FEM-RSM-GA的邊坡可靠度計(jì)算方法

借鑒遺傳算法中的雜交概念,將其引入標(biāo)準(zhǔn)粒子群方法(particleswarmoptimization,pso),形成混合粒子群算法(mpso)。該方法改善了pso方法的全局搜索能力,提高了算法的收斂速度和計(jì)算精度,并用其計(jì)算可靠度指標(biāo)及相應(yīng)的驗(yàn)算點(diǎn)。以典型的邊坡為例,通過工程算例并與其他方法對(duì)比,表明了mpso方法較標(biāo)準(zhǔn)pso方法的計(jì)算精度高,收斂速度快;分析了算法中各控制參數(shù)對(duì)可靠度指標(biāo)的影響;算例結(jié)果表明:mpso方法對(duì)求解功能函數(shù)呈高度非線性的邊坡可靠性問題具有很好的適應(yīng)性,是科學(xué)可行的,具有很好的應(yīng)用前景。

土質(zhì)邊坡動(dòng)力穩(wěn)定可靠度計(jì)算方法研究——考慮爆破地震的時(shí)程效應(yīng)，采用擬靜力化的慣性力法，利用改進(jìn)了的務(wù)分法來計(jì)算主動(dòng)土壓力，提出了土質(zhì)邊坡在爆破過程中的動(dòng)力穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算方法，再用改進(jìn)的jc法求出土坡最小穩(wěn)定性系數(shù)和最小可靠度指標(biāo)。實(shí)踐證明．本...

系統(tǒng)地總結(jié)了多種響應(yīng)面法（rsm）在不同類型邊坡可靠度問題中的應(yīng)用情況，通過文獻(xiàn)分析總結(jié)出4類典型土坡可靠度問題：?jiǎn)栴}ⅰ，單層土坡不考慮參數(shù)空間變異性；問題ⅱ，單層土坡考慮參數(shù)空間變異性；問題ⅲ，多層土坡不考慮參數(shù)空間變異性；問題ⅳ，多層土坡考慮參數(shù)空間變異性．重點(diǎn)研究了基于多項(xiàng)式的4種響應(yīng)面法（sqrsm、mqrsm、ssrsm和msrsm）在解決4類土坡可靠度問題（問題ⅰ～ⅳ）中的有效性．分別從計(jì)算精度和計(jì)算效率兩個(gè)方面系統(tǒng)地比較了4種響應(yīng)面法在黏性土坡和c-φ聲土坡可靠度問題中的適用性．結(jié)果表明：對(duì)于不考慮土性參數(shù)空間變異性的單層土坡可靠度問題（問題?。扑]sqrsm；當(dāng)單層土坡考慮土性參數(shù)空間變異性時(shí)（問題ⅱ），推薦msrsm；對(duì)于不考慮空間變異性的多層土坡可靠度問題（問題ⅲ），推薦mqrsm；對(duì)于考慮參數(shù)空間變異性的多層土坡可靠度問題（問題ⅳ），推薦采用msrsm方法．

系統(tǒng)地總結(jié)了多種響應(yīng)面法(rsm)在不同類型邊坡可靠度問題中的應(yīng)用情況,通過文獻(xiàn)分析總結(jié)出4類典型土坡可靠度問題:問題ⅰ,單層土坡不考慮參數(shù)空間變異性;問題ⅱ,單層土坡考慮參數(shù)空間變異性;問題ⅲ,多層土坡不考慮參數(shù)空間變異性;問題ⅳ,多層土坡考慮參數(shù)空間變異性.重點(diǎn)研究了基于多項(xiàng)式的4種響應(yīng)面法(sqrsm、mqrsm、ssrsm和msrsm)在解決4類土坡可靠度問題(問題ⅰ~ⅳ)中的有效性.分別從計(jì)算精度和計(jì)算效率兩個(gè)方面系統(tǒng)地比較了4種響應(yīng)面法在黏性土坡和c-土坡可靠度問題中的適用性.結(jié)果表明:對(duì)于不考慮土性參數(shù)空間變異性的單層土坡可靠度問題(問題ⅰ),推薦sqrsm;當(dāng)單層土坡考慮土性參數(shù)空間變異性時(shí)(問題ⅱ),推薦msrsm;對(duì)于不考慮空間變異性的多層土坡可靠度問題(問題ⅲ),推薦mqrsm;對(duì)于考慮參數(shù)空間變異性的多層土坡可靠度問題(問題ⅳ),推薦采用msrsm方法.

針對(duì)傳統(tǒng)邊坡可靠度分析方法的局限性,將高斯過程機(jī)器學(xué)習(xí)與重要抽樣方法相結(jié)合,提出了邊坡可靠度分析的高斯過程方法。利用極限平衡分析構(gòu)造少量的學(xué)習(xí)樣本,采用基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)原理的高斯過程模型重構(gòu)邊坡隱式功能函數(shù),實(shí)現(xiàn)邊坡功能函數(shù)及其偏導(dǎo)數(shù)的顯式表達(dá),并構(gòu)造合理的迭代方式,在計(jì)算過程中不斷提升高斯過程模型對(duì)失效概率貢獻(xiàn)較大區(qū)域的重構(gòu)精度,進(jìn)而應(yīng)用重要抽樣法計(jì)算邊坡的失效概率與可靠指標(biāo)。研究結(jié)果表明,該方法是可行的,具有較高的計(jì)算精度和效率。

實(shí)際工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣,選用一種最佳的可靠度分析方法對(duì)工程人員非常重要。本文對(duì)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算方法,如一次二階矩法、高次高階矩法、monte-carlo方法、響應(yīng)面法、隨機(jī)有限元法等進(jìn)行了分析,介紹了各種計(jì)算方法的特點(diǎn)和進(jìn)展。

隨著用可靠度代替安全系數(shù)分析巖土工程穩(wěn)定性的方法日益推廣,可靠度的計(jì)算方法也越來越豐富。為方便使用者應(yīng)用可靠度進(jìn)行巖土工程的穩(wěn)定性研究和工程設(shè)計(jì),綜合分析了巖土工程可靠度的各種計(jì)算方法的特點(diǎn)、應(yīng)用條件及發(fā)展方向。

邊坡可靠度風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析——確定性設(shè)計(jì)安全系數(shù)法由于簡(jiǎn)單易行得到了廣泛的應(yīng)用?？煽慷确椒ㄔ谝欢ǔ潭壬蠌浹a(bǔ)了確定性設(shè)計(jì)中不能考慮實(shí)際工程中巖體參數(shù)離散性的問題,使設(shè)計(jì)更加符合實(shí)際情況。函數(shù)連分式方法在邊坡一次二階矩概率設(shè)計(jì)中可以方便地計(jì)算出狀態(tài)函...

基于土質(zhì)邊坡塑性極限分析條分法的可靠度計(jì)算方法研究——從土塑性極限分析上限定理出發(fā)，以土質(zhì)邊坡塑性極限分析條分法為基礎(chǔ)。在引入可靠性分析方法(jc法)后，建立了土質(zhì)邊坡塑性極限分析條分法可靠度極限狀態(tài)方程，并推導(dǎo)得到了塑性極限分析條分法可靠度計(jì)算...

從土塑性極限分析上限定理出發(fā),以土質(zhì)邊坡塑性極限分析條分法為基礎(chǔ),在引入可靠性分析方法(jc法)后,建立了土質(zhì)邊坡塑性極限分析條分法可靠度極限狀態(tài)方程,并推導(dǎo)得到了塑性極限分析條分法可靠度計(jì)算公式。這種方法實(shí)現(xiàn)了定值計(jì)算向不確定性計(jì)算的轉(zhuǎn)變,同時(shí)可靠度指標(biāo)β的計(jì)算結(jié)果具有概率的意義。

本文對(duì)邊坡穩(wěn)定性問題作了簡(jiǎn)要的分析,介紹了基于蒙特卡洛法原理分析邊坡可靠度的方法,使用簡(jiǎn)化畢肖普法建立了土體的狀態(tài)函數(shù),并給出了隨機(jī)變量的選取方法,提出使用計(jì)算機(jī)程序計(jì)算的具體步驟,最后對(duì)基于蒙特卡洛法的邊坡可靠度分析方法做了總結(jié)。

傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性分析常以安全系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，然而，安全系數(shù)并未考慮各影響因素的變異性及不確定性，其大小無法體現(xiàn)邊坡的安全程度。可靠度分析方法將概率統(tǒng)計(jì)和可靠度理論引入邊坡工程穩(wěn)定性分析中，考慮了各影響因素不確定性，將設(shè)計(jì)參數(shù)作為隨機(jī)變量，得到可靠度或失效概率作為邊坡安全程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，不是簡(jiǎn)單給出安全或失穩(wěn)的結(jié)論。以某一邊坡工程為例，基于蒙特卡羅法對(duì)其進(jìn)行可靠度分析，說明該方法的合理性及實(shí)用性。

工程中較為常用的是hasofer和lind提出的不變二階矩可靠度指標(biāo),可采用正交變換法、montecarlo法、優(yōu)化等方法求解β值。使用優(yōu)化方法求解hasofer-lind可靠度指標(biāo),避免了相關(guān)變量的獨(dú)立變換以及求極限狀態(tài)函數(shù)對(duì)基本變量的偏導(dǎo)數(shù)這兩個(gè)問題。本文明確了hasofer-lind可靠度指標(biāo)的物理意義,提出了hasofer-lind可靠度指標(biāo)在fortran語言中的優(yōu)化求解方法,通過與excel規(guī)劃求解器計(jì)算結(jié)果對(duì)比,表明本方法計(jì)算結(jié)果可靠,多變量情況下可靠度指標(biāo)能夠迅速收斂。該方法直接在基本變量空間求解,與已有的利用fortran語言編制的邊坡穩(wěn)定程序無縫連接,除了可以用于求解邊坡穩(wěn)定分析中c和φ相關(guān)問題之外,還可以計(jì)算考慮土工參數(shù)空間變異情況下的土坡可靠度指標(biāo)。

在不同的黃土地區(qū)選取4個(gè)工點(diǎn)的典型路塹高邊坡,基于點(diǎn)估計(jì)理論和有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡可靠指標(biāo)。結(jié)果表明:工點(diǎn)2的穩(wěn)定系數(shù)雖達(dá)到1.46,卻有19.2%的失效概率;工點(diǎn)1和4的坡型、地層巖性及層厚等工況較接近,失效概率差值達(dá)29.8%,參數(shù)變異性是造成其差異的主要原因。用點(diǎn)估計(jì)法計(jì)算邊坡可靠度,并采用可靠度理論分析黃土邊坡穩(wěn)定性,能較好的解決土性參數(shù)離散性對(duì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的影響。

傳統(tǒng)的蒙特卡羅模擬方法在分析由于參數(shù)不確定性修正而引起的可靠度修正問題時(shí)效率較低。為此,提出了一種基于蒙特卡羅模擬的高效邊坡可靠度修正方法,該方法主要包括2個(gè)關(guān)鍵步驟：1）根據(jù)參數(shù)初始分布利用蒙特卡羅模擬方法計(jì)算邊坡的失效概率,并輸出蒙特卡羅模擬的失效樣本;2）利用參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征值修正后的聯(lián)合概率密度函數(shù)和蒙特卡羅模擬失效樣本計(jì)算修正后邊坡的失效概率。以兩個(gè)邊坡問題為例說明了所提方法的有效性。結(jié)果表明：所提出的方法在計(jì)算修正的失效概率過程中無需重新執(zhí)行蒙特卡羅模擬,計(jì)算過程簡(jiǎn)單、計(jì)算效率高。此外,所提方法能夠適用于隱式表達(dá)功能函數(shù)的邊坡可靠度修正問題,并能夠有效地解決單變量和多變量修正的邊坡可靠度修正問題。

提出一種基于蒙特卡洛模擬的巖質(zhì)邊坡可靠度設(shè)計(jì)方法,建立基于蒙特卡洛模擬的巖質(zhì)邊坡可靠度設(shè)計(jì)實(shí)用框架,將設(shè)計(jì)過程分成4個(gè)獨(dú)立的子模塊,整個(gè)設(shè)計(jì)過程清晰明了,便于工程師理解和掌握,在設(shè)計(jì)中允許工程師根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際工況靈活地調(diào)整目標(biāo)失效概率和不確定性參數(shù)的概率模型。通過香港秀茂坪巖質(zhì)天然邊坡說明所提出的方法和設(shè)計(jì)框架,結(jié)果表明:(1)根據(jù)提出的方法通過執(zhí)行一次mcs得到的設(shè)計(jì)空間內(nèi)所有方案的失效概率與對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)方案重復(fù)執(zhí)行mcs得到的失效概率十分一致,驗(yàn)證了所提出的方法的有效性;(2)目標(biāo)失效概率以及不確定性參數(shù)的變異性和相關(guān)性顯著影響邊坡的最終設(shè)計(jì)方案,這種影響可以通過提出的方法合理地考慮到巖質(zhì)邊坡可靠度設(shè)計(jì)中;(3)在工程實(shí)際中,高估不確定性參數(shù)的變異性和忽略不確定性參數(shù)間的負(fù)相關(guān)性,均導(dǎo)致高估邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差,進(jìn)而低估邊坡可靠度指標(biāo),導(dǎo)致相對(duì)保守的設(shè)計(jì),偏于安全;然而,忽略不確定性參數(shù)間的正相關(guān)性則可能導(dǎo)致相反的結(jié)果,設(shè)計(jì)偏于不安全。

傳統(tǒng)的蒙特卡羅模擬方法在分析由于參數(shù)不確定性修正而引起的可靠度修正問題時(shí)效率較低。為此,提出了一種基于蒙特卡羅模擬的高效邊坡可靠度修正方法,該方法主要包括2個(gè)關(guān)鍵步驟：1）根據(jù)參數(shù)初始分布利用蒙特卡羅模擬方法計(jì)算邊坡的失效概率,并輸出蒙特卡羅模擬的失效樣本;2）利用參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征值修正后的聯(lián)合概率密度函數(shù)和蒙特卡羅模擬失效樣本計(jì)算修正后邊坡的失效概率。以兩個(gè)邊坡問題為例說明了所提方法的有效性。結(jié)果表明：所提出的方法在計(jì)算修正的失效概率過程中無需重新執(zhí)行蒙特卡羅模擬,計(jì)算過程簡(jiǎn)單、計(jì)算效率高。此外,所提方法能夠適用于隱式表達(dá)功能函數(shù)的邊坡可靠度修正問題,并能夠有效地解決單變量和多變量修正的邊坡可靠度修正問題。

建筑巖質(zhì)邊坡巖石壓力的計(jì)算方法——建筑邊坡一般是指城鎮(zhèn)建設(shè)中因?yàn)槭┕ら_挖或者填方形成的邊坡。坡高在20-30米以下，目前計(jì)算巖質(zhì)邊坡上的巖石壓力，常引用庫侖、朗金土壓力公式，不區(qū)分土體與巖體的不同，不僅導(dǎo)致支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于保守，也會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)不安全...

基坑邊坡變形的理論計(jì)算方法

針對(duì)傳統(tǒng)的可靠度計(jì)算方法在求解多目標(biāo)函數(shù)的約束優(yōu)化及高非線性結(jié)構(gòu)功能函數(shù)的可靠度求解時(shí)計(jì)算效率低、收斂性不高等問題,提出了一種基于序列二次規(guī)劃法的結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算方法。該方法引入序列二次規(guī)劃法的約束優(yōu)化模型并結(jié)合可靠度指標(biāo)計(jì)算模型,在每一迭代步通過求解一個(gè)二次規(guī)劃子問題來確定目標(biāo)函數(shù)的下降方向,構(gòu)造價(jià)值函數(shù)確定搜索步長(zhǎng),使其全局收斂以獲得可靠度最優(yōu)解及驗(yàn)算點(diǎn)。通過三個(gè)算例驗(yàn)證了該方法的有效性。

在高堆石壩建設(shè)中,堆石等粗粒土材料在高圍壓下的強(qiáng)度非線性特征非常顯著,僅用傳統(tǒng)的安全系數(shù)法進(jìn)行大壩壩坡穩(wěn)定分析是不夠完善的,本文采用基于fem的壩坡穩(wěn)定體系可靠度分析方法,綜合考慮高堆石壩破壞模式的不確定性,量化安全裕度,對(duì)優(yōu)化高堆石壩壩坡設(shè)計(jì)、減少工程投資等都具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合極限狀態(tài)方程、幾何法計(jì)算結(jié)構(gòu)可靠度,并推導(dǎo)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的幾何法計(jì)算公式。最后比較了該法與其他可靠度計(jì)算方法的精度以及計(jì)算效率,并將該法應(yīng)用于實(shí)際工程當(dāng)中。