CN110399679B - 一种地基基础位置优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地基基础位置优化设计方法，包括以下步骤：S1、根据基础布置范围和已有基础的几何形状，将基础布置范围的边界、已有基础的边界转化为有向线段，并通过有向线段规划出可布置新的地基基础的范围；S2、根据进入块体概念求出各有向线段的进入边界，将新的地基基础到基础布置范围的边界和已有基础的边界的距离转化为新的地基基础中参考点到进入边界的距离；S3、通过地基基础最优距离求解算法，以距离最大为目标确定出新的地基基础的最优设置位置。

Description

一种地基基础位置优化设计方法

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，尤其涉及一种地基基础位置优化设计方法。

背景技术

随着我国基础建设的飞速发展，在已有大量地基基础的区域内布置新的构筑物的基础，是岩土工程设计中经常遇到的问题。由于地基基础几何形态的复杂性、已有基础分布的不确定性，如何高效、快速确定最优位置一直是基础设计关注的难题之一。

发明内容

本发明目的是针对上述问题，提供一种可以简单迅速的找到新的地基基础设置位置的地基基础位置优化设计方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种地基基础位置优化设计方法，包括以下步骤：

S1、根据基础布置范围和已有基础的几何形状，将基础布置范围的边界、已有基础的边界转化为有向线段，并通过有向线段规划出可布置新的地基基础的范围；

S2、根据进入块体概念求出各有向线段的进入边界，将新的地基基础到基础布置范围的边界和已有基础的边界的距离转化为新的地基基础中参考点到进入边界的距离；

S3、通过地基基础最优距离求解算法，以距离最大为目标确定出新的地基基础的最优设置位置。

进一步的，所述步骤S1中将基础布置范围的边界转化为有向线段后按逆时针方向进行离散操作，其沿着有向线段前进方向的左侧为可布置新的地基基础的范围；将已有基础的边界转化为有向线段后按顺时针方向进行离散操作，其同样沿着有向线段前进方向的左侧为可布置新的地基基础的范围。

进一步的，所述步骤S2中求出各有向线段的进入边界包括以下步骤：

S21、根据进入边界概念计算出基础布置范围的边界、已有基础的边界转化的有向线段离散后对应的可能进入边界；

S22、对可能进入边界进行线段求交，删除多余的可能进入边界，形成最终的进入边界。

进一步的，所述步骤S3中地基基础最优距离求解算法包括以下步骤：

S31、计算进入边界中线段与线段之间的最大内切圆，并记录该最大内切圆的半径；

S32、计算进入边界中节点与线段之间的最大内切圆，并记录该最大内切圆的半径；

S33、计算进入边界中节点与节点之间的最大内切圆，并记录该最大内切圆的半径；

S34、将步骤S31、S32、S33得到的最大内切圆的半径进行排序，得到半径最大的内切圆即为新的地基基础的最优设置位置，其中，该内切圆的圆心坐标即为新的地基基础的参考点坐标，该内切圆的半径即为新的地基基础与基础布置范围的边界、已有基础的边界的最大距离。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

本发明通过“接触理论”中“进入块体”的基本概念，将新的地基基础与基础布置范围的边界、已有基础的边界的位置关系完全转化为新的地基基础参考点与“进入边界”之间的关系，从而可以精确迅速的求得新的地基基础的最优设置位置及新的地基基础与基础布置范围的边界、已有基础的边界之间的距离，给地基工程施工带来了极大的便利。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是基础布置范围的边界、已有基础的边界转化为有向线段的定义；

图2是实施例中虚拟的已有基础、布置范围、拟添加基础；

图3是“进入块体”点线关系判断示意图；

图4是根据图2建立的可能进入边界；

图5是根据图2建立的最终进入边界；

图6是进入边界中线段与线段之间的最大内切圆计算方法示意图；

图7是进入边界中顶点与线段之间的最大内切圆计算方法示意图；

图8是进入边界中三个顶点之间的最大内切圆计算方法示意图；；

图9是在图2中建立的最终优化设计方案；

图10是本发明的实现流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

如图1至图10所示，本发明提出了一种基于“进入块体”的地基基础位置优化设计方法，该方法通过“接触理论”中“进入块体”的基本概念，将复杂地基基础与已有基础、边界之间的位置关系完全转化为基础参考点与“进入边界”之间的关系，可以精确求得新增基础的最优位置及与其他基础、边界之间的距离。

为实现上述目的，采用的技术路线和具体步骤如下：

(1)根据基础布置范围和已有基础几何形状等特征，将基础布置边界、已有基础转化为一系列有向线段；

(2)根据2015年石根华提出的“接触理论”中“进入块体”的概念求出各有向线段的“进入边界”，将基础到边界和已有基础的距离转化为基础上某一参考点到“进入边界”的距离；

(3)最后通过基于任意分布形式地基基础最优距离求解算法，以距离最大为目标确定基础最优位置；

其中步骤(1)的具体步骤包括：

将已有地基基础边界按顺时针方向离散，则沿着线段前进方向左侧为可布置新的地基基础位置，如附图1中(a)所示；

地基基础多边形D_j由一系列按顺序排列的顶点

来描述，可用下式表示为：

式中j表示顶点在地基基础多边形界D_j中的局部编号，h1为多边形D_j的顶点总数；为表示方便，将多边形界面D_j最后一个点与第一点设为重合以形成闭合环路，即

节点按顺时针排序，则沿着线段前进方向左侧为可布置新的地基基础位置。

如图1中(a)所示的多边形地基基础多边形界D_j，共有4个顶点，其中第5个顶点与第1个顶点重合。

地基基础多边形界D_j的边界为：

式中

为地基基础多边形界D_j的边界线段，通过该描述可将地基基础离散为一系列有向线段。

(1.2)将基础布置范围边界按逆时针方向离散，则同样沿着线段前进方向左侧为可布置新的地基基础位置，如附图1中(b)所示。

在改变边界节点存储方向的前提下，与(1.1)的定义相同，地基基础布置边界B和有向线段离散可以表示为(如附图1中(b)所示)：

在改变边界节点存储方向的前提下，与(1.1)的定义相同，地基基础布置边界B和有向线段离散可以表示为(如附图1(b)所示)：

根据上述定义建立的分析模型示意图如附图2所示。

其中步骤(2)的具体步骤包括：

(2.1)根据“进入边界”计算原则求解离散后边界对应的所有可能进入边界；

为解决复杂多边形相互关系判断，引入石根华“接触理论”中进入块体E(A，B)的基本概念。

复杂的多边形运算很难直接求得，E(A，B)可以通过其边界描述，因此求E(A，B)就是求边界

石根华接触理论推导了可能作为边界的数学表达式，并通过严格的数学证明。

式中A(0)、B(0)为多边形顶点集合与式(1)中

对应；式中A(1)、B(1)为多边形边界面集合与式(2)中

对应。C(0，1)＝B(1)-A(0)+a₀为点线接触、C(1,0)＝B(0)-A(1)+a₀为线点接触。

通过上述公式，将复杂的多边形运算转化点与线段之间简单的点集运算。为简化计算过程，石根华接触理论对C(0，1)、C(1,0)能否作为进入边界进行进一步判断。

式中

为多边形过顶点的两条边的方向向量，

为有由向线段指向右侧的垂线的方向向量，如附图3所示。其物理意义为，多边形顶点的两条边均在线段对应的块体外侧。

通过上述定义计算得到的，进入块体边界示意图如附图4所示。

(2.2)对所有可能进入边界进行线段求交，删除多余的可能进入边界，形成最终的进入边界。

首先对所有可能进入边界两两求交，将所有交点记录并存储；然后对可能进入边界内交点进行排序，并根据交点位置将原有进入块体边界进行离散，边界方向与原可能进入块体边界一致；删除在可能进入块体边界内的线段即为最终采用的进入块体边界，如附图5所示。通过上述处理将复杂的地基基础位置优化问题转化为参考点(a₀)位置优化问题。

其中步骤(3)的具体步骤包括：

(3.1)计算线段与线段控制的最大内切圆，记录最大内切圆半径即为该类型确定的最大距离；

如附图6所示，首先根据两条边界方向及空间关系，判断是否存在内切圆；然后求出内切圆圆形轨迹线段(L₀)；引入其他边界限定条件(不能与其他所有边界线段相交)，计算当前边界组合条件按下最优内切圆圆心位置(P_i)及最大内切圆半径(R_i)。重复上述过程，遍历所有的线段与线段控制最大内切圆，记录最优内切圆圆心位置(P_i)及最大内切圆半径(R_i)。

(3.2)计算节点与线段控制的最大内切圆，记录最大内切圆半径即为该类型确定的最大距离；

如附图7所示，首先根据顶点边界空间关系，判断是否存在内切圆；然后求出内切圆圆心轨迹曲线(L₀)；引入其他边界限定条件(不能与其他所有边界线段相交)，计算当前边界组合条件按下最优内切圆圆心位置(P_i)及最大内切圆半径(R_i)，如果最大值出现在圆心轨迹曲线(L₀)的端点则转化为(3.1)对应的线段与线段的情况，因此不记录该结果。重复上述过程，遍历所有的线段与线段控制最大内切圆，记录最优内切圆圆心位置(P_i)及最大内切圆半径(R_i)。

(3.3)计算三个顶点确定的最大内切圆，记录最大内切圆半径即为该类型确定的最大距离；

如附图8所示，首先根据三个顶点空间关系，判断三个顶点确定的圆是否满足内切圆的要求；然后求出圆心位置(P_i)及半径(R_i)。重复上述过程，遍历所有的三个顶点形成的圆满足，记录最优内切圆圆心位置(P_i)及最大内切圆半径(R_i)。

(3.4)根据实际情况，引入限定方程，计算最大内切圆半径及圆形坐标，圆心坐标即参考点坐标，半径为最大距离。

对(3.1)、(3.2)、(3.3)所有记录的数据按最大内切圆半径(R_i)进行排序，得到半径最大的内切圆即为新的地基基础的最优设置位置，其中，该内切圆的圆心坐标即为新的地基基础的参考点坐标，该内切圆的半径即为新的地基基础与基础布置范围的边界、已有基础的边界的最大距离。

Claims (3)

1.一种地基基础位置优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、根据基础布置范围和已有基础的几何形状，将基础布置范围的边界、已有基础的边界转化为有向线段，并通过有向线段规划出可布置新的地基基础的范围；

S2、求出各有向线段的进入边界，将新的地基基础到基础布置范围的边界和已有基础的边界的距离转化为新的地基基础中参考点到进入边界的距离；

S3、通过地基基础最优距离求解算法，以距离最大为目标确定出新的地基基础的最优设置位置；

S31、计算进入边界中线段与线段之间的最大内切圆，并记录该最大内切圆的半径；

S32、计算进入边界中节点与线段之间的最大内切圆，并记录该最大内切圆的半径；

S33、计算进入边界中节点与节点之间的最大内切圆，并记录该最大内切圆的半径；

S34、将步骤S31、S32、S33得到的最大内切圆的半径进行排序，得到半径最大的内切圆即为新的地基基础的最优设置位置，其中，该内切圆的圆心坐标即为新的地基基础的参考点坐标，该内切圆的半径即为新的地基基础与基础布置范围的边界、已有基础的边界的最大距离。

2.如权利要求1所述的地基基础位置优化设计方法，其特征在于：所述步骤S1中将基础布置范围的边界转化为有向线段后按逆时针方向进行离散操作，其沿着有向线段前进方向的左侧为可布置新的地基基础的范围；将已有基础的边界转化为有向线段后按顺时针方向进行离散操作，其同样沿着有向线段前进方向的左侧为可布置新的地基基础的范围。

3.如权利要求2所述的地基基础位置优化设计方法，其特征在于：所述步骤S2中求出各有向线段的进入边界包括以下步骤：

S21、根据进入边界概念计算出基础布置范围的边界、已有基础的边界转化的有向线段离散后对应的可能进入边界；

S22、对可能进入边界进行线段求交，删除多余的可能进入边界，形成最终的进入边界。

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