混沌和声搜索算法及其在土坡局部安全系数法中的应用

提出一种混沌和声算法来进行土坡局部安全系数法的计算.该算法利用混沌变量的随机、遍历特性在解空间内进行有效探索,同时采用基本和声算法中的和声策略对解空间进行开发,从产生的新解与原和声库内的解中选出较优秀的解重新进入和声库,这样不断迭代就构成了混沌和声搜索算法.将该新算法应用于局部安全系数法分析土坡渐进破坏的过程中,同基本和声搜索算法以及已有结果的比较证明,该算法简单易行,结果合理可靠,可以用于土坡稳定分析.     

混合粒子群算法搜索土坡危险滑动面

基本粒子群优化算法存在着对惯性因子敏感、计算量大等缺点,通过借鉴和声搜索算法产生新解的策略和不连续飞行假定,构成了混合粒子群算法。首先,当粒子飞行超越边界时,采用和声搜索算法产生新解;此外还引入了不连续飞行假定,即在每次迭代步中,随机选择一些个体更新速度、位置向量,以利于减少计算量。随机给定10组参数,分别利用基本粒子群优化算法和混合粒子群优化算法对某复杂土坡的最危险滑动面进行了搜索。比较发现,混合粒子群算法能在较短的计算时间内得到更好的结果。     

基于和声策略的粒子群优化算法在土坡稳定分析中的应用

土坡极限平衡稳定分析中临界滑动面的搜索是一个复杂的优化问题,在应用常规微粒群算法搜索时往往因参数较多且难以确定以及飞行速度越界的缺陷而陷入局部最优。基于对常规微粒群算法寻优思想的分析,借鉴和声算法的搜索策略来更新粒子的位置,提出基于和声策略的微粒群优化算法,该方法继承了常规微粒群算法中利用本身经验和社会认知的优势,又借鉴了和声策略的简单易行优势。将该方法应用于土坡稳定分析中,通过算例比较分析,证明新算法的有效性。     

基于余力矩的边坡临界滑动场方法及应用

基于常规极限平衡条分法的瑞典法、Bishop法以及不平衡推力传递法的条间力假定,将圆弧滑动面整体的滑动力矩与抗滑力矩之差定义为余力矩,在给定的安全系数下,利用简单有效的和声搜索算法寻求余力矩最大的滑动面作为给定安全系数下的危险滑动面,变化安全系数直至找到的危险滑动面的余力矩为零,该危险滑动面即为边坡的临界滑动面;鉴于取矩中心对计算结果的影响,对于非圆弧滑动面,采用滑面滑出端的余力替代余力矩作为控制指标,采用与圆弧滑动面下类似的寻找步骤即可得到非圆弧滑动面下的临界滑动面.通过两个典型土坡的算例分析证明了本文方法的可行性.     

基于NURBS表示的三维土坡稳定分析

非均匀有理B样条作为计算机辅助设计领域的曲线和曲面的标准描述方式,已经得到广泛的应用。利用非均匀有理B样条产生三维土坡的滑动底面,利用极限平衡简布法计算滑动体的安全系数,在粒子群算法寻优策略的深刻理解之上,借鉴和声策略直接模拟群体的位置更新得到了新型混合粒子群算法。利用该混合粒子群算法搜索最危险的滑动体,对一均质土坡和一软弱夹层土坡进行了计算分析,比较证明本文所提方法可应用于三维土坡稳定分析。     

基于遗传算法边坡稳定分析临界滑移面的搜索

基于遗传算法和Bishop法，对工程实践中最为广泛应用的圆弧滑裂面提出了搜索临界滑移面及相应最小安全系数的方法。因为安全系数存在多个极小值，所以一般优化方法搜索边坡临界滑移面较为困难，而遗传算法能很好的处理多极值优化问题。传统的方法采用固定不变的上下界设计变量，这样会扩大搜索范围，同时产生许多不符合运动学许可条件的解。在分析时需把这些不符合条件的解剔除，将降低搜索的效率。对于这个问题若采用遗传算法，问题的约束条件变换为由动态的上下界设计变量决定，可缩小搜索范围，且不会产生不符合运动学许可条件的解，在合理的计算时间内临界滑移面能被高精度地搜索到。数值算例表明：所建立的基于遗传算法的岩土边坡稳定分析方法，是一种全局优化搜索算法，能够有效克服经典搜索方法易陷入局部极小值的缺点，其计算结果令人满意。     

复杂边坡滑动面确定的联合搜索法

 针对复杂边坡特点,提出改进的滑动面搜索变量选取方式,通过左、右出滑点和弧高控制滑动面位置,搜索变量取值范围不再需要经验假定。使用分区间搜索策略,以寻找最危险滑动面和潜在危险滑动面,同时也将搜索区域分割,增大算法搜索到全局最优值的可能性。利用混沌优化算法和复合形法联合搜索算法确定复杂边坡的最小安全系数和滑动面,充分利用混沌搜索和复合形法各自的优点,有效地避免陷入局部最小值,并克服混沌优化耗时较长的不足。通过对复杂边坡实例的计算,结果证明,采用改进搜索变量的基本复合形法寻优成功率比传统搜索变量高出40%～60%。联合搜索法的最小安全系数集中于1.70～1.72,全局搜索能力远远优于基本复合形法。多级边坡工程算例的分析表明,该边坡的4条潜在滑动面,其安全系数与最小安全系数相差不超过7.6%,最小仅相差3.6%,但相应的滑动面位置与最危险滑动面完全不同。     

边坡非圆弧临界滑动面的粒子群优化算法

采用粒子群优化算法搜索边坡的临界滑动面及其对应的最小安全系数。粒子群优化算法不断迭代更新试算滑动面，使其安全系数不断减小，经过有限次的迭代分析可确定边坡临界滑动面及其对应的全局最小安全系数。粒子群优化算法具有较好的全局搜索和局部搜索能力，可克服多数常规的优化方法易陷入安全系数局部极小的问题，并具有较高的搜索效率。同时，粒子群优化算法易于与极限平衡法或有限元-极限平衡法相结合进行边坡稳定分析。通过数值算例及与其他学者的结果比较，证明提出的确定边坡临界滑动面方法的有效性。     

边坡地震稳定性分析的拟静力方法适用性研究

针对拟静力方法是否适用于水平设计加速度值较大条件下的地震边坡稳定性分析问题,选取两个典型均质土坡,分别采用极限平衡毕晓普方法与FLAC 2D强度折减方法进行了不同水平设计加速度条件下,地震边坡抗滑稳定性安全系数以及临界滑动面的变化趋势,研究结果发现:对于粘聚力较小的均质土坡而言,无论是极限平衡毕晓普法还是FLAC 2D强度折减法,静力条件下的临界滑动面较浅,随着水平设计加速度值的逐渐增大,地震边坡抗滑稳定安全系数逐渐减小,极限平衡毕晓普法得到临界滑动面基本保持不变,FLAC 2D强度折减法得到的剪应变云图逐渐变窄;对于粘聚力较大而摩擦角较小的均质土坡而言,静力条件下的临界滑动面较深,两种方法下,随着水平设计加速度的增加,抗滑稳定安全系数逐渐减小,临界滑动面逐渐加深,当水平设计加速度值增加到一定程度后,拟静力方法不再适用于地震边坡稳定分析。     

蒙特卡罗技术在土坡稳定性分析中的应用研究

运用先进的蒙特卡罗技术搜索土坡最危险滑动面,利用简化 Bishop 法计算边坡最小安全系数,采用Visual Basic 6.0进行程序设计,实现了土坡最危险滑动面搜索的可视化和计算最小安全系数的动态显示。所编制的土坡稳定分析计算软件具有界面友好、操作简单、结果可靠、显示明了等特点。     

Improved genetic algorithm and its application to determination of critical slip surface with arbitrary shape in soil slope

In order to overcome the problem of being trapped by the local minima encountered in applying the simple genetic algorithm (GA) to search the critical slip surface of the slope, an improved procedure based on the harmony search algorithm is proposed. In the searching computation, the new solutions are obtained from the whole information of the current generation. The proposed method may be applied to calculate the minimum factors of safety of two complicated soil slopes. Comparison of the results with existing examples given by other authors has shown that the proposed method is feasible for stability analysis of soil slopes.     

Improved genetic algorithm and its application to determination of critical slip surface with arbitrary shape in soil slope

In order to overcome the problem of being trapped by the local minima encountered in applying the simple genetic algorithm (GA) to search the critical slip surface of the slope, an improved procedure based on the harmony search algorithm is proposed. In the searching computation, the new solutions are obtained from the whole information of the current generation. The proposed method may be applied to calculate the minimum factors of safety of two complicated soil slopes. Comparison of the results with existing examples given by other authors has shown that the proposed method is feasible for stability analysis of soil slopes. __________ Translated from Journal of Hydraulic Engineering, 2007, 38(2): 157–162 [译自: 水利学报]     

基于模拟退火算法的边坡最小安全系数全局搜索方法

基于改进的模拟退火算法和边坡稳定计算的简化Bishop算法，建立了边坡稳定分析最小安全系数全局搜索方法，该方法能够同时搜索出边坡的最小安全系数和与之相对应的临界滑移面的位置，可以应用到任意边坡几何形状，不同岩土分层，伴随孔隙水压力以及有外荷载的情况，研究表明，所建立的方法能够解决边坡最小安全系数全局搜索问题，从而有效避免最优问题。     

基于模拟退火算法的边坡临界滑面搜索方法

 总结一般情况下滑动面应该满足的基本规律,这些规律在进行滑面优化时对临时产生的滑面起到约束作用。利用非线性有限元法得到坡内真实应力场,将模拟退火算法这一人工智能型非数值优化方法与边坡稳定的有限元方法相结合,探讨基于有限元分析方法的边坡最小安全系数及任意形状临界滑动面的搜索技术。针对临界滑面的搜索过程中,随机生成的初始滑面或试算滑面难以满足滑面几何约束条件这一缺陷,采用动态搜索域的概念,使变换过程局部化,计算效率大为提高。计算的结果表明：该算法找到全局最优解,并且真实再现某些情况下,圆形或其他非圆形式的临界滑动面。     

考虑参数空间变异性的边坡稳定可靠性有限元极限分析

当土性参数空间变异性较大时,极限平衡法得到的滑移面不尽合理。阐述了基于广义变分原理的有限元极限分析方法,采用混合有限元方法,构筑了线性应力三角形单元与线性速度三角形单元,结合强度折减法与线性规划算法,建立了边坡稳定安全系数上下限分析方法,分析了土的抗剪强度参数空间变异性对边坡稳定性的影响,并与3种典型极限平衡法进行了对比。结果表明,FELA方法可有效搜索边坡临界滑移面,并给出安全系数的严格上下限。对于简单均质边坡,有限元极限分析与极限平衡法结果接近,极限平衡法结果大多位于极限分析的上下限内;对于空间变异性较大的边坡,有限元极限分析法可以有效搜索可能的多种临界滑移面,而极限平衡法则存在显著偏差,且往往高估滑坡风险。强度参数的空间变异性还导致边坡安全系数分布形式变化显著,仅采用安全系数无法反应这一变化。根据安全系数的分布形式,给出了土性参数设计值建议。     

基于应力场的土坡临界滑动面的蚂蚁算法搜索技术

在土坡应力场非线性有限元分析的研究基础上，将蚂蚁算法这一新的启发式人工智能型优化方法与土坡稳定性有限元分析方法相结合，探讨了基于有限元分析得出的土坡应力场所对应最小稳定安全系数的土坡任意形状临界滑动面的蚂蚁算法搜索技术，并通过分析算例说明这一技术的可行性。     

基于Dijkstra算法的边坡极限平衡有限元分析

基于有限元计算结果,将边坡稳定性问题转化为图论中寻找最短路问题。通过引入图论中解决最短路问题的Dijkstra算法到搜索边坡最危险滑动面及其安全系数中去,对Dijkstra算法作了一定的改进,建立了一种新的边坡稳定性分析方法--基于Dijkstra算法的极限平衡有限元方法。通过一算例对该法进行验证,计算得的安全系数和危险滑动面位置与推荐答案基本一致,说明该方法应用于边坡工程的可行性。将该方法应用于糯扎渡水电站右岸泄洪洞出口边坡的稳定性分析,与极限平衡法和强度折减法作了比较。研究表明,该方法计算得到的安全系数介于极限平衡法和强度折减法之间;危险滑动面位置与这两种方法计算得到的危险滑动面位置基本一致,该方法应用于复杂岩体边坡的稳定性分析可行。最后,对于逆坡向发展的滑动面,以洛古水电站右岸边坡的稳定性分析为实例,研究了逆坡向发展的滑动面滑动力计算方法;比较分析3DEC和该方法的计算结果,说明该方法适用于逆坡向发展的滑动面的稳定性分析。     

强度折减法分析非均质土坡稳定的适用性

强度折减法是一种处理边坡稳定性问题的数值分析方法。该方法在简单均质边坡中的适用性已得到较为一致的认同,但对于非均质土坡稳定性分析的适用性还有待进一步研究。本文旨在探讨强度折减法在分析复杂多层边坡和加固后土坡稳定性的适用性,采用基于强度折减法的FLAC3D（显式拉格朗日有限差分法）对算例进行了分析,分析结果表明由此求得的安全系数、滑动面位置形状与传统方法（极限平衡法）的结果十分接近,从而论证了强度折减法用来分析复杂多层边坡和加固后土坡的稳定性是可行的。     

土体结构极限承载力的有限元分析

 在平面应变条件下,采用增量加载有限元方法求解土体结构的极限承载力,以弹塑性有限元计算不收敛作为达到极限破坏状态的判别标准;在得到土体应力场的基础上,用有限元边坡稳定分析中的滑面应力分析法验算土体结构在达到极限破坏状态时安全系数是否趋近于1.0,同时搜索相应的临界滑动面,与增量加载直到土体结构破坏获得的滑动面比较,并分析二者与经典Prandtl解破坏机构的差异。计算结果表明：屈服准则的选取对计算结果的影响很大,对于无自重的边坡和地基,在非关联流动法则下采用 Mohr-Coulomb 匹配圆准则或者在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb内切圆屈服准则时,所得到的结果与经典Prandtl解相近;但是在非关联流动法则下采用Mohr-Coulomb匹配圆准则得到的滑动面与经典Prandtl解破坏机构不一致,极限状态下的安全系数也不为1.0;在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb 内切圆屈服准则时,其极限状态下的滑动面与有限元稳定分析方法搜索得到的滑动面相近,与经典Prandtl解破坏机构一致,同时在该极限荷载下土体结构沿临界滑动面的安全系数Fs趋近于1.0。对于有自重的边坡,同样在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb内切圆屈服准则时,其极限状态下的滑动面与有限元稳定分析方法搜索得到的滑动面一致,在该极限荷载下土体结构沿临界滑动面的安全系数Fs趋近于1.0,说明此屈服准则下求得的极限承载力是土体结构严格意义上的真正的承载力。