雜交粒子群響應(yīng)面邊坡穩(wěn)定可靠性算法

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-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?。?，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．

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.

從塑性極限分析出發(fā),基于上限分析構(gòu)建邊坡極限狀態(tài)可靠度計(jì)算模型；針對(duì)狀態(tài)函數(shù)高度非線性導(dǎo)致常規(guī)可靠度方法求解時(shí)存在困難的問題,將響應(yīng)面模型作為極限狀態(tài)函數(shù)與可靠度計(jì)算間\"橋梁\

在目前的結(jié)構(gòu)可靠度分析法中,響應(yīng)面法被認(rèn)為式一種相對(duì)精確法。詳細(xì)介紹了采用響應(yīng)面方法結(jié)合數(shù)值試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行擬合,求系統(tǒng)的可靠度,并應(yīng)用于某地下巖體空間圍巖穩(wěn)定的可靠性分析。

提出基于隨機(jī)響應(yīng)面法的風(fēng)化巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定可靠度分析方法。該方法運(yùn)用geostudio軟件建立邊坡穩(wěn)定性有限元分析模型,選取具有代表性的滑動(dòng)面,構(gòu)造邊坡滑動(dòng)面安全系數(shù)與獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)隨機(jī)向量間的顯式功能函數(shù),然后利用mcs求解得到功能函數(shù)的失效概率。最后采用mcs、kriging和三階srsm三種方法對(duì)邊坡穩(wěn)定可靠度進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明:三種分析方法中三階srsm的計(jì)算效率優(yōu)于mcs和kriging,計(jì)算精度也要高于kriging。通過邊坡可靠度分析巖土體力學(xué)參數(shù)對(duì)邊坡可靠度指標(biāo)的影響變化規(guī)律,得出結(jié)論:隨著巖土層的加深,隨機(jī)變量參數(shù)對(duì)邊坡可靠度的影響逐漸加大。

基于福建省獨(dú)特的地理氣候特點(diǎn),依據(jù)飽和-非飽和土滲流理論和流固耦合理論,采用有限元數(shù)值仿真方法研究持續(xù)性強(qiáng)降雨和臺(tái)風(fēng)降雨條件下殘積土層滑坡災(zāi)害的形成機(jī)理,分析非恒定滲流對(duì)邊坡力學(xué)特性的影響,結(jié)合剛體極限平衡理論和可靠度分析理論,采用蒙特卡羅法,選取失效概率作為危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明:降雨總量相同條件下,臺(tái)風(fēng)降雨入滲深度淺,飽和程度高,破壞時(shí)間早且多為淺層滑坡；持續(xù)性強(qiáng)降雨則相反。

采用改進(jìn)均值濾波法對(duì)多響應(yīng)面法進(jìn)行改進(jìn),構(gòu)建了基于空間濾波的多響應(yīng)面法消除多響應(yīng)面子區(qū)域交接處的突兀點(diǎn),提高可靠度計(jì)算精度和計(jì)算效率。用matlab語言編程實(shí)現(xiàn)改進(jìn)后的空間濾波多響應(yīng)面法應(yīng)用于永吉縣西陽河高陡邊坡可靠度計(jì)算。結(jié)果表明,采用改進(jìn)均值濾波法對(duì)多響應(yīng)面法計(jì)算精度明顯提高,適用于大型復(fù)雜邊坡工程的可靠度計(jì)算。

巖質(zhì)邊坡中存在多種變異性,需要進(jìn)行巖質(zhì)邊坡的可靠度分析。將數(shù)值分析法與可靠度分析的響應(yīng)面法相結(jié)合,進(jìn)行了巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定的可靠度分析。利用徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)(rbfn)的全局適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn),在響應(yīng)面法中,以徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)為響應(yīng)面函數(shù),將隱式的功能函數(shù)顯式化。通過對(duì)每個(gè)響應(yīng)面新增一個(gè)樣本點(diǎn)的方法進(jìn)行樣本點(diǎn)的生成及響應(yīng)面的迭代,計(jì)算表明:基于徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)面法具有較高的計(jì)算精度及效率,可以適用于基本變量數(shù)較多的可靠度分析問題;本文的邊坡算例中,第2層巖體的強(qiáng)度參數(shù)對(duì)邊坡的可靠指標(biāo)影響最大,而其他參數(shù)對(duì)可靠指標(biāo)的影響則相對(duì)較小。

基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與響應(yīng)面法相結(jié)合的組合方法,以邊坡安全系數(shù)為研究對(duì)象,黏聚力、內(nèi)摩擦角和容重作為自變量,采用janbu法計(jì)算邊坡實(shí)際安全系數(shù),以安全系數(shù)等于1為臨界值,最終得到了邊坡穩(wěn)定的功能函數(shù)。對(duì)蒙華鐵路良山邊坡巖土體可靠度進(jìn)行分析,并采用蒙特卡羅法進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：良山邊坡的巖土體可靠度指標(biāo)計(jì)算結(jié)果與蒙特卡羅法所獲取的結(jié)果吻合,驗(yàn)證了所提出方法的可行性;與蒙特卡羅法相比,所提出方法計(jì)算時(shí)間大大縮短,為邊坡穩(wěn)定性研究提供了新的思路。

對(duì)功能函數(shù)不能明確表達(dá)的可靠度分析問題,常采用響應(yīng)面法。本文提出把響應(yīng)面區(qū)分為局部響應(yīng)面和全局響應(yīng)面。常用的二次多項(xiàng)式響應(yīng)面及常規(guī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)面均屬于局部響應(yīng)面,其僅在驗(yàn)算點(diǎn)附近(±σ)處與真實(shí)極限狀態(tài)曲面符合較好。本文提出的全局神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)面、改進(jìn)全局神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)面則屬于全局響應(yīng)面,其在全局范圍均與真實(shí)極限狀態(tài)曲面符合良好,故其對(duì)全局有較好預(yù)測(cè)效果。文中對(duì)以上各種響應(yīng)面法計(jì)算效果及其對(duì)全局預(yù)測(cè)效果通過算例進(jìn)行了對(duì)比分析,其中改進(jìn)全局神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)面法計(jì)算精度較好,進(jìn)行有限元分析次數(shù)最少,該方法用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可靠度分析,可相應(yīng)提高工作效率和解題質(zhì)量。

巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性受到多種隨機(jī)性因素和不確定性因素綜合作用的影響,是影響邊坡工程安全的重要課題。隨著科學(xué)的發(fā)展和學(xué)者們對(duì)于巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性認(rèn)識(shí)的不斷進(jìn)步,其發(fā)展逐漸由定性向定量方向發(fā)展,表現(xiàn)傳統(tǒng)研究方法逐步完善,新理論新方法不斷出現(xiàn)并得到應(yīng)用。邊坡可靠性評(píng)價(jià)作為一門新學(xué)科,其研究方法手段正處于迅猛發(fā)展階段。本文對(duì)這些方法的發(fā)展做了簡要的總結(jié),并提出了新的發(fā)展方向,為研究者提供參考。

為了評(píng)估因素敏感性對(duì)邊坡穩(wěn)定可靠度的影響,針對(duì)巖石邊坡中最為常見的平面剪切型邊坡,在定值法計(jì)算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的基礎(chǔ)上,用單因素分析法、極差分析法和方差分析法對(duì)邊坡幾何、計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)的敏感性進(jìn)行了對(duì)比分析,然后采用rosenblueth法對(duì)不同隨機(jī)變量的組合進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定可靠度分析。研究結(jié)果表明:單因素分析、極差分析和方差分析得到了一致的參數(shù)敏感度排序,方差分析結(jié)果離散程度最大、分析效果最優(yōu);在假定參數(shù)變異性相同條件下,當(dāng)隨機(jī)變量取敏感性較大的因素時(shí),可靠度分析的破壞概率也較大;對(duì)于敏感性較大的因素,不管是強(qiáng)度參數(shù)或者幾何參數(shù),若存在一定的變異性,在可靠度分析中都不應(yīng)忽視,否則將對(duì)結(jié)果產(chǎn)生重大影響;在邊坡可靠度分析前先確定各個(gè)穩(wěn)定影響因素的敏感性排序,再根據(jù)實(shí)際參數(shù)的變異性選取隨機(jī)變量,分析結(jié)果往往更加合理。

用常規(guī)可靠度分析方法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定的可靠度分析時(shí),可靠度分析的主程序與用geo-slope軟件求解安全系數(shù)的過程需交互進(jìn)行,過程繁瑣。為加快運(yùn)行速度,本文采用了基于rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的蒙特卡羅模擬法(rbf-mcsm),此法在進(jìn)行可靠度分析時(shí),需在運(yùn)行可靠度分析程序之前先用geo-slope軟件來準(zhǔn)備好所有樣本。本文首先應(yīng)用geo-slope軟件中的slope/w模塊對(duì)皮園邊坡四組剖面支護(hù)前后的安全系數(shù)進(jìn)行求解,接下來采用基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的蒙特卡羅模擬法(rbf-mcsm)擬合出功能函數(shù),進(jìn)而求解邊坡的失效概率及可靠指標(biāo),并與常規(guī)的可靠度分析方法(中心點(diǎn)法、驗(yàn)算點(diǎn)法和響應(yīng)面法)進(jìn)行比較,由于rbf-mcsm法的計(jì)算結(jié)果與常規(guī)法中精度較高的驗(yàn)算點(diǎn)法和響應(yīng)面法結(jié)果非常接近,說明rbf-mcsm法十分準(zhǔn)確。

土石壩是目前應(yīng)用最廣泛的壩體,其建造成本低,就地取材,省去了建筑鋼料的運(yùn)輸過程,過程簡單,筑成后結(jié)合實(shí)際需求增高或加寬也方便操作。但這種傳統(tǒng)壩體的穩(wěn)固性卻存在著很多問題。針對(duì)土石壩邊坡穩(wěn)定可靠的深入研究設(shè)計(jì),可推動(dòng)我國水利事業(yè)的發(fā)展,應(yīng)用好這些技術(shù),不但節(jié)省財(cái)務(wù)支出,還能縮短工期,使投入使用中壩體更安全耐沖擊。

大多數(shù)滑坡都發(fā)生在降雨期間或降雨之后.基于有限元方法與傳統(tǒng)的極限平衡法相結(jié)合的滑面應(yīng)力法進(jìn)行二維邊坡穩(wěn)定性分析,研究了降雨強(qiáng)度、持時(shí)和雨型對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響.并以可靠性理論為基礎(chǔ),研究了土體抗剪強(qiáng)度不確定性對(duì)降雨條件下邊坡穩(wěn)定性的影響.分析結(jié)果與重慶地區(qū)的降雨滑坡的案例統(tǒng)計(jì)分析規(guī)律一致.

大多數(shù)滑坡都發(fā)生在降雨期間或降雨之后.基于有限元方法與傳統(tǒng)的極限平衡法相結(jié)合的滑面應(yīng)力法進(jìn)行二維邊坡穩(wěn)定性分析,研究了降雨強(qiáng)度、持時(shí)和雨型對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響.并以可靠性理論為基礎(chǔ),研究了土體抗剪強(qiáng)度不確定性對(duì)降雨條件下邊坡穩(wěn)定性的影響.分析結(jié)果與重慶地區(qū)的降雨滑坡的案例統(tǒng)計(jì)分析規(guī)律一致.

基于可靠度指標(biāo)的幾何含義,分析了粒子群算法的原理、模型和算法實(shí)現(xiàn)過程。通過算例用matlab語言編程進(jìn)行計(jì)算,并與一次二階矩法和蒙特卡羅法得出的結(jié)果進(jìn)行了比較,證明了粒子群算法在化工設(shè)備可靠性分析中的有效性和可行性。

對(duì)于實(shí)際工程,往往不能明確功能函數(shù)。本文通過響應(yīng)面法來模擬實(shí)際工程的功能函數(shù)。再結(jié)合form法,可直接應(yīng)用現(xiàn)用的結(jié)構(gòu)分析軟件,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠度分析。

把邊坡穩(wěn)定性分析的剩余推力法與可靠度分析的jc法相結(jié)合,建立了基于剩余推力法的邊坡穩(wěn)定性可靠度分析模型,研制了相應(yīng)計(jì)算程序,并對(duì)某黃土高邊坡穩(wěn)定性可靠度進(jìn)行了實(shí)例分析。結(jié)果表明:該模型避免了每次迭代時(shí)要進(jìn)行r-f變換,從而提高了計(jì)算效率;該模型及相應(yīng)程序?qū)崿F(xiàn)方法對(duì)基于其他穩(wěn)定性分析法的邊坡可靠度分析也具有一定的參考價(jià)值。

為了提高響應(yīng)面法的計(jì)算效率和精度,對(duì)現(xiàn)有的全局響應(yīng)面法進(jìn)行了改進(jìn)。采用徑向基函數(shù)(rbf)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),代替目前常用的bp網(wǎng)絡(luò),迭代過程中在超錐體的范圍內(nèi)構(gòu)造響應(yīng)面,逼近隱式的非線性功能函數(shù)。數(shù)值算例分析表明,與通常的響應(yīng)面法相比,改進(jìn)全局響應(yīng)面法的迭代次數(shù)和有限元分析次數(shù)均大幅減少,節(jié)省機(jī)時(shí),有利于提高計(jì)算精度。同時(shí),以淺基礎(chǔ)和擋土墻為工程背景進(jìn)行可靠度分析,表明該方法能以較快的收斂速度和較少的有限元分析次數(shù),獲得較高精度的可靠度指標(biāo),適用于巖土工程的可靠度分析。

響應(yīng)面法可以應(yīng)用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)隱式極限狀態(tài)方程的可靠性分析,然而至今可靠度響應(yīng)面法的計(jì)算精度仍是未完全得以解決的問題。本文分析了響應(yīng)面法計(jì)算結(jié)構(gòu)可靠度的實(shí)質(zhì),指出了已有可靠度響應(yīng)面法研究中存在的認(rèn)識(shí)誤區(qū),并揭示了可靠度響應(yīng)面法計(jì)算誤差的真正原因。在此基礎(chǔ)上,提出了改進(jìn)響應(yīng)面法用以解決傳統(tǒng)響應(yīng)面法收斂失敗和計(jì)算誤差大的問題,算例結(jié)果證實(shí)了所提方法的有效性與精度。最后,指出了可靠度響應(yīng)面法的進(jìn)一步研究方向。

介紹了響應(yīng)面法的基本思想,并分析了用單面響應(yīng)面法計(jì)算結(jié)構(gòu)可靠度中存在的精度問題,提出了改進(jìn)的單面響應(yīng)面法;同時(shí)通過算例與其他方法進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果表明,改進(jìn)的單面響應(yīng)面法不僅不會(huì)增加計(jì)算的數(shù)學(xué)難度,又能提高計(jì)算的精度。