肖語(yǔ)章

（太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西太原 030027）

1 引言

目前，大多數(shù)城市進(jìn)行市政施工時(shí)埋設(shè)的排水管道的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)存在受力不均的問(wèn)題，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，存在塌陷、損壞的安全風(fēng)險(xiǎn)，威脅著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，在城市建設(shè)市政施工中，保證排水管道深基坑支護(hù)受力結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性尤為重要[1]。其中，國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者已經(jīng)針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了研究。Wang H[2]學(xué)者提出了基于遺傳算法的深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。利用優(yōu)勝劣汰規(guī)則設(shè)計(jì)系統(tǒng)安全體系，對(duì)深基坑開(kāi)挖的支護(hù)受力和土體變形進(jìn)行計(jì)算分析，得到開(kāi)挖過(guò)程的變形規(guī)律，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。該方法在一定程度上提升了深基坑支護(hù)受力結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但是沒(méi)有針對(duì)彎矩和錨支撐力進(jìn)行有效優(yōu)化，系統(tǒng)設(shè)計(jì)不全面。路順[3]學(xué)者提出運(yùn)用BIM三維流數(shù)據(jù)模型，清晰查看深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系及支護(hù)結(jié)構(gòu)與基坑周邊環(huán)境的位置關(guān)系，采用數(shù)值法計(jì)算受力關(guān)系，對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞實(shí)驗(yàn)，得出受力結(jié)構(gòu)穩(wěn)定模型。該方法可以有效清晰分析出深基坑支護(hù)受力架構(gòu)，但實(shí)驗(yàn)方法安全性欠佳，實(shí)用性不強(qiáng)。

基于上述存在的問(wèn)題，提出針對(duì)市政施工排水管道深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，構(gòu)建支護(hù)受力結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，選擇優(yōu)化參數(shù)，設(shè)定約束條件，選取最優(yōu)種群，實(shí)現(xiàn)對(duì)排水管道深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，方法可以有效提升機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，具有實(shí)用性。

2 排水管道深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)參量選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

市政施工排水管道深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括多種參數(shù)[4-5]，本文選取機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)的支撐道數(shù)(MC)、支撐位置(t)、樁徑(F)和嵌固深度(sd)為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，將市政施工工程排水管道混凝土面層厚度、鋼筋等級(jí)、強(qiáng)度等級(jí)、配筋方式和土層計(jì)算等參數(shù)作為預(yù)定參量，事先進(jìn)行有效的固定。

同時(shí)構(gòu)建排水管道深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)優(yōu)化整體模型示意圖，將優(yōu)化支撐力設(shè)計(jì)成彈性支撐力，當(dāng)深基坑機(jī)械支護(hù)受地基作用力過(guò)大時(shí)，分散壓力，減小摩擦，進(jìn)而提升排水管道的建設(shè)質(zhì)量。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化整體模型

2.2 構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)

為保證市政施工排水管道深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化獲得最佳結(jié)果，將單位長(zhǎng)度排水管道深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性作為目標(biāo)函數(shù)，公式(1)為排水管道深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性目標(biāo)函數(shù)：

式中，排水管道深基坑的挖掘深度為s，支撐樁的嵌固深度為sd，F(xiàn)和J分別為支撐樁的直徑和中心距，二者在市政施工過(guò)程中取值變化較小，可視為常數(shù)。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

將排水管道深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件用公式(2)表示：

其中m為深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)的限制條件總數(shù)，x為設(shè)計(jì)變量。

將市政施工排水管道深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)優(yōu)化各參數(shù)的限制條件用公式(3)描述：

式中，Y0max和Y1max分別表示支撐樁頂部和身體的極限位移，Wmax為樁身的極限彎矩，Y0和Y1分別表示支撐樁頂部和身體的實(shí)際位移，W為樁身的實(shí)際彎矩。

當(dāng)符合所有約束條件時(shí)，尋找最佳設(shè)計(jì)變量X，滿足H值最小[7]，將市政施工排水管道深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模型描述為X=[F，sd，t，MC]。

3 初始種群確定和約束條件處理

3.1 編碼與初始種群確定

為實(shí)現(xiàn)市政施工排水管道基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，采用遺傳算法[6]優(yōu)化機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)，以降低目標(biāo)函數(shù)值。遺傳算法通常采用二進(jìn)制編碼[7]，需要大量進(jìn)行編碼和解碼操作，計(jì)算量復(fù)雜且得到的離散點(diǎn)陣有限，還極易出現(xiàn)多余最優(yōu)點(diǎn)。本文針對(duì)市政施工排水管道基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，可以采用實(shí)數(shù)編碼來(lái)有效降低二進(jìn)制編碼解碼的計(jì)算時(shí)長(zhǎng)問(wèn)題。通過(guò)遺傳算法創(chuàng)建Npop個(gè)均勻分布的隨機(jī)初始解，其中X=[F，sd，t，MC]為初始排水管道深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)解的初始種群。

3.2 約束條件處理

根據(jù)排水管道深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)約束條件可知，該模型計(jì)算的是非線性約束參數(shù)。罰函數(shù)是一種使用范圍廣泛的最優(yōu)值計(jì)算方法，可將有約束的非線性規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)約束的極值問(wèn)題。本文采用罰函數(shù)處理排水管道深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)優(yōu)化約束條件，如公式(4)所示：

其中：Total．cost(x)和分別表示原目標(biāo)函數(shù)和障礙項(xiàng)，γ(x)為懲罰后的目標(biāo)函數(shù)。當(dāng)lj(x)≤0，j=1，2，…，m與約束條件一致時(shí)，說(shuō)明該罰函數(shù)可滿足約束條件。

4 深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)最優(yōu)種群選取

4.1 確定適應(yīng)度函數(shù)

遺傳算法在優(yōu)化搜索時(shí)以適應(yīng)度函數(shù)為搜索依據(jù)[8]，根據(jù)不同種群中個(gè)體適應(yīng)度值實(shí)施搜索。選取適當(dāng)?shù)倪m應(yīng)度函數(shù)，對(duì)市政施工排水管道深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)十分必要，并影響遺傳算法的搜索速度以及是否能夠獲取機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)最優(yōu)解。將適應(yīng)度函數(shù)fitness(x)用公式(5)表示：

4.2 交叉操作

交叉操作可產(chǎn)生新的機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)新個(gè)體，交叉操作與遺傳算法的搜索能力相關(guān)，通常實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的交叉操作采用算術(shù)交叉算子，算術(shù)交叉算子按某固定交叉概率，對(duì)母體個(gè)體parentA和parentB以公式(6)所示方式進(jìn)行線性組合，得到新一代個(gè)體parentA′和parentB′。即：

4.3 變異操作

變異操作通過(guò)以較小的變異概率，擾亂母代個(gè)體的染色體基因，保持群體具有較強(qiáng)的多樣性，降低早熟現(xiàn)象的發(fā)生概率。

在原始種群周?chē)阉餍聜€(gè)體的產(chǎn)生情況可采用高斯近似變異，將高斯近似變異獲取新種群用公式(7)描述：

式中，N(o，ρ)為正態(tài)分布參數(shù)。

采用高斯近似變異獲取多個(gè)支撐道數(shù)、支撐位置、樁徑和嵌固深度變量最優(yōu)解，判斷排水管道深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)最優(yōu)的標(biāo)志為：高斯近似變異不再獲取新種群，且以該種群設(shè)計(jì)排水管道深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)的造價(jià)最低。

5 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文方法的有效性，采用仿真實(shí)驗(yàn)分析本文優(yōu)化方法實(shí)際用于深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效果，實(shí)驗(yàn)以某開(kāi)發(fā)區(qū)市政施工的排水管道深基坑為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用灌注樁加鋼筋混凝土支撐受力結(jié)構(gòu)，該基坑深度為11m，樁長(zhǎng)19．5m，樁頂標(biāo)高為-6．5m，考慮地面超載35kPa。施工地質(zhì)條件如表1所示，在該地質(zhì)條件下，采用本方法對(duì)該深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

表1 排水管道深基坑各土層物理力學(xué)指標(biāo)

為突出本文方法的安全穩(wěn)定性，采用文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法的受力結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法作為實(shí)驗(yàn)的對(duì)照組，分析受力結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性，對(duì)彎矩程度和錨支撐力進(jìn)行了對(duì)比，比較結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果。在同一參數(shù)環(huán)境下進(jìn)行施工模擬。模擬結(jié)果圖如圖2和圖3所示。

圖2 彎矩對(duì)比圖

圖3 錨支撐力對(duì)比圖

通過(guò)圖3分析可知，在相同的排水管道深基坑參數(shù)環(huán)境下，三種方法優(yōu)化后的最大彎矩排序?yàn)椋罕疚姆椒ǎ疚墨I(xiàn)[3]方法＞文獻(xiàn)[2]方法，錨支撐力排序?yàn)椋罕疚姆椒ǎ疚墨I(xiàn)[3]方法＞文獻(xiàn)[2]方法，說(shuō)明本文方法對(duì)受力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化程度較高，能顯著提升最大彎矩和錨支撐力。這是因?yàn)楸痉椒紤]深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)的主要位置，并對(duì)相關(guān)變量利用遺傳算法計(jì)算最優(yōu)解，確定最佳的深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)，能夠有效增強(qiáng)受力結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語(yǔ)

在市政施工排水管道的深基坑中，常因受力不均導(dǎo)致機(jī)械支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，為此，本文提出一種方法以優(yōu)化設(shè)計(jì)排水管道深基坑機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)。通過(guò)構(gòu)建深受力結(jié)構(gòu)的重要因素優(yōu)化模型，利用遺傳算法確定深基坑支護(hù)受力結(jié)構(gòu)解的最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)受力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本方法使機(jī)械支護(hù)受力結(jié)構(gòu)的最大彎矩和最大錨支撐力大幅度提升，優(yōu)于其他方法，能夠有效提升排水管道的建設(shè)質(zhì)量，對(duì)未來(lái)排水管道深基坑建設(shè)具有重要意義。