1)复合地基承载力约束条件加固处理后的复合地基的承载力必须大于等于建筑物所要求的承载力值，即[P]−f[P]为设计所要求的地基承载力值。(2)复合地基沉降量约束条件加固处理后的复合地基的沉降量必须小于等于建筑物所要求的沉降量值，即Se[S]为设计所要求沉降值。(3)设计变量取值约束条件设计变量的确定根据规范要求，并结合实际工程所选择的施工工艺与机械设备来确定桩长l、桩径d、桩间距s的大致范围，当施工工艺与机械设备确定的情形下（本处以粉体喷射的搅拌机、独立基础的施工方案，且布桩方式为三角形布桩，水泥土渗入比为30%。为例），根据《建筑地基处理技术规范》得设计变量取值范围如下：0500mm2d≤s（3-29）1.2.6目标函数在满足工程要求的前提下，将水泥搅拌桩桩身混合料的总用量最少作为复合地基加固的最优方案。将桩体材料造价控制的最低即为目标函数的实现。在水泥土搅拌桩复合地基设计中故将桩体工程造价f作为优化设计的目标函数，可以表示如下：f(l,d,s)=cml1.2.7水泥搅拌桩智能优化设计模型求X=x1x2xminf（X）=cmls.tgi其中：g1X=[P]−fspkgg1.3组合桩复合地基智能优化设计1.1.1碎石桩+CFG组合桩复合地基处理的设计分析通过查阅相关规范资料，可得组合桩复合地基设计的基本对象主要包括以下几类：（1）主要设计参数依据地基处理规范和地基基础设计规范中的公式要求，推定优化设计主要参数为桩长、桩径、桩间距、置换率、褥垫层厚度等关键点。①桩长组合桩的桩长是根据两种桩桩长设计要求，根据桩长入持力层的深度来初步确定桩长。②桩径振动沉管法是组合桩两种桩型都常用的方法，因此组合桩也会主要考虑振动沉管法。桩径主要取决于机械设备，而通常振动沉管打桩机的管径为377mm，故桩径设计为350-400mm。③桩间距CFG桩桩间距的确定通常要求应大于等于2倍的桩径。而碎石桩的桩间距是根据工程设计资料计算出来的。碎石桩对地基承载力标准值的提高能力弱，难以满足高承载力需求，CFG桩能很大程度上提高复合地基承载力。因此二者结合的组合桩，以CFG桩的桩间距设计原则为主，碎石桩的桩间距设计原则为辅来确定桩间距。④置换率多桩型复合地基面积置换率，结合上文所述的相关分析，根据布桩方式进行置换率的计算。⑤褥垫层多桩型复合地基垫层设置，具体视两桩型的桩体类型来确定。针对刚性长、短桩复合地基和刚性桩与其他材料增强体桩组合的复合地基，垫层厚度分别宜取对复合地基承载力贡献大的增强体直径的1/2和刚性桩直径的1/2。(2)施工方法与施工设备碎石桩+CFG桩组合桩一般先进行辅桩碎石桩的施工，主要作用是排水，对天然地基的承载力提升意义不大；待碎石桩施工完成后，进行主桩CFG桩的施工，其主要作用是提高天然地基的承载力，以便满足建筑物设计要求。该施工过程通常利用振动沉管法进行施工。目前常用的主要施工设备和机具是DZ60KS型振动沉管打桩机和JZC650圆锥搅拌机。1.1.2碎石桩+CFG组合桩地基承载力的计算方法结合规范，按照《建筑地基处理技术规范》JGJ79—2012中的规定的具有粘结强度的桩型与散体材料桩组合的复合地基，来计算碎石桩+CFG桩的承载力，具体公式如3-32式所示：fspk=2m2R式中：β—散体材料桩复合地基承载力发挥系数；n—散体材料桩复合地基的桩土应力比；2—CFG桩的单桩承载力发挥系数；m1—碎石桩的面积置换率；m2—CFG桩的面积置换率；Ap2—CFG桩的截面面积；Ra2—CFG桩的单桩承载力特征值；fsk—仅由散体材料桩加固处理后桩间土承载力特征值（kPa）。1.1.3碎石桩+CFG组合桩地基沉降量的计算方法长短桩复合地基沉降计算分为三个区，如图3-3所示。且碎石桩为散体材料桩，CFG桩为刚性桩，故按照《建筑地基处理技术规范》JGJ79—2012中规定得碎石桩+CFG桩的沉降计算公式为：Se=式中：Se—复合地基的竖向沉降量S1、S2、S3—皆为各区土体压缩量；图3-3碎石桩+CFG桩的复合地基沉降变形Fig.3-3Settlementdeformationofcompositefoundationwithgravelpileand+CFGpile通过研究大量文献与相关规范，组合桩复合地基沉降量可根据《建筑地基处理技术规范》（GB50007—2011）中规定的分层总和法计算公式计算求得，具体计算式如3-34式所示：Se=[i=1n1式中：Se—复合地基的竖向沉降量；n1,n2,n3—分别为加固区，相对下卧层，下卧层分层数；P0—对应于荷载标准值的基础底面处的附加应力（kpa），p0其余符号意义同前；1.1.4优化变量对既定的地基，采用碎石桩+CFG组合桩复合地基方案来进行地基处理。建立数学模型。设计变量为短桩的桩长l1，短桩径d1，短桩间距s1，长桩桩长l2，长桩径d2，长桩间距s2。以这六个变量为优化变量，进行极值求解。1.1.5约束条件(1)复合地基承载力约束条件加固处理后的复合地基的承载力必须大于等于建筑物所要求的承载力值，即[P]−f[P]为设计所要求承载力。(2)复合地基沉降量约束条件加固处理后的复合地基的沉降量必须小于等于建筑物所要求的沉降量值，即Se[S]为设计所要求的地基沉降量值。(3)设计变量取值约束条件设计变量的确定根据规范要求，并结合实际工程所选择的施工工艺与机械设备来确定桩长l、桩径d、桩间距s的大致范围，当施工工艺与机械设备确定的情形下（本处以振动沉管成桩法施工以及独立基础，组合桩的布局按正方形布置，碎石桩与CFG桩相间排列，一排碎石桩后跟一排CFG桩的施工方案为例），根据《建筑地基处理技术规范》可得设计变量取值范围如下：350mmd1.5s4m350mmd3d2l11.1.6目标函数在满足工程要求的前提下，将碎石桩+CFG组合桩桩身混合料的总用量最少作为复合地基加固的最优方案。将桩体材料造价控制的最低即为目标函数的实现。在碎石桩+CFG组合桩复合地基设计中故将桩体工程造价f作为优化设计的目标函数，可以表示如下：minf（x）=[c1m1.1.7碎石桩+CFG组合桩智能优化设计模型求X=x1x2xminf（X）=[C1Xs.tgi其中：g1X=[p]−fspkggggggggg1.4算法验证某待加固的软弱地基，工程拟采用筏板基础，基础的长度是25m，基础的宽度是32m，基础埋深为1.5m。设计要求加固后的复合地基承载力应大于等于300kpa，沉降量小于等于80mm。根据本工程岩土工程勘测报告，拟建场地地层从上至下各土层的物理力学性质如下表3-3所示：表3-3地基土各层土物力力学性质Tab.3-3Materialandmechanicalpropertiesofeachlayeroffoundationsoil土的名称土层厚度（m）容重（KN/m3）压缩模量（MPa）天然地基承载力（KPa）桩的极限侧阻力（KPa）桩的极限端阻力（KPa）黄褐色粉质粘土218.99.69040有机质粉质粘土1.61810.712035粉质粘土519.28.2515075砂质黏土1.920.512.818080850淤泥质黏土417.84.28078900暗绿色粉质黏土1.6208.3170759501.4.1GA函数的遗传计算本文要求解的优化设计模型是是多元的，且有约束的非线性极值问题，目标函数与非线性约束条件都较为复杂且繁多，结合各个算法的特点与优缺点，故本文所涉及的优化过程采用GA遗传算法进行计算。GA函数是对目标函数进行遗传计算，其格式如下：[x,fval,exitflag,output,population,scores]=ga(fitnessfcn,nvars,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,nonlcon,options。以上，fitnessfcn即为适应度函数；nars就是目标函数自变量的个数；options就是算法的属性设置；output为输出的算法结构；x为经过遗传进化以后自变量最佳染色体返回值；exitflag为算法停止的原因；fval为最佳染色体的适应度；population为最终得到种群适应度的列向量；scores为最终得到的种群。%%GA算法主体结构如下：nvars=3;x0=rand(1,3)*10;options=optimoptions('ga','MutationFcn',{@mutationuniform,0.2});...options=optimoptions(options,'FitnessScalingFcn',{@fitscalingtop,0.4});[x,fval,exitflag,output,population,scores]=ga(@fun,nvars,A,b,Aeq,beq,lb,ub,@nonlconn,options)1.4.2优化模型计算流程①初始解种群的确定任意选择n个初始解Xi=l②验算约束条件是否满足条件按规范对复合地基的承载力与沉降量、单桩竖向承载力进行验算。如果达不到规范中公式计算的要求，那么就修改设计变量，再次展开验算，直到能够满足所有的约束条件为止。③适应度函数值的计算将满足各个约束条件的数值（即可行解）带入到目标函数中去，进而求得目标函数的值为Fi(i=1，2，…，n)，然后将它作为本算法的适应度函数值。并且认为目标函数值Fi值越小，求得的可行解更优。④竞争、选择、复制根据确定适应值Fi的大小，采用赌轮法选出群体中适应值大的个体，将其复制到新的群体中。⑤交叉以及变异交叉：交叉是指将种群内的个体进行随机的配对，对每一个染色体随机产生一个交叉点；突变：对于从种群体随机选中的个体设置突变概率，任意选择某一位进行数码翻转，就容易从局部最优解中跳出来，便于最终选出局部最优解。⑥最优设计变量的确定完成复制、交叉和变异操作所产生的子代群体，依次重复步骤②～⑤，直到满足收敛性要求，这时代表着计算结束。那么这时最大适应值对应的可行解就是我们所求的最优设计变量。主要MATLAB编程计算程序语言见附件。1.4.3CFG桩的模型实现根据3-17式优化设计数学模型，并结合上述勘察报告资料，本CFG桩处理方案初步计划采用端承桩，桩端坐落在第4层土，桩长暂估为8.5m。在MATLAB2016b环境中，编制基于遗传进化算法的优化设计计算机程序，求解在复合地基沉降量和承载力双重控制条件下最经济的CFG桩复合地基设计方案。在MATLAB2016b平台，编制基于遗传算法的CFG桩复合地基优化设计计算机程序，输入相关的已知工程参数，运行程序得到优化结果，优化结果与传统算法结果比较见表3-3：表3-3CFG桩优化设计结果Tab.3-4OptimaldesignresultsofCFGpile桩长（m）桩径（m）桩间距（m）桩体造价（元）优化设计8.50.41.8308953传统算法9.50.381.99387962.3据表3-4显示，最终桩长、桩径、桩间距