抗滑桩设计优化与经济性评估

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滑坡是发生在山区中数量多、危害大且复杂的一种自然地质灾害,我国是遭受滑坡灾害损失最严重的国家之一。随着我国经济建设在山区的不断开展,越来越多的滑坡问题日益凸显,进行滑坡治理方案的系统研究是十分必要的。作为滑坡整治中最主要的手段,抗滑桩在滑坡治理工程中应用极为广泛。但由于抗滑桩设计理论的不完善,与实际工程存在较大的差距,其设计参数往往是依靠经验选取,设计随意性很大,缺乏合理的理论支撑,设计方案很难达到安全和经济的双重目的。设计人员为了提高安全储备,往往盲目的增大各设计要素的取值以便获得较大的安全系数,导致不能充分发挥抗滑桩的抗滑性能,从而造成投资增加;而有时又过于冒进,为了追求经济性而忽略了抗滑桩安全性和稳定性的要求,导致滑坡治理的失败,甚至会引发重大的事故。因此,在抗滑桩设计中有必要引入优化理念,在满足抗滑桩结构安全性和稳定性的前提下,使抗滑桩造价相对最低。拟开发一套基于优化理论的抗滑桩优化设计程序,并建立一套完整的抗滑桩优化评估流程,基于抗滑桩监测数据,分析其桩身内力和变位,评价抗滑桩工作状态。论文主要的研究内容及结论如下:1)从抗滑桩要素如桩身锚固深度、桩间距以及桩截面高和宽对桩顶位移的影响入手,通过ANSYS建模分析不同工况下各设计要素与桩顶的最大位移值的关系,判断各要素对桩顶位移的影响,由此确定优化设计的基本参数,由分析可知,桩间距和桩锚固深度对桩顶位移的影响较桩截面尺寸影响更大,并存在一个理论界限值,即设计要素存在一个合理的取值范围;2)选取桩长、桩间距、桩截面高和宽作为抗滑桩优化设计的优化因子,建立以上述优化因子作为变量、以抗滑桩造价作为目标的数学函数,采用遗传算法实现抗滑桩优化设计的全过程,各优化要素需满足抗滑桩内力计算和结构计算中的几何尺寸约束和强度约束及构造约束;3)由于抗滑桩内力计算涉及到的公式众多且计算过程复杂,论文采用MATLAB进行编程,基于抗滑桩基本的内力计算和结构计算,以抗滑桩造价为目标函数,利用遗传算法开发出抗滑桩优化计算软件,包括抗滑桩基本计算部分和抗滑桩优化计算部分,将工程实例原设计方案与优化设计方案的工程费用进行比较,在满足结构强度及稳定性要求的前提下,优化方案有较好的经济效益,优化方案中桩身受力更加合理且充分发挥了桩的抗弯性能,而原方案并未能够充分利用桩的抗弯性能,优化方案减少了设桩总数,成本得到了控制,且比原方案节省近20%;4)基于抗滑桩优化设计程序和室内模型试验,建立一套抗滑桩优化评估流程,包括监测项目的选择和监测数据的处理,由此分析抗滑桩的工作状态,并验证原设计的合理性和经济性,抗滑桩优化评估流程包括抗滑桩的优化设计和抗滑桩工作状态的监测两部分,优化设计是针对抗滑桩的前期设计过程展开工作,而工作状态的监测是通过已建抗滑桩监测其桩身位移、内力等项目的数据反演其实际工作状态,对该工程进行安全性和经济性评估。
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