基于改进遗传算法的住宅楼桩基坑支护结构设计方法.pdf

第2 3卷 第2期江 苏 建 筑 职 业 技 术 学 院 学 报V o l.2 3.22 0 2 3年6月J O U R N A LO FJ I A N G S UV O C A T I O N A LI N S T I T U T EO FA R C H I T E C T U R A LT E C H N O L O G YJ u n.2 0 2 3基于改进遗传算法的住宅楼桩基坑支护结构设计方法艾玲(中铁十八局集团 建筑安装工程有限公司,天津3 0 0 3 0 8)摘 要:针对目前使用的一桩两用、复杂双排灌注桩的基坑支护结构设计方法,受到基坑环境不确定性及复杂性影响,导致数值模拟结果与理想数值不一致,为了解决该问题,提出了基于改进遗传算法的住宅楼桩基坑支护结构设计方法。以某房建工程项目作为研究对象,结合改进遗传算法,构建数学模型。从桩的最大弯矩、桩嵌入土体的深度两个方面考虑数学模型的约束条件,采用惩罚函数法来处理约束问题。依据住宅基坑周围环境,选择基坑段面,并进行图层概化。在设计坑中坑钢板桩基坑支护结构,有效控制坑中坑变形。另外通过高压旋喷桩方式,基坑支护结构的侧壁设置一道不透水的止水帷幕,防止上层滞水流入基坑。由仿真实验结果可知,该方法对于桩顶水平位移,与理想数值最大误差为0.0 5mm;对于桩体下降深度,与理想数值最大误差为0.1mm;对于地表沉降量,与理想数值一致,误差为0mm,对施工来说更加安全。关键词:改进遗传算法;住宅楼桩基坑;支护结构;惩罚函数中图分类号:TU7 5 3文献标志码:A文章编号:2 0 9 5 3 5 5 0(2 0 2 3)0 2 0 0 0 5 0 5T h ed e s i g nm e t h o do fp i l e f o u n d a t i o np i t s u p p o r t i n gs t r u c t u r eo f r e s i d e n t i a l b u i l d i n gb a s e do n i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mA IL i n(C h i n aR a i l w ay1 8 t hB u r e a uG r o upC o n s t r u c t i o na n dI n s t a l l a t i o nE ngi n e e r i ngC o.,L t d.,T i a nji n3 0 0 3 0 8,C h i n a)A b s t r a c t:I nv i e wo f t h e c u r r e n t d e s i g nm e t h o do f f o u n d a t i o np i t s u p p o r t s t r u c t u r ew i t ho n ep i l e f o r t w op u r p o s e s a n d c o m p l e xd o u b l e-r o wc a s t-i n-p l a c ep i l e s,t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n r e s u l t s a r e i n c o n s i s t e n tw i t ht h e i d e a l v a l u e sd u e t o t h eu n c e r t a i n t ya n dc o m p l e x i t yo f t h e f o u n d a t i o np i t e n v i r o n m e n t.I no r d e r t os o l v et h i sp r o b l e m,ad e s i g nm e t h o do f f o u n d a t i o np i t s u p p o r t s t r u c t u r ew i t hp i l e s f o r r e s i d e n t i a l b u i l d i n g sb a s e do n i m p r o v e dg e n e t i c a l g o r i t h mi sp r o p o s e d.T a k i n ga r e a l e s t a t e c o n s t r u c t i o np r o j e c t a s t h e r e s e a r c ho b j e c t,c o m b i n e dw i t h i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m,t h em a t h e m a t i c a lm o d e l i sc o n s t r u c t e d.C o n s i d e r i n gt h ec o n-s t r a i n t c o n d i t i o n so f t h em a t h e m a t i c a lm o d e l f r o mt h em a x i m u m m o m e n to f t h ep i l ea n dt h ed e p t ho f t h ep i l e e m b e d d e d i n t h e s o i l,t h e p e n a l t y f u n c t i o nm e t h o d i s u s e d t od e a lw i t h t h e c o n s t r a i n t p r o b l e m.A c c o r d-i n g t o t h e s u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n to f t h er e s i d e n t i a l f o u n d a t i o np i t,s e l e c t t h e f o u n d a t i o np i t s e c t i o na n dg e n e r a l i z e t h e l a y e r.I n t h ed e s i g no fp i t i np i t s t e e l s h e e tp i l e f o u n d a t i o np i t s u p p o r t s t r u c t u r e,e f f e c t i v e l yc o n t r o l p i t i np i td e f o r m a t i o n.I na d d i t i o n,t h r o u g hh i g h-p r e s s u r e j e tg r o u t i n gp i l e,a n i m p e r m e a b l ew a t e rs t o pc u r t a i n i s s e t o n t h e s i d ew a l l o f t h e f o u n d a t i o np i t s u p p o r t s t r u c t u r e t o p r e v e n t t h e u p p e r s t a g n a n tw a-t e r f r o mf l o w i n g i n t o t h e f o u n d a t i o np i t.A c c o r d i n g t o t h e s i m u l a t i o nr e s u l t s,t h em a x i m u me r r o rb e t w e e nt h em e t h o da n d t h e i d e a l v a l u e f o r t h eh o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n to f t h ep i l e t o p i s0.0 5mm;F o r t h e f a l l i n gd e p t ho f p i l e,t h em a x i m u me r r o r f r o mt h e i d e a l v a l u e i s 0.1mm;F o r t h e s u r f a c e s e t t l e m e n t,i t i s c o n s i s t-e n tw i t h t h e i d e a l v a l u e,w i t ha ne r r o r o f 0mm,w h i c h i s s a f e r f o r c o n s t r u c t i o n.K e yw o r d s:i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m;d o r m i t o r yb u i l d i n gp i l ef o u n d a t i o np i t;s u p p o r t i n gs t r u c t u r e;p e n a l t yf u n c t i o n收稿日期:2 0 2 2 0 9 1 0作者简介:艾玲,女,山东淄博人,工程师,从事房建、造价等领域的工作。Em a i l:4 8 8 5 9 3 1 9q q.c o m 基坑工程是一项十分复杂的工程,涉及的问题很多,其中桩基坑支护结构研究是其中的一个重要问题。在桩基础施工中,不仅要保证桩的安全,而且要6 江 苏 建 筑 职 业 技 术 学 院 学 报 第2 3卷节约工程造价。但在施工中,由于基坑开挖深度增大,地质条件变得越来越复杂,施工中存在的安全隐患越来越多,导致工程成本的上升。因此,在保证安全、节约成本、保证项目正常进行的前提下,制订一套安全、合理的施工方案显得尤为重要。基坑工程通常是在一年左右的时间内进行的,为了确保地下结构施工的安全,采取了临时支护措施。由于区域、地点、工程地质情况的差异较大,所以影响基坑施工的因素很多,基坑的开挖深度及区域各有差异,不同的地形,不同的水位,不同的土壤状况,都会对工程的施工产生很大的不确定性。因此,设计合理的住宅楼桩基坑支护结构设计方法是具有必要性的。文献1 提出了一桩两用的基坑支护结构设计方法,使用有限元软件构建基础群桩模型,将临近已经施工的多排基桩作为支护桩,以此控制土体位移及支护结构变形;文献2 提出了复杂双排灌注桩的基坑支护结构设计方法,该方法通过梳理钻孔灌注桩施工步骤,设计双排灌注桩支护方案,及时监测基坑周围沉降和水平位移。然而,上述这两种方法受到基坑环境不确定性及复杂性影响,导致基坑支护结构容易出现变形。为此,结合改进遗传算法的框架结构住宅楼桩基坑支护结构设计方法。1 工程概况某房建住宅楼工程项目总建设规模6 3 3 2 7.9m2,其中地下车库建筑面积1 76 1 7.9m2,地上建筑面积4 5 7 0 9.8m2。该项目单体建筑物最高高度3 0.2 4m,单体建筑物最大跨度约1 0 1.9 5m,其中最大建筑物单体面积72 8 0m2,本工程最高层数为1 1层。11 1#楼结构类型为剪力墙结构,但是地下车库、配建的结构类型都是框架结构。总工期为7 6 5d。2 基 于 改 进 遗 传 算 法 的 住 宅 楼 桩基坑支护结构设计方法房建住宅楼桩基坑是一种典型的地基工程,其地基的不确定性很大,对其设计和施工决策都有很大的影响。对于住宅楼桩基坑支护结构的设计,除与施工现场土质、施工工艺条件有关外,还与现场情况有关3。因此,设计时要充分考虑场地条件、设计与施工的关系,以保证设计的支护结构能够达到设计的需要。2.1 基于改进遗传算法桩基坑支护结构数学模型构建在基坑支护的优化设计过程中,存在许多可供选择的变量。基坑支护设计中,最大的难题就是如何合理科学地选取支护参数4。在实际工程中,由于地基参数及模型的不确定性,给支护设计带来了极大的不确定性。为此,结合改进遗传算法,设计了变量自选取的方式5。对于桩基坑支护结构,其结构包括支护桩、锚杆,为了简化基坑支护数学模型,应预先设定锚杆的参数和基坑桩材料的单位长度,基于此,构建的数学模型可表示为:f(d,h,w1,w2)=4d2(h+h)(1)式中:d为框架架构住宅楼桩的直径;h 为桩嵌入土体的深度;h为桩基坑开挖深度;w1、w2均为框架支撑位置6。基坑支护数学模型 的目标函 数 桩 径 和 桩 深参数是以显式参数表示的,而在目标函数中则是隐含参数。在最大弯矩和土压为零的情况下,桩的变形会对桩的直径和深度产生一定的影响7。因此,尽管参数支撑的位置不能直接体现在目标函数中,但是对目标函数也有一定的限制。在改进遗传算 法 中,对 限 制 条 件 的 处 理 是 非 常 重 要的8。在基坑工程中,将遗传算法应用于基坑工程的优化设计,其关键在于如何处理约束条 件。这种方法能将方程约束直接包括在内,所以仅需考虑方程的限制。假定问题是一个非约束问题,则在求解过程中,对由算法产生的目标函数进行求解9。在没有约束违背的情况下,这种求解过程是正确的。然而,将该过程应用到实际基坑开挖过程时,是行不通的,为此采用罚函数法来处理约束问题1 0。数学模型的约束条件,分别从两个方面进行考虑:1)桩的最大弯矩计算。对于桩所承受的最大弯矩计算,应先分析桩的内力。基坑外侧的水平荷载,可按照如下公式计算:qi=iKi-2ziKi(2)式中:如果基坑一侧土体应力状态实现主动极限平衡状态的时候,Ki为基坑一侧承受的主动土压力系数;i为竖向应力值;zi为剪应力值1 1。对于在支护结构外侧施加荷载而导致竖向应力变化的问题,可描述成图1。由图1可知,对住宅楼桩基坑支护结构施加荷载时,基坑外侧所受到的应力与荷载数值一致。基于此,约束条件可表现为:框架结构住宅楼桩基所能承受的弯矩最大值应小于等于设定阈值的最大值1 2。第2期艾玲:基于改进遗传算法的住宅楼桩基坑支护结构设计方法7 图1 支护结构外侧施加荷载2)桩嵌入土体的深度计算。第i层支撑位置确定后,支护结构的桩嵌入土体深度,应满足如下公式:FiEi-F iE i-TaET a=0(3)式中:Fi、F i分别表示基坑一侧受到的被动土压力的合力;Ei、E i分别表示基坑开挖到h 深度后,基坑一侧受到的主动和被动合力对支撑点的力臂;ET a表示支撑力对支撑点的力臂;Ta表示不同层支撑的力1 3。基于此,约束条件可表现为:桩嵌入土体的深度不小于设计的嵌入深度。2.2 基坑支护结构设计住宅楼2.2.1 基坑段面选择和图层概化通过上述构建的数学模型,分析各段基坑坑壁的土层厚度和地面情况,选择基坑段面。为此,设计了住宅基坑周围环境示意图,如图2所示。图2 住宅楼基坑周围环境示意由图2可知,在高差分界线的上半部分采用了钻孔灌注桩加层支护形式,下半部分需经过放坡处理后再进行钻孔灌注桩加层支护。根据施工基坑周围环境,没有其他建筑物,因此,对于基坑的施加荷载是均匀分布的荷载。高差分界线的下层概化,按照岩土工程勘察报告所提供的资料来决定,根据剖面钻孔参数,将不同土层厚度概化为一组土层厚度1 4。基于此,方便开展基坑支护结构设计。2.2.2 段坑中坑钢板桩基坑支护结构设计钢板桩是一种适合于软弱地基和各种土质的土体,它与内支护结合,可有效地控制基坑的变形,防止因基坑开挖而引起的破坏。坑中坑钢板桩基坑支护结构示意如图3所示。图3 坑中坑钢板桩基坑支护结构示意图由图3可知,坑中坑钢板桩基坑支护结构主要是由槽钢、钢板、纵向钢板桩组成的,通过确定大坑底部标高,能够使带有联动装置的纵向钢板桩通过自由组合的方法形成一种连续、紧密的挡水墙钢结构体。使用螺栓连接槽 钢和纵向钢 板桩,由此构成沟槽的保护结构。通过节点钢板连接沟槽防 护 墙 与 钢 管,两 者 互 相 摩 擦 后 构 成 内支撑1 5。为了使坑中坑钢板桩基坑支护结构稳定,在基坑周围打孔致密、牢固的钢板桩,桩顶采用槽钢作为整体,桩端通过螺栓连接而成,并使用3 7 7钢管作内支撑。为了确保基坑工程的顺利进行,在黏土层上方设置一个路基箱,并在槽钢周围焊接3 7 7钢管,保证基坑开挖施工时,大型机械设备能够正常行走。待基坑施工完成后,可立刻拔出钢板桩。2.2.3 基坑支护结构侧壁止水帷幕设计由于基坑中淤积较多,因此,在基坑施工中,边墙的防渗是十分关键的。在粉质黏土层之下,使用黏土封住含水的砂层,避免水流入基坑底部。为此,充分考虑该因素,在设计基坑支护结构侧壁止水帷幕时,在不透水的侧墙处添加黏土层即可。基坑施工中最大的问题是支撑平台与邻近墙间距太短,在工程建设中,受到各种因素影响,无法直接拆除周围的墙体。因此,施工范围较小。在这种情况下,不能用桩端止水法进行基坑支护。为此,使用灌注桩和旋喷桩的复合式侧壁止水帷幕设计方式,其结构如图4所示。由图4可知,在其他边已经实施了悬臂基坑支护结构的基础上,高压旋喷桩采取了后补强射流桩和灌注的复合喷桩方式,即在大面积的两个承台间进行高压旋喷桩施工。在两段较窄的场地内,在外侧平台及周边墙壁上进行喷浆灌注桩,并按其大8 江 苏 建 筑 职 业 技 术 学 院 学 报 第2 3卷小、长度对齐。把灌注桩与旋喷桩进行交错且一字形排列组合,构件间呈U形,承台呈十字形。由于受到主动土的压力作用,旋喷桩施工的钢管发挥支撑拉力的功能,而灌注桩浇筑的混凝土发挥支撑弯矩的作用。该复合式侧壁止水帷幕设计方案不但起到了很好的止水作用,而且由于其结构特点,可以将水平主动土压力转换成拉力和弯矩,从而保证工程的安全性。图4 基坑支护结构侧壁止水帷幕设计3 仿真实验为了验证基于改进遗传算法的住宅楼桩基坑支护结构设计方法研究的合理性,以某房建住宅楼作为研究对象,进行仿真实验。3.1 实验参数选取基坑的主体结构是直径12 0 0mm的C 3 0混凝土钻孔灌注桩,该框架结构的横向受力系统是由一个钢管内支撑和三个内部支撑组成。在结构设计中,要充分考虑到结构的整体性和各单元的最大劣势,并依照相关法规进行。各土、岩层物理力学指标见表1。表1 土、岩层物理力学指标土、岩层名称杂填土粉质黏土黏土强风化泥岩厚度/m2 31.5 32.5 1 1含水率/%3 03 02 43 0湿重度/(k Nm-3)1 9.02 0.02 1.52 1.5黏聚力/k P a51 391 6 5内摩擦角/()1 51 212 8由表1可确定基坑的土、岩层物理力学指标,以此为基础,从中选择某个点进行监测,并展开详细的仿真实验。3.2 仿真结果与分析3.2.1 桩顶水平位移选取支护桩顶部某点监测到的数据,分别使用一桩两用的基坑支护结构设计方法、复杂双排灌注桩的基坑支护结构设计方法和基于改进遗传算法的桩基坑支护结构设计方法,对比分析桩顶水平位移,如图5所示。图5 三种方法桩顶水平位移对比分析由图5可知,使用一桩两用的基坑支护结构设计方法,在开挖第一步就与理想数值存在2mm的较大偏差。随着开挖步骤的进行,桩顶水平位移与理想数值之间的误差最大达到5.5mm;使用复杂双排灌注桩的基坑支护结构设计方法,在开挖第一步就与理想数值相差并不是很大,但随着开挖步骤的进行,桩顶水平位移与理想数值之间的误差最大达到5mm;使用基于改进遗传算法的桩基坑支护结构设计方法,在开挖第三步与理想数值一致,误差为0,在开挖第一步与第四步与理想数值之间的误差均为0.0 5mm。3.2.2 桩体下降深度在确定桩顶水平位移数值的情况下,选取桩体下降深度某点监测到的数据,分别使用一桩两用的基坑支护结构设计方法、复杂双排灌注桩的基坑支护结构设计方法和基于改进遗传算法的桩基坑支护结构设计方法,对比分析桩体下降深度,如图6所示。由图6可知,使用一桩两用的基坑支护结构设计方法,随着桩顶水平位移的增加,桩体下降深度受到基坑外侧施加的土压力影响,导致桩体下降速度较快,同时下降深度较深,与理想数值相差较大;使用复杂双排灌注桩的基坑支护结构设计方法,随着桩顶水平位移的增加,同样受到基坑外侧施加的土压力影响,下降深度较深,与理想数值相差较大;使用基于改进遗传算法的桩基坑支护结构设计方法,在桩顶水平位移前4mm内,均与理想数值不一致,最大误差为0.1mm,其余情况下均一致,不会受到基坑外侧施加的土压力影响。第2期艾玲:基于改进遗传算法的住宅楼桩基坑支护结构设计方法9 图6 三种方法桩体下降深度对比分析3.2.3 地表沉降量再次使用这三种方法,对比分析地表沉降量,对比结果如图7所示。图7 三种方法地表沉降量对比分析由图7可知,使用一桩两用的基坑支护结构设计方法,在开挖第一步时与理想数值一致,其余均不一致,最大误差为3mm;使用复杂双排灌注桩的基坑支护结构设计方法,与理想数值均不一致,最大误差为3mm;使用基于改进遗传算法的桩基坑支护结构设计方法,所有开挖步骤,均与理想数值一致,无误差。通过上述分析结果可知,使用基于改进遗传算法的桩基坑支护结构设计方法,桩顶水平位移、桩体下降深度和地表沉降量均与理想数值最接近,对施工来说更加安全。4 结语基坑开挖反映土、桩、支撑之间相互作用的过程,以某房建框架结构住宅楼楼桩基坑支护结构为背景,进行结构设计。结合改进的遗传算法,建立了深基坑具体支护形式的优化设计数学模型研究基坑支护结构侧壁止水帷幕,能够达到止水效果。但由于其自身存在的缺陷,使本论文的研究还不够深入。随着将改进的遗传算法用于基坑支护结构的优化设计,其工作还有待于进一步的研究:由于基坑工程中的参数比较多,所以只考虑了桩身参数和支护部位的影响,而忽视了最佳的支护结构参数。如何建立一套完整的桩-锚固或桩内支撑结构的数学模型及合理的约束条件,还需进行深入研究。参考文献:1 周勇,朱乔红,朱彦鹏,等.“一桩两用”新型支护结构在某深基坑支护中的应用分析J.岩石力学与工程学报,2 0 2 0,3 9(S 1):3 1 6 8 3 1 7 7.2 邵卿,张萍,杨世潮,等.复杂双排灌注桩斜抛撑深基坑支护结构设计J.施工技术,2 0 2 1,5 0(2):3 5 3 8.3 周勇,王惠君,朱彦鹏.某地铁深基坑桩撑支护结构施工力学行为分析J.铁道工程学报,2 0 1 9,3 6(1):8 6 9 2.4 余佳,高路恒.深基坑人工挖孔排桩支护结构设计J.工业建筑,2 0 2 0,5 0(4):1 9 9.5 郭院成,李振,王金成,等.椭圆形深基坑排桩支护结构受力变形分析J.建筑科学,2 0 1 9,3 5(3):7 1 4,8 9.6 周勇,宋宣兵.基于水平受荷桩p y曲线的桩锚支护结构位移分析J.建筑科学,2 0 1 9,3 5(7):4 6 5 2.7 牛世平.框架预应力锚杆联合微型钢管桩新型支护结构应用J.施工技术,2 0 1 9,4 8(1 1):1 3 2 1 3 5.8 吴会军,符晓,侯羽,等.基于敏感性分析的深基坑支护方案优化研究J.施工技术,2 0 1 9,4 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