多元组合桩式复合地基优化机理与布桩拓扑优化方法

With the extensive combination of foundation treatment technology and composite foundation theories, a series of new design methods and concepts, which focus on the optimization, appear recently. development of these methods is the urgent need of the development of composite foundation theory. A combination of methods of numerical calculation and prototype observation will be adopted in this project, and the detailed scope of this work includes the following: (1) To analyze common working mechanism and variations of each bearing stage of the entire system of multivariate pile composite foundations to seek common characteristics of different classes of optimization methods; (2) To summarize fragmented and isolated composite foundation methods to establish a systematic and theoretical composite foundation optimization theoretical framework; (3) To study granular pile composite foundation to improve the shallow reinforcement technology, and to combine shallow reinforcement and deep post-construction grouting technology to explore the composite foundation post-construction reinforcement optimization technology; (4) Using continuum structural topology optimization theory to study multiple-composite ground under rigid foundation to seek the method of reasonable layout of pile type of composite foundation, and using model test to verify the method mentioned above to provide theoretical support for multiple composite foundation. This research will deepen the composite foundation theory and promote the theory from basic theory to optimized theory, and has the important theory and the practical significance.

当前，地基处理技术与复合地基理论的广泛结合，出现了许多以优化为目的的设计方法与理念，深化和发展这些方法是复合地基理论发展的迫切需要。本项目拟采用数值计算和原型观测相结合的方法，分析多元组合桩式复合地基整个系统的共同工作机理和各承载阶段的变化规律，探索达到优化目的的组合标准，建立优化组合的参数体系和各类优化方法的设计原则，寻求各类优化方法的共性特点，建立复合地基优化理论框架体系；以散体桩复合地基为对象，完善工后浅层加固技术，并探讨工后浅层加固与深层后灌浆或者注浆技术相结合的复合地基工后加固优化技术，提出简化设计方法；以刚性基础下多元复合地基为对象，研究采用连续体结构拓扑优化理论确定复合地基合理布桩型式的方法，并进行模型试验验证。项目的研究必将促进复合地基由基础理论向优化理论的发展，具有重要的理论和实际意义。

本项目针对多元桩式复合地基中各类桩如何组合优化和布桩问题，主要从黄土地区桩式复合地基的组合承载机理、碎石桩浅层加固技术和复合地基布桩拓扑优化方法三个方面，开展了系列模型试验、数值分析和理论推导工作，获得以下研究成果：（1）初步建立了复合地基优化的基本框架体系，从“设计主体优化”、“施工主体优化”和“系统综合优化”的三方面，综合概括了现今诸多组合优化技术，提出复合地基多元组合不仅应该关注桩体优化组合，还应该注重采用逆作法、工后加固等优化措施，充分利用上覆荷载对地基的压密、固结等作用和反馈设计的优势，从施工方式变化上进行优化，同时还应综合考虑各部分的综合优化效果；（2）研制了复合地基模型试验系统，进行了多组室内模型试验，并基于剑桥模型开展了系列数值分析，对长短桩、软硬桩组合复合地基的承载机理，以及荷载体（刚性、柔性的基础）、加强体（桩式和层式）、基本体（未加固的天然地基）和辅助体（桩台、褥垫）之间相互作用关系进行了研究，证明长桩和硬桩对减小沉降和提高承载力起决定作用，而短桩和软桩对长桩和硬桩的维护及对桩间土的承载力的发挥具有重要作用；（3）提出了碎石桩复合地基浅层加固技术方法，对Brauns公式进行改造推导了浅层加固后地基承载力的计算公式，并提出浅层加固后碎石桩复合地基的简化设计计算方法，进行了室内模型试验验证，揭示了不同加固深度下碎石桩鼓胀破坏的形态和影响因素；（4）针对复合地基布桩优化中存在的双模量、多相、病态工况、多工况等特殊情况，开展了系列基本拓扑优化理论问题分析方法研究，提出了双模量材料拓扑优化方法、鲁棒优化方法、多工况和病态工况拓扑优化方法。综合运用以上拓扑理论的基本方法，结合复合地基布桩的特点，提出了复合地基布桩拓扑优化的子域法，获批国家发明专利和软件著作权。（5）发表论文17篇（SCI 5篇，EI 5篇），培养研究生7名。项目成果可为多元组合复合地基的设计优化和布桩优化提供理论和技术支撑。