1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
随着我国经济的高速发展和社会技术的不断进步，我国建筑行业也在飞度的发展，近年来各种类型的建筑物拔地而起，建筑工程出现了特点鲜明的一系列变化，例如建筑规模越来越大、工程结构越来越复杂、建筑物使用功能越来越多样化等。地基处理工程在整个工程项目建设过程中发挥着重要作用，会直接影响整体工程的建设质量，因此行业的发展对地基处理技术提出了更高的要求，在地基工程中，如何保证工程质量又最大限度的降低工程成本是工程人员急需解决的问题。
复合地基的概念最早诞生于二十世纪六十年代，是指在工程项目建设中，若天然地基土不能满足承载力与沉降量要求，则需要采用一定的技术对其进行地基处理，在这一处理过程中，部分天然地基土会得到增强或者被置换，以满足承载力与沉降量的设计要求，加固区通常由基体与增强体组成，这样的地基称之为复合地基[1]。改革开放以后，我国陆续颁布了一系列相关指令来促进复合地基处理技术的发展，从相关工程建设项目应用实例中可以发现复合地基处理技术不仅安全性高，还具有很好的经济效益，在公路、铁路、建筑工程等方面的应用效果十分显著。
CFG 桩是由碎石、水泥、石屑、粉煤灰等多种材料按照一定的配合比，再加入一定量的水拌和而成的一种桩体，又可以称之为水泥粉煤灰碎石桩，CFG 桩复合地基是由 CFG桩、桩间土和褥垫层一起组成的刚性桩复合地基[2]，也是现在应用最为广泛的复合地基处理技术之一。CFG 桩复合地基具备如下的工程特性[3-4]：
1）大幅度提高地基承载力，且其承载力可调节性非常灵活。改变桩长、桩径、桩间距等三个参数便能调整 CFG 桩复合地基的承载力。
2）适用范围广，CFG 复合地基处理技术可用于多种不同类型的建筑物下不同土层的地基处理。
3）可以全桩长发挥侧阻作用，将上部荷载传递到基坑的较深部位。
4）经济性与工艺性好，桩体浇筑大量采用粉煤灰，不仅可以降低工程费用，还便于取材，易于控制施工质量。
5）竖向增强体的加入使得地基复合模量増大，复合地基的变形小，沉降量也随之减小。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1CFG 桩复合地基研究现状
CFG 桩复合地基实验研究是建设部的“七五”计划课题，于 1988 年开始立题研究，
并开始在工程实践中得到应用[6]；1992 年由建设部组织鉴定 CFG 桩复合地基实验研究成果，其成果得到了专家们的一致好评，普遍认为该成果具有国际先进水平，应该得到广泛推广；在 1994 年，CFG 桩复合地基全套技术被列为国家重点工程项目和国家重点推广项目；在 1997 年 CFG 桩复合地基正式被列为国家级工法，并制定了相关企业标准；现在CFG 桩复合地基处理技术已经编入国家行业标准《建筑地基处理技术规范》。
通过 20 多年的发展，CFG 桩复合地基处理技术在地基处理领域中取得了丰硕的应用成果，有了相当多的工程应用实例，在处理具有软弱性土层的承载力和沉降控制方面不仅取得了很好的效果，而且在很大程度上节省了成本，降低了在地基处理方面的投资；同时该方法施工技术相对传统、简便快捷，缩短了工程项目总工期[7]。
虽然近年来 CFG 桩复合地基处理技术在工程中被大量推广应用，且取得了良好的社会效益与经济效益，但是其理论研究还不够成熟，与实践相比还是较为落后[8]。目前，CFG桩复合地基领域的研究主要有三个方面：理论研究、试验研究、数值分析研究。
CFG 桩复合地基的理论研究方面，主要是在总结前人大量研究成果的基础上借助经典力学理论，通过推理计算得到新的理论。近年来，许多科研工作者在理论研究上都取得了一定的成果，为 CFG 桩复合地基的研究做出了巨大贡献，理论研究主要体现在承载力与沉降量两个方面。承载力理论分析，大多数学者对 CFG 桩复合地基承载性状进行了系统的分析，探讨 CFG 桩复合地基在横向荷载作用下的受力状况并分析其承载机理，根据分析结果提出了更为简单的承载力计算方法[9]。沉降量理论分析，国外学者以桩的侧阻力与桩土位移是复合弹性关系的假设前提下，推导出桩顶荷载与沉降的表达式，并提出桩顶位移不等于桩间土位移[10-11]；国内有学者以 CFG 桩复合地基的沉降理论为基础，考虑了褥垫层、CFG 桩、桩间土的协同工作原理，推导出复合地基沉降量计算方法与桩土应力比公式，并对其中的参数加以修正[12]。
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2 CFG 桩复合地基智能优化设计系统
2.1 智能优化设计系统结构
CFG 桩复合地基智能优化设计系统是一个计算机程序系统，该程序的使用更够将CFG 桩参数设计繁琐的试算过程交由计算机完成，快速得到经济有效的设计方案。CFG桩复合地基智能优化设计系统的设计思想是：将知识策略与控制推理策略分开，根据 CFG桩复合地基设计领域知识，在推理控制策略的引导下，利用存储起来的知识，通过系统推理模块的推理来分析并解决实际问题。用户通过给系统提供一些已知工程数据，就可以从系统里获取 CFG 桩复合地基处理方案部分设计参数的设计结果。
CFG 桩复合地基智能设计系统的组成结构如图 2-1 所示。人机交互界面：用户通过用人机交互界面向系统中输入已知工程数据，从先前储存的知识库中获取知识，通过推理模块分析获取最经济且满足要求的优化设计方案，并输出最终优化设计参数数值；系统知识库：它主要存储复合地基设计的领域知识，例如地基处理设计规范、设计计算方法等等；推理模块：主要包括优化模型推理与神经网络推理两个部分，依据知识库中存储的地基处理设计领域知识与用户提供的已知工程资料，在知识库中查找可用的规则并激活这些规则，执行推理动作，最终得到最经济且满足要求的地基处理优化设计方案。
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2.2 系统知识库的建立
2.2.1 知识来源
系统知识库存储的知识是推理模块给出问题有效解的基础，本系统知识库是复合地基设计领域内的概念、概念之间的相互关系以及概念间约束的集合，知识库的知识来源主要包括以下几个方面：
①CFG 桩复合地基设计系统主要应用于工程实践，所以知识库必须以规范为标准而编制。主要包括的规范有《建筑地基基础设计规范》、《建筑桩基础规范》、《建筑地基处理技术规范》；
②地基处理技术与地基基础设计等方面的论著，例如《基础工程》.邢心魁，王志兵，李杭州编.高等教育出版社、《地基处理第 2 版》.贺建清，雷勇，陈伟编.机械工业出版社、《建筑地基基础》.丰培洁主编.北京理工大学出版社、《工程地质手册第五版》.中国建筑工业出版社；
③近年来国内外 CFG 桩复合地基设计研究中取得的科研成果；
④对优化模型实验数据的收集，收集不同工程情况下优化模型推理出的地基处理优化设计方案，将这些方案作为神经网络训练的样本。
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3.1 不考虑基础的 CFG 桩复合地基智能优化设计数学模型 .............. 25
3.1.1 优化变量 ................................. 25
3.1.2 约束条件 ................................ 25
4 非均质地基土的 CFG 桩复合地基优化设计 ......................... 43
4.1 非参数回归法 ............................ 43
4.1.1 非参数回归法概述 ..................... 43
4.1.2 光滑样条非参数回归方法 ................................ 43
5 基于人工神经网络的辅助优化设计模型 ........................... 59
5.1BP 神经网络 ............................. 59
5.2 辅助优化设计模型构建 .......................... 60
6 智能优化设计系统
6.1 系统开发环境及工具
6.1.1 系统开发环境
完成一个系统的开发，如何选择一个合适的开发环境是所有系统开发者首要思考的问题，开发环境的好坏将直接关系到系统后期的使用。目前现有的操作系统主要包括 DOS、Windows、Unix、NetWare、Linux、MAC OS 等，Windows 系统因其具有直观的面向对象图形用户界面、操作便利、兼容性强、支持多任务多道作业、机器使用效率高等特点而成为当前的主流操作系统。为了迎合广大用户操作系统的使用偏好，更便捷、高效的服务于用户，本文在系统开发环境上选择当下最受欢迎的 Windows 系统，在 Windows7 开发环境中开发该系统。CFG 桩复合地基智能优化设计系统主要面向 Windows7、Windows8、WindowsXP、Windows10 的用户。
6.1.2 系统开发工具
当下主流的系统开发工具有 Terminal、Tmux、Intellij、Sublime Text、Jenkins 等，CFG桩复合地基智能优化设计系统开发选用 MATLAB2017b 作为开发平台工具。20 世纪 80 年代美国的 Math Works 公司推出了 MATLAB 软件，最初该软件应用较为单一，主要用于数值计算、数据可视化与算法开发，随着信息技术的发展，MATLAB 也被不断的研发出了新功能，目前该软件已经发展成为了一款颇受欢迎、功能全面的软件。本文选择MATLAB 作为系统开发工具有两方面的原因：一方面，Matlab 是一个高级的矩阵/阵列语言，语法特征和 C 语言相似，但是更加简单高效；软件内部有大量的工具箱和脚本函数，用户在使用时可以直接调用不同工具箱的图形用户界面，十分便利，减少了用户的编程工作；MATLAB 中有 GUI 界面设计工具箱，该工具箱能够使复杂的程序模块化，内部有丰富的控件，可以使设计出的图形用户界面更为美观，所以该软件很适合非计算机专业的人员使用，可以减少编程难度。另一方面，本文第三章和第五章的推理模块是基于 MATLAB平台编制的计算机程序，因此系统开发工具选用 MATLAB 更为便捷，避免了实现混合语言编程接口设计，降低了编程难度，提高了系统开发工作效率。
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7 结论与展望
7.1 结论
本文分析了 CFG 桩复合地基设计与地基处理智能决策的研究现状，在深入研究 CFG桩复合地基设计领域知识的基础上着重对 CFG 桩复合地基处理方案的的智能优化设计展开研究，主要有以下几个方面的研究成果和结论：
（1）在深入研究 CFG 桩复合地基领域知识的基础上，对领域知识进行分类并提取出关键知识要素，绘制了 CFG 桩领域知识实体联系图与知识扩展框架，给工程设计人员在CFG 桩复合地基处理方案设计时带来便利，避免翻阅诸多资料，提高工作效率；
（2）根据优化理论与 CFG 桩复合地基设计领域知识建立了优化设计数学模型，将智能优化算法引入到 CFG 桩复合地基处理方案设计中，编制了基于遗传算法与 Global Search 算法计算机优化程序，通过实例分析验证了该方法能够有效的进行优化设计，大大缩短设计周期，并提高经济效益；
（3）非均质地基土的 CFG 桩复合地基处理方案设计过程十分复杂，本文采用光滑样条非参数回归法与模糊层次分析法来将非均质地基土的设计情况转化为均质地基土的情况来设计，结果表明该方法可以有效的简化非均质地基土 CFG 桩复合地基的设计过程；
（4）构建了基于人工神经网络的辅助优化设计模型，并编制计算机程序来完成模型训练，通过对模型训练效果分析，结果表明模型误差、拟合度和测试样本的相对误差都较为理想，该方法可以更快速的完成 CFG 桩复合地基处理方案优化设计；
（5）在 Windows 环将境中采用 MATLAB 工具创建了智能优化设计系统 GUI 界面，实现了将优化设计模型与人工神经网络推理模型的统一集成，设置了多个图形用户界面，使得信息输入、结果显示及操作变得简单，为工程设计人员带来了便利。
参考文献（略）