CN112733221A - 一种抗滑桩加固边坡的优化设计方法及系统 - Google Patents

一种抗滑桩加固边坡的优化设计方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗滑桩加固边坡的优化设计方法及系统。该方法包括：对边坡类型进行建模，得到三维边坡数值计算模型；根据不同的抗滑桩加固方案，建立不同的抗滑桩数值计算模型；对三维边坡数值计算模型以及抗滑桩数值计算模型进行耦合分析，得到优化指标；根据优化指标计算综合优化值；根据综合优化值确定最优的抗滑桩加固方案，并判断最优抗滑桩加固方案是否满足优化目标；若是，则根据最优抗滑桩加固方案对边坡进行加固。本发明建立了一套包含综合反映坡体稳定性、抗滑桩安全性的优化指标体系和基于主观层次分析法和客观熵值法所确定的优化指标综合权重的多目标综合优化模型，使优化结果更具科学性。

Description

一种抗滑桩加固边坡的优化设计方法及系统
技术领域
本发明涉及边坡加固领域，特别是涉及一种抗滑桩加固边坡的优化设计方法及系统。
背景技术
近年来，随着全球工程建设的快速发展，边坡稳定性问题已经成为备受关注的工程地质问题。在边坡加固领域，抗滑桩由于抗滑能力强、施工便捷等优点，已得到了广泛的应用。然而，由于抗滑桩优化设计不合理而导致的加固后的边坡依旧失稳、工程预算超支等问题依旧存在。由此可见，在边坡加固领域如何开展抗滑桩的优化设计至关重要，亟待进一步完善。
现阶段，常用的抗滑桩优化设计方法主要有极限平衡法、物理模型试验法和数值模拟法等。极限平衡法的基本思路为：首先计算满足边坡安全所需的抗滑力，其次计算每根抗滑桩的弯矩和剪力，最后给出桩长、桩间距等设计参数，但是该方法的相关假定条件与实际不符，且未能考虑桩-土之间的相互作用；物理模型试验(离心机试验、振动台试验等)能够很好地考虑桩-土之间的相互作用，与实际工程案例具有较好的可比性，但是难以精确刻画真实边坡原始地貌和尺度，而且相似材料的选取等问题对试验结果的精度影响较大；随着计算机技术的飞速发展，数值模拟技术为抗滑桩优化设计提供了新的解决方案，可较好地反映桩长、设桩位置、桩间距等因素对边坡加固效果的影响。然而，上述这些研究方法往往仅将加固后边坡的稳定性系数作为唯一的优化目标，忽略了抗滑桩自身的安全状态，这也是诸多加固后边坡依旧失稳的根源。此外，以有限元-层次分析法为基础的抗滑桩优化设计方法未能充分考虑抗滑桩设计过程中各个要素之间的协同性，难以给出定量的优化结果。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种抗滑桩加固边坡的优化设计方法及系统，建立一套包含综合反映坡体稳定性、抗滑桩安全性的优化指标体系和基于主观层次分析法和客观熵值法所确定的优化指标综合权重的多目标综合优化模型，使优化结果更具科学性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种抗滑桩加固边坡的优化设计方法，包括：
确定需要采用抗滑桩加固的边坡类型以及优化目标；
对所述边坡类型进行建模，得到三维边坡数值计算模型；
根据不同的抗滑桩加固方案，建立不同的抗滑桩数值计算模型；
对所述三维边坡数值计算模型以及所述抗滑桩数值计算模型进行耦合分析，得到优化指标；所述优化指标包括坡体稳定性系数、桩身弯矩、桩身剪力和桩身挠度；
根据所述优化指标计算综合优化值；
根据所述综合优化值确定最优的抗滑桩加固方案，并判断最优抗滑桩加固方案是否满足优化目标；
若是，则根据所述最优抗滑桩加固方案对边坡进行加固；
若否，则重新确定最优抗滑桩加固方案。
可选地，采用数值仿真技术建立所述三维边坡数值计算模型和所述抗滑桩数值计算模型，并对所述三维边坡数值计算模型以及所述抗滑桩数值计算模型进行耦合分析。
可选地，所述根据所述优化指标计算综合优化值，具体包括：
对所述优化指标进行归一化处理，得到相对隶属度；
计算所述优化指标的优化指标综合权重；
根据所述相对隶属度以及所述优化指标综合权重计算综合优化值。
可选地，所述稳定性系数属于正指标，采用下式进行归一化处理：
Figure BDA0002859980750000021
所述桩身弯矩、所述桩身剪力和所述桩身挠度属于逆指标，采用下式进行归一化处理：
Figure BDA0002859980750000031
其中，a(i,j)min和a(i,j)max分别指j种抗滑桩加固方案中第i个优化指标的最小和最大值；r(i,j)是归一化后的优化指标值，即相对隶属度；α和β是常数，且满足α+β＝100。
可选地，所述优化指标综合权重的计算公式如下：
Figure BDA0002859980750000032
其中，w(i)表示优化指标综合权重，ws(i)和wo(i)分别表示优化指标的主观权重和客观权重，n表示优化指标的个数；
采用熵值法确定优化指标的客观权重的计算表达式为：
Figure BDA0002859980750000033
其中，e(i)是第i个优化指标的熵。
可选地，所述综合优化值的计算公式如下：
Figure BDA0002859980750000034
其中，k(j)表示第j个抗滑桩加固方案的综合优化值，w(i)表示优化指标综合权重，r(i,j)表示j种抗滑桩加固方案中第i个优化指标的相对隶属度，n表示优化指标的个数，m表示抗滑桩加固方案的数目。
本发明还提供了一种抗滑桩加固边坡的优化设计系统，包括：
边坡类型及优化目标确定模块，用于确定需要采用抗滑桩加固的边坡类型以及优化目标；
第一建模模块，用于对所述边坡类型进行建模，得到三维边坡数值计算模型；
第二建模模块，用于根据不同的抗滑桩加固方案，建立不同的抗滑桩数值计算模型；
优化指标确定模块，用于对所述三维边坡数值计算模型以及所述抗滑桩数值计算模型进行耦合分析，得到优化指标；所述优化指标包括坡体稳定性系数、桩身弯矩、桩身剪力和桩身挠度；
综合优化值计算模块，用于根据所述优化指标计算综合优化值；
最优抗滑桩加固方案确定模块，用于根据所述综合优化值确定最优的抗滑桩加固方案，并判断最优抗滑桩加固方案是否满足优化目标；
加固模块，用于当最优抗滑桩加固方案满足优化目标时，根据所述最优的抗滑桩加固方案对边坡进行加固。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
1、本发明建立了反映桩-土相互作用的三维边坡加固数值计算模型，能准确获取不同加固方案下的优化指标值；
2、本发明中多目标综合优化模型中评价指标体系的建立不仅考虑了加固后边坡的稳定性，同时考虑了抗滑桩自身的安全性；
3、本发明中多目标综合优化模型中评价指标综合权重的确定方法不仅消除了过多人为主观因素所导致的武断性与随机性，而且更加强调了优化过程的客观性，使结果更具有科学性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例抗滑桩加固边坡的优化设计方法的流程图；
图2为本发明实施例抗滑桩加固边坡三维数值计算模型示意图；
图3为本发明实施例优化结果曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种抗滑桩加固边坡的优化设计方法及系统，建立一套包含综合反映坡体稳定性、抗滑桩安全性的优化指标体系和基于主观层次分析法和客观熵值法所确定的优化指标综合权重的多目标综合优化模型，使优化结果更具科学性。
针对不能考虑桩-土之间相互作用的技术缺点，本发明通过建立边坡与抗滑桩耦合分析数值计算模型进行解决；针对室内模型试验难以精确刻画真实边坡原始地貌和尺度的难题，通过采用无人机获取边坡高精度DEM高程数据，从而建立反映真实地貌形态和1:1真实三维边坡数值计算模型加以解决；针对室内模型试验中相似材料参数难以确定的问题，通过利用地质勘察等手段获取岩土体参数进行解决；针对优化中忽略抗滑桩自身安全状态的问题，通过建立一套综合反映坡体稳定性和抗滑桩自身安全性的优化指标，该优化指标包括稳定性系数、桩身弯矩、桩身剪力和桩身挠度；针对抗滑桩优化设计中各个要素之间的协同性等问题，建立了基于主观权重和客观权重的综合权重确定方法。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种抗滑桩加固边坡的优化设计方法包括以下步骤：
步骤101：确定需要采用抗滑桩加固的边坡类型以及优化目标。
根据实际需要采用抗滑桩加固治理的边坡工程，确定边坡类型、地层参数等基础地质资料；以提高坡体稳定性、抗滑桩桩身安全性，降低工程造价为优化目标。
步骤102：对所述边坡类型进行建模，得到三维边坡数值计算模型。
对于复杂的边坡，借助无人机航拍获取边坡高分辨率DEM高程数据，应用数值建模软件Rhino构建反映坡体起伏变化的真三维地表模型，并导入数值计算分析软件(例如FLAC3D等)建立边坡真三维模型；对于简单的边坡，可直接采用软件根据边坡相关形状参数进行内置命令流建模，方便快捷。
步骤103：根据不同的抗滑桩加固方案，建立不同的抗滑桩数值计算模型。
抗滑桩加固方案设计包括桩身参数设计、抗滑桩布设位置、抗滑桩桩身截面参数、桩长、桩间距等相关内容。根据不同的设计方案建立多种抗滑桩数值计算模型，并与边坡模型进行耦合分析。
步骤104：对所述三维边坡数值计算模型以及所述抗滑桩数值计算模型进行耦合分析，得到优化指标；所述优化指标包括坡体稳定性系数、桩身弯矩、桩身剪力和桩身挠度。
基于有限差分FLAC3D软件或者其他数值计算分析软件，对所述三维边坡数值计算模型与抗滑桩数值计算模型进行耦合分析计算，并从中提取相关的优化设计指标参数。
步骤105：根据所述优化指标计算综合优化值。
建立多目标综合优化模型，主要包括步骤104-105。步骤104和步骤105是该方法的核心组成部分，主要涉及以下内容：
①构建优化指标体系
对所述三维边坡数值计算模型以及所述抗滑桩数值计算模型进行耦合分析，得到优化指标。选取反映坡体稳定性的稳定性系数和抗滑桩自身安全的弯矩、剪力和挠度构成该优化方法的优化指标。
②优化指标值获取及归一化
根据步骤104基于数值仿真分析结果，分别提取不同抗滑桩加固方案下的坡体稳定性系数、桩身弯矩、桩身剪力和桩身挠度，采用百分制和有最大-最小标准化方法对优化指标进行归一化处理。为了方便表述，假设共有m个方案，每个方案由n个评价指标组成。
对于稳定性系数等正指标，归一化公式为：
Figure BDA0002859980750000071
对于弯矩、剪力、挠度等逆指标，归一化公式为：
Figure BDA0002859980750000072
其中，a(i,j)min和a(i,j)max分别指j种方案中第i个优化指标的最小和最大值；r(i,j)是归一化后的优化指标值，即相对隶属度；α和β是常数，且满足α+β＝100。
③确定优化指标综合权重
该模型中，本发明采用主观权重与客观权重来确定评价指标的综合权重，其中主观权重由层次分析法(AHP)确定，客观权重由熵值法确定。因此，优化指标的综合权重w(i)由以下表达式进行确定：
Figure BDA0002859980750000073
其中，ws(i)和wo(i)分别表示主观权重和客观权重。熵值法确定指标客观权重的计算表达式为：
Figure BDA0002859980750000074
其中，e(i)是第i个优化指标的熵。
④优化结果计算分析
综合优化计算值k(j)由不同加固方案下的相对隶属度和各个优化指标的综合权重加权确定：
Figure BDA0002859980750000075
根据最优判定原则，加固方案对应的优化值越大，说明越优越合理。
步骤106：根据所述综合优化值确定最优的抗滑桩加固方案，并判断最优抗滑桩加固方案是否满足优化目标。
根据加固方案优化结果，验证其是否满足提高坡体稳定性、抗滑桩桩身安全性，降低工程造价的优化目标，是否满足工程实际经验。如若满足上述要求，则给出最优的加固方案；否则应该重新设计抗滑桩加固方案，重新进行优化设计。
步骤107：根据所述最优的抗滑桩加固方案对边坡进行加固。
具体实施例：
为了更加详细地说明本发明的内容，下面以有限差分法(FLAC3D模拟软件)为例对抗滑桩加固边坡的优化设计方法及系统进行应用分析。
步骤101，确定需要采用抗滑桩加固的边坡类型以及优化目标。
为了更加简洁形象的诠释该发明方法的使用，本案例以均质土质边坡为例，边坡土体物理力学参数(根据地质勘察获取)如表1所示；优化目标为提升边坡体稳定性和抗滑桩桩身安全性以及降低工程造价。
表1边坡土体物理力学参数
Figure BDA0002859980750000081
步骤102：对所述边坡类型进行建模，得到三维边坡数值计算模型.
以简单均质边坡为例，直接采用有限差分FLAC3D软件内置命令流进行建模，采用实体单元建立边坡数值模型，如图2所示。
步骤103：根据不同的抗滑桩加固方案，建立不同的抗滑桩数值计算模型。
Pile结构单元能够准确的反映桩的受力与变形状态，因此采用Pile结构单元建立抗滑桩模型，如图2所示。将抗滑桩到边坡坡脚的水平距离(Lx)与边坡水平距离(Lp)的比值定义为抗滑桩的布设位置。本案例中，以桩间距S＝5m为例，建立不同加固位置和不同桩长情况下的抗滑桩数值计算模型。
步骤104：对所述三维边坡数值计算模型以及所述抗滑桩数值计算模型进行耦合分析，得到优化指标。
采用强度折减法和摩尔-库伦本构模型进行桩-土耦合分析计算，研究不同布桩位置(Lx/Lp)和桩长(L)对加固效果的影响。抗滑桩详细的物理力学参数如表2所示。
表2结构单元抗滑桩物理力学参数
Figure BDA0002859980750000091
步骤105：根据所述优化指标计算综合优化值。
建立多目标综合优化模型，主要包括步骤104-105。步骤104和步骤105是该方法的核心组成部分，主要涉及以下内容：
①构建优化指标体系
本案例选取稳定性系数、桩身弯矩、桩身剪力和桩身挠度四个指标作为多目标综合优化设计模型的优化指标。
②优化指标值获取及归一化
基于步骤104分别获取了不同抗滑桩加固方案下的稳定性系数、桩身弯矩、桩身剪力和桩身挠度，如表3所示。
表3数值模拟获取的优化指标值
Figure BDA0002859980750000101
优化指标体系的归一化和百分评价体系：
对于稳定性系数优化指标，属于正指标，采用下式进行归一化处理：
Figure BDA0002859980750000102
对于弯矩、剪力和挠度优化指标，属于逆指标，采用下式进行归一化处理：
Figure BDA0002859980750000103
上述表达式中，α＝60；β＝40；优化指标归一化的结果如表4所示。
表4优化指标体系归一化值
Figure BDA0002859980750000111
③确定优化指标综合权重
采用层次分析法来确定优化指标的主观权重。结合决策者意向，工程经验以及地质灾害专家的判断，并采用1-9比率标度法，得出了各个优化指标之间的相对重要程度和主观权重，如表5所示。判识矩阵的最大特征值为3，CI值为0.05且CR值等于0.04，并且小于0.1，满足一致性要求。
表5优化指标主观权重
Figure BDA0002859980750000112
采用熵值法来确定优化指标的客观权重。由下式计算得到的优化指标的客观权重见表6。
Figure BDA0002859980750000121
表6优化指标综合权重表
优化指标 主观权重 客观权重 综合权重
稳定性系数 0.5570 0.4949 0.7883
桩身弯矩 0.2693 0.1660 0.1279
桩身剪力 0.0532 0.1715 0.0261
桩身挠度 0.1205 0.1676 0.0577
根据以下公式确定优化指标的综合权重。综合权重计算结果如上表6所示。
Figure BDA0002859980750000122
④优化结果计算分析
综合优化计算值由不同加固方案下的相对隶属度和各个优化指标的综合权重加权确定：
Figure BDA0002859980750000123
不同加固方案下的优化结果如表7所示。
Figure BDA0002859980750000131
步骤106：根据所述综合优化值确定最优的抗滑桩加固方案，并判断最优抗滑桩加固方案是否满足优化目标。
根据步骤105的加固方案多目标综合优化结果，结合最优判定原则，加固方案编号15对应的优化值最大，不仅满足提高坡体稳定性、抗滑桩桩身安全性，而且符合工程实际经验。
步骤107：根据所述最优的抗滑桩加固方案对边坡进行加固。
边坡加固设计推荐方案15，即：抗滑桩布设位置为坡体中部，桩长28m，桩间距5m。
本发明还提供了一种抗滑桩加固边坡的优化设计系统，包括：
边坡类型及优化目标确定模块，用于确定需要采用抗滑桩加固的边坡类型以及优化目标；
第一建模模块，用于对所述边坡类型进行建模，得到三维边坡数值计算模型；
第二建模模块，用于根据不同的抗滑桩加固方案，建立不同的抗滑桩数值计算模型；
优化指标确定模块，用于对所述三维边坡数值计算模型以及所述抗滑桩数值计算模型进行耦合分析，得到优化指标；所述优化指标体系包括坡体稳定性系数、桩身弯矩、桩身剪力和桩身挠度；
综合优化值计算模块，用于根据所述优化指标计算综合优化值；
最优抗滑桩加固方案确定模块，用于根据所述综合优化值确定最优的抗滑桩加固方案，并判断最优抗滑桩加固方案是否满足优化目标；
加固模块，用于当最优抗滑桩加固方案满足优化目标时，根据所述最优的抗滑桩加固方案对边坡进行加固。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种抗滑桩加固边坡的优化设计方法，其特征在于，包括：
确定需要采用抗滑桩加固的边坡类型以及优化目标；
对所述边坡类型进行建模，得到三维边坡数值计算模型；
根据不同的抗滑桩加固方案，建立不同的抗滑桩数值计算模型；
对所述三维边坡数值计算模型以及所述抗滑桩数值计算模型进行耦合分析，得到优化指标；所述优化指标包括坡体稳定性系数、桩身弯矩、桩身剪力和桩身挠度；
根据所述优化指标计算综合优化值；
根据所述综合优化值确定最优的抗滑桩加固方案，并判断最优抗滑桩加固方案是否满足优化目标；
若是，则根据所述最优抗滑桩加固方案对边坡进行加固；
若否，则重新确定最优抗滑桩加固方案。
2.根据权利要求1所述的抗滑桩加固边坡的优化设计方法，其特征在于，采用数值仿真技术建立所述三维边坡数值计算模型和所述抗滑桩数值计算模型，并对所述三维边坡数值计算模型以及所述抗滑桩数值计算模型进行耦合分析。
3.根据权利要求1所述的抗滑桩加固边坡的优化设计方法，其特征在于，所述根据所述优化指标计算综合优化值，具体包括：
对所述优化指标进行归一化处理，得到相对隶属度；
计算所述优化指标的优化指标综合权重；
根据所述相对隶属度以及所述优化指标综合权重计算综合优化值。
4.根据权利要求3所述的抗滑桩加固边坡的优化设计方法，其特征在于，所述稳定性系数属于正指标，采用下式进行归一化处理：
Figure FDA0002859980740000011
所述桩身弯矩、所述桩身剪力和所述桩身挠度属于逆指标，采用下式进行归一化处理：
Figure FDA0002859980740000021
其中，a(i,j)min和a(i,j)max分别指j种抗滑桩加固方案中第i个优化指标的最小和最大值；r(i,j)是归一化后的优化指标值，即相对隶属度；α和β是常数，且满足α+β＝100。
5.根据权利要求3所述的抗滑桩加固边坡的优化设计方法，其特征在于，所述优化指标综合权重的计算公式如下：
Figure FDA0002859980740000022
其中，w(i)表示优化指标综合权重，ws(i)和wo(i)分别表示优化指标的主观权重和客观权重，n表示优化指标的个数；
采用熵值法确定优化指标的客观权重的计算表达式为：
Figure FDA0002859980740000023
其中，e(i)是第i个优化指标的熵。
6.根据权利要求3所述的抗滑桩加固边坡的优化设计方法，其特征在于，所述综合优化值的计算公式如下：
Figure FDA0002859980740000024
其中，k(j)表示第j个抗滑桩加固方案的综合优化值，w(i)表示优化指标综合权重，r(i,j)表示j种抗滑桩加固方案中第i个优化指标的相对隶属度，n表示优化指标的个数，m表示抗滑桩加固方案的数目。
7.一种抗滑桩加固边坡的优化设计系统，其特征在于，包括：
边坡类型及优化目标确定模块，用于确定需要采用抗滑桩加固的边坡类型以及优化目标；
第一建模模块，用于对所述边坡类型进行建模，得到三维边坡数值计算模型；
第二建模模块，用于根据不同的抗滑桩加固方案，建立不同的抗滑桩数值计算模型；
优化指标确定模块，用于对所述三维边坡数值计算模型以及所述抗滑桩数值计算模型进行耦合分析，得到优化指标；所述优化指标包括坡体稳定性系数、桩身弯矩、桩身剪力和桩身挠度；
综合优化值计算模块，用于根据所述优化指标计算综合优化值；
最优抗滑桩加固方案确定模块，用于根据所述综合优化值确定最优的抗滑桩加固方案，并判断最优抗滑桩加固方案是否满足优化目标；
加固模块，用于当最优抗滑桩加固方案满足优化目标时，根据所述最优的抗滑桩加固方案对边坡进行加固。
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