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        基于非線性Fmincon法的抗滑樁優(yōu)化設(shè)計

        2011-05-04 08:07:28吳銀亮郭禮波
        鐵道建筑 2011年5期
        關(guān)鍵詞:滑體抗滑樁滑坡體

        吳銀亮,陳 林,郭禮波

        (1.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司,武漢 430052;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,武漢 430074)

        抗滑支擋建筑物由于其在穩(wěn)定滑坡上見效快、安全可靠,是滑坡工程中首先考慮使用的措施。但由于造價較高,如一根大型抗滑樁造價達數(shù)十萬元,治理一個大型滑坡需投資數(shù)百萬元乃至數(shù)千萬元。潘家錚最大值原理認(rèn)為滑坡體的滑面穩(wěn)定時,則滑面上的反力(以及滑坡體內(nèi)的內(nèi)力)能自行調(diào)整,以發(fā)揮最大的抗滑能力,根據(jù)這一原理分析目前滑坡的治理一般偏于保守。因此,合理的抗滑樁設(shè)計能夠最大限度地降低造價,解決質(zhì)量和成本之間的矛盾,對于滑坡治理優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。

        抗滑樁的設(shè)計任務(wù)就是根據(jù)以上要求,確定抗滑樁的樁位、間距、尺寸、埋深、配筋、材料和施工要求等。選取對抗滑樁造價起主導(dǎo)作用的因素,包括樁位、間距、尺寸、埋深,通過 Matlab優(yōu)化工具箱中的單目標(biāo)多變量非線性優(yōu)化函數(shù) Fmincon,優(yōu)化抗滑樁設(shè)計,使目標(biāo)函數(shù)最小,達到優(yōu)化目的。

        1 抗滑樁設(shè)計原理

        抗滑樁設(shè)計與計算主要研究抗滑樁的內(nèi)力、位移計算和樁身配筋計算[1]??够瑯对O(shè)計要處理好以下幾個問題:

        1)抗滑樁提供的阻滑力要使整個滑坡體具有足夠的穩(wěn)定性,即滑坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)滿足相應(yīng)規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)或可靠指標(biāo),同時保證坡體不從樁頂滑出,不從樁間擠出;

        2)抗滑樁樁身要有足夠的強度和穩(wěn)定性,即樁的斷面要有足夠的剛度,樁的應(yīng)力和變形滿足規(guī)定要求;

        3)樁周的地基抗力和滑體的變形在容許范圍內(nèi);

        4)抗滑樁的埋深及錨固深度、樁間距、樁截面尺度和樁斷面尺寸都比較適當(dāng),安全可靠,施工可行、方便,造價較經(jīng)濟。

        1.1 抗滑樁的布設(shè)

        1.1.1 抗滑樁的平面布置

        對滑坡治理工程,抗滑樁原則上布置在滑體下部,即在滑動面平緩、滑體厚度較小、錨固段地質(zhì)條件較好和施工方便的地方?;w的上部,滑動面陡,拉張裂縫多,不宜設(shè)樁;中部滑動面往往較深且下滑力大,亦不宜設(shè)樁;下部滑動面較緩,下滑力較小或系抗滑地段,經(jīng)常是較好的設(shè)樁位置。

        1.1.2 抗滑樁的間距

        抗滑樁的間距受滑坡推力大小、樁型及斷面尺寸、樁的長度和錨固深度、錨固段地層強度、滑坡體的密實度和強度、施工條件等諸多因素的影響,目前尚無較成熟的計算方法[2]。合適的樁間距應(yīng)該使樁間滑體具有足夠的穩(wěn)定性,在下滑力作用下不致從樁間擠出。根據(jù)經(jīng)驗樁間距一般為4.0~10.0 m。

        目前常用土拱效應(yīng)理論確定樁間距。在抗滑樁施工完成后,在抗滑樁阻礙坡體位移而使自身產(chǎn)生變形的同時,相鄰樁之間的土體有向坡體外側(cè)移動的趨勢。由于抗滑樁的位移小于坡體的位移,造成樁后局部范圍內(nèi)的土體不斷擠壓樁體而使土壓力不均勻。樁間的部分土體因受樁體約束作用的不同而產(chǎn)生不同程度的剝落,在靠近樁體處的剝落較少,而在遠離樁體處的剝落較多,在這種情況下就會引起樁間土體與樁后土體抗剪能力的發(fā)揮而在土體中形成所謂的“楔緊”作用,即形成土拱效應(yīng)[1],以限制樁間土體的滑出。

        抗滑樁間距的優(yōu)化就是要充分發(fā)揮坡體自身的穩(wěn)定性,應(yīng)用土拱效應(yīng)理論確定最優(yōu)化樁間距。根據(jù)前人[3]的研究成果,得到土拱跨度與樁寬度、滑坡推力及土體性質(zhì)的關(guān)系式

        式中,α為土拱截面與水平方向的夾角;d為樁間距(m);b為截面寬(m);q為滑坡推力;c為內(nèi)聚力;φ為內(nèi)摩擦角。

        1.1.3 樁的錨固深度

        樁的錨固深度是指樁埋入滑面以下的長度。錨固段深度是抗滑樁設(shè)計的關(guān)鍵,是發(fā)揮抵抗滑體推力的賴以生存的前提和條件,錨固深度不足,抗滑樁不足以抵抗滑體推力,容易引起樁的失效。但錨固過深則又造成工程浪費,并增加了施工難度[4-6]。

        樁埋入滑面以下穩(wěn)定地層內(nèi)的適宜錨固深度,與該地層的強度、樁所承受的滑坡推力、樁的相對剛度以及樁前滑面以上滑體對樁的反力等因素有關(guān)。由樁的錨固段傳遞到滑面以下地層的側(cè)向壓應(yīng)力不得大于該地層的容許側(cè)向抗壓強度、樁基底的壓應(yīng)力不得大于地基的容許承載力來確定。樁的錨固深度不足時,樁就有被推倒的危險,錨固太深既增加施工困難又不經(jīng)濟。一般錨固深度約為樁長的1/2~1/3。樁身對圍巖的側(cè)向壓應(yīng)力應(yīng)符合下列條件

        式中 σmax——樁身對圍巖的側(cè)壓應(yīng)力(kPa);

        K'1——折減系數(shù),根據(jù)巖層產(chǎn)狀的傾角大小,取0.5~1.0;

        K'2——折減系數(shù),根據(jù)巖層的破碎和軟化程度,取 0.3~0.5;

        R0——圍巖巖石單軸抗壓極限強度(kPa)。

        1.1.4 截面形狀的選擇

        抗滑樁樁型的選擇應(yīng)根據(jù)滑坡性質(zhì)、滑坡處的地質(zhì)條件、滑坡推力大小、工程造價、施工條件和工期要求等因素綜合考慮,按安全、可靠、經(jīng)濟、方便的原則,結(jié)合設(shè)計人員的工程經(jīng)驗來選擇。綜合各因素,本例選用鋼筋混凝土矩形樁。為了便于施工,挖孔樁最小邊寬度不宜小于1.5 m,長邊一般為2.0~4.0 m。

        1.2 樁的外力計算

        作用在支擋結(jié)構(gòu)上的荷載主要是土壓力和滑坡推力。土壓力即填土(填土表面和表面上的荷載)或挖土坑壁原位土對支擋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的側(cè)向土壓力,對于填方工程而言,作用在支擋結(jié)構(gòu)上的主要是這種側(cè)向土壓力。設(shè)計前先計算樁前被動土壓力和剩余抗滑力,哪個取值大,按哪一個力進行設(shè)計。

        1.3 樁的內(nèi)力計算

        1.3.1 基本原理

        作用于抗滑樁的外力主要有滑坡推力、樁前滑體抗力和錨固段地層的抗力??够瑯兜氖芰顟B(tài)很復(fù)雜,其計算理論及計算方法隨著對樁結(jié)構(gòu)及地基土假定的不同而不同。目前較常用的方法是將抗滑樁分為受荷段和錨固段分別計算,受荷段按懸臂梁計算,錨固段按地基系數(shù)法計算。用地基系數(shù)法計算抗滑樁錨固段的受力時,是將地基土視為一彈性介質(zhì),主要以捷克學(xué)者溫克爾的“彈性地基”假說為計算的理論基礎(chǔ)。

        1.3.2 計算方法選擇

        抗滑樁的計算方法分為剛性樁的計算和彈性樁的計算。彈性樁的計算方法很多,最常用的有“m法”、“K法”。樁端的約束條件可分為固定端、自由端、鉸支端三種。

        1.4 樁的配筋計算和構(gòu)造設(shè)計

        抗滑樁從使用安全和經(jīng)濟方面考慮,都宜采用鋼筋混凝土樁。鋼筋混凝土樁的配筋計算一般根據(jù)所算得的樁身最大彎矩值Mmax進行配筋計算,再驗算最大彎矩值斷面的抗裂要求、剪力最大截面處的抗剪強度。

        2 優(yōu)化原理及模型

        優(yōu)化設(shè)計的一般思想是在保證工程安全可靠的前提下,以造價最低作為最優(yōu)的設(shè)計方案。從數(shù)學(xué)角度上講,就是建立一個以工程造價為目標(biāo)函數(shù),以工程設(shè)計的安全可靠性能指標(biāo)等為約束條件的數(shù)學(xué)模型。設(shè)計過程轉(zhuǎn)化為在滿足所有條件下,尋求使得目標(biāo)函數(shù)工程造價最小的設(shè)計方案。

        滑坡防治方案優(yōu)化設(shè)計是一個具有多變量、有約束和具有非線性的復(fù)雜問題,采用傳統(tǒng)線性優(yōu)化算法要準(zhǔn)確地找到最優(yōu)解是一個難點。傳統(tǒng)的優(yōu)化方法對優(yōu)化模型一般都有其自身的使用要求,如連續(xù)性、可微性、非凹性等。此時,若繼續(xù)采用傳統(tǒng)優(yōu)化方法對工程結(jié)構(gòu)問題進行優(yōu)化必然會影響工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。顯然,尋找一種既符合工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化的特點,又簡單、實用的優(yōu)化算法已經(jīng)成為工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計者一項迫在眉睫的任務(wù)。

        Matlab優(yōu)化工具箱中的Fmincon函數(shù)是求解非線性有約束極值優(yōu)化問題的一個有效方法,可以求解線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃和多目標(biāo)規(guī)劃等優(yōu)化問題。這里采用非線性規(guī)劃中的有約束極值問題進行設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化搜索。它的求解由函數(shù)Fmincon實現(xiàn),數(shù)學(xué)模型及常用的格式如下

        式中,參數(shù)f為目標(biāo)函數(shù),它可用字符串方法定義;A,b為線性不等式約束Ax≤b,若不需要此約束時,A,b變量用“[]”代替;Aeq,beq 為等式約束 Aeq·x=beq,若不需要此約束時,Aeq,beq變量用“[]”代替;lb,ub為下限、上限變量,使得 lb≤x≤ub,若無限制時,lb,ub用“[]”代替;nonlcon為用.m文件定義的非線性約束函數(shù)。該函數(shù)返回兩個輸出值,一個為非線性不等約束C(x)≤0,另一個為等式約束 Ceq(x)=0;若不適用此類約束時,則輸入“[]”代替。

        抗滑樁造價主要由樁的總體體積和配筋兩方面決定。只要求得抗滑樁內(nèi)力,配筋設(shè)計是比較成熟的,因此,抗滑樁的優(yōu)化主要是對樁的間距、尺寸、埋深的優(yōu)化設(shè)計?,F(xiàn)在忽略影響造價的次要因素,得到優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

        式中,S為總造價;k為平均單位體積混凝土造價;h為截面高(m);l1為滑體厚(m);l2為錨固深度(m);D為坡寬(m)。

        目標(biāo)函數(shù)的約束條件需根據(jù)滑坡的實際情況由理論計算和經(jīng)驗分析得到,參數(shù)的不等式和等式約束條件為

        式中,b和d的關(guān)系及l(fā)2的確定需根據(jù)滑坡的實際情況經(jīng)過計算求得,其余均由經(jīng)驗得到。

        3 優(yōu)化實例

        以巫奉高速某工點滑坡為例說明抗滑樁的優(yōu)化設(shè)計。本邊坡因路基開挖后產(chǎn)生工程滑坡,根據(jù)地質(zhì)勘察以及地形地貌特征推斷,滑坡覆蓋層厚度較薄,巖層產(chǎn)狀與坡向一致,為順向坡。滑坡體主要由弱風(fēng)化泥灰?guī)r和少量殘坡積亞黏土組成?;矠橄路娜B系中統(tǒng)巴東組第三段(T32b)弱風(fēng)化泥灰?guī)r。根據(jù)滑坡滑動面及裂縫等情況綜合分析,確定滑坡的主滑方向為NW160°。

        根據(jù)詳細(xì)工程地質(zhì)勘察報告及經(jīng)驗數(shù)據(jù),得到最不利工況參數(shù)值如下:

        巖土重度23.8 kN/m3;抗剪強度 c=25 kPa,φ=20°;滑坡穩(wěn)定安全系數(shù) Fs=1.04;滑坡推力 E=1 267.97 kN/m;推力和抗力分布為三角形;樁前剩余抗滑力為0;初始彈性系數(shù)為300 000 kN/m3;樁底支撐條件為鉸支承。已滑動的坡體長35 m,寬約27 m,面積0.094 5×104m2,最大厚度6.5 m,平均厚度5 m,滑坡體體積約為0.378×104m3。所確定的優(yōu)化參數(shù)范圍見表1。

        表1 優(yōu)化參數(shù)范圍

        根據(jù)前面介紹原理,計算得到優(yōu)化解:樁長11 m,截面寬1.5 m,截面高2 m,間距6 m。用理正巖土軟件進行驗證,結(jié)果見圖1所示。最大彎矩為29 869.854 kN·m,最大剪力為13 900.163 kN,與項目抗滑樁設(shè)計計算的彎矩、剪力結(jié)果基本一致,說明項目抗滑樁優(yōu)化設(shè)計的計算是正確的。在未考慮配筋的條件下與原方案比較,節(jié)約了47%,具體比較見表2。

        圖1 用理正巖土軟件所驗算的內(nèi)力

        4 結(jié)語

        1)滑坡防治方案優(yōu)化設(shè)計是一個具有多變量、有約束和具有非線性的復(fù)雜問題,Matlab優(yōu)化工具箱中的Fmincon函數(shù)能較好地對有約束極值問題進行設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化搜索。

        表2 優(yōu)化結(jié)果對比

        2)總結(jié)了基于傳統(tǒng)抗滑樁設(shè)計計算理論和非線性優(yōu)化的基本理論,找到合理的約束條件,建立了抗滑樁的非線性Fmincon優(yōu)化設(shè)計模型。對該優(yōu)化法進行實例計算,抗滑樁優(yōu)化設(shè)計計算結(jié)果較為精確,達到治理目的,與原設(shè)計方案比較,優(yōu)化設(shè)計方案比原方案節(jié)約成本46萬元。

        [1]鐵道第二勘察設(shè)計院.抗滑樁設(shè)計與計算[M].北京:中國鐵道出版社,1982.

        [2]張亮,廖小平.福寧高速公路八尺門滑坡病害分析與整治對策[J].鐵道建筑,2010(6):83-85.

        [3]王成華,陳永波,林立相.抗滑樁間土拱特性及最大樁間距分析[J].山地學(xué)報,2001,19(6):556-559.

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