双排抗滑桩在滑坡治理中的支护优化探讨

甘怡，杨波

（1第三军医大学校务部营房处，重庆 400041；2重庆第十建设有限公司，重庆 400041）

0 前言

埋入式抗滑桩是指桩顶在地下一定深度的抗滑桩，是一种常见的抗滑结构形式，常用于滑坡的治理。埋入式抗滑桩的优点是能节省大量材料，有很好的经济性。使用埋入式抗滑桩来治理滑坡工程时，比较重要的就是确定合理的支护方案。通常所说的埋入式抗滑桩的合理支护方案是指在满足一定要求（达到一定安全系数）下的，确定抗滑桩的埋深和在滑坡体中所处的水平位置。对于单排埋入式抗滑桩的支护，唐晓松等人利用遗传算法嵌套支持向量机已经做了研究[1]。但是关于双排埋入式抗滑桩的合理支护的研究还较少，其难点是需要确定双排桩各自的埋深和水平位置。本文利用遗传算法对双排埋入式抗滑桩的合理支护方案进行了优化探讨。

1 双排埋入式抗滑桩优化思路

1.1 双排埋入式抗滑桩优化的基本原则

双排埋入式抗滑桩的优化涉及的因素较多，不仅受到滑坡参数及外力作用的影响，还与桩本身的位置与材料等有关，比较复杂。通过研究，我们提出双排埋入式抗滑桩合理支护优化的两个基本原则。第一个基本原则是双排埋入式抗滑桩各排桩推力和最小。因为抗滑桩的优化就是降低工程造价，节约材料。而抗滑桩的配筋多少、截面大小又决定于滑坡推力的大小，所以采用各排桩的推力作为重要的参考因素。第二个基本原则是治理后的安全系数最大化。因为滑坡治理的首要任务是安全可靠，坡体的稳定安全系数必须要大于滑坡治理中设计要求的安全系数，而在设计中，为了确保安全，一般按照稳定安全系数最大化原则。

1.2 双排埋入式抗滑桩优化的步骤

双排埋入式抗滑桩的优化就是要确定双排桩各自的埋深和水平位置，涉及4个参数。通过研究我们发现，双排埋入式抗滑桩中的前排桩对安全系数的贡献很大，前排桩如果设置成埋入式，常常会导致滑坡安全系数很小，达不到设计要求，所以双排埋入式抗滑桩的前排桩应设计为全长式抗滑桩，后排桩设计为埋入式抗滑桩。所谓全长式抗滑桩，是指桩顶在地面的抗滑桩。因此，双排埋入式抗滑桩的优化就是确定3个参数：双排桩各自的水平位置和后排桩的埋深（前排桩为全长式，埋深为0）。

双排埋入式抗滑桩的优化一般可以分成两步来进行。第一步是双排埋入式抗滑桩各自水平位置的优化。先不考虑埋深，考虑双排桩都为全长式抗滑桩时的情况。计算出双排全长式抗滑桩的一组样本数据，然后取定安全系数最大时的位置为双排桩的最优水平位置。第二步是双排抗滑桩后排桩埋深的优化，取第一步中计算出的双排桩的最优水平位置，变化后排桩的埋深，应用遗传算法嵌套支持向量机的方法对此位置的后排桩进行埋深优化。

1.3 双排埋入式后排桩埋深的优化方法

通过MATLAB支持向量机（SVM）工具箱LS_SVMlab形成设计参数与滑坡安全系数及埋入式抗滑桩的推力间的映射关系模型[2-3]。根据这一数值模型，对于任一组给定的支护参数（后排桩的埋深），均可以用支持向量机泛化推广的功能得到相应的安全系数和桩所受的推力。然后，把支持向量机嵌套入遗传算法中，以支护加固后滑坡体需要达到的最小安全系数等作为约束条件，以桩所受推力作为评价指标，给定搜索的范围，即可对支护参数进行寻优。

2 映射关系和样本的建立

要得到安全系数与支护参数以及抗滑桩推力之间的映射关系模型，首先需构建一定数量的基础样本，而且要保证样本的准确性。传统的计算方法（如不平衡推力法等）由于不能考虑桩-土之间的各种共同作用，除可以计算滑坡体的推力以外，其余有用的设计参数大都无法确定。近年来，有限元强度折减法得到了广泛地应用，郑颖人及其学生率先将有限元法应用于抗滑桩的设计，取得了良好效果[4-6]，这为抗滑桩的推力及对应的安全系数样本的准确性提供了保证。因此，本文桩体采用实体单元、线弹性材料模拟，土体采用D-P弹塑性模型模拟，利用ANSYS有限元程序对双排埋入式抗滑桩进行稳定性分析。

3 工程算例

3.1 计算模型与参数

该滑坡原型为阳平关滑坡，地处陕西省宝成线凤州-阳平关段，滑坡编号DK271+255。该条线路处于秦巴山区和陕北黄土高原沟壑地区，若遇暴雨、连阴雨有可能发生滑坡、崩塌、泥石流等灾害，历史上多次发生滑坡伤人事件。该类滑坡顺层面或结构面滑动，主滑段为直线型，前缘抗滑段较小、阻滑特征不明显。计算模型为此滑坡的典型剖面，滑坡长170m，滑坡高105m，前排桩长25m，宽4m。后排桩长45m，宽4m。计算参数如表1所示，计算模型如图1所示。

表1 岩土体和桩的物理力学参数

表2 不同排距下两排桩的推力表（单宽）

图1 简化计算模型

3.2 模型的优化

双排埋入式抗滑桩的支护方案优化可以分成两步来进行。第一步是双排埋入式抗滑桩水平位置的优化，第二步是后排抗滑桩埋深的优化。

3.2.1 双排埋入式抗滑桩水平位置的优化

先用有限元强度折减法建模计算得到排距变化时的双排桩的推力，如表2所示。安全系数最大值处在间距90m的地方，在此处安全系数为1.54，双排埋入式抗滑桩的水平位置确定。在这里采用安全系数最大化准则有如下两点考虑：一是安全系数最大，在一定程度上来说更加保险和安全；二是为后排桩的埋入留下余地。因为随后排桩埋入深度的增加，安全系数会逐渐变小，直到降低到设计安全系数。而且经过研究我们发现，埋入式抗滑桩桩上的推力与抗滑桩在滑体中的有效长度成正比。而且桩在滑坡体中的有效长度对推力的影响比抗滑桩的水平位置对推力的影响要大，说明增大埋深对减小两排桩上的推力和效果更好。

3.2.2 双排埋入式抗滑桩后排桩埋深的优化

首先应用有限元强度折减法进行建模，改变双排埋入式抗滑桩后排桩的埋深，计算出对应的桩所受推力和滑坡体的安全系数，共得到了9组样本，完成样本的构建，如表3所示。 然后调用initlssvm函数对模型进行初始化，通过trainlssvm对模型进行训练，得到后排埋入式抗滑桩的埋深与滑坡的安全系数及双排桩所受推力的映射关系。最后调用simlssvm函数通过回归来验证所建立的映射关系的准确性，得到样本的输入值和目标值如表4所示。

表3 不同排距下两排桩的推力表（单宽）

表4 两排桩桩顶中心处的竖直坐标

表5 支持向量机的目标值与预测值

为了验证所建立的映射关系的正确性，本文利用支持向量机泛化推广的功能，根据文献[7]中的方法对双排抗滑桩的推力和数值进行了预测，并和文献方法中的数值模拟结果进行了对比，如表5所示。从表5中可以看出，预测值和数值模拟得到的目标值十分接近（误差小于4.00%），由此说明通过支持向量机建立的映射函数关系是符合精度要求的。

为进一步验证所建立的映射关系的准确性，这里任意取一组坐标（x=11，y=0）作为输入值，通过有限元强度折减法建立AYSYS模型，计算得到的双排埋入式抗滑桩的推力之和的实际值为9400kN。而利用支持向量机泛化推广的功能得到的双排埋入式抗滑桩的推力之和的预测值为9430kN，两者非常接近，如表6所示。

在建立了后排埋入式桩的埋深与安全系数及目标函数推力间的映射关系后，就可以根据已经建立的双排埋入式抗滑桩的数学模型采用遗传算法进行寻优了。由于遗传算法只能搜索矩形区域，因此需要把拟搜索的区域近似为若干个矩形。目前对于埋入式抗滑桩的合理支护的研究尚处于欠成熟阶段，所以保守地取设计安全系数为1.4。

通过遗传算法进行寻优，当桩顶中心处水平坐标x=10.3，y=0时，目标函数（双排埋入式抗滑桩的推力和）最小，数值为9452kN，此时安全系数为1.4。采用有限元强度折减法用AYSYS建立同样的滑坡模型得到的滑坡体的安全系数等于1.41，计算得到双排埋入式抗滑桩所承受的推力和等于9300kN，和遗传算法全局寻优得到的最优解比较接近，此时滑坡体潜在滑移面如图2所示。通过两歩的优化，得到埋入式抗滑桩的最优位置为如图2所示，后排桩距离前排桩90m，后排桩的埋深10.3m。此时前排桩的推力为4538kN，后排桩的推力为4828kN。

图2 双排埋入式抗滑桩最优时的塑性应变云图

表6 预测值和实际值的对比分析

4 结论

应用遗传算法嵌套支持向量机的方法，通过在一定区域内寻优，对双排埋入式抗滑桩的合理的支护方案进行了优化研究。建议双排埋入式抗滑桩合理支护优化的二个基本原则，一是双排埋入式抗滑桩各排桩推力和最小，二是治理后的安全系数最大化。并通过具体滑坡的优化实例分析，给出了确定双排埋入式抗滑桩合理支护方案的优化步骤，即先确定双排埋入式抗滑桩的最优水平位置，再保持前排桩全长式，优化后排桩的埋深，得到最终的优化方案。为双排埋入式抗滑桩在滑坡工程中的合理支护做了新的理论尝试。

[1]唐晓松，郑颖人，段永胜，等.人工智能在埋入式抗滑桩中的应用[J].地下空间与工报，2010，15（4）:120-126.

[2]许建华，张学工，李衍达.支持向量机的新进展[J].控制与决策，2004，19（5）:481-493.

[3]马文涛.支持向量机在膨胀土分类中的应用[J].岩土力学，2005，26（11）:1790-1792.

[4]郑颖人，赵尚毅，邓楚键.有限元极限分析法发展及其在岩土工程中的应用研究[J].中国工程科学，2006，8（12）:35-61.

[5]郑颖人，赵尚毅.用有限元强度折剪法求滑（边）坡支挡结构的内力[J].岩石力学与工程学报，2004，23（20）:3552-3558.

[6]郑颖人，赵尚毅.岩土工程极限分析有限元法及其应用[J].土木工程学报，2005，38（1）:91-99.

[7]雷文杰，郑颖人，冯夏庭.滑坡治理中抗滑桩桩位分析[J].岩土力学，2006，6（27）:950-954.