还剩2页未读,继续阅读
文本内容:
重力式挡土墙的截面优化设计1重力式挡土墙设计在道路、桥梁和水利工程中,挡土墙广泛应用于道路大坝、水库填充和边坡填充挡土墙的形式有很多,重力式挡土墙以其结构简单、取材方便、施工容易、造价低廉等优点而被广泛应用目前,重力式挡土墙的设计多采用查表法或直接套用定型的设计图集;或凭经验初步拟定截面尺寸,再验算其稳定性,同时根据结果不断调整截面尺寸,直到满足要求这些方法要么不够经济合理,要么对设计人员的经验要求较高,局限性大,效率较低本文以挡土墙截面面积为目标函数,以满足挡土墙稳定性和地基承载力等为约束条件,利用乘子法求解这个带约束非线性优化问题2土体黏聚力和内摩擦角的确定本文仅考虑填方挡土墙的优化设计,选择工程中常用的俯斜式和直立式两种墙型,采用库仑土压力理论计算,墙背填土为无黏性土c=0o如果是黏性填土,则按照土体抗剪强度相等的原则,将土体黏聚力和内摩擦角换算为等效内摩擦角在主动土压力计算时首先要判断墙后填土是否存在第2破裂面,据此按照《挡土墙土压力计算手册》
1.11变量设计设计变量共4个,如图1所示x
1.2目标函数目标函数定义为挡土墙截面面积V x,则式中H
1.3抗倾覆约束条件涉及重力式挡土墙的稳定验算,根据《水工挡土墙设计》1墙底抗滑移约束条件式中[K2抗倾覆约束条件4式中:K3基底偏心距约束条件式中e为偏心距;B为挡土墙基底宽度;EG为作用于挡土墙的全部竖向荷载之和;4挡土墙地基应力约束条件式中P5变量非负约束条件
1.4约束问题的求解步骤上述问题为一个带约束非线性规划问题,可用下列形式来表示1求解X2使V x二极小值;3约束条件:g此问题中,变量数n=4,约束数m=8,用乘子法将该问题转化为无约束问题后进行求解具体步骤如下1用乘子法将问题转化为无约束极值问题其中式中入为乘子;r为罚系数;p为约束数给定初值X2用单纯形法求出力x,入,r的极小点4收敛准则:计算|入5罚系数更新,该方法的程序计算框图如图2所示
1.5计算程序根据上述优化方法和计算流程,本文用VB编制了计算程序,界面如图3所示
1.6重力式挡土墙的设计选定不同参数计算,经比较发现,在对各参数均无特定要求时,优化所得结果的变量X设计变量X为连续变量,得出的某些结果在施工中难以实现因此,设计时应以程序所求出的最优截面面积为基础,将给出的截面尺寸适当调整,即可达到施工要求,且满足安全和经济条件在重力式挡土墙的设计时,往往会缺乏试验资料、此时通常根据规范所提供的参考值选取填土内摩擦角、填土重度、墙背摩擦角、基底摩擦系数、地基承载力等数据填土重度、基底摩擦系数对抗滑稳定的影响在计算公式中已经表现,这里只分析填土内摩擦角和填土与墙背摩擦角的选取对最终设计断面面积的影响3计算参数选取填土的内摩擦角按照文献[2]中列出的填土内摩擦角参考值选取本文选取工程中比较常见内摩擦角此处均指等效内摩擦角,4分别取26°,28°,30°,32°,34°,36°,38°,40°,填土与墙体摩擦角5分别取6/3和6/2,其他计算参数如下:墙高H1当填土坡度为20和15时,填土内摩擦角6与最优截面面积S基本呈直线关系,6由2640°每增加1,S约减小5%~7%;当填土坡度为25时,6在3240范围时,〜〜每增加1,S减小6%7祝而当@在26°32范围,每增加1时,S减小幅度由大变小,〜〜从由每增加1,S减小9%,逐渐变化到S减小7虬可见,在墙高和地基土体不变的情况下,随着墙后填土内摩擦角的减小,挡土墙所需的最优截面面积逐渐增大,6值越小,面积增幅越大,且墙后填土坡度大时,面积增幅明显高于填土坡度较小时2挡墙所需最优截面面积在墙背摩擦角5取/3时,要大于取6/2时,S相差5%^10%,并随着力值增大,S相差的幅度变大4滑验算安全系数优化在贵州某发电厂公路3m高挡土墙护脚的设计中,抗滑验算安全系数为K由表4中结果可看出,在选取与原设计方案相当的稳定安全系数时,优化后的挡土墙截面面积比原设计方案小,截面面积减小了约14%,优化后的成果还是可观的5墙后填土的内摩擦角本文通过对重力式挡土墙截面优化的研究可得到以下一些结论1对于重力式挡土墙,仰斜式的主动土压力最小,在满足一定抗滑移和抗倾覆稳定安全系数时,其截面面积最小;直立式次之,而俯斜式的主动土压力最大,其截面面积最大;故设计时应综合考虑挖、填方情况以及墙前地形情况合理选择墙型2墙后填土的内摩擦角越大,挡土墙所需的截面面积越小在墙高和地基土体不变的情况下,随着墙后填土内摩擦角@的减小,挡土墙所需的截面面积逐渐增大,由值越小,面积增幅越大,并且当墙后填土坡度较大时25,挡土墙所需的截面面积增幅明显高于墙后填土坡度较小时故为使作用在挡土墙上的土压力最小,应选择抗剪强度高、性质稳定的粗颗粒材料作填料3墙背外摩擦角S越大,挡土墙所需的截面面积越小当5取e/2时,挡土墙所需截面面积与8取e/3时相差5%10%,并且随着墙后填土@值的增大,两者相差幅度增大因此〜施工时应注意墙背附近填土的夯实质量以增大外摩擦角,减小作用于墙背的主动土压力。