FEM-RSM-GA的邊坡可靠度計算方法

借鑒遺傳算法中的雜交概念,將其引入標準粒子群方法(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算精度,并用其計算可靠度指標及相應的驗算點。以典型的邊坡為例,通過工程算例并與其他方法對比,表明了mpso方法較標準pso方法的計算精度高,收斂速度快;分析了算法中各控制參數(shù)對可靠度指標的影響;算例結果表明:mpso方法對求解功能函數(shù)呈高度非線性的邊坡可靠性問題具有很好的適應性,是科學可行的,具有很好的應用前景。

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

系統(tǒng)地總結了多種響應面法（rsm）在不同類型邊坡可靠度問題中的應用情況，通過文獻分析總結出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．重點研究了基于多項式的4種響應面法（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．分別從計算精度和計算效率兩個方面系統(tǒng)地比較了4種響應面法在黏性土坡和c-φ聲土坡可靠度問題中的適用性．結果表明：對于不考慮土性參數(shù)空間變異性的單層土坡可靠度問題（問題?。?，推薦sqrsm；當單層土坡考慮土性參數(shù)空間變異性時（問題ⅱ），推薦msrsm；對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)地總結了多種響應面法(rsm)在不同類型邊坡可靠度問題中的應用情況,通過文獻分析總結出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.重點研究了基于多項式的4種響應面法(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.分別從計算精度和計算效率兩個方面系統(tǒng)地比較了4種響應面法在黏性土坡和c-土坡可靠度問題中的適用性.結果表明:對于不考慮土性參數(shù)空間變異性的單層土坡可靠度問題(問題ⅰ),推薦sqrsm;當單層土坡考慮土性參數(shù)空間變異性時(問題ⅱ),推薦msrsm;對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.

針對傳統(tǒng)邊坡可靠度分析方法的局限性,將高斯過程機器學習與重要抽樣方法相結合,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造少量的學習樣本,采用基于統(tǒng)計學習原理的高斯過程模型重構邊坡隱式功能函數(shù),實現(xiàn)邊坡功能函數(shù)及其偏導數(shù)的顯式表達,并構造合理的迭代方式,在計算過程中不斷提升高斯過程模型對失效概率貢獻較大區(qū)域的重構精度,進而應用重要抽樣法計算邊坡的失效概率與可靠指標。研究結果表明,該方法是可行的,具有較高的計算精度和效率。

實際工程結構復雜多樣,選用一種最佳的可靠度分析方法對工程人員非常重要。本文對現(xiàn)有的結構可靠度計算方法,如一次二階矩法、高次高階矩法、monte-carlo方法、響應面法、隨機有限元法等進行了分析,介紹了各種計算方法的特點和進展。

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,可靠度的計算方法也越來越豐富。為方便使用者應用可靠度進行巖土工程的穩(wěn)定性研究和工程設計,綜合分析了巖土工程可靠度的各種計算方法的特點、應用條件及發(fā)展方向。

邊坡可靠度風險評價分析——確定性設計安全系數(shù)法由于簡單易行得到了廣泛的應用?？煽慷确椒ㄔ谝欢ǔ潭壬蠌浹a了確定性設計中不能考慮實際工程中巖體參數(shù)離散性的問題,使設計更加符合實際情況。函數(shù)連分式方法在邊坡一次二階矩概率設計中可以方便地計算出狀態(tài)函...

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

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

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

傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性分析常以安全系數(shù)作為評價指標，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，將設計參數(shù)作為隨機變量，得到可靠度或失效概率作為邊坡安全程度的評價指標，不是簡單給出安全或失穩(wěn)的結論。以某一邊坡工程為例，基于蒙特卡羅法對其進行可靠度分析，說明該方法的合理性及實用性。

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,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,避免了相關變量的獨立變換以及求極限狀態(tài)函數(shù)對基本變量的偏導數(shù)這兩個問題。本文明確了hasofer-lind可靠度指標的物理意義,提出了hasofer-lind可靠度指標在fortran語言中的優(yōu)化求解方法,通過與excel規(guī)劃求解器計算結果對比,表明本方法計算結果可靠,多變量情況下可靠度指標能夠迅速收斂。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相關問題之外,還可以計算考慮土工參數(shù)空間變異情況下的土坡可靠度指標。

在不同的黃土地區(qū)選取4個工點的典型路塹高邊坡,基于點估計理論和有限元強度折減法計算邊坡可靠指標。結果表明:工點2的穩(wěn)定系數(shù)雖達到1.46,卻有19.2%的失效概率;工點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29.8%,參數(shù)變異性是造成其差異的主要原因。用點估計法計算邊坡可靠度,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)離散性對邊坡穩(wěn)定性評價的影響。

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個關鍵步驟：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算修正后邊坡的失效概率。以兩個邊坡問題為例說明了所提方法的有效性。結果表明：所提出的方法在計算修正的失效概率過程中無需重新執(zhí)行蒙特卡羅模擬,計算過程簡單、計算效率高。此外,所提方法能夠適用于隱式表達功能函數(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邊坡可靠度設計方法,建立基于蒙特卡洛模擬的巖質邊坡可靠度設計實用框架,將設計過程分成4個獨立的子模塊,整個設計過程清晰明了,便于工程師理解和掌握,在設計中允許工程師根據(jù)工程經驗和實際工況靈活地調整目標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天然邊坡說明所提出的方法和設計框架,結果表明:(1)根據(jù)提出的方法通過執(zhí)行一次mcs得到的設計空間內所有方案的失效概率與對每個設計方案重復執(zhí)行mcs得到的失效概率十分一致,驗證了所提出的方法的有效性;(2)目標失效概率以及不確定性參數(shù)的變異性和相關性顯著影響邊坡的最終設計方案,這種影響可以通過提出的方法合理地考慮到巖質邊坡可靠度設計中;(3)在工程實際中,高估不確定性參數(shù)的變異性和忽略不確定性參數(shù)間的負相關性,均導致高估邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的標準差,進而低估邊坡可靠度指標,導致相對保守的設計,偏于安全;然而,忽略不確定性參數(shù)間的正相關性則可能導致相反的結果,設計偏于不安全。

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個關鍵步驟：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算修正后邊坡的失效概率。以兩個邊坡問題為例說明了所提方法的有效性。結果表明：所提出的方法在計算修正的失效概率過程中無需重新執(zhí)行蒙特卡羅模擬,計算過程簡單、計算效率高。此外,所提方法能夠適用于隱式表達功能函數(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。

建筑巖質邊坡巖石壓力的計算方法——建筑邊坡一般是指城鎮(zhèn)建設中因為施工開挖或者填方形成的邊坡。坡高在20-30米以下，目前計算巖質邊坡上的巖石壓力，常引用庫侖、朗金土壓力公式，不區(qū)分土體與巖體的不同，不僅導致支擋結構設計偏于保守，也會導致設計不安全...

針對傳統(tǒng)的可靠度計算方法在求解多目標函數(shù)的約束優(yōu)化及高非線性結構功能函數(shù)的可靠度求解時計算效率低、收斂性不高等問題,提出了一種基于序列二次規(guī)劃法的結構可靠度計算方法。該方法引入序列二次規(guī)劃法的約束優(yōu)化模型并結合可靠度指標計算模型,在每一迭代步通過求解一個二次規(guī)劃子問題來確定目標函數(shù)的下降方向,構造價值函數(shù)確定搜索步長,使其全局收斂以獲得可靠度最優(yōu)解及驗算點。通過三個算例驗證了該方法的有效性。

在高堆石壩建設中,堆石等粗粒土材料在高圍壓下的強度非線性特征非常顯著,僅用傳統(tǒng)的安全系數(shù)法進行大壩壩坡穩(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,對優(yōu)化高堆石壩壩坡設計、減少工程投資等都具有極大的現(xiàn)實意義。

利用神經網絡擬合極限狀態(tài)方程、幾何法計算結構可靠度,并推導了基于神經網絡的幾何法計算公式。最后比較了該法與其他可靠度計算方法的精度以及計算效率,并將該法應用于實際工程當中。

為方便評估預應力混凝土連續(xù)梁橋懸臂施工過程中的整體傾覆穩(wěn)定性,基于可靠度反分析理論,在給定目標可靠指標的前提下,計入結構參數(shù)隨機性分布,得到計算懸臂施工整體傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)的方法,最后對此方法的可行性進行了算例驗證,并討論了參數(shù)的敏感性.計算結果表明,影響連續(xù)梁懸臂施工整體傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)的因素主要包括臨時固結形式、錨固鋼筋預拉力以及梁體不對稱自重比;安全系數(shù)初始值的越大,在收斂于特定數(shù)值的過程中振蕩就越劇烈,穩(wěn)態(tài)誤差越大.