學(xué)士土釘墻基坑支護(hù)畢業(yè)設(shè)計(jì)3

第333～338巖土工程

樁固邊坡的穩(wěn)定性自動(dòng)分析摘要本文研究應(yīng)用優(yōu)化技術(shù)評價(jià)被動(dòng)樁加固蠕動(dòng)邊坡的穩(wěn)定性。通過引申邊坡穩(wěn)定評價(jià)摩擦圓法結(jié)合伊藤和松井提出的樁穩(wěn)定分析法已經(jīng)得到樁固邊坡穩(wěn)定性方法。數(shù)理規(guī)劃解決了這個(gè)問題。并且可以獨(dú)立地應(yīng)用非線性對話把該問題公式化來解答。文學(xué)雜志上通過比較預(yù)測的破壞面與計(jì)算結(jié)果證實(shí)了所開發(fā)方法的適用性。關(guān)鍵詞優(yōu)化法樁摩擦圓穩(wěn)定性分析加筋坡有限元分析1.簡介目前世界各地廣泛應(yīng)用存在排樁加固正在蠕動(dòng)的邊坡使之原位穩(wěn)定(高,1985;羅納德等，1995;卡利等，1996;郭等，1998)。通過小尺寸的模型和原型試驗(yàn)(吉福德等.,1986;布朗等.1995)已經(jīng)較好地了解了它的變形特性。通過塑性變形面，伊藤等（1981）主要考慮樁和其周圍塑性面之間的作用和應(yīng)用樁邊坡的穩(wěn)定性分析方法，獲得一個(gè)來估計(jì)一排樁的側(cè)向力的理論公式。伊藤等（1982）進(jìn)一步獲得了設(shè)計(jì)幾排穩(wěn)定樁的方法。波洛斯(1995)提出了通過加固樁來提高邊坡穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)方法。周(1996)提出了用于邊坡穩(wěn)定樁的有限元分析法。哈斯?fàn)柼氐?1997年)提出了考慮安全樁的單排樁加固邊坡的設(shè)計(jì)。蔡和猶蓋(2000年)通過三維彈塑性強(qiáng)度折減有限元分析法預(yù)測加固樁對邊坡穩(wěn)定性的影響。他們發(fā)現(xiàn),樁的位置顯著影響邊坡的穩(wěn)定性。雖然在這方面已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)和理論的研究，但是很少人注意到穩(wěn)定性的自動(dòng)分析可能發(fā)展為加固樁的邊坡穩(wěn)定的最優(yōu)設(shè)計(jì),。在本文中因部分不盡相同而提出盡量用數(shù)理規(guī)劃考慮這類問題，例如，可使用樁加固坡自動(dòng)設(shè)計(jì)。2.提出方法2.1陳述問題圖.1（a）表示樁固蠕動(dòng)邊坡（高度=H，傾角=i）。當(dāng)前的研究中，假設(shè)滑動(dòng)面為一般形式：即為圓弧狀，其數(shù)據(jù)如圖所示。作用于樁加固邊坡的力表示在圖1(b)。在樁加固邊坡穩(wěn)定性分析中，要求分析邊坡穩(wěn)定性和樁的穩(wěn)定性。在目前研究中，通過融合樁對邊坡施加的側(cè)向力而擴(kuò)展了(伊藤和松井,1975)邊坡穩(wěn)定摩擦圓法(泰勒,1937)。把上述問題中的任何位置邊坡的安全系數(shù)和樁的間距比轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)規(guī)劃公式并采用最優(yōu)化算法得到結(jié)果，同時(shí)滿足樁的安全性。本研究的目的是開發(fā)一個(gè)能夠分析加固蠕動(dòng)樁穩(wěn)定的通用方法去找到臨界滑動(dòng)面，并確定相應(yīng)的安全系數(shù)。正在開發(fā)的方法，確定目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)變量和設(shè)計(jì)約束條件，使得得到的解決辦方法具有物理意義。2.2問題的公式化2.2.1分析與推導(dǎo)安全系數(shù)對問題的通用計(jì)算公式提出假設(shè)，確定設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)及其求導(dǎo)、設(shè)計(jì)約束條件，進(jìn)行了下文討論。假設(shè)：1．作用于土之間的合力（P），形成的實(shí)驗(yàn)滑動(dòng)圓弧分割邊坡，且于摩擦圓相切，有半徑為圖1.作用于樁加固邊坡上的力2.動(dòng)力（Fp）的方向平行于在該點(diǎn)的破壞面與樁3.樁的插入改變破壞面（破壞邊坡或處于原始破壞狀態(tài)的邊坡）。樁固邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)由樁施加在邊坡上的阻力(伊藤和松井,1975），運(yùn)用破壞坡角的不加固摩擦圓分析法(泰勒,1937,圖2a和2b）延伸得到。作為一個(gè)確定平均安全系數(shù)（Fs）的參數(shù)，安全系數(shù)需要考慮內(nèi)聚力（Fc）和摩檫力(Fφ)。參照圖1（a）和1（b），樁固邊坡穩(wěn)定的內(nèi)聚力的安全系數(shù)的計(jì)其中，E=1-2cot2i圖2.加強(qiáng)邊坡力x:弦的角度,y:圓心角的一半，v:土壤重量作用線與滑動(dòng)面中心之間的夾角，F(xiàn)P=FtDFt：結(jié)合伊藤和松井（1975）后面描述的公式作用于穩(wěn)定樁上的總側(cè)向力D1:樁D2:α:側(cè)向力與水平線之間的夾角i:傾角H:P:在土壤顆粒間沿弧Cα：Cm:φα:有效γ:土壤容重Fc:F?：摩擦Fs:s:坡角到樁的Ft是作用在抗滑樁上的總的側(cè)向力，利用伊藤和松井（1975）所提出的公式獲得。跟據(jù)樁的穩(wěn)定性，考慮到樁所受的側(cè)向力，可以運(yùn)用土體上滑動(dòng)面有水平荷載的主動(dòng)樁分析方法。不過，對于被動(dòng)樁，水平載荷分布如以下p其中，N?=tan2??tanπ伊藤和松井(1975)提出的理論方法分析了當(dāng)土體擠壓樁時(shí)作用于穩(wěn)定樁側(cè)向力的發(fā)展機(jī)制。該方法專門用于一排被動(dòng)樁上的力，并已用在本研究中。此處的側(cè)向力，表示作用于樁的兩側(cè)土之間的壓力差。一般來說，側(cè)向力是從沒有大量滑坡時(shí)的零變化到樁周圍土體大規(guī)模被動(dòng)破壞運(yùn)動(dòng)的極限值。伊藤和松井(1975)提出的理論，假設(shè)地面滑移引起地層軟化，沿著滑動(dòng)面剪切阻力沒有減少，用來估計(jì)兩個(gè)極限之間側(cè)向力（Fp）。根據(jù)這個(gè)理論，只有假設(shè)樁周圍土為塑性力平衡狀態(tài)才滿足莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則。無論邊坡的平衡狀態(tài)怎樣，都可估計(jì)出樁上側(cè)向樁周圍塑性變形的地層決定加固樁上的總側(cè)向力，結(jié)合公式（4）由土層深度得到Ft。由此產(chǎn)生的力Ft除以樁中心之間的距離D1，得到單位寬度滑坡體質(zhì)量i.eF對于給定的的F?，從以上公式可以得到考慮凝聚力(Fc）對應(yīng)的由角度x和y確定的任何面上的安全系數(shù)。任何假設(shè)表面真正的安全系數(shù)是運(yùn)用逐次代入法，直到得到的Fc等于假定F?。表面的這種參數(shù)用于選擇邊坡安全系數(shù)的最小安全系數(shù)。每當(dāng)選取一個(gè)新的表面，破壞面上樁的長度改變，因此力Fp的大小改變?？紤]到長度表示圓的參數(shù)h,k，以及坡角到樁的位置（s）。因此，每選擇一個(gè)新的破壞面，計(jì)算出一個(gè)新的樁的長度和新的Fp。這個(gè)力比較容許彎曲應(yīng)力σallow與最大允許值σmax可以得到樁穩(wěn)定性安全系數(shù)（FFsp=σallowσmax如果利用上述公式計(jì)算的安全系數(shù)比平均安全系數(shù)大，則樁穩(wěn)定。同樣計(jì)算沿樁的中性軸的最大剪應(yīng)力強(qiáng)度。2.2.2設(shè)計(jì)變量，目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計(jì)約束條件為了鑒定控制分析的設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)，需要運(yùn)用遞次求近法求得目標(biāo)函數(shù)的最小值和相應(yīng)的最優(yōu)點(diǎn)的設(shè)計(jì)變量。但是，目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值和相應(yīng)的設(shè)計(jì)變量是有限制的。這些施加的設(shè)計(jì)限制條件（稱為約束）使得到的結(jié)果具有物理意義。不過，這個(gè)問題需要少量的限制。但是，有時(shí)這類問題，在某些位置施加一些限制條件得到的辦法才有意義。目前的研究對設(shè)計(jì)變量，目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)制約條件的相關(guān)性進(jìn)行了討論，如下：設(shè)計(jì)變量參照圖1（a）DT=h,k其中，DT是設(shè)計(jì)矢量，h,k為設(shè)計(jì)變量h和k分別是x和y各自滑動(dòng)圓弧中心的坐標(biāo)。

目標(biāo)函數(shù)一旦確定設(shè)計(jì)變量，需要優(yōu)化函數(shù)（稱為目標(biāo)函數(shù)，用FD表示）。在這種情況下，目的是確定邊坡的安全系數(shù)，同時(shí)滿足樁的安全性。然而，為了簡化，多個(gè)問題可以通過設(shè)計(jì)制約條件化為一個(gè)問題設(shè)計(jì)變量DT可表示目標(biāo)函數(shù)F其中，F(xiàn)s為邊坡的安全系數(shù)設(shè)計(jì)約束條件為了確保得到的解具有物理意義，下面需要施加設(shè)計(jì)約束參數(shù)。只有保持樁的安全性，才能表達(dá)加固邊坡的安全系數(shù)。Fsp=樁安全2.2.3求解過程定義任何面的角度X和Y（圖2（a））和假設(shè)Fφ可得到關(guān)于均質(zhì)邊坡內(nèi)聚力（Fc）的安全系數(shù)。此外，從假定Fφ可以估Fc=CaCr通過包含穩(wěn)定系數(shù)的逐次代入法可以得到任何假設(shè)表面的真正安全系數(shù)，直到Fc等于假定的Fφ。產(chǎn)生的面和自動(dòng)搜索的參數(shù)用于得到表面最低安全系數(shù)即坡當(dāng)在邊坡插入一排樁，樁產(chǎn)生的阻力改變了安全系數(shù)和臨界面。方程（1）可用于同樣的方式獲得任何假定滑動(dòng)面的安全系數(shù)。每選擇一個(gè)新的面，破壞面上樁的長度改變（除破壞邊坡或處于初期破壞狀態(tài)的邊坡），因此改變該力Fp的大小。考慮到長度表示圓參數(shù)，x，y和坡角到樁的位置。因此，每選擇一次新的破壞面，計(jì)算出一個(gè)新的樁長和Fp。這個(gè)力運(yùn)用公式（1），可以確定新的穩(wěn)定系數(shù)，從而得到加固邊坡的安全圖.9復(fù)合函數(shù)與目標(biāo)函數(shù)隨函數(shù)值的變化圖.10目標(biāo)函數(shù)和復(fù)合函數(shù)隨約束參數(shù)的變化為了研究最優(yōu)化處理過程的效率，對目標(biāo)函數(shù)和復(fù)合函數(shù)隨函數(shù)值和約束參數(shù)的變化如圖.9和圖.10所示。3.結(jié)論根據(jù)研究結(jié)果和討論，以下得出的結(jié)論是對于新開發(fā)的樁固邊坡的穩(wěn)定性自動(dòng)分析。采用優(yōu)化技術(shù)來確定樁固邊坡安全系數(shù)是非常