基于GGSO和有限元的土坡稳定性计算研究
发布时间：2021-07-16 09:58
针对传统土坡稳定性系数试算过于粗糙、未考虑岩土体应力应变特征的不足等问题,以提出一种更为合理的边坡稳定性计算方法为目标,对标准的萤火虫算法（Glowworm Swarm Optimization,GSO）进行改进,加入高斯白噪声扰动策略,增强了算法的全局寻优能力,提出一种改进萤火虫算法（Gauss Glowworm Swarm Optimization,GGSO）。通过标准函数测试表明了新方法的有效性。三个标准函数的测试结果显示:GGSO的寻优效果较GSO大幅度提升;通过有限元应力法计算土坡稳定性系数,并以圆心和半径为自变量,将边坡稳定性计算转化为一个完备的数学优化问题,该优化问题可通过GGSO求解。通过均质土坡和非均质土坡算例验证提出方法的有效性,结果表明:提出的边坡稳定性计算方法能够获得合理的边坡稳定性系数值。最后将提出的边坡稳定性计算方法用于许卡滑坡土质边坡的稳定性计算之中。研究成果对土坡稳定性分析具有一定的参考价值。
【文章来源】：水利水电技术. 2019,50(01)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
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李炼，等∥基于GGSO和有限元的土坡稳定性计算研究水利水电技术第50卷2019年第1期图2GSO和GGSO寻优对比图3应力法实现流程计算方法，其大体计算方式并未改变，仍然是采用圆弧法进行滑面的确定，只是将经典稳定性系数的抗滑力和下滑力替换为应力的函数，由于考虑了应力应变的关系，因而其计算结果更加趋近于合理。不同的滑面将导致计算出不同的稳定性系数，传统的边坡稳定性计算方法常通过选择多个滑面，通过试算得到最终稳定性系数。但这种做法无疑是有缺陷的:其一表现为计算的繁琐性;其二表现为试算所得的稳定性系数是否可代表边坡的真实稳定性有待商榷，从数学理论上来说，试算所得稳定性系数往往是一个极小值而非最小值，其不能反映边坡的真实稳定性。因而，可考虑结合优化算法对边坡稳定性系数搜索，陈祖煜等［1－3］在这方面已进行大量的研究。本文应用GGSO算法实现边坡稳定系数的搜索。其主要思路如下minFs(o，r)s.t.omin≤o≤omax，rmin≤r≤rmax(8)式中，o为圆心;r为半径，约束条件指定了搜索区域的范围。经过如此处理之后，则边坡稳定性系数的计算问题转化为数学上的优化问题。通过GGSO求解式(8)，可得到边坡的理论滑面及其稳定性系数。以上完整的给出了本文计算方法的计算流程，下文将在对所提出方法检验合格的基础之上，将该方法用于工程实例中。3算例3.1均质土坡算例为验证本文方法的适用性，首先采用均质土坡算例来验算。该均质土坡几何结构如图4所示。土坡的土体的物理力学参数取值如表3所列，其中γ为土体容重、c为土体黏聚力、?为土体?
，r)s.t.omin≤o≤omax，rmin≤r≤rmax(8)式中，o为圆心;r为半径，约束条件指定了搜索区域的范围。经过如此处理之后，则边坡稳定性系数的计算问题转化为数学上的优化问题。通过GGSO求解式(8)，可得到边坡的理论滑面及其稳定性系数。以上完整的给出了本文计算方法的计算流程，下文将在对所提出方法检验合格的基础之上，将该方法用于工程实例中。3算例3.1均质土坡算例为验证本文方法的适用性，首先采用均质土坡算例来验算。该均质土坡几何结构如图4所示。土坡的土体的物理力学参数取值如表3所列，其中γ为土体容重、c为土体黏聚力、?为土体内摩擦角。使用本文方法时，首先在COMSOL中划分计算网格(本例采用三角形单元，有限元网格划分见图5)，然后通过MATLAB软件编制GGSO算法，产生若干潜在滑面，并通过MATLAB调用COMSOL计算这些潜在滑面上的应力值，尔后按照式(7)计算每个潜在滑面的稳定性系数，并从中选择最小的稳定性系数值及其对应的滑面作为边坡的最终稳定性系数和最可能滑面［2－6］。本例中，GGSO的种群数目设置为20，迭代次数为100。按照本文方法，确定式(8)中的圆心o为(44.93m，26.35m)，半径r为20.31m，进而获得的边坡稳定性系数为1.301，作者同样采用Geo－studio软件计算该土坡的稳定性系数，得到结果为1.322。这里有必要说明，在土坡稳定性分析中，往往获取其真实滑面是比较困难的，而根据优化理论，在搜索所得滑面无明显异常的情况下(即滑面形状通常不会呈凸形)，只需搜索得到的稳定性系数低于另一方法多得的稳定性系数，则可认
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Morgenstern-Price法和改进径向移动算法的边坡稳定性分析[J]. 金亮星,冯琦璇,潘卓夫. 中国公路学报. 2018(02)
[2]兰州丘陵沟壑区挖方黄土高边坡面临的工程地质问题及稳定性分析[J]. 蒲小武,王兰民,吴志坚,刘琨,赵文琛,马林伟,任栋. 地震工程学报. 2016(05)
[3]地下水位上升对边坡稳定性影响的拟静力分析[J]. 蔡德钩,黄帅,闫宏业,陈锋,张千里,姚建平. 铁道建筑. 2015(01)
[4]基于IAGSO算法的VISSIM模型校正研究与实现[J]. 唐少虎,刘小明. 交通运输系统工程与信息. 2014(05)
[5]基于GSO算法的最小连通支配集问题求解[J]. 赵学锋. 计算机工程. 2013(02)
[6]边坡稳定性分析的Sarma模式及其可靠度计算方法[J]. 苏永华,赵明华,邹志鹏,欧阳光前. 水利学报. 2006(04)
[7]关于有限元边坡稳定性分析中安全系数的定义问题[J]. 郑宏,田斌,刘德富,冯强. 岩石力学与工程学报. 2005(13)
[8]遗传算法在确定边坡稳定最小安全系数中的应用[J]. 弥宏亮,陈祖煜. 岩土工程学报. 2003(06)
[9]应用遗传算法搜索边坡最小安全系数的研究[J]. 陆峰,陈祖煜,李素梅. 中国水利水电科学研究院学报. 2003(03)
[10]基于模拟退火算法的边坡最小安全系数全局搜索方法[J]. 李守巨,刘迎曦,何翔,刘玉静. 岩石力学与工程学报. 2003(02)
博士论文
[1]智能优化算法在土坡稳定分析中的应用[D]. 李亮.大连理工大学 2006
本文编号：3286789
【文章来源】：水利水电技术. 2019,50(01)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
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李炼，等∥基于GGSO和有限元的土坡稳定性计算研究水利水电技术第50卷2019年第1期图2GSO和GGSO寻优对比图3应力法实现流程计算方法，其大体计算方式并未改变，仍然是采用圆弧法进行滑面的确定，只是将经典稳定性系数的抗滑力和下滑力替换为应力的函数，由于考虑了应力应变的关系，因而其计算结果更加趋近于合理。不同的滑面将导致计算出不同的稳定性系数，传统的边坡稳定性计算方法常通过选择多个滑面，通过试算得到最终稳定性系数。但这种做法无疑是有缺陷的:其一表现为计算的繁琐性;其二表现为试算所得的稳定性系数是否可代表边坡的真实稳定性有待商榷，从数学理论上来说，试算所得稳定性系数往往是一个极小值而非最小值，其不能反映边坡的真实稳定性。因而，可考虑结合优化算法对边坡稳定性系数搜索，陈祖煜等［1－3］在这方面已进行大量的研究。本文应用GGSO算法实现边坡稳定系数的搜索。其主要思路如下minFs(o，r)s.t.omin≤o≤omax，rmin≤r≤rmax(8)式中，o为圆心;r为半径，约束条件指定了搜索区域的范围。经过如此处理之后，则边坡稳定性系数的计算问题转化为数学上的优化问题。通过GGSO求解式(8)，可得到边坡的理论滑面及其稳定性系数。以上完整的给出了本文计算方法的计算流程，下文将在对所提出方法检验合格的基础之上，将该方法用于工程实例中。3算例3.1均质土坡算例为验证本文方法的适用性，首先采用均质土坡算例来验算。该均质土坡几何结构如图4所示。土坡的土体的物理力学参数取值如表3所列，其中γ为土体容重、c为土体黏聚力、?为土体?
，r)s.t.omin≤o≤omax，rmin≤r≤rmax(8)式中，o为圆心;r为半径，约束条件指定了搜索区域的范围。经过如此处理之后，则边坡稳定性系数的计算问题转化为数学上的优化问题。通过GGSO求解式(8)，可得到边坡的理论滑面及其稳定性系数。以上完整的给出了本文计算方法的计算流程，下文将在对所提出方法检验合格的基础之上，将该方法用于工程实例中。3算例3.1均质土坡算例为验证本文方法的适用性，首先采用均质土坡算例来验算。该均质土坡几何结构如图4所示。土坡的土体的物理力学参数取值如表3所列，其中γ为土体容重、c为土体黏聚力、?为土体内摩擦角。使用本文方法时，首先在COMSOL中划分计算网格(本例采用三角形单元，有限元网格划分见图5)，然后通过MATLAB软件编制GGSO算法，产生若干潜在滑面，并通过MATLAB调用COMSOL计算这些潜在滑面上的应力值，尔后按照式(7)计算每个潜在滑面的稳定性系数，并从中选择最小的稳定性系数值及其对应的滑面作为边坡的最终稳定性系数和最可能滑面［2－6］。本例中，GGSO的种群数目设置为20，迭代次数为100。按照本文方法，确定式(8)中的圆心o为(44.93m，26.35m)，半径r为20.31m，进而获得的边坡稳定性系数为1.301，作者同样采用Geo－studio软件计算该土坡的稳定性系数，得到结果为1.322。这里有必要说明，在土坡稳定性分析中，往往获取其真实滑面是比较困难的，而根据优化理论，在搜索所得滑面无明显异常的情况下(即滑面形状通常不会呈凸形)，只需搜索得到的稳定性系数低于另一方法多得的稳定性系数，则可认
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Morgenstern-Price法和改进径向移动算法的边坡稳定性分析[J]. 金亮星,冯琦璇,潘卓夫. 中国公路学报. 2018(02)
[2]兰州丘陵沟壑区挖方黄土高边坡面临的工程地质问题及稳定性分析[J]. 蒲小武,王兰民,吴志坚,刘琨,赵文琛,马林伟,任栋. 地震工程学报. 2016(05)
[3]地下水位上升对边坡稳定性影响的拟静力分析[J]. 蔡德钩,黄帅,闫宏业,陈锋,张千里,姚建平. 铁道建筑. 2015(01)
[4]基于IAGSO算法的VISSIM模型校正研究与实现[J]. 唐少虎,刘小明. 交通运输系统工程与信息. 2014(05)
[5]基于GSO算法的最小连通支配集问题求解[J]. 赵学锋. 计算机工程. 2013(02)
[6]边坡稳定性分析的Sarma模式及其可靠度计算方法[J]. 苏永华,赵明华,邹志鹏,欧阳光前. 水利学报. 2006(04)
[7]关于有限元边坡稳定性分析中安全系数的定义问题[J]. 郑宏,田斌,刘德富,冯强. 岩石力学与工程学报. 2005(13)
[8]遗传算法在确定边坡稳定最小安全系数中的应用[J]. 弥宏亮,陈祖煜. 岩土工程学报. 2003(06)
[9]应用遗传算法搜索边坡最小安全系数的研究[J]. 陆峰,陈祖煜,李素梅. 中国水利水电科学研究院学报. 2003(03)
[10]基于模拟退火算法的边坡最小安全系数全局搜索方法[J]. 李守巨,刘迎曦,何翔,刘玉静. 岩石力学与工程学报. 2003(02)
博士论文
[1]智能优化算法在土坡稳定分析中的应用[D]. 李亮.大连理工大学 2006
本文编号：3286789
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