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摘要：随着我国生产力的大力发展，无论是在道路、桥梁还是众多水利工程都应用到了挡土墙技术，此技术的应用，不仅对路堤进行支撑，同时对堤坝填土和山坡填土都有好处。随着挡土墙技术的不断进步和发展，挡土墙的设计形式已经发展到多种多样，其中重力式挡土墙因为取材方便、施工简单、造价便宜的优点被广泛应用到建筑施工方面。其中模式搜索算法利用Matlab优化工具箱实现了挡土墙的优化设计。基于此，本文首先简单的对重力式挡土墙的发展现状简要分析，随后详细分析一下模式搜索算法。以此仅供相关人士进行交流与参考。
关键词：重力式挡土墙；优化设计
引言：
近年来，随着各相关部门对重力式挡土墙的深入研究，重力式挡土墙的设计方法也越来越多，相比于需要首先设计参数，假定截面的形式和尺寸的传统方法，新型的设计方法不仅能够较快的确定截面尺寸，还可以很大程度上的减少工作量。而且一部分设计截面形式的方法无法充分利用重力来提高其抗滑移能力，本文主要介绍一下模式搜索算法，从而能够实现挡土墙的优化设计。
一、重力式挡土墙的发展现状
重力式挡土墙技术主要应用于建筑、交通、土木等大型工程中，而且随着经济和技术的飞速发展，建筑、土木工程项目也越来越大，重力式挡土墙的高度也越来越高，从而更高效的预防山体滑坡等问题。由于我国地大物博，沟壑纵横的黄土地带面积也比较大，在这些地区进行建筑工程，因为地貌特点，需要建立质量较好的重力式挡土墙来应对黄土滑坡等地质灾害，因此重力式挡土墙的截面优化设计研究已经成为现在建筑工程的主要研究方向之一。
重复设计方法是设计重力式挡土墙的传统方法，主要是依据之前的经验，再加之专业设计人员的预判来制定出设计方案，并逐步分析挡土墙结构的刚度和稳定性[1]。然后再根据相关成果对设计好的方案进行重复计算和修改，从而达到最好的设计效果。这种传统的方法不仅在方案拟定上浪费了大量的时间和人力，而且最终设计的方案也不一定能够达到预期的效果。在此基础上，设计人员对重力式挡土墙不断地设计和研究，发现模式搜索算法能够首先挡土墙的优化设计。模式搜索算法主要以墙背与竖直线的夹角、墙顶宽度、墙面与竖直线以及墙底与水平线夹角为基本变量，将挡土墙的截面面积设计为目标函数，最后利用Matlab来实现挡土墙的设计优化。
二、模式搜索算法
（一）模式搜索算法的原理
模式搜索算法的最大优点就是简化问题的计算，不需要计算目标函数的导数，尤其是对于导函数复杂或者是无法求导数的函数，计算过程显得更加优化。模式搜索算法在计算的每一个步骤之前，都需要对附件的点进行搜索，然后将搜索的点组合到一起成为一个小的单元，这些小的单元也叫网格，网格主要是通过增加当前点到一系列矢量的某些倍数的过程形成的，同时也把这一系列矢量称作“模式”。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在这些搜索形成的网格中，找到一个最合适的点，从而改善目标函数的结果，然后再在这个改善目标函数结果的点附件寻找其他更合适的点，直到整个搜寻过程结束，最终搜寻的那个点便可以作为目标函数的解[2]。具体实施步骤和函数见下图一。
（图一）模式搜索算法实施步骤和相关函数式
（二）数学模型
把α1，α2，α3，α4分别作为墙背与竖直线的夹角、墙顶宽度、墙面与竖直线以及墙底与水平线夹角，这四个角度为基本的设计变量，挡土墙的截面形式和面积最终都由这四个设计变量决定（见图二）。
（图二）挡土墙截面示意图
首先假设H已经测出，然后将挡土墙的截面面积T(α)设为目标函数。T(α)为四个截面的面积总和。其次需要设定五个约束条件，分别是抗倾覆约束、抗滑移约束、地基应力约束、墙底偏心距约束以及挡土墙构造约束[3]。其中墙底偏心距要小于等于四分之一的挡土墙基地宽度；墙底最大应力要小于等于1.2倍的地基承载力特征值；而挡土墙构造则是要求0≤α1≤arctan0.5，0≤α2≤arctan0.5，0≤α3≤arctan0.1，0≤α4≤arctan0.2。
（三）编程和计算比较
总得来说，重力式挡土墙的优化设计主要还是计算一系列线性或者是非线性约束条件下的条件极值，该过程需要进行大量的计算，因此需要使用Matlab中的GUI工具箱来代替人工计算，从而实现挡土墙人机交互计算的优化。利用Matlab工具时，首先需要将已知的基本参数输入到Matlab中，再输入变量数值，然后设置优化选项实现优化计算，最终输出结果。得到该目标函数的最优解后，还需要进一步的验证计算结果是否符合挡土墙的设计[4]。在验证过程中，要将比较的结果都采用相同的单位，使得比较的结果更明显，当计算的结果都在五个约束条件的允许范围内，说明计算的参数正确。
结束语：
综上所述，随着重力式挡土墙技术的不断应用，更好的设计方式能够带来更好的应用效果和经济效益。因此相关人员对重力式挡土墙的优化设计也在不断的进行研究。其中借用Matlab计算的模式搜索算法不仅取材方便、施工简单，而且造价便宜，已经逐渐被广泛应用。本文简单阐述了一下重力式挡土墙的发展现状，随后从模式搜索算法的原理、数学模型、编程和计算比较三个方面对模式搜索算法进行了简单的介绍，从而不断促进重力式挡土墙的设计优化。
参考文献：
[1]张雪东,冯玮,钟顺元,etal.两级重力式挡土墙结构体系加固机理及优化设计研究[J].路基工程,2018.
[2]李明,王璐,马栋和,etal.基于砂箱模型试验的加筋土堤坝挡墙在松花江干流治理工程的优化设计研究[J].科技经济市场,2017(10):39-41.
[3]于贵.重力式挡土墙安全性的评价方法研究[J].价值工程,2018,v.37；No.502(26):171-172.
[4]刘华.重力式挡土墙施工质量控制与常见问题研究[J].山西建筑,2018,v.44(12):217-218.
论文作者:吴咏敬
论文发表刊物:《防护工程》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/30
标签：挡土墙论文; 重力论文; 截面论文; 算法论文; 模式论文; 函数论文; 优化设计论文; 《防护工程》2019年第4期论文;