基于改进蚁群算法的边坡稳定分析方法及工程应用

摘要

工程中的有限元计算能反映边坡的变形特征、应力状态和破坏机理，但是尚不能给出一个直观的安全系数；在工程中应用广泛的刚体极限平衡分析方法，虽然能够给出直观的安全系数和危险滑裂面位置，但是在破坏机理研究上有一定的局限，需要发展一种将有限元计算结果同刚体极限平衡分析方法相结合的边坡稳定评价新方法。本文基于这种思路，引入蚁群算法解决边坡滑动面的搜索问题，实现危险滑动面的自动搜索，计算最小安全系数。同时将有限元法与之相结合，考虑岩土体材料的非线性应力-应变关系，得到边坡的实际应力、应变和位移等。具体研究工作如下： 1.研究蚁群算法的实现过程及其应用在边坡稳定分析中搜索潜在滑裂面的可行性。 2.在岩土坡应力场非线性有限元分析结果的基础上，将蚁群算法与岩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岩土坡应力场所对应最小稳定安全系数的岩土坡任意形状临界滑裂面的蚂蚁算法搜索技术。运用Visual Basic语言编制计算程序。 3.应用编制的蚁群算法极限平衡有限元程序，进行了边坡极限平衡有限元算例分析，对岩土体强度参数做了敏感性分析。在证明了蚁群算法极限平衡有限元算法正确性的同时，得到了安全系数随内摩擦角、黏聚力、泊松比和弹性模量的变化曲线以及塑性区与临界滑裂面的位置关系。 4.根据古水水电站的地质模型，应用蚁群算法极限平衡有限元分析方法，搜索古水水电站进水口高边坡潜在滑裂面，计算安全系数，并与常规的刚体极限平衡法的计算结果进行比较，得到了一致的结论，说明了将此种方法应用到复杂地质条件下的边坡稳定计算的可行性和实用性。

目录

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第一章绪论

1.1引言

1.2高边坡稳定分析的研究现状

1.2.1刚体极限平衡法

1.2.2极限分析法

1.2.3有限单元法和有限差分法

1.2.4边界元法

1.2.5离散元法

1.2.6块体理论与非连续变形分析法

1.3临界滑动面搜索技术的发展

1.3.1变分法

1.3.2固定模式搜索法

1.3.3数学规划方法

1.3.4随机搜索方法

1.3.5人工智能方法

1.4本文主要研究内容和技术路线

1.4.1本文主要研究内容

1.4.2本文研究的技术路线图

第二章蚁群算法理论及改进蚁群算法

2.1蚂蚁觅食的生物学基础

2.2蚁群算法的基本原理

2.3蚁群算法的基本模型

2.4基本蚁群算法的具体实现

2.4.1基本蚁群算法的实现步骤

2.4.2基本蚁群算法的程序结构流程图

2.5蚁群算法理论研究现状

2.6蚁群优化算法的展望

2.7蚁群算法的意义

2.8基本蚁群算法的优缺点

2.8.1基本蚁群算法的优点

2.8.2基本蚁群算法的缺点

2.9蚁群算法改进

2.9.1蚁群算法的改进思路

2.9.2蚁群算法改进策略

2.10改进蚁群算法的具体实现

2.10.1改进蚁群算法的实现步骤

2.10.2改进蚁群算法的程序结构流程图

2.11改进蚁群算法的验证

2.12本章小结

第三章改进蚁群算法解决边坡稳定性分析的研究

3.1图论的基本概念

3.1.1图与图的图形表示

3.1.2图论的一些定义

3.1.3图的矩阵表示

3.2引入改进蚁群算法边坡稳定性分析

3.2.1将边坡有限元节点和单元数据转化为图

3.3改进蚁群算法边坡临界滑动面搜索

3.3.1基于有限元应力场的安全系数定义

3.3.2抗滑力和滑动力计算

3.3.3边坡临界滑动面搜索模型

3.4滑动面的合理性约束

3.5边坡危险滑动面搜索改进蚁群算法的实现

3.5.1边坡危险滑动面搜索改进蚁群算法步骤

3.5.2边坡危险滑动面搜索改进蚁群算法的程序结构流程图

3.5.3程序简介

3.6改进蚁群算法的边坡稳定分析方法的算例验证及讨论

3.6.1改进蚁群算法的边坡稳定分析方法的算例验证

3.6.2强度折减法与改进蚁群算法算例分析

3.6.3边坡参数敏感性分析

3.7滑动面位置分析

3.7.1黏聚力对滑动面位置的影响

3.7.2内摩擦角对滑动面位置的影响

3.8本章小结

第四章改进蚁群算法的极限平衡有限元分析方法在古水水电站高边坡稳定分析中的应用

4.1概述

4.1.1地形地貌

4.1.2地层岩性

4.2研究内容和技术特点

4.3分析思路和计算方法

4.3.1分析思路

4.3.2计算方法

4.3.3关键技术环节

4.4古水水电站进水口高边坡材料参数研究

4.4.1进水口高边坡的地质地貌特性

4.4.2进水口边坡存在的工程地质问题

4.5 2-2剖面边坡的稳定分析

4.5.1改进蚁群算法极限平衡有限元分析方法分析

4.5.2刚体极限平衡方法分析

4.6本章小结

第五章结论与展望

5.1成果与结论

5.2展望

参考文献

致谢