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《兰州大学》 2011年
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交河故城崖体锚杆加固数值模拟与设计参数优化研究

张宇翔  
【摘要】:崖体是交河故城遗址所依附的载体,崖体的破坏会直接威胁到整个故城遗址的存亡。目前部分古建筑物耸立于崖边,其坐落的崖体处于被卸荷裂隙切割,面临摧毁的险境。区别于一般不稳定边坡防治问题,交河故城崖体的防治不能采取削坡等治理措施,只能应用锚固、灌浆等措施最大限度的保证不在现有基础上削减崖体的方量。然而,锚杆加固,作为土遗址抢险加固工程中应用最多的工程措施,其设计方案的制定主要依赖经验或借鉴其他岩土工程领域的理论方法,严重制约交河故城崖体保护加固的科学化、经济化;基于此,笔者在总结交河故城崖体破坏机理的基础上,对土遗址加固锚杆进行数值模拟,并以此为基础开发一种适用于交河故城崖体的锚固设计参数优化方法。主要研究成果如下: (1)交河故城位于吐鲁番盆地中央隆起构造带上,构造运动强烈,构造裂隙、卸荷裂隙发育,崖体坡面陡直,为崩塌的发生创造了条件。软弱土层在携砂风的作用下掏蚀严重,极大的降低了交河故城崖体的稳定性。 (2)交河故城崖体的破坏类型共分5种,分别为:底部淘蚀—掉块—二次掉块—滑塌破坏;滑移—拉裂;滑移—滑塌;倾倒式破坏;滑移—倾倒—滑塌。 (3)采用FLAC3D计算程序对交河故城的锚杆拉拔试验进行数值模拟。数值计算得到的p-s曲线与试验实测曲线有较好的一致性。说明用FLAC3D中的cable结构单元模拟文物加固锚杆是可行的。 (4)建立交河故城47#崖体的数值模型,以拟静力方式加载地震力,对比锚杆加固前后土体的应力应变分布,结果显示锚杆加固对提高崖体在地震荷载作用下的抗破坏能力有显著效果。另外采用强度折减法计算支护前后边坡的稳定性系数,支护前为1.15,崖体极有可能发生崩塌和滑移破坏。支护后为1.78,崖体最有可能的破坏形式为滑移式破坏,潜在滑面位置向坡内缩进,裂隙切割成的危险块体发生崩塌破坏的可能大大减小。 (5)提出一种以性价比为评价指标,运用快速拉格朗日差分分析和遗传算法对交河故城崖体加固方案进行优化的新方法。应用FLAC计算崖体加固前后的稳定性系数(Ks),以性价比(加固前后稳定性系数的差值和工程造价的比值)为目标函数,以加固后的稳定性系数大于等于安全系数为约束条件,应用遗传算法在加固方案的解空间中搜索目标函数的最大值,与其对应的各加固设计参数为加固方案的全局最优解。利用Visual C++语言,定义一个基于二值数编码的遗传算法类,编制崖体加固方案优化设计的主程序,实现FLAC3D与遗传算法的串接。尝试将新方法应用于47“崖体锚杆加固参数的优化中,取得了预期的效果。
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