土质边坡稳定可靠度分析遗传算法方法及程序设计

摘要

边坡工程因其重要性一直以来是岩土工程领域中的一个研究热点。对边坡稳定进行研究分析，找出既经济且安全的方法具有非常重要的实践意义。以岩土体为工程材料的边坡，其组成和结构构造都存在不均匀性，表现出的工程性质差异很大，采用基于极限平衡理论的传统边坡安全度评价方法一中值安全系数法难以体现边坡工程的不确定性，而基于随机概率分析的边坡稳定可靠度分析方法，充分考虑岩土体参数的均值及其变异性，从实际意义上来说更为合理。把工程设计和现有工程的安全评价建立在可靠度分析的基础上具有重要的现实意义，也是当前的发展趋势。 由于边坡系统的复杂性，其稳定性问题及求解可靠指标问题多表现为约束优化问题，目标函数往往是具有多极值点、非凸性的隐函数，因此，采用一般的优化理论进行滑动面搜索时易陷入局部最优解，因此不易求解，从而导致了进行边坡稳定可靠性分析的程序较少，且大多为商业软件，不公开源代码。这就使得很多后来的研究者不得不自己重新编写程序进行计算，这个过程是特别费时间的，造成了许多重复的工作，也浪费了资源。为此，本文致力于研究边坡稳定可靠性分析的方法及其程序实现，希望能给这方面的研究者一些参考意义。 针对以上问题，本文主要对以下内容进行了研究： (1)分析了当前常用的可靠度计算方法，比较了这些方法的优缺点，最终选用遗传算法计算可靠度。 (2)分析了简单遗传算法(SGA)，针对其存在的缺点与不足，引入加速遗传算法(AGA)，并对其性能作了比较。计算结果表明：加速遗传算法(AGA)在计算精度，速度及结果稳定性方面明显优于简单遗传算法(SGA)。 (3)在前人研究的基础上，提出了用遗传算法计算边坡可靠指标并同时搜索最危险滑动面的算法。该算法充分利用了遗传算法在求复杂、多峰、非凸性的隐函数优化问题的优势，使得计算结果更精确。 (4)以面向对象方法编写了边坡稳定分析程序。该编程方法更利于程序的理解、应用、维护及源代码的重利用和扩展。程序中对边坡对象的划分及实现为以后这方面的分析提供了参考(例如将边坡模型分为几何模型和条块模型，将多段线加入土层属性形成土层界线等)。将编好的程序进行了考核，考核结果证明了本文程序的正确性，并用它进行了简单的工程应用，具有一定的工程实际意义。

目录

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第一章绪论

1.1引言

1.2边坡稳定分析方法的发展、现状

1.3边坡稳定分析的发展趋势——可靠度分析

1.3.1边坡工程中的不确定性

1.3.2极限平衡分析方法的不足

1.3.3边坡稳定可靠性分析是发展趋势

1.4边坡稳定可靠度分析的发展及应用现状

1.4.1可靠度理论发展

1.4.2土性指标的概率统计分析发展

1.4.边坡稳定可靠度分析发展

1.5边坡稳定可靠性分析存在的问题及解决方法

1.6本文的主要内容

第二章可靠度理论与算法

2.1结构可靠度与可靠指标

2.1.1结构可靠度与失效概率

2.1.2结构可靠度与可靠指标

2.1.3可靠指标的几何涵义

2.2常用可靠度计算方法

2.2.1—次可靠度计算方法

2.2.2二次可靠度计算方法

2.2.3非正态分布变量和统计相关变量条件下可靠指标的计算

2.2.4蒙特卡罗法

2.3方法比较

第三章遗传算法原理及实现

3.1概述

3.2遗传算法基本原理

3.2.1遗传算法的生物学基础

3.2.2遗传算法的求解过程

3.3加速遗传算法

3.4遗传算法的实现

3.4.1编码方法

3.4.2适应度函数

3.4.3选择算子

3.4.4交叉算子

3.4.5变异算子

3.5遗传算法程序测试

3.5.1病态函数的极值

3.5.2多峰函数的极值

3.5.3复杂约束条件函数的极值

3.5.4性能对比

第四章遗传算法实现土质边坡稳定性可靠度分析

4.1概述

4.2边坡稳定分析中常用的极限平衡分析法

4.2.1瑞典条分法

4.2.2简化Bishop法

4.2.3斯宾塞法(Spencer法)

4.2.4方法选择

4.3遗传算法计算传统最小安全系数

4.3.1简化Bishop法求最小安全系数计算模型

4.3.2最小安全系数模型求解

4.4遗传算法计算某一确定滑动面可靠指标

4.4.1边坡稳定性可靠指标计算模型

4.4.2可靠指标模型求解

4.5遗传算法搜索最小可靠指标

4.5.1计算模型

第五章程序设计及算例分析

5.1概述

5.2对象分析

5.3模块设计

5.3.1土类

5.3.2边坡几何模型类

5.3.3垂直条块类

5.3.4圆孤滑动面类

5.3.5边坡类

5.4程序考核

5.4.1计算最小安全系数考核

5.4.2最小可靠指标考核

5.5算例分析

5.5.1工程概况

5.5.2可靠度分析

5.5.3结果分析

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文和科研工作情况