Applications of Particle Swarm Optimization in Geotechnical Engineering: A Comprehensive Review

Particle swarm optimization (PSO) is an evolutionary computation approach to solve nonlinear global optimization problems. The PSO idea was made based on simulation of a simplified social system, the graceful but unpredictable choreography of birds flock. This system is initialized with a population of random solutions that are updated during iterations. Over the last few years, PSO has been extensively applied in various geotechnical engineering aspects such as slope stability analysis, pile and foundation engineering, rock and soil mechanics, and tunneling and underground space design. A review on the literature shows that PSO has utilized more widely in geotechnical engineering compared with other civil engineering disciplines. This is due to comprehensive uncertainty and complexity of problems in geotechnical engineering which can be solved by using the PSO abilities in solving the complex and multi-dimensional problems. This paper provides a comprehensive review on the applicability, advantages and limitation of PSO in different disciplines of geotechnical engineering to provide an insight to an alternative and superior optimization method compared with the conventional optimization techniques for geotechnical engineers.     

Structural optimization in geotechnical engineering: basics and application

Structural optimization methods are used for a wide range of engineering problems. In geotechnical engineering however, only limited experience exists with these methods. The difficulties in applying such methods to geotechnical problems are discussed in this paper, and the adaption of the commonly known SIMP-method to geotechnical problems is introduced for a special case. An application example is used to present the potential of topology optimization methods, and the application to geotechnical engineering is evaluated.     

伊拉克某燃油气电站项目岩土工程勘察实录

盐渍土地基是工程建设中越来越多遇到的工程地质问题,国内学者从盐渍土的微观机制、工程特性和处理技术等方面进行了一定程度的研究工作,但盐渍土的研究仍处于相对滞后的状态。因此,开展盐渍土地基的勘察评价、微观机制和工程特性的研究,探讨工程处治措施,均具有重要的实际意义。本研究从岩土工程勘察实录的角度,对伊拉克某燃油气电站项目的盐渍土的成分、类型和分布进行了分析,对盐渍土地基进行了评价,提出了本工程盐渍土处理的原则和措施,针对场地特点提出了地基基础方案和岩土施工中应注意的问题,对同类岩土工程勘察具有一定的借鉴意义。     

柱下独立基础稳健性设计与分析

岩土工程随机参数统计特征的不确定性,使得岩土工程可靠度设计存在一定风险。岩土工程稳健性设计能够充分考虑随机参数的不确定性结合结构安全性、稳健性和经济性实现最优设计。针对随机参数统计特征的不确定性对柱下独立基础设计的影响,基于可靠度理论和岩土工程稳健性设计方法,考虑岩土参数、混凝土和钢筋材料力学参数统计特征不确定性的影响,以独立基础几何尺寸作为可控设计参数进行设计分析。将独立基础地基承载力、地基变形、基础结构冲切破坏和基础弯曲破坏4种失效模式视为串联系统,进行多失效模式下的结构体系稳健性设计,分析了多失效模式下结构几何参数与结构体系可靠度的关系。结合稳健性和经济性,进行了独立基础多目标优化设计,确定柱下独立基础设计的最优解。     

土工格栅加筋土地基平板载荷试验研究

在近年来的岩土工程实践中,土工合成材料加筋土技术得到越来越广泛的应用。采用平板载荷板试验方法,进行了多组加筋砂土地基模型试验,监测和分析了不同加筋材料（双向格栅与四向格栅）和加筋层数对土工格栅加筋土地基承载特性的影响。研究结果表明：土工格栅加筋土地基与无筋地基相比,承载性能得到改善,双层加筋明显优于单层加筋;土工格栅加筋限制了浅层地基的侧向变形,相同荷载下地基沉降减小,可恢复变形增大;模型试验中测得加筋材料应变和拉力很小,与土工格栅强度相比,拉伸模量对加筋土地基承载力的贡献更大。     

武汉市宝通寺地铁站基坑工程监测与分析

介绍了武汉市轨道交通二号线一期工程第20标段宝通寺地铁车站基坑工程的支护设计和监测方案,并对监测结果中基坑周围岩土体侧向水平位移和内支撑轴力进行了初步分析。监测结果表明：土层和岩层在基坑开挖过程中的侧向水平变形程度相差较大,且不同状态的土层侧向水平变形程度亦不相同;由于土层相对于岩层侧向变形较大,其支护时所表现出来的内支撑轴力亦比较大。因此,对于不同地层,进行基坑支护方案选择时应根据其不同变形性质进行合理的优化设计,对土层和岩层可采取不同的支护形式,以到达既安全又经济的目的。     

The need for Quaternary geological knowledge in geotechnical engineering

Engineering geology, like geotechnical engineering, is a new scientific subject in Denmark. Experience in the period since 1924 is laid down in the Danish Code of Practice for Foundation Engineering, which states that the geological conditions establish the foundation class and must be determined as early as possible during the soil investigations by experienced geologists and engineers. The consequences are illustrated by some examples from geotechnical investigations performed at the Danish Geotechnical Institute:
• The economic foundation of a small wooden building on the brink of a postglacial lake and fiord basin at Vedbæk.
• The deep excavation for and foundation of a huge commercial center at Lyngby situated in the middle of a tunnel valley with more than 12 m late- and postglacial organic deposits, based on design and control in the high foundation class.
• The engineering geological modelling of the Quaternary development in the Danish North Sea. Applied geology plays an increasing part in geotechnical engineering as a prerequisite for economic and safe technical solutions. The future use of geological and geotechnical data bases will bring Quaternary geological knowledge into focus.     

基于无监督方法确定岩土参数取值

随着城市工程建设的发展,建筑工程事故问题愈发突出,采用传统方法求取的岩土参数区间无法满足实际工程需要。基于无监督学习思想,选取工程性质较差的泥炭质土,结合工程经验选用8个物理指标作为输入集,利用主成分分析（priciple components analysis, PCA）算法实现多样本多参数去耦合的降维处理,得出各物理指标相关性及敏感度,结合其相关性及敏感度赋予不同埋深泥炭质土物理指标的综合评价值。利用k-means聚类分析泥炭质土物理指标、综合评价值及工程特性之间的关系,为岩土参数选取提供理论基础。采用监督学习方法——BP神经网络算法分析无监督结果,验证（PCA—k-means）算法模型的合理性。将通过聚类分析得到的正态样本利用多种截尾法优化,得到可靠取值区间,并将取值结果与实际工程取值比较,验证了该模型工程参数取值的合理性。该算法模型具有较好的工程应用价值,所得研究结果可为工程勘察、设计、施工参数取值提供参考,也能为岩土参数取值分析提供新的分析方法。     

上海地下工程的技术问题

进入９０年代以来,上海的建（构）筑物迅速向高、大、深、重的方向发展,从而使地下工程的试验、研究、设计、施工和监测,成为上海岩土工程界的主攻方向。在软土地基上进行桩基旋工、开挖深基坑和沉井工程,都会对软弱土体产生扰动和破坏,推动稳定性的土体所表现的应用应变复杂过程,随时都会给工程带来危害。上海岩土工程界从众多工程事故实例中取得经验教训,摸索到一套行之有效的办法,对于常见的上海地下工程技术问题,从原理     

北京地区土体硬化模型参数的试验研究及工程应用

本文通过北京地区某实际工程现场取样,通过室内三轴试验、固结试验确定该区域土体硬化模型参数,其中无论是强度参数还是刚度参数都大于勘察报告提供的参数,最后通过有限元分析软件Midas;GTS中修正莫尔-库仑模型模拟基坑开挖过程,并与工程实测数据对比来验证硬化模型参数的适用性。通过三轴试验、固结试验确定土体的强度参数及刚度参数更加符合原状土的力学性质,能够更加合理地预测基坑变形、支护结构受力等,为优化岩土工程设计提供了新的参考。     

Comparison of two inverse analysis techniques for learning deep excavation response

Performance observation is a necessary part of the design and construction process in geotechnical engineering. For deep urban excavations, empirical and numerical methods are used to predict potential deformations and their impacts on surrounding structures. Two inverse analysis approaches are described and compared for an excavation project in downtown Chicago. The first approach is a parameter optimization approach based on genetic algorithm (GA). GA is a stochastic global search technique for optimizing an objective function with linear or non-linear constraints. The second approach, self-learning simulations (SelfSim), is an inverse analysis technique that combines finite element method, continuously evolving material models, and field measurements. The optimization based on genetic algorithm approach identifies material properties of an existing soil model, and SelfSim approach extracts the underlying soil behavior unconstrained by a specific assumption on soil constitutive behavior. The two inverse analysis approaches capture well lateral wall deflections and maximum surface settlements. The GA optimization approach tends to overpredict surface settlements at some distance from the excavation as it is constrained by a specific form of the material constitutive model (i.e. hardening soil model); while the surface settlements computed using SelfSim approach match the observed ones due to its ability to learn small strain non-linearity of soil implied in the measured settlements.     

天津地区岩土工程勘察中地震效应重点问题分析

场地和地基的地震效应评价是岩土工程勘察的一项重要任务。结合天津地区工程地质条件和岩土工程勘察现状,对场地和地基的地震效应评价所涉及的抗震设防烈度的确定、场地类别的划分、抗震地段的划分、液化判别、软土震陷、场地稳定性和适宜性评价等重点问题进行了探讨。     

公路工程建设中的岩土工程问题

公路工程建设呈现的岩土工程问题主要有地基稳定问题、边坡稳定问题、围岩稳定问题和渗透稳定问题。这些问题对工程的影响体现在变形和强度两个方面,根据工程的功能和性质,应考虑按变形控制或强度控制来确定工程安全标准和评价工程稳定性。基于岩土工程问题的产生条件,提出了在工程实践中应注重的内容及研究方向,如：路基岩土的强度与变形特性研究、地基处理技术及工程特性研究、深基础与地基相互作用研究、边坡稳定性评价方法研究、边坡治理技术及可靠性研究、围岩与结构应力变形研究、地下水对各种岩土体的作用研究等等。     

上海市第四系的工程地质研究

通过２０余项工程代表性的钻孔岩芯分析,对比了上海市１２０ｍ以浅晚第四纪各沉积层的成因类型,形成时代,岩性及其物理力学性质,并按地基工程要求。编制了“地基土层次名称表”。表中将沉积层划分为１２个工程地质层及众多亚层。在此基础上,参照已有２０００多项工程勘察资料,编制成多时段１：５万古地理图,从而摸清了本区各土层的空间分布规律及其结构变化特征。根据地层结构差异,编制了 桩基工程地质分区图”,阐述了天然地基和三个不同桩基区岩土工程地质条件及应用中需注意的事项,为上海市工程勘察、设计和麓工提供了可靠的科学依据。     

牢记先生教导,实践第一,积极促进工程地质与岩土工程殊途同归

本文以谷德振先生亲自领导和指导的武汉长江大桥岩基勘查和基础工程设计和施工作为范例,具体、生动地展现谷先生学术思想中最重要、放在首位的就是重视实践。这一学术思想归结起来就是重视工程前期的工程地质调查和勘探工作,到工程设计特别是施工中去进一步验证和修正,与岩土工程紧密结合,以确保安全、经济地完成某一项以地质灾害治理为目的地地质工程和/或专项土木工程。     

武汉市高层建筑岩土工程问题分析

武汉市是华中地区最大的城市,改革开放以来,兴建了许多高层建筑。高层建筑尤其是超高层建筑的主要特点是高度大、重心高、基底压力大及基础埋深大等。而武汉地区的地质条件又比较复杂,就第四纪地层而言,从最新沉积的各类软土如人工填土、淤泥类土、软塑状粘性土等,到全新世(Q4)沉积的各类砂土与卵砾石,直至晚更新世(Q3)及其以前沉积的老粘土均有分布。各类土层的厚度、深度及性质均变化较大。因此武汉地区高层建筑的岩土工程问题就显得复杂与多样,在众多复杂的岩土工程问题中,本文主要分析了比较突出的基础持力层与基础类型的确定,深基坑开挖中的边坡滑移、基坑涌水、流砂、突涌以及基坑防护等。通过对这些问题的分析,从中可以得出一些规律,对今后高层建筑的兴建具有一定的指导作用。     

饱和软土地基中PHC群桩贯入过程的能量耗散模型

软土地基中群桩稳定性分析是岩土工程的难点之一.通过对饱和软土地基中群桩贯入全过程的力学分析, 结合群桩效应与工作性能, 根据功能平衡原理, 建立了贯入过程中附加应力(含超静孔隙水压力)引起的耗散能量与外力做功、弹性势能三者的平衡关系; 同时, 针对饱和软土地基中高预应力管桩(PHC)的排土特性, 结合现行桩基规范, 分别给出了超静孔隙水压力势能、挤土耗散能、重力做功、超静孔隙水压力做功、摩擦耗能、土体弹性势能等的定量表达, 构建了PHC群桩贯入过程的能量耗散模型; 在此基础上, 导出了局部能量安全系数与整体能量安全系数.将上述模型应用于某工程PHC群桩基础的稳定性分析中, 并与数值模拟结果对比, 验证了该模型的合理可靠性, 对饱和软基中PHC群桩稳定性状态的判别具有一定指导意义.      

散粒材料压缩模量修正及群桩基础稳定性研究

天然沉积土在上覆土层重力作用下完成固结,其压缩模量大小和土层所受的前期固结压力大小直接相关。首先,分析岩土材料本构关系的主要影响因素,建立考虑模量随深度和体积应变变化的本构关系式;其次,建立桩基础稳定性问题的有限元求解格式,考虑水平荷载和下游冲刷深度对多种工况进行数值模拟分析;最后,根据计算结果,分析下游冲刷和水平荷载作用形成不对称接触边界对不同平面位置基桩受力特点,分析应力集中产生的原因及折屈失稳和整体稳定性问题。研究结果可为复杂大型工程群桩基础设计考虑桩、土及承台共同协调作用提供定量计算方法。     

福州轨道交通建设中的岩土工程问题

由于福州盆地工程地质条件的复杂性以及隧道工程的特殊性,在福州轨道交通建设过程中将遇到大量环境岩土工程问题。主要的环境岩土工程问题有:(1)隧道掘进范围内的承压含水层。承压含水层富水性、透水性强,由于开挖深度大,必须考虑下部承压水的影响,避免产生基坑突涌问题。砂砾卵石层直接覆盖于基岩裂隙热水上,受热水构造带高温热水的直接补给以及热传导,地下轨道交通建设对地热场是否存在影响以及地热对轨道交通的影响需要深入研究。(2)软土的大变形与低强度。导致地基失稳与土体结构强度破坏。(3)深大基坑开挖施工引发的可能灾变。基坑开挖易产生滑塌、流泥、突水(涌)、地表沉陷等问题,必须采取有效的支护措施,避免基坑失稳而影响工程安全及周边环境。对这些环境岩土工程问题,应加强勘察新技术的应用,查明建设场地岩土工程地质条件;采用人工地层冻结法、桩基托换技术进行施工;开发和利用适合本地区岩土条件的新技术、新工艺,如新型桩、新的止水、降水措施等基坑支护新技术,以及采用信息化施工新技术。     

通州规划新城岩土地基工程能力研究

岩土地基工程能力影响和制约着城市的规划和发展。通过对通州规划新城工程地质特征的分析研究,确定地基土的承载力、压缩性及不良地基土的分布等,为影响研究区岩土地基分类的主要控制因素。进一步将研究区地基条件分为5类,对各类地基条件进行了工程适宜性评价并提出了建议,为新城土地的合理规划、科学使用提供了前期地质支撑。