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首页MATLAB与AutoCAD结合的抗滑桩优化设计与可视化系统
本文主要探讨了一款基于MATLAB和AutoCAD二次开发的抗滑桩设计优化及可视化的软件,旨在解决滑坡治理中抗滑桩设计的复杂性和重复性问题,提高工程设计的效率和安全性。 滑坡是常见的地质灾害,而抗滑桩作为一种有效的治理手段,因其工程量小、适应性强、对滑坡体破坏小等特点被广泛采用。然而,抗滑桩的设计过程涉及复杂的计算和大量重复工作,因此,开发一个自动化的设计软件显得尤为重要。 本论文介绍的软件系统以MATLAB为核心,利用其GUI工具箱进行抗滑桩设计公式的编程,实现设计计算的自动化。MATLAB的这一特性使得软件能够处理复杂的数学模型和计算任务,如计算桩的剪力矩阵、弯矩矩阵以及最大弯矩位置等关键参数。此外,软件还集成了AutoCAD的二次开发功能,通过Visual LISP语言读取文本文件,自动绘制挡土墙设计图,实现了设计结果的可视化。 在软件的优化配筋功能方面,设计者输入滑坡体的相关参数后,内置的算法程序可以计算出桩体的内力参数,并进一步确定最小钢筋截面积等关键配筋信息。这些计算结果随后会被写入文本文件,由AutoCAD的LISP程序读取,完成抗滑桩的配筋设计自动化。 该软件的模块化结构、窗口化人机交互界面和开源化设计理念,降低了使用难度,提升了设计工作的便捷性。其开源特性不仅降低了使用成本,也为业内人员提供了更灵活的定制可能性,促进了技术交流和进步。 这款基于MATLAB和AutoCAD的抗滑桩设计软件显著提升了滑坡治理工程的设计效率,简化了设计流程,降低了设计成本,同时也为抗滑桩结构的设计工作提供了强大的技术支持和创新思路。它的应用有助于推动地质灾害防治领域的科技进步,提高工程的安全性和经济性。
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基于 MATLAB 和 AutoCAD 二次开发的抗滑桩优化设计及可视化
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1.2 国内外研究现状
1.2.1
抗滑桩应用
1) 国外研究现状
从上个世纪四十年代开始,欧美等国家就开始研究设计抗滑桩工程并将其投入到
实践当中。英国、日本、美国、苏联、比利时、奥地利等国家均在公路、铁路或水利
建设中利用了抗滑桩来治理滑坡。第二次世界大战结束后,随着各国的交通建设进入
恢复与发展期,滑坡问题频繁出现在工程建设当中。由于体型高大的挡土墙造价高昂,
抗滑桩逐渐成为各国选择用来治理滑坡的措施。这之后的二十年,抗滑桩的应用已经
在世界范围内相当普遍
[11]
。
1964 年,由于连日降雨致英国一处铁路设施滑坡造成挡土墙与山体一并滑动,采
用抗滑桩加固后才得以恢复稳定
[12]
。
日本在利用抗滑桩治理滑坡时,多采用工字钢或钢管。最早在 1961 年的琦玉县
二濑坝水库滑坡治理中,在直径为 30 厘米的小型钻孔用到了钢管混凝土钻孔桩。在
整治新泻滑坡灾害中,在大型钻孔中安放的是就地灌装的混凝土管桩
[13]
。自 1964 年
开始抗滑桩治理滑坡就在日本广泛利用开来。
二十世纪六十年代研究学者们将限元法引入抗滑桩滑坡治理中。1967 年,美国波
特罗山的一座铁路隧道上需要修建公路,由于地基开挖导致山体滑动,地表、地下水、
铁路隧道均出现位移。利用在沿隧道两侧设置的抗滑桩支挡工程,才稳定了山体。该
项目中利用了有限元法分析确定了滑坡体滑动的原因,为整治设计提供数据支持,也
成为有限元法参与抗滑桩设计的成功案例
[14]
。
比利时某处的铁路路堑为极度破碎的片岩,1986 年对该路段的路基加宽扩建工程
引起牵引式滑坡。后来主要采用左边两排抗滑桩整治,并且在与滑坡毗邻的隧道洞口
两侧也布设抗滑桩数十根抗滑桩,这一工程使得该路段恢复稳定
[15]
。
其他国家诸如前苏联,奥地利、意大利等山地国家都曾用抗滑桩来治理滑坡。目
前抗滑桩治理滑坡在世界范围内已经普遍应用。
2) 国内研究现状
我国最早将抗滑桩引入滑坡治理工程当中的项目是二十世纪五十年代的宝成铁
路路基加固工程中,该工程利用钢筋混凝土抗滑桩治理了岩石顺层滑坡
[16]
。
1965 年,为修建川黔铁路,对楚米铺滑坡采用钢筋混凝土圆管打入桩与沉井相结
合的措施进行整治。管桩 20 根共三排,桩顶用钢筋混凝土水平桁架联结,形成良好
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河北地质大学硕士论文
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的桩群结构,共同抗滑
[17]
。
上世纪七十年代末,在整治成昆铁路玉田车站大桥滑坡工程中,在滑动带深达 29
米的条件下,修建一处排架抗滑桩。这类新型抗滑桩的使用大大提高了抗滑桩的强度,
使得治理后的斜坡更加稳定
[18]
。
1.2.2
抗滑桩计算
1) 国外研究现状
目前关于抗滑桩的计算方法,一般是将地基土视为弹性介质,应用弹性地基梁的
计算原理,以捷克学者 Winkler
[19]
提出的弹性地基的假说作为计算的理论基础。
B.B.Brows、poulos、F.Baguelin
[20]
等人利用弹、塑性理论对侧向受荷桩的应力情况进行
分析研究,得出了将侧向受荷桩按分为刚性桩、半刚性桩及柔性桩来分类的结论。
R.Frank、Y.H.Said
[21]
假设岩土体为弹塑性介质,并把“土-桩系统”问题简化为平面应变
问题,对土与桩的共同作用进行了二维有限元研究,研究了桩的形状、土壤的扰动和
塑性变形对桩截面位移的效应,得出上述各项因素仅对桩周附近的应力与应变有所影
响的结论。Lin 和 Liao
[22]
在桩土系统能量守恒原理的基础上,采用傅里叶级数函数和
西沙洛平均方法,得出了利用测斜数据来评价单桩的侧向应力的方法。
2) 国内研究现状
国内也有诸多专家为抗滑桩设计与计算提供了新的研究方向与研究内容。徐良德、
尹道成
[23]
等通过室内模型试验,对滑体为松散介质、粘性土时,作用在抗滑桩上的下
滑力、桩前滑体抗力、锚固段地层反力的分布规律进行研究,为设计计算提供了一定
依据。刘宇成、王建华
[24]
就滑动面软弱夹层对抗滑桩受力状态的影响进行了模型试验
研究。王士川
[25]
等对抗滑桩进行了弹塑性分析,提出了抗滑桩与桩前地层协调、同步
破坏的设计概念。得出了楔体空间被动土压力表达式。李洋等
[26]
分析矩形、三角形和
梯形等三种土压力作用下 h 型桩的内力分布特点,利用桩顶位移与桩体最大弯矩双控
指标对 h 型抗滑桩的进行参数优化,从而提升桩身的稳定性与合理性。年廷凯
[27]
等基
于极限分析下限定理,建立了杭滑桩桩周土体侧向容许承载力的下限解法。
1.2.3
抗滑桩设计软件
目前有关抗滑桩辅助设计软件的现状,基本上采用的是内嵌式、集成化的设计思
路,所有工作必须在系统预设定的项目文件中完成,无法多模块同时进行,影响工程
进度。而且程序计算流程黑箱化,程序代码不开放,用户无法监控抗滑桩设计计算的
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基于 MATLAB 和 AutoCAD 二次开发的抗滑桩优化设计及可视化
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全过程,也无法按照项目需求修改程序的设置
[28]
。或者是有功能强大、可以独立运行
的支挡物设计软件系统,但其存在价格高昂,设计繁琐,需调设的数据多而杂,且难
于上手的问题。
Visual Slope
[29]
软件是由美国 VisualSlope 公司开发的新一代岩土设计分析软件。
用户 可选用许用应力 法(ASD)或极限状态 (LRFD)法 来 进行设计。它应 用类似于
AutoCAD 那种简单的作图法来建立分析剖面图,设置材料参数。Visual slope 是一个
多功能的程序,用户既可以使用其各单一功能,又可组合使用各功能以解决复杂的工
程问题。但其制作的抗滑桩设计图只有数据化的模型而非工程图纸,无法利用
AutoCAD 直接读取设计结果,给工程制图带来不便。
德国位于汉堡的 IB &T 软件公司开发的 CARD/1
[30]
土木工程设计软件,在公路和
城市道路设计以及互通式立交设计有着突出表现。在 1994 年该软件就被同济大学、
东南大学和交通部第一公路勘察设计院联合引进到中国并进行了汉化。但是该软件并
不具备抗滑桩及其他支挡工程建筑的设计功能。
公路路线与互通立交 CAD 系统金思路 JSL-Road
[31]
是由中交第二公路勘察设计院
开发的道路设计辅助软件。该软件可进行公路路线及互通式立交的平面、纵断面、横
断面的自动/交互设计,路基土石方的自动/交互调配,并可自动生成路线及互通设计
中主要的设计图表及路线/互通的三维立体模型。但该软件只有支挡物纵向和横向设计,
并不包含抗滑桩内力计算和配筋功能。
目前常江苏狄诺尼信息技术有限责任公司研发的集成交互式道路设计 EICAD
[32]
软件中虽有挡墙辅助设计模块(EIDQ),但其仅可以自动生成挡墙路段带有挡墙断面的
路基横断面,而不具有挡土墙及其他支挡物自动布置的功能,也没有开放的开发接口。
而且是附属于 EICAD 集成系统内,无法独立运行。
纬地挡土墙综合 CAD 系统
[33]
包含了各种型式抗滑桩的稳定性验算,抗滑桩平立
面动态布设和修改,平、立、横断面设计绘图、标注,以及全墙圬工数量的统计和出
表的布置图的功能,但生成抗滑桩设计图纸时需要依附于整体道路的平、纵数据,不
够灵活,功能强大意味着操作难度高,所需要学习成本大。价格昂贵也使得普通用户
很难轻易使用到该软件,单独的纬地挡土墙绘图模块的售价就高达 2.98 万元。
理正挡土墙设计软件
[34]
着重于支挡物的计算与验算。虽然操作简洁,可以在很短
的时间内计算出多种设计方案,但并没有绘制支挡物图纸的功能。
综上所述,针对于抗滑桩结构设计中应用的计算机辅助设计(CAD)软件,目前还
没有一款即价格经济又操作便捷,并且拥有开放系统的模块化软件。本论文在前人所
作的边坡支护结构计算的基础上,开发研制抗滑桩设计计算与自动可视化系统,具有
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河北地质大学硕士论文
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实用意义。
1.3 研究内容与研究方法
1.3.1 研究内容
依据论文选题与国内外研究现状,论文的主要研究内容包括四大部分:第一部分
为抗滑桩设计的理论研究;第二部分为本论文所研发软件中基于 MATLAB 的抗滑桩
设计与计算模块的研究;第三部分为本论文所研发软件中基于 AutoCAD 的抗滑桩可
视化成图模块的研究;第四部分为工程实例分析。具体内容如下:
1) 抗滑桩设计概述与算法研究
收集抗滑桩设计相关资料、文献、规范,研究并学习抗滑桩设计的理论、概念及
算法。考虑并分析抗滑桩设计要素诸如:作用力系、平面位置和间距,截面大小等,
讨论弹性桩和刚性桩的区别。熟悉现有抗滑桩设计计算方法与其相应的适用条件。为
编制抗滑桩设计软件打下理论基础。
2) 抗滑桩设计计算软件编程
对 MATLAB 软件的学习为抗滑桩设计计算软件提供程序设计基础。以 MATLAB
软件为开发工具,依据地基系数法的计算步骤,规划出抗滑桩设计计算的设计流程,
为程序计算部分提供算法依据。之后将该程序所得的结果数据,导入到抗滑桩配筋优
化软件中,程序将自动算出配筋优化的最优组合。本程序通过提供了人机交互式输入,
来实现抗滑桩的结构内力及位移计算、桩体参数计算以及自动化配筋等功能,是一种
开源、有效的抗滑桩辅助设计工具。
3) 抗滑桩设计自动可视化软件编程
对 AutoCAD 软件和 Visual LISP 语言程序进行学习和研究为抗滑桩设计自动可视
化软件提供了程序设计基础。以面向对象的可视化编程工具 Visual LISP 作为开发工
具,进行抗滑桩设计自动可视化程序的开发,实现抗滑桩设计的自动化和的二次开发。
通过读取在计算软件中所得出的桩身参数与配筋参数,该程序便可实现对抗滑桩的自
动化绘图,包含了平面设计图、横断面设计图、桩体配筋情况、各单元标注等设计元
素的绘制。
4) 工程实例分析
对工程实例进行分析计算,验证抗滑桩设计计算与自动可视化系统的实用性。根据
工程实例的滑坡体数据,利用基于 MTALAB 的抗滑桩设计计算软件和基于 AutoCAD
抗滑桩自动可视化软件,计算并绘制出抗滑桩内力计算表和工程设计图。分析其对实
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