邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

1、邊坡穩(wěn)定性計(jì)算地質(zhì)工程:楊杰導(dǎo)師：陳新民邊坡穩(wěn)定性問題是工程中十分重要的問題，它 的分析方法及計(jì)算已經(jīng)有了一定的發(fā)展階段，下 面首先對它的分析方法進(jìn)行簡單的介紹:飛定量分析法1,極限平衡分析方法極限平衡分析方法計(jì)算簡便，是目前最 常用方法.它是通過分析在臨界破壞狀態(tài)下， 丈體外力與內(nèi)部強(qiáng)度所提供抗力之間的平衡， 計(jì)算土體在自身和外力作用下的土彳本*急定程 度.目前已有的極限平衡分析方法有：斯賓塞 法，畢肖普條分法，簡布法，沙爾瑪法和楔體 極限乎衡分析法等等。其缺點(diǎn)是在力學(xué)上作了 一些簡化假設(shè)。2, 有限單元法有限單元法是一種十分成熟的數(shù)值方法， 也是邊坡穩(wěn)定中用的較多的方法.它的優(yōu)點(diǎn)是 考慮是

2、邊坡巖體的非均質(zhì)和不連續(xù)性，可以給 岀巖體的應(yīng)力、應(yīng)變大小與分布，避免了在極 限平衡法中將滑體視為剛體過于簡化的確定。 但它還不能很好的求解大應(yīng)變和位移不連續(xù)等 問題。3, 無單元法無單元法是有限單元法的一種推廣。它保 留了有限元的一些特點(diǎn)，但擺脫了單元限制， 克服了有限元的不足。無單元法只需節(jié)點(diǎn)信息 而無需單元信息，處理簡單，計(jì)算精度高，收 斂速度快，提供了場函數(shù)的連續(xù)可導(dǎo)近似解。 它具有廣闊的運(yùn)用前景。4, 遺傳進(jìn)化算法遺傳進(jìn)化算法是一種新發(fā)展起來的全局搜索 算法。此法首先隨機(jī)生成一組模型，將模型的 每個(gè)參數(shù)表示為二進(jìn)位制數(shù)碼，然后對種群內(nèi) 各模型根據(jù)具體問題所給的目標(biāo)函數(shù)決定其生 存概率

3、，來進(jìn)行優(yōu)勝劣汰，再把剩下的較優(yōu)的 個(gè)體進(jìn)行交換和變異，最終完成一次最種群的 繁殖，反復(fù)循環(huán)，來模擬生物進(jìn)化規(guī)律。它的 特點(diǎn)是在檢索了少部分搜索空間后便能迅速的 收斂于最有解。該方法模擬了生物遺傳進(jìn)化的 過程，克服了傳統(tǒng)方法容易陷入局部極小值的 缺點(diǎn)，是一種全局彳尤花算法。5, 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指由大量的簡單神經(jīng)元經(jīng)廣泛互 聯(lián)構(gòu)成的一種計(jì)算結(jié)構(gòu)，是一種廣義的并行處理系統(tǒng)。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用類似于人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)來構(gòu)造模 擬仿真人的大腦功能，即把對信息的儲(chǔ)存和計(jì)算推理 同時(shí)儲(chǔ)存在同一個(gè)單元里。因此，在某種程度上神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為可以模仿生物神經(jīng)系統(tǒng)的工作過程。研究 表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

4、研究邊坡工程具有獨(dú)特的優(yōu)勢。利 用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以盡可能多的將各種影響因素作為輸入 變量，建立這些定性或定量影響因素同邊坡安全系數(shù) 與變形量之間的高度非線性映射模型，然后用模型來 評價(jià)邊坡的安全性。此外，還有一些方法，女口：離散單 元(DEM)法、快速拉格朗日 (Lagrangian)分析法、不連續(xù)變形分析 (DDA)法、流形元法等等。5定性分析法1,范例推理評價(jià)法范例推理(case-based reasoning,簡稱CBR)是 由斯坎克(Schank)在1982年提出的,1983年科勒登 (Kolodner)開始在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。在范例推理中，把 當(dāng)前所面臨的新問題稱為目標(biāo)范例(target c

5、ase),而 把記憶的問題稱為源范例(base case)o范例推理就是 由目標(biāo)范例的提示而獲得記憶中的源范例，并由源范 例來指導(dǎo)目標(biāo)范例求解的一種策略?；诜独评碇?知識(shí)表示是以范例為基礎(chǔ)，范例的獲取比規(guī)則獲取要 容易，從而知識(shí)獲取。為邊坡穩(wěn)定性評價(jià)這樣知識(shí)獲 取很不容易的復(fù)雜問題提供了一條新途徑。2,專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)是一種按某學(xué)科及相關(guān)學(xué)科專家的水平 進(jìn)行推理和解決問題，并能說明其緣由的計(jì)算機(jī)程序。 邊坡穩(wěn)定分析設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)就是進(jìn)行邊坡工程穩(wěn)定性 分析與設(shè)計(jì)的智能化計(jì)算機(jī)程序。它把某一位或多位 邊坡工程專家的知識(shí)、工程經(jīng)驗(yàn)、理論分析、數(shù)值分 析、物理模擬、現(xiàn)場監(jiān)測等行之有效的知識(shí)和方法有

6、 機(jī)地組織起來，建成一個(gè)邊坡工程知識(shí)庫，再利用智 能化的推理機(jī)來模擬并再現(xiàn)人腦的思維過程，吸收其 合理的知識(shí)結(jié)構(gòu)，尋求優(yōu)化的技術(shù)途徑，同時(shí)它又能 建立計(jì)算機(jī)模型，結(jié)合相關(guān)學(xué)科不同專家的知識(shí)進(jìn)行 推理和決策，對所研究的對象進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)。三、非確定性分析方法1、模糊綜合評價(jià)法試驗(yàn)與工程實(shí)踐表明，邊坡性質(zhì)及穩(wěn)定性的 界限實(shí)際上不是很清楚，具有相當(dāng)?shù)哪：浴?模糊綜合評價(jià)是應(yīng)用模糊變換原理和最大隸屬 度原則，綜合考慮被評事物或其屬性的相關(guān)因 素，進(jìn)而進(jìn)行等級或類別評價(jià)。實(shí)踐證明，模 糊分級評判方法為多變量、多因素影響的邊坡 穩(wěn)定性分析提供了一種行之有效的手段。這一 方法主要應(yīng)用于大型邊坡的整體穩(wěn)定性

7、評價(jià)。2.可靠度評價(jià)方法邊坡工程可靠性分析是近20年發(fā)展起來的 評價(jià)邊坡工程狀態(tài)的新方法，它把邊坡巖體性 質(zhì)，荷載、地下水、破壞模式、計(jì)算模型等作 為不確定量，借鑒結(jié)構(gòu)工程可靠性理論方法， 結(jié)合邊坡工程的具體情況，用可靠指標(biāo)或破壞 概率來評價(jià)邊坡安全度。3、灰色系統(tǒng)評價(jià)法信息不完全，部分信息已知，部分佶息未知的系 統(tǒng)稱為灰色系統(tǒng)。把系統(tǒng)中的一切信息量看作灰色量, 采用特有的方法建立描述灰色量的數(shù)學(xué)模型有3個(gè)基 本環(huán)節(jié)：根據(jù)系統(tǒng)已知發(fā)生的一組時(shí)間序列數(shù)據(jù)， 根據(jù)變量多少建成不同的預(yù)測模型。估計(jì)模型參數(shù)， 如按最小二乘法確定。把模型用于預(yù)測，并進(jìn)行評 價(jià)。利用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法，可在不完全的信息中

8、， 對所要分析研究的各因素通過一定的數(shù)據(jù)處理，在隨 機(jī)的因素序列間找出它們的關(guān)聯(lián)性，發(fā)現(xiàn)主要矛盾， 找到主要他特征和主要影響因素。因此特別適合于象 邊坡穩(wěn)定性這種數(shù)據(jù)有限，沒有原形，復(fù)雜而且不確 定性問題的分析與評價(jià)以下以遺傳算法為例目標(biāo)函數(shù)的定義這里的目標(biāo)函數(shù)為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)公式:式中為土的重度，bi、加為土條的寬度和高度；/ 為第/土條的滑動(dòng)面的弧長；Ci、O為滑動(dòng)面上土層的粘聚力和內(nèi)摩擦角；門為分條數(shù);6為土 條/滑動(dòng)面的法線與豎直線的夾角。計(jì)算簡圖 如下圖所示：圖1簡單條分法計(jì)算簡圖用安全系數(shù)的大小表示可行解的適應(yīng)性。本問 題為尋找最小安全系數(shù)，因此F值越小，適應(yīng)性能越好。初始解種群

9、的確定給定最危險(xiǎn)滑弧圓心搜索范圍，在此范圍內(nèi)隨 機(jī)、均勻地謎擇n個(gè)圓心Oi(xi,2,，n0其中n為圓心群體個(gè)數(shù)；圓心Oi 代表第i條染色體；座標(biāo)分量Xi, yi為染色體Oi的 基因。最危險(xiǎn)滑弧半徑的確定對每個(gè)圓心給出滑弧半徑搜索范圍，在此范圍 內(nèi)搜索最危險(xiǎn)滑弧半徑。具體方法如下：a）隨機(jī)均勻地選取m個(gè)半徑Rj（j=1,2,m） 柱為父彳弋。b）按概率對父代中的每個(gè)半徑進(jìn)行變異操作， 即加上一個(gè)隨機(jī)量，產(chǎn)生子代個(gè)體，從而形成 薪的群體Rj（j= 1,2,m）oc）對新群體中的每一個(gè)半徑0按公式計(jì)算安全 系數(shù)閂,則療為岡所對應(yīng)的適應(yīng)值。d）以優(yōu)勝劣汰的機(jī)制，將群體中F值較大的一 半淘汰掉，睪存咅

10、歳為嶄一相父代。e）重復(fù)b-d的操作，直到連續(xù)幾代求出的最小 安全系數(shù)不變，即為圓心O所對應(yīng)的適應(yīng)值Fi。競爭、選擇和復(fù)制的操作將Oi所對應(yīng)的適應(yīng)值Fi (1-1,2,n)中門龍個(gè)F值較大的圓心點(diǎn)淘汰掉，對幸存的n/2 個(gè)圓心點(diǎn)根據(jù)其適應(yīng)值大小按概率自我復(fù)制， 形成新的n個(gè)鹵心點(diǎn)。雜交和變異的操作隨機(jī)選擇n/4對圓心，將每一對圓心坐標(biāo)的某 一個(gè)分量進(jìn)行互換，產(chǎn)生一對新的圓心，從而 完成雜交操作。然后再隨機(jī)選擇n/2個(gè)圓心， 將每個(gè)圓心坐標(biāo)的某個(gè)分量通過加上一個(gè)隨機(jī) 量來產(chǎn)生新的圓心，從而完成變異操作。最危險(xiǎn)滑動(dòng)面確定對子代群體重復(fù)3-5步的操作，直到對最小安結(jié)東。由F1餅對應(yīng)的鹵心07和半徑R

11、7確定的 滑動(dòng)面即為最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。根據(jù)以上程序，可以編制計(jì)算程序。實(shí)例：某濱海油田海提為例計(jì)算分析。海提邊坡及地基剖面與各特征點(diǎn)坐標(biāo)如下圖:各土層計(jì)算參數(shù)如下:各土層計(jì)算奏數(shù)Table 1 Parameters o£ soil Lavera-層次土類重度丫(kN/ m1)點(diǎn)聚力(kPa)內(nèi)摩擦角4-O海堤素填土19.22035I粉土19.6832.5U讖泥質(zhì)韋土IS.510_50m粉土19. S1030a:衣中諭呃質(zhì)土強(qiáng)摩為十字梅剪切您度 觀土層題度為固潔不排 水剪切ss度。計(jì)算中給岀三種不同的圓心搜索范圍，用遺傳 進(jìn)化算法計(jì)算結(jié)果如下：瑕危鋪W1業(yè)船進(jìn)化乳法赫馳 危險(xiǎn)翹恥娜危險(xiǎn)紳半密姓織（m）（皿）（皿）imiH 戈H F=in J iihx04E 30 1436.43014.0009.0741J761048 20 1435.42914.0009.0731.07520480 1436.39514.0009.0711J73結(jié)論:遺傳進(jìn)化算法模擬了生物遺傳進(jìn)化過程, 克服了傳統(tǒng)方法容易陷入局部極小值的缺點(diǎn), 是一種全局優(yōu)化算法。參考文獻(xiàn):1、楊學(xué)堂、王飛，邊坡穩(wěn)定性評價(jià)方法及發(fā)展趨勢，巖土工程 技術(shù),2004, 18 (2) : 103-1062、I.B.DONALD,邊坡穩(wěn)定性的有限元評價(jià)