施工技术与应用 口曩四日 基于遗传算法的基桩损伤定量研究 摘要：本文在建立桩土数值计算模型的基础上，利用有限元方法，划分单元，通过遗传算法的迭代，把工程实际得到的桩顶响应 曲线与计算得到的响应曲线进行拟合，从而能够定量的得到损伤单元的位置及损伤程度。 关键词：基桩，反射波法，响应曲线，遗传算法，刚度，定量分析 一、引言 桩基础作为一种重要的基础形式，并且随着高层建筑的层高增加，或结 构体型复杂、层数相差悬殊的建筑以及地下空间的开发利用越来越广泛，从 而对桩基的检测也提出了更高的要求，目前在实际工程中低应变反射波法是 桩基完整性动测技术中最为广泛的检测手段之一，其基本原理是通过分析在 桩顶处接收到的反射波信号来判断桩基质量。但目前反射波法大部分仍然停 留在定性分析的基础上ｆ １２１，即多数情况仍然是根据反射波法的有关理论，凭 借技术人员的相关经验，对桩身可能出现的缺陷位置，缺陷的程度给出一个 大概的判断。而本文根据一维杆件振动理论，利用有限元方法１３１，划分桩单元， 利用遗传算法ｆ４Ｉ５Ｉ叼，通过对物理模型得到的桩顶响应曲线与工况得到的响应 曲线的拟合，从而得到模型中的桩的损伤情况。 二、数学模型 （一）桩基计算模型的建立 基本假定如下： １、桩为有限长等截面均质弹性杆，桩长为 ，截面积为Ｓ，截面周长为Ｃ，装 的材料密度为 ，弹性模量为 ； ２、桩侧土为均质土； ３、桩侧土、桩底土对桩的作用简化为线性弹簧和线性阻尼并联的方式耦合； ４、桩侧土的剪切应力与深度 无关； ５、桩身的横向效应忽略不计。 （二）有限元模型的建立及其主要参数 采用一维杆单元建立桩一土有限元模型结构，桩长为１０米，结构共划分为 １Ｏ单元，其中桩单元为９单元，将桩侧土对桩的作用以等效刚度，等效质量，等 效阻尼的方式加入到桩单元中去，第１０单元为桩底土单元，桩顶施加半波正 弦激励力。 根据有限元基本理论，生成个单元的刚度矩阵、质量矩阵， Ｋ ｅ】＝孚１ １ Ｉ［ ］＝ Ｉ二 致质 Ｅ一弹性模量，Ａ一截面面积，ｐ一桩的密度和质量密度，卜＿单元长度 从而得出整体刚度矩阵和整体质量矩阵，由公式［ｃ】＝ ［ 】＋ ［ 】， 得到瑞利阻尼矩阵，其中＝ａＯ．０５，３＝Ｏ．２。 有动力学基本方程： Ｍｘ（ｔ）＋Ｘｘ（ｔ）＋Ｃｘ（ｔ）＝／（ｆ） 肘一整体质量矩阵，Ｋ一整体刚度矩阵，Ｇ一整体阻尼矩阵 ｆ）一图２中所 示的半波正弦激励力。 ￣ｗｉｌｓｏｎ一嗽，编制ＭＡＴＬＡＢ程序，可得出桩顶单元的位移ｘ（ ）、速度、 ｆｔ）加速度 （ｔ）时程曲线。 （三）根据遗传算法，对实际与计算得到的响应曲线拟合，得到模型中刚 度变化的位置和程度。 采取单元刚度损伤系数为个体，初始种群共取４Ｏ个个体，交叉概率取 ｏ．８，变异概率取ｏ．０５。 遗传算法的具体实现步骤 第一步：产生初始种群，初始种群也称进化的第一代，该群体代表了优化 问题的一些可能解的组合。解群越大，解群中串的多样性越高，参与运算的串 的数量越多，算法陷入局部解的危险越小。 第二步：计算各个个体的适应度，遗传算法在进化搜索中基本不利用外 部信息，仅以适应度函数为依据，利用种群中每个个体的适应度来进行搜索。 因此适应度函数的选择至关重要，直接影响到遗传算法的收敛速度以及能否 找到最优解。一般来讲，适应度函数是由目标函数变换而来的，其设计应满足 单值、连续、非负、合理、计算量小等条件。 若目标函数为最小问题，则Ｆｉｔ（ｆ（ｘ））＝ —二 １ （１．１）；若目标函数 ｌ－４－Ｃ＋－，Ｌ驯 １ 为最大，则Ｆｉｔ（ｆ（ｘ））＝■—二 （２．２）．本文用界限构造法的改进作为适 １＋ｃ—Ｊ Ｊ 应度函数。在损伤诊断的优化计算中，目标函数是响应曲线的误差函数，为最 小问题，，因此适应度函数为（１．１），由于本问题误差函数的最小值为０，故取 １ ｃ＝Ｏ，此时适应度函数为，Ｆｉｔ（ｆ（ｘ））＝ — ，适应度函数的最大值为１． １十＿，Ｌ Ｊ 第三步：选择操作，选择的目的是为了从当前群体中选出优良的个体，使 他们有机会作为父代用来重组或交叉产生个体后代，个体适应度越高，其被 选择的机会就越多。首先计算出每个个体的适应度，有按比例的适应度和基 于排序的适应度两种计算方法。然后按照适应度进行父代个体的选择，选出 用于交叉的个体。 第四步：交叉操作，许多生物体的繁衍是通过染色体的交叉完成的。在遗 传算法中使用了这一概念，并把交叉作为一个算子，目的是为了能够在下一 代产生新的个体。交叉操作是把两个父个体的部分结构加以替换重组而生成 新个体的操作，通过重组交叉使遗传算法的搜索能力得以飞跃的提高，是遗 传算法中获取新优良个体的最重要手段。 第五步：变异操作，重组以后是子代的变异，在生物体的繁衍过程中变异 是一个重要的步骤。变异实际上子代基因按小概率扰动产生的变化。变异本 身实际上是一种局部随机搜索，与选择和交叉算子结合在一起，同时保证种 群的多样性，防止出现非成熟收敛，在变异操作中，变异概率不能取得太大， 如果变异率大于０．５，遗传算法就退化为随机搜索，而遗传算法的搜索能力也 就不存在了。本文根据编码的原因，用二进制编码操作。 三、算例 算例一： 桩长ｌ０米，共分为１０个单元，桩顶施加半波正弦激励力，时间步长： ０．０６ｍｓ；桩身截面积取０．１９６ｍ。；桩身质量密度：２４００ｋｇ／ｍ’；波速：取为３２００ｍ／ｓ； 取激振力冲量Ｉ＝ＩＮ Ｊｓ，脉冲宽度ｔ＝１．２ｍｓ； 其中第５单元刚度发生损失，损失量为５０％，通过计算得到的损伤位置， 和损伤程度与工况模拟的比较如下图。 下转第３９８页） ‘３９３‘ 施工技术与应用 ６、喷射混凝土 混凝土的配合比一般为水泥：砂：石子：速凝剂＝ｌ：２：１．５—２．０：Ｏ．０３～ ８实例介绍 ０．０４，水灰比０．４～０．５，砂含水率５％一７％，石子含水率２％。干拌合料应随搅随 １、工程概况 用，并完全搅匀。掺速凝剂后，停放时间不应超过２Ｏ分钟。 卡尔丹顿工业厂区～厂房Ａ／厂房Ｂ工程位于深圳市宝安区龙华大浪街道 喷射面需预先设置标记，以控制混凝土层厚度。每次喷射一般分二遍完 服装集聚基地内，总建筑面积４９６２８．７２ｎｆ，设有地下室一层，地下室平面基本 成：首遍先将加强筋全部护盖，混凝土初凝后再进行第二遍喷射，并找平至设 呈矩形，东西向长约６８ｍ，南北向宽约４１ ４４ｍ。地下室基坑深约４．３ｍ，局部（南 计图要求的厚度。 面偏西部位）深约５ｍ。 喷射混凝土时，喷嘴与被喷面的距离一般在０．６～１．０ｍ左右，并应尽量保 经测量放线，地下室（外墙边起计）的四边关系为：北面距城市主干道的 持垂直，以减少混凝土回溅。喷嘴沿螺旋形轨迹，一圈压半圈划圆，横向移动， 人行道约５ｍ，西面距另一幢已建建筑约８ｍ，南面④轴以西距民房７ｍ（距工地 自上而下，以宽１．５～２．０ｍ、高１．０～１．５ｍ为一个作业段，层层射捣，使得混凝土 均匀、密实。 ７、养护 围墙４ｍ），④轴以东为开阔空地，但东北角约１２ｍ￣ｂ有一排两层临街商铺。 ２、主要地质情况 场地地基土组成自上而下为第１层为杂填土，松散，透水性较强，层厚１．４～ 混凝土终凝２小时后，喷水养护，每天至少３次，养护时间不少于３天，以防 ４．１ｍ，平均厚度２．２３ｍ；第Ⅱ层为淤泥质土，流塑～软塑，层厚０．７～５．６ｍ，平均厚 混凝土早期脱水，产生收缩裂缝。 度２．２０ｍ，第Ⅲ层为粉质粘土，硬塑，粘眭较强，层厚０．７—７．２ｍ，平均．２０ｍ，第Ⅳ层 ６注意事项 为基岩与基岩风化层，主要为泥质粉砂岩，包括全风化带（平均厚度３．８４ｍ）、强 风化带（平均厚度２．５Ｏｒｅ）、中风化带（层ｌｇｏ．４～１９．２ｍ）、微风化带。 １、若施工现场的地下水较丰富，应先做好止水内幕或进行降水后才可进 场内地下水主要分布于填土层及残积土层中，埋深０．９～２．５ｍ，对混凝土 行锚喷支护结构施工。 结构无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋混凝土具弱腐蚀性，对钢结构具 ２、锚喷支护结构施工，应有可靠的排水措施，并且必须在完全排除基坑 弱腐蚀性。 内积水的情况下才可开始施工作业。 ３、基坑支护情况 ３、边坡顶部应设截水沟排水，以防地表水流人基坑内；并且应在边坡 根据设计图的要求，该工程基坑挖至淤泥质土层或粉质粘土层。 顶部将混凝土喷射层外翻１．０～１．５ｍ，形成护坡顶，以防地表水渗入边坡土 经比较多种支护方案并研究讨论，最后确定：在周边房屋与城市主干道 体内。 距离较近的部位，做止水与支护，东南部位则采取自然放坡的开挖方式。止水 ４、喷射混凝土前，需先将坡面松动的土体清除。开喷时，要先通风再给 采用互相咬合的Ｂ５００深层搅拌桩（水泥掺量１５％），桩距３５０，单排设置，自地 料、给水、终喷时，要先停料、停水再停风。不需喷射混凝土的部位。要预先 面深入相对不透水的粉土层１．０ｍ以上，且进人基坑底须不少于１．５ｍ。支护采 遮盖。 用钢花管注浆锚喷支护，锚杆为Ａ４８×３钢花管，长９～１２ｍ，打人倾角２０。；钢 ５、钢花管开始注浆前，或注浆中途停顿时间超过３Ｏ分钟时，应先用水或 花管内用不低于２０ＭＰａ强度的水泥浆灌注，注浆压力０．５ １．０ＭＰａ；Ｃ２０混凝土 稀水泥浆润滑注浆泵及其管路。 喷射层１２０厚，钢筋网Ｂ６＠２００×２００，加强筋Ｂ１６（ＩＩ级）。 ６、注浆过程中，要密切注意附近地表、地物的变动情况，若有异常，必须 自ｌ１月８日搅拌止水帷幕开工、１１３ｑ２６日锚喷支护动工后，历时４Ｏ天，整 立即降低注浆压力，减慢注浆速度，甚或停止注浆，并迅速采取有效的加固措 个基坑的止水、支护工作基本完成，基坑挖至设计深度，支护结构除东面中间 施，以及查明原因。 位置位移较大（达￣２０ｍｍ）以外，其余各处情况良好。 ７、当上层钢花管浆体达到设计强度７０％、又或注浆完成３天后，才可开始 下层边坡土方的开挖。 ７变形监测 １．按基坑支护技术规定及基坑设计图的要求对基坑进行变形监测。根据 周边情况，沿基坑顶部每隔２０ｍ左右设置一个位移观测点，对基坑变形进行 全面监测。 ２．支护结构施工期间，每天监测不少于二次；支护结构施工完成后，一周 监测一次。雨天及雨后应特别加强监测。 ３．监测的主要内容有：支护结构有无整体位移，坡顶位移是否较大或不 稳定、不收敛，坡顶、底面或临近基坑的地表、地物等有无出现变形、开裂，基 基坑支护示意图 坑的变形有无超过基坑设计图的预警值、允许值等。 参考文献： ４．若发现基坑有整体水平位移或垂直位移，必须立即停止施工，即刻采 ｆ１］《建筑桩基技术规范》（Ｊｑ９４—２００８） 取相应的加同措施，并及时与建设方、监理方及设计方联系。 ［２】《建筑地基基础过程施工验收规范》（ＧＢ５Ｏ２ｏ２—２００２） （上接第３９３页） 实际５单元的刚度损失为５０％，通过计算能很准确定位 到５单元上，计算刚度损失为５０．２％，对于一处损伤时，具有比较高的精度。 实际３、７单元的刚度损失为４０％和２０％，通过计算能很准确定位到３、７单 算例二： 元上，计算刚度损失分别为３７．７％和２３．１％。 桩长ｌ０米，共分为１０个单元，其它条件同算例一，其中第３、７单元刚度发 生损失，损失量分别为４０％和２０％，通过计算得到的损伤位置，和损伤程度与 四、结语 工况模拟的比较如下图。 （一）本文对两处以下刚度变化的桩基有较好的识别能力，能够给出比较 理想的损伤位置，并能够给出定量的刚度变化情况。 篓 毒 （二）本文加设桩周图阻尼等因素在桩身个单元均相同，而实际上，由于 桩周土的成层特性等因素的影响，应力波传播会随土层变化和不同，对考虑 土层随桩长变化时的桩身质量定量分析还有待进一步研究。 参考文献： ¨１陈凡，徐天平，基桩质量检测技术 ［２】徐攸在，刘兴满桩的动测新技术北京中国建筑工业出版社，１９８９．９—１２， 丑 ２６７２６８ 臻 量 ｆ３１李华军、黄维平。有限元方法．ｇ￣＿ＭＡＴＬＡＢ编程。中国海洋大学出版社，２００２ 『４］席裕庚，柴天佑，恽为民遗传算法综述，控制理论与应用，１９９６，１３（６）： 元幕 ６９７－７０８ ‘３９８・
