基于性能的抗滑桩结构优化设计研究
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摘要
本文以陕西省省道S303延安至吴起段改建工程中大路沟滑坡为工程背景，开展了基于性能的抗滑桩优化设计研究。首先详细研究了大路沟滑坡的工程地质条件、滑坡形成机理以及工程治理方案，建立了抗滑桩桩土体系二维有限元分析模型，然后分析影响抗滑桩可靠性设计的主要因素，建立了基于有限元的抗滑桩桩土体系可靠度分析模型。接着，提出了基于投资-效益准则的抗滑桩结构目标性能，在此基础上，研制了基于性能的抗滑桩结构优化模型与算法，最后将此应用于大路沟滑坡治理工程。本文主要研究工作和成果如下：
（1）通过现场调查、工程地质测绘、工程地质钻探和现场大型剪切试验，深入研究了大路沟滑坡的形成机理，特殊的地层结构、较陡的地形条件、人工开挖坡脚及长时间持续强降雨导致了该老滑坡的复活。该滑坡的变形破坏模式为：下部推挤变形、中部“顺层”滑动、上部拉裂下陷，属于推移式滑动机制。
（2）从基于有限元软件ANSYS建立抗滑桩桩土体系数值分析模型入手，对影响抗滑桩结构可靠性的不确定因素及其统计特征进行了详细讨论。然后简述了结构失效概率的求解方法及流程，结合ANSYS自带蒙特卡罗法（MCS）拉丁超立方体抽样算法和响应面法（RSM）中心复合设计算法研制了抗滑桩结构可靠度失效概率计算程序，同时，还研制了基于JC法的可靠度计算FORTRAN源程序，并与抗滑桩有限元模型ANSYS命令流文件相结合实现了对抗滑桩结构可靠度的计算。最后通过大路沟滑坡治理工程抗滑桩结构可靠度计算算例分析，从计算效率来看，蒙特卡罗法（MCS）拉丁超立方体抽样算法最低，响应面法（RSM）中心复合设计算法其次，基于FORTRAN与ANSYS软件相结合的JC可靠度方法效率最高。
（3）对基于投资-效益准则的抗滑桩结构优化设计模型进行了详细讨论，并对抗滑桩结构整个寿命周期内的总费用进行了系统分析，详细描述了支护结构初始建造成本C0、人员伤亡损失费用C1f、建筑物及室内财产损失费用C2f、公路（铁路、水利）等工程损失费用C3f、土地资源损失费用C4f及其他损失费用C5f等计算模型。最后针对大路沟滑坡治理工程，详细讨论了建立抗滑桩结构目标性能的基本思路和方法。
（4）从结构优化方法入手，讨论了复合形优化算法的基本原理及流程，并采用剩余推力法和复合形优化算法对黄土高边坡的稳定性可靠度问题进行了算例分析。最后针对大路沟滑坡治理工程，首次详细讨论了建立基于性能的抗滑桩结构优化设计模型的基本思路和方法，并研制了该优化模型的复合形算法及源程序，算例结果表明该优化模型及算法程序具有一定的参考价值。
This article is based on the Dalu valley landslide in the building alteration of Shannxiprovince state highway s303from Yan’an to Wuqi, to research to optimize the design ofanti-sliding pile based on performance. Firstly, the engineering geological condition andformation mechanism of Dalu valley landslide is investigated, and then the treating concept isproposed. Secondly, the2D finite element method model of the anti-sliding pile soil system iscreated, and the main factor of the anti-sliding pile reliability design is analyzed, then, thefinal reliability analyze model based FEM is decided. Lastly, the performance goal ofanti-sliding pile based on investigation-effectiveness principle is proposed, the anti-slidingpile optimized model and algorithm is achieved, and put this into practice. The main researchand results is:
(1) With field investigation, engineering geological survey, boring and large shear test insitu, the formation mechanism of Dalu valley landslide is achieved. The special stratastructure, steep topography, artificial excavation of slope toe and long sustained intenserainfall compose the causes of reactivation of the old landslide. The deformation and failurepattern of the landslide is that, the landslide front is pushed and extrused, and the landslidemiddle is bedding glide, and the landslide tail is pulled and collapsed.
(2) The uncertain factors and the statistic characteristics of the anti-sliding pile reliabilitybased on the anti-sliding pile soil system FEM model by ANSYS software is discussed.Analyze the method to acquire probability of the structural failure, combining with MonteCarlo Simulation method (MCS) and Response Surface Method (RSM) from ANSYS toinvent the anti-sliding pile reliability probability calculation process as well as the reliabilitycalculation FORTRAN source program based on the JC method which works with the FEMmodel order source to fulfill the calculation of the reliability. At last, the calculation of thereliability of the anti-sliding pile in the Dalu valley landslide treatment is analyzed, whichshows that the JC method is most effective, then the RSM and MCS.
(3) With the detailed discussion of the anti-sliding pile optimization model based oninvestigation-effectiveness principle, the total cost of supporting structure in the life cycle of anti-sliding pile is analyzed. Then, the calculation model of the origin construction costC0, ofthe lost of CasualtiesC1f, of the house and inside lostC2f, of the road (railway, Hydraulic)engineering lostC3f, of the soil resource lostC4fand other lostC5f, etc, is proposed. In thelast, the basic thought and method of constructing the target performance of anti-sliding pilein the Dalu valley landslide treatment project is discussed in detail.
(4)With the discussion of the complex optimized calculation method, the stabilityreliability calculation method of high loess slope with the residual thrust method and complexoptimization method is analyzed. Concentrating on the Dalu valley landslide treatment project,discuss the basic thought and method of creating the anti-sliding pile optimized model basedon performance and inventing the complex optimization calculation algorithm and the sourceprogram of the optimized model. The result of calculation example shows that theoptimization model and the calculation algorithm is worth relying on.
（1）通过现场调查、工程地质测绘、工程地质钻探和现场大型剪切试验，深入研究了大路沟滑坡的形成机理，特殊的地层结构、较陡的地形条件、人工开挖坡脚及长时间持续强降雨导致了该老滑坡的复活。该滑坡的变形破坏模式为：下部推挤变形、中部“顺层”滑动、上部拉裂下陷，属于推移式滑动机制。
（2）从基于有限元软件ANSYS建立抗滑桩桩土体系数值分析模型入手，对影响抗滑桩结构可靠性的不确定因素及其统计特征进行了详细讨论。然后简述了结构失效概率的求解方法及流程，结合ANSYS自带蒙特卡罗法（MCS）拉丁超立方体抽样算法和响应面法（RSM）中心复合设计算法研制了抗滑桩结构可靠度失效概率计算程序，同时，还研制了基于JC法的可靠度计算FORTRAN源程序，并与抗滑桩有限元模型ANSYS命令流文件相结合实现了对抗滑桩结构可靠度的计算。最后通过大路沟滑坡治理工程抗滑桩结构可靠度计算算例分析，从计算效率来看，蒙特卡罗法（MCS）拉丁超立方体抽样算法最低，响应面法（RSM）中心复合设计算法其次，基于FORTRAN与ANSYS软件相结合的JC可靠度方法效率最高。
（3）对基于投资-效益准则的抗滑桩结构优化设计模型进行了详细讨论，并对抗滑桩结构整个寿命周期内的总费用进行了系统分析，详细描述了支护结构初始建造成本C0、人员伤亡损失费用C1f、建筑物及室内财产损失费用C2f、公路（铁路、水利）等工程损失费用C3f、土地资源损失费用C4f及其他损失费用C5f等计算模型。最后针对大路沟滑坡治理工程，详细讨论了建立抗滑桩结构目标性能的基本思路和方法。
（4）从结构优化方法入手，讨论了复合形优化算法的基本原理及流程，并采用剩余推力法和复合形优化算法对黄土高边坡的稳定性可靠度问题进行了算例分析。最后针对大路沟滑坡治理工程，首次详细讨论了建立基于性能的抗滑桩结构优化设计模型的基本思路和方法，并研制了该优化模型的复合形算法及源程序，算例结果表明该优化模型及算法程序具有一定的参考价值。
This article is based on the Dalu valley landslide in the building alteration of Shannxiprovince state highway s303from Yan’an to Wuqi, to research to optimize the design ofanti-sliding pile based on performance. Firstly, the engineering geological condition andformation mechanism of Dalu valley landslide is investigated, and then the treating concept isproposed. Secondly, the2D finite element method model of the anti-sliding pile soil system iscreated, and the main factor of the anti-sliding pile reliability design is analyzed, then, thefinal reliability analyze model based FEM is decided. Lastly, the performance goal ofanti-sliding pile based on investigation-effectiveness principle is proposed, the anti-slidingpile optimized model and algorithm is achieved, and put this into practice. The main researchand results is:
(1) With field investigation, engineering geological survey, boring and large shear test insitu, the formation mechanism of Dalu valley landslide is achieved. The special stratastructure, steep topography, artificial excavation of slope toe and long sustained intenserainfall compose the causes of reactivation of the old landslide. The deformation and failurepattern of the landslide is that, the landslide front is pushed and extrused, and the landslidemiddle is bedding glide, and the landslide tail is pulled and collapsed.
(2) The uncertain factors and the statistic characteristics of the anti-sliding pile reliabilitybased on the anti-sliding pile soil system FEM model by ANSYS software is discussed.Analyze the method to acquire probability of the structural failure, combining with MonteCarlo Simulation method (MCS) and Response Surface Method (RSM) from ANSYS toinvent the anti-sliding pile reliability probability calculation process as well as the reliabilitycalculation FORTRAN source program based on the JC method which works with the FEMmodel order source to fulfill the calculation of the reliability. At last, the calculation of thereliability of the anti-sliding pile in the Dalu valley landslide treatment is analyzed, whichshows that the JC method is most effective, then the RSM and MCS.
(3) With the detailed discussion of the anti-sliding pile optimization model based oninvestigation-effectiveness principle, the total cost of supporting structure in the life cycle of anti-sliding pile is analyzed. Then, the calculation model of the origin construction costC0, ofthe lost of CasualtiesC1f, of the house and inside lostC2f, of the road (railway, Hydraulic)engineering lostC3f, of the soil resource lostC4fand other lostC5f, etc, is proposed. In thelast, the basic thought and method of constructing the target performance of anti-sliding pilein the Dalu valley landslide treatment project is discussed in detail.
(4)With the discussion of the complex optimized calculation method, the stabilityreliability calculation method of high loess slope with the residual thrust method and complexoptimization method is analyzed. Concentrating on the Dalu valley landslide treatment project,discuss the basic thought and method of creating the anti-sliding pile optimized model basedon performance and inventing the complex optimization calculation algorithm and the sourceprogram of the optimized model. The result of calculation example shows that theoptimization model and the calculation algorithm is worth relying on.
引文
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