¿Métodos de estabilización para estructuras de soporte en suelos estratificados?
Para el análisis de la estabilidad general de las estructuras de soporte de clavos del suelo, los académicos han propuesto un método de análisis basado en el método de equilibrio límite basado en una gran cantidad de estudios experimentales. Cuando se utiliza la teoría del equilibrio límite para estudiar la estabilidad general de una estructura de soporte de clavos del suelo, generalmente se supone primero una superficie de deslizamiento potencial. Dependiendo de la forma de la superficie de deslizamiento supuesta, el método de análisis de estabilidad se puede dividir en método de análisis de estabilidad de cuña y arco. Método de análisis de estabilidad. Métodos analíticos. Entre ellos, la forma y ubicación de la superficie de deslizamiento más peligrosa se han convertido en la clave para el diseño del soporte de clavos del suelo. La literatura [1] supone que la posible superficie de ruptura de la pared de clavos del suelo tiene forma de arco, considera el efecto de acoplamiento de la fuerza de extracción del clavo del suelo y la capacidad antideslizante de la propia barra de suelo, y utiliza el método de optimización del caos para encontrar la superficie de deslizamiento más peligrosa.
La literatura [2] utiliza el método de forma compuesta para encontrar los parámetros de control geométrico de la superficie de deslizamiento y utiliza el método de sección áurea paso a paso para encontrar el arco de la superficie de fractura de deslizamiento más peligrosa. y luego calcula el valor mínimo del factor de seguridad correspondiente. En la literatura [3], al analizar la estabilidad general de las paredes de clavos del suelo, la superficie de deslizamiento potencial es una curva espiral logarítmica, y la posición de la superficie de deslizamiento más peligrosa se determina con la ayuda del método de forma compuesta en la teoría de optimización. Sin embargo, para problemas de optimización donde la función objetivo es multimodal o el espacio de búsqueda es muy irregular, es fácil caer en el dilema de las soluciones óptimas locales al buscar la solución óptima para la excavación de pozos de cimentación profundos, la capa de suelo en la pendiente. se distribuye uniformemente en la pared del clavo del suelo, la búsqueda de la superficie de deslizamiento más peligrosa se puede reducir a un problema de optimización con una función objetivo convexa, y la solución óptima global se puede obtener utilizando el método anterior. Sin embargo, si la capa de suelo de la pendiente de la excavación está distribuida de manera desigual, la función objetivo suele ser una función no convexa con múltiples picos. En este caso, es probable que se obtenga una solución óptima local utilizando el método anterior.
1 Modelo de análisis de estabilidad general del soporte de clavos del suelo en suelo estratificado El método de refuerzo simple es uno de los métodos más utilizados para el análisis de estabilidad general del soporte de clavos del suelo. Durante el proceso de análisis, se supone que la superficie de deslizamiento es un arco y el suelo es un material plástico rígido, y no se consideran la fuerza de interacción y el momento entre las franjas de suelo. Este artículo estudia el método de cálculo de la estabilidad global de soportes de clavos en suelos estratificados heterogéneos.
1.1 Supuestos básicos 1) Como se muestra en la Figura 1 [9], la superficie de deslizamiento más peligrosa es el arco al pie de la pendiente, y el arco pasa por el punto de la esquina del suelo A del clavo del suelo. pared 2) La superficie de deslizamiento más peligrosa El centro del círculo de superficie se encuentra sobre la pared del clavo del suelo, es decir, encima de BC.
1.2 Modelado 1) Sistema de coordenadas de análisis de estabilidad del clavo del suelo. Cuando se utiliza el método de barra simple deslizante en arco para verificar la estabilidad de las paredes de clavos del suelo, primero establezca un sistema de coordenadas rectangular, con la coordenada A del pie del talud del fondo del pozo como origen, la dirección de la profundidad del pozo como el eje y y la dirección de la profundidad del pozo como el eje y. dirección perpendicular a la profundidad de la picadura como el eje x. 2) Radio del arco de la superficie de deslizamiento. Como se muestra en la Figura 1, las coordenadas del centro del arco de la superficie deslizante son O (xo, yo), el radio del arco es R y la profundidad del pozo de cimentación es H. La ecuación de la superficie deslizante es [ 10-11]: Para suelos heterogéneos, especialmente cuando las propiedades del suelo de cada capa son muy diferentes, no es posible simplemente sustituir el promedio ponderado en la fórmula anterior para calcular los clavos del suelo: γk es el coeficiente parcial de deslizamiento general, que puede puede tomarse como 1,3; γk es el coeficiente parcial deslizante general, que puede tomarse como 1,3; γk es el coeficiente parcial deslizante general Coeficiente deslizante; Se puede tomar como 1,3; γ0 es el coeficiente importante de la pared lateral del pozo de cimentación; cik es la cohesión del suelo en la i-ésima superficie de deslizamiento; φik es el ángulo de fricción del suelo en la i-ésima superficie de deslizamiento; superficie Sh es el espaciamiento horizontal de los clavos del suelo;
1.3 Rango central de la superficie deslizante Durante el proceso de búsqueda de la superficie deslizante, el rango central debe ser lo más grande posible para que el centro de la superficie deslizante más peligrosa esté dentro de este rango. Sin embargo, el rango de valores es demasiado. grande, lo que resulta en una reducción de la eficiencia de búsqueda, el tiempo de cálculo aumenta y se pueden generar algunas superficies de deslizamiento irrazonables. En la literatura [3], la abscisa del centro del círculo se toma como el rango desde 4 veces la altura de la pendiente hasta aproximadamente el pie de la pendiente A, y la ordenada se toma como el rango desde el hombro de la pendiente hasta la pendiente ascendente 4 veces, y el arcén de la pendiente desciende hasta el fondo de la pendiente.
La literatura [5] cree que el centro del círculo debe estar dentro del rango de x∈[0, 4H] e y∈[H, 5H]. Según la teoría de la rotación, la velocidad de cada punto del cuerpo deslizante será perpendicular a la línea que conecta el centro del círculo y el pie de la pendiente cuando el centro del círculo está en el lado derecho del punto A, como. Como se muestra en la Figura 5 O2, la velocidad vA2 del punto A al pie de la pendiente está inclinada hacia arriba, lo que indica que todo el cuerpo deslizante se deslizará hacia arriba de manera oblicua, lo cual es inconsistente con la inestabilidad real de la pendiente sostenida por clavos de suelo. En cuanto al centro del círculo en O3, la intersección de la superficie de deslizamiento y la superficie inclinada en D también es contraria a la situación real, porque la dirección de vD2 está inclinada hacia atrás [12]. En la figura, O1 es la posición correcta del centro de la superficie deslizante y las direcciones de vA1 y vB1 son diagonales, por lo que su rango de valores debe ser:
2 Según el método DAGA, el la estructura de clavos del suelo es la superficie más peligrosa para deslizarse
La clave para encontrar la superficie de deslizamiento más peligrosa de la estructura de clavos del suelo y el factor de seguridad mínimo correspondiente de la estructura de clavos del suelo en el análisis de estabilidad general es encontrar la superficie de deslizamiento más peligrosa y el factor de seguridad mínimo de la estructura de soporte de clavos del suelo. El proceso de encontrar la superficie de deslizamiento más peligrosa es en realidad un proceso de búsqueda dinámica, que matemáticamente es un proceso de optimización dinámica. Por lo tanto, el método de superficie deslizante de búsqueda del algoritmo genético adaptativo dinámico propuesto puede superar las deficiencias de la convergencia a la solución óptima local y la convergencia lenta cerca del valor óptimo, mejora la velocidad de operación y la eficiencia de la búsqueda y, por lo tanto, obtiene la solución óptima global.
2.1 La función objetivo de la superficie de deslizamiento más peligrosa puede determinarse mediante las coordenadas del punto circular O y el pie de pendiente A. Por lo tanto, las coordenadas verticales y horizontales del punto circular O se convierten en la expresión genética del cromosoma [13]. De acuerdo con la expresión del factor de seguridad de suelo heterogéneo derivada anteriormente, cuando se da el rango de búsqueda del punto circular O, la función objetivo del factor de seguridad se puede expresar de la siguiente manera: .2 Método de codificación Determinación e inicialización del algoritmo genético de poblaciones La codificación de cromosomas generalmente se puede utilizar codificación binaria, codificación Gray, codificación de punto flotante, etc. Para el análisis de la estabilidad general de los clavos del suelo, con el fin de mejorar la precisión del algoritmo genético, así como la complejidad del cálculo y la eficiencia de la operación, es más conveniente utilizar el método de codificación vectorial de punto flotante. El método de codificación de punto flotante significa que cada valor genético de un individuo está representado por un número de punto flotante dentro de un cierto rango, y la longitud de la codificación individual es igual al número de dígitos en su variable de decisión [14-15] . En el modelo de análisis de estabilidad general de clavos de suelo, las variables de diseño de las coordenadas del centro del círculo (xo, yo) correspondientes a la superficie de deslizamiento están representadas por vectores de coma flotante V = [xy0]. Cuando el álgebra evolutiva cuenta t ← 0, se generan aleatoriamente n cromosomas para construir la población inicial, donde el i-ésimo cromosoma es Vi = [(x0)i(y0)i], donde (x0)i y (y0)i son los genes de Vi[16]. 2.3 Diseño de la función de grado de ajuste El grado de ajuste de la función de grado de ajuste es una medida del grado en que la población individual puede alcanzar, aproximarse o promover la solución óptima en el grado de cálculo de optimización. La función que mide la aptitud de un individuo se llama función de aptitud. La función de aptitud es el estándar para distinguir la calidad de los individuos de una población y también es la fuerza impulsora para la evolución del algoritmo. Dado que la posición central de la superficie de deslizamiento tiene un cierto rango, el análisis de estabilidad general de los clavos del suelo es un problema de optimización restringido. Al construir la función de aptitud, las condiciones de restricción se utilizan para incorporarla dinámicamente, es decir, una función de aptitud. con un término de penalización cambiante. La función de la función de penalización es penalizar a los individuos que no tienen soluciones factibles correspondientes en el espacio de soluciones al calcular la aptitud de un individuo, a fin de reducir la aptitud del individuo, reduciendo así la probabilidad de que el individuo sea heredado en el población de próxima generación, y facilitando la orientación de la búsqueda, mejorando así la probabilidad de encontrar la solución óptima global. Dado que el cálculo del factor de seguridad en el análisis de estabilidad general de estructuras de clavos del suelo es un problema con un valor mínimo restringido, la función objetivo debe transformarse para establecer una función de idoneidad.
2.4 Operación de competencia y selección: Según la idoneidad correspondiente a Vi, se utiliza la mejor estrategia de retención para realizar la operación de supervivencia del más apto, y los mejores individuos hasta el momento son directamente retenidos para la siguiente generación o al menos igual a la generación anterior para garantizar la optimización Los individuos no serán destruidos por operaciones genéticas como el cruce y la mutación, asegurando así la convergencia del algoritmo genético.
2.5 Operaciones de cruce y mutación El cruce es la operación genética más importante en el algoritmo genético y también es una característica importante que la distingue de otras operaciones evolutivas.
La operación de cruce aritmético es un intercambio lineal de dos pares de cromosomas coincidentes en la población, intercambiando parte de los genes entre ellos, generando así nuevos cromosomas. La operación de mutación consiste en cambiar aleatoriamente uno o más genes en el cromosoma con una probabilidad muy pequeña, es decir, cambiar aleatoriamente uno o más genes en un cromosoma determinado Vi = [(x0)i(y0)i] con probabilidad de mutación, por lo que generando nuevos individuos.
Para reducir la posibilidad de soluciones óptimas locales durante el proceso de evolución, se han mejorado el operador de cruce y el operador de mutación respectivamente. El método específico es: para individuos con menor aptitud física, tome un valor de pc del operador cruzado y un valor pm del operador de mutación más grandes para aumentar la velocidad de búsqueda; para individuos con mayor aptitud, tome un valor de pc del operador cruzado más pequeño y un valor pm del operador de mutación para reducir el; posibilidad de converger a la solución óptima local [17-18]. Entre ellos: pc1 y pc2 son los límites superior e inferior de la probabilidad de cruce; pm1 y pm2 son los límites superior e inferior de la probabilidad de mutación; f' es el valor de aptitud mayor entre los dos individuos cruzados, favg y fmax representan respectivamente a los individuos en; la población actual La aptitud promedio y la aptitud máxima [19].
2.6 El bucle de terminación de iteración realiza las operaciones de los pasos 2.3-2.5 hasta que la función objetivo f (X, λ) alcanza un valor satisfactorio o alcanza un número predeterminado de generaciones, y finaliza el cálculo. En este momento, la combinación de variables de diseño correspondiente a f (X, λ) es la superficie de deslizamiento más peligrosa.
3 Aplicación de ingeniería
El tamaño del pozo de cimentación de un edificio de gran altura es de 110 mx 78 m, la profundidad es de 7,8 m, la capa superior es de 1,9 m de tierra rellena y la segunda capa es de arena fina de 0,8 m, la tercera capa es de arcilla limosa de 2,7 m, la cuarta capa es de suelo calcáreo de 1,8 m y la capa inferior es de arenisca fuertemente diferenciada con un espesor superior a 12 m. de cada capa se muestran en la Tabla 1. Los parámetros mecánicos de cada capa de suelo se muestran en la Tabla 1. El pozo de cimentación adopta una estructura de soporte de clavos para el suelo y el ángulo entre la pared de los clavos para el suelo y el plano horizontal es de 80°.
4 Conclusiones
1) Se analizó la estabilidad de la estructura de soporte de los clavos del suelo en suelo heterogéneo estratificado mediante un método de refuerzo simple, y se obtuvieron los modelos de búsqueda y superficie de deslizamiento más peligrosos. Fórmulas de cálculo de factores mínimos de seguridad. Los métodos de cálculo del suelo en capas heterogéneas y el suelo homogéneo equivalente se comparan y analizan mediante ejemplos. Los resultados muestran que el cálculo del suelo homogéneo equivalente mejora significativamente el factor de seguridad mínimo de la estructura de soporte de los clavos del suelo, lo que no favorece el soporte de los clavos del suelo. estructura general. ) En vista de las deficiencias del algoritmo genético, como la convergencia prematura a la solución óptima local y la convergencia lenta cerca del valor óptimo, se utiliza tecnología adaptativa dinámica para mejorar el algoritmo genético, lo que no solo mejora en gran medida la capacidad de búsqueda espacial, sino que también mejora el desempeño de individuos destacados en la población. La tasa de cruce y la tasa de mutación aumentan la posibilidad de obtener la solución óptima global. 3) Aplicar el método DAGA al campo del análisis de estabilidad general de las estructuras de soporte de clavos del suelo y establecer un algoritmo de optimización global que pueda buscar de manera eficiente las superficies deslizantes más peligrosas de las estructuras de soporte de clavos del suelo y que tengan factores de seguridad extremadamente correspondientes. El análisis de ejemplos muestra que, en comparación con los algoritmos genéticos tradicionales, el método DAGA propuesto en este artículo tiene más ventajas en cuanto a velocidad de cálculo y eficiencia de búsqueda.
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