基于群智能算法挡土墙土压力计算及截面优化设计

摘要

重力式挡土墙具有结构简单、取材便捷、施工方便、以及经济效果好等优点，因而被广泛应用在土木建筑、水利水电、铁道交通等工程建设中，是我国最常见的一种支挡结构。随着国家基础设施建设的迅速发展，重力式挡土墙的建设更为普遍，挡土墙土压力计算和截面优化设计的研究在保证挡土墙建设的安全性和经济性方面具有重大意义。
　　 首先，本文将挡土墙后潜在滑裂面视为一任意曲线，基于摩擦角随位移的变化关系，用薄层单元法对平动模式下墙后填土进行分析，推导出非极限状态下土压力分布、合力大小及作用点的理论公式。以各薄层微元的滑裂面倾角为变量，利用PSO(粒子群算法)对潜在滑裂面进行搜索从而获得土压力的解答。分析了内摩擦角、挡土墙位移量对非极限状态土压力分布、土压力合力大小、土压力合力作用点高度以及潜在滑裂面的影响。
　　 然后，利用薄层单元法对挡土墙墙后因存在岩石边坡而形成的有限范围土体进行分析，推导出有限范围土体土压力分布、合力大小及作用点的理论公式，并用MATLAB编制了PSO优化程序对公式进行求解。分析了不同墙踵与坡脚距离b和边坡坡度β对土压力合力大小以及作用点位置的影响，同时搜索出了不同几何参数下五种滑裂面形状，并且分析了内摩擦角(φ)对计算结果的影响。
　　 最后，以重力式挡土墙的截面面积为目标函数，挡土墙的几何参数为设计变量，挡土墙的抗滑移稳定、抗倾覆稳定、基底应力和构造要求为约束条件，建立了重力式挡土墙截面优化数学模型。通过惩罚函数将约束优化问题转变为无约束优化问题，引入人工鱼群算法求解挡土墙截面优化数学模型，编制了MATLAB优化程序，通过在工程实例中应用，验证了其良好的优化效果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 概述

1．2 挡土墙土压力计算的研究现状

1．2．1 现有土压力计算方法概述

1．2．2 非极限状态土压力研究现状

1．2．3 有限范围填土土压力研究现状

1．3 挡土墙优化计算研究现状

1．3．1 群智能优化算法概述

1．3．2 挡土墙优化研究现状

1．4 本文研究的内容及方法

第2章 群智能优化算法的基本原理

2．1 概述

2．2 粒子群优化算法的基本原理

2．2．1 基本粒子群优化算法

2．2．2 带压缩因子的粒子群优化算法

2．2．3 改进权重的粒子群优化算法

2．2．4 变学习因子粒子群优化算法

2．3 人工鱼群优化算法的基本原理

2．3．1 人工鱼群算法概述

2．3．2 人工鱼群算法基本定义

2．3．3 人工鱼群算法行为描述

2．3．4 人工鱼群算法算法描述

2．4 遗传算法的基本原理

2．4．1 遗传算法基本思想

2．4．2 遗传算法基本流程

2．5 蚁群算法的基本原理

2．5．1 蚁群算法的基本思想

2．5．2 蚁群算法的基本流程

2．6 本章小结

第3章 基于PSO搜索潜在滑裂面非极限状态土压力计算

3．1 概述

3．2 非极限状态土压力计算公式推导

3．2．1 非极限状态下的摩擦角

3．2．2 模型的建立和公式推导

3．3 PSO搜索滑裂面步骤

3．4 实例分析

3．5 参数分析

3．6 本章小结

第4章 基于PSO和薄层单元法有限范围填土主动土压力计算

4．1 概述

4．2 《建筑边坡工程规范》关于有限填土土压力规定

4．3 有限填土土压力计算模型的建立和求解

4．4 算例分析

4．5 参数分析

4．6 本章小结

第5章 基于人工鱼群算法的挡土墙截面优化设计

5．1 引言

5．2 重力式挡土墙计算方法

5．2．1 重力式挡土墙计算的要求

5．2．2 重力式挡土墙滑动稳定验算

5．2．3 重力式挡土墙抗倾覆稳定验算

5．2．4 重力式挡土墙基底应力及偏心验算

5．2．5 重力式挡土墙墙身截面强度验算

5．3 重力式挡土墙优化设计计算模型

5．3．1 重力式挡土墙优化设计变量

5．3．2 重力式挡土墙优化设计目标函数

5．3．3 重力式挡土墙优化设计约束条件

5．3．4 重力式挡土墙优化设计数学模型

5．4 人工鱼群算法挡土墙截面优化设计流程

5．5 参数分析

5．6 实例分析

5．7 本章小结

结论与展望

总结

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文