毕业设计《重力式挡土墙设计及其优化设计》.doc

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本科生毕业论文（设计）

题目:

重力式挡土墙设计及其优化设计

姓名:

学院:

专业:

班级:

学号:

指导教师:

职称:

2012年月日

南京农业大学教务处制

目录

摘要…………………………………………………………………………………………1

关键词…………………………………………………………………………………………1

Abstract…………………………………………………………………………………1

Keywords……………………………………………………………………………………1

1绪论…………………………………………………………………………………1

1.1挡土墙的概述………………………………………………………………………1

1.2土压力计算研究现状…………………………………………………………………1

1.3挡土墙设计方法………………………………………………………………………2

1.4挡土墙优化设计研究现状……………………………………………………………2

1.5毕业设计概述………………………………………………………………………2

2重力式挡土墙的常规设计…………………………………………………………………3

2.1工程概况………………………………………………………………………………3

2.1.1工程情况………………………………………………………………………………3

2.1.2设计数据………………………………………………………………………………3

2.2挡土墙类型的选择………………………………………………………………………3

2.3墙后回填土的选择………………………………………………………………………4

2.4边坡稳定性分析…………………………………………………………………………4

2.5土压力的计算……………………………………………………………………………5

2.6挡土墙自重及重心………………………………………………………………………6

2.7抗滑移稳定性验算………………………………………………………………………6

2.8抗倾覆稳定性验算………………………………………………………………………6

2.9地基承载力验算………………………………………………………………………6

2.10墙身强度验算………………………………………………………………………7

3重力式挡土墙优化设计……………………………………………………………9

3.1数学模型的建立…………………………………………………………………………9

3.1.1概述与分析……………………………………………………………………………9

3.1.2目标函数……………………………………………………………………………10

3.1.3约束条件……………………………………………………………………………10

3.1.4整理与矩阵化…………………………………………………………………………11

3.2优化程序编写……………………………………………………………………………11

3.2.1程序代码……………………………………………………………………………12

3.2.2运行结果……………………………………………………………………………13

3.3遗传算法优化……………………………………………………………………………13

3.3.1程序代码……………………………………………………………………………14

3.3.2运行结果……………………………………………………………………………14

3.4对比分析…………………………………………………………………………………15

结论………………………………………………………………………………………17

致谢………………………………………………………………………………………18

参考文献……………………………………………………………………………………18

18

重力式挡土墙设计及其优化设计

工程管理专业学生×××

指导教师×××

摘要：

挡土墙是一种应用较广的构筑物，重力式挡土墙是其中最常见的一种形式。

本文所涉及的工程为对某高速公路路线上的一处土丘进行开挖后，挖槽两边所形成的土坡。

在进行土坡稳定性分析后，依据设计资料，采用传统的试算法设计了一堵重力式挡土墙。

由于假设墙背竖直、光滑，且墙后填土面水平等条件，采用了郎肯土压力理论计算土压力。

然后，运用matlab软件分别用fmincon函数和遗传算法对挡土墙截面进行了优化设计。

优化设计采用挡土墙上部宽度和上下部宽度差作为变量，以最小截面面积为目标函数。

最后，比较了常规设计结果与优化结果和普通优化与遗传算法优化结果。

经比较，采用遗传算法得到的优化结果最优。

关键词：

重力式挡土墙；优化设计；Matlab；遗传算法

Gravityretainingwall designand optimaldesign

Studentmajoringinengineeringmanagement×××

Tutor×××

Abstract：

Retainingwallisakindofstructureswhicharewidelyused,andgravityretainingwallisoneofthemostcommonformsofit.Thepapertalksabouttheslopeofadugearthhummockwhichisinthewayofahighway.Afteranalyzingtheslopestability,designsagravityretainingwallaccordingtothedesignmaterialbyusingthetraditionaltrialmethod.Becausewepresumethebackofthewallsmoothandvertical,andthefilledsoilsurfacehorizontal,weuseLangKenearthpressuretheorytocalculatetheearthpressure.Then,thepaperusesMatlabsoftwaretooptimizethesectionsizewithfminconfunctionandseparatelywithgeneticalgorithm.Maketheupsidewidthandthedifferenceoftheupsidewidthandthebottomwidthasvariables,andtheminimumsectionareaastargetfunction.Finally,thepapercomparedtheconventionaldesignresultsandtheoptimizationresults,commonoptimizationresultsandgeneticalgorithmoptimizationresults.Bycomparison,findthatusingthegeneticalgorithmtooptimizeisthebestway.

Keywords:

Gravityretainingwall；optimaldesign；Matlab；geneticalgorithm

1绪论

1.1挡土墙的概述

公路挡土墙是用来支承路基填土或山坡土体，防止填土或土体变形失稳的一种构造物。

在路基工程中，挡土墙可用以稳定路堤和路堑边坡，减少土石方工程量和占地面积，防止水流冲刷路基，并经常用于整治坍方、滑坡等路基病害。

在山区公路中，挡土墙的应用更为广泛。

1.2土压力计算研究现状

土压力分为静止土压力、主动土压力和被动土压力，重力式挡土墙所受土压力为主动土压力。

目前土压力计算方法主要有三类。

一是极限平衡理论，包括郎肯土压力理论和库伦土压力理论。

郎肯土压力理论假设墙背铅直、光滑，填土水平。

库伦土压力理论假设填土是无粘性土、滑动面为通过墙踵的平面且滑动楔形体为刚体。

二是协调变形计算方法。

赵建平、梅国雄[1]等人根据土压力的大小随挡土墙位移的变化而变化的特点，提出了考虑位移的土压力计算方法，并在此基础上推导了考虑位移的郎肯土压力理论。

三是有限单元方法。

克拉夫和邓肯[2]等建立了考虑土体实际应力-应变关系的有限元法。

1.3挡土墙设计方法

目前重力式挡土墙的设计多采用查表法设计或直接套用定型的设计图集，或凭经验初步拟定截面尺寸，然后验算其稳定性，并根据结果不断调整截面尺寸，直到满足要求[3]。

2009年程伟翔等人[4]结合地球引力场理论，对挡土墙确切的工作机理作出了一个比较切合实际的解释，指出挡土墙底部与接触岩土体间的摩擦力是挡土墙稳定的关键，对试算法提出了一种改进方案。

验算挡土墙的稳定性时，采用《GB50007—2002建筑地基基础设计规范》[8]（以下简称《规范》）的安全系数法。

验算包括抗倾覆稳定性验算、抗滑移稳定性验算、地基承载力验算以及墙身强度验算。

1.4挡土墙优化设计研究现状

传统的试算法要么难以达到经济合理,要么对设计人员的经验要求较高,局限性大,效率较低。

优化设计的实质是在一定约束条件下,寻求一组设计参数（变量）,使设计对象的某项设计指标达到最优。

对于挡土墙的优化设计来说,就是在满足挡土墙稳定性、墙身强度和地基承载力的条件下,寻求一组挡土墙截面尺寸,使挡土墙的造价达到最优。

当今许多学者已研究出为数众多的优化方法。

陈栋梁和党进谦[3]采用求目标函数S=f（x1,x2,...）在挡土墙强度条件及稳定性的约束条件下的极值的优化。

其主要思想是引入一个新的参数λ（即拉格朗日乘子），将约束条件函数与原函数联系到一起，使能配成与变量数量相等的等式方程，从而求出得到原函数极值的各个变量的解。

陈琼[3]基于复合形优化算法，编写了重力式挡土墙优化设计程序该方法。

他将机械优化设计方法应用到挡土墙的设计中,从而实现重力式挡土墙的优化设计。

复合形法是由n+1个以上的顶点组合而成的多面体。

他的基本思路是：

在可行域内构造一初始复合型，然后通过比较各顶点目标函数值，在可行域中找一目标函数值有所改善的新点，并用其替换目标函数值较差的顶点，构成新的复合形。

不断重复上述过程，复合形不断变形、转移、缩小，逐渐地逼近最优点。

当复合形各顶点目标函数值相差不大或者各顶点相距很近时，则目标函数值最小的顶点即可作为最优点。

美国学者Joh