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智能优化算法在土坡稳定分析中的应用

作　者: 李亮
导　师: 林皋；迟世春
学　校: 大连理工大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 土坡稳定分析极限平衡法复合形法临界滑动面蚁群算法粒子群算法模拟退火算法群体多样性和声算法修复策略潘家铮极值原理局部安全系数
分类号: TU43
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

土坡稳定分析是岩土工程领域的重要课题之一,其主要的分析方法有极限平衡法、极限分析法、有限元强度折减法等。极限平衡法由于方法简单、使用经验丰富,所以有限元等数值计算方法还不能完全替代极限平衡方法,目前它仍然是分析边坡稳定性的主要方法之一。极限平衡方法在分析土坡稳定时,最大的困难在于临界滑动面的确定,针对圆弧滑动面,本文将基本复合形法与蚁群算法、粒子群优化算法、模拟退火算法联合起来,共同搜索复杂土坡的最小安全系数;对于任意滑动面,改进了基本的和声搜索算法,并将和声算法产生新解的方式引入到遗传算法中以期更好的搜索解空间;伴随着计算机技术的飞速发展和大型优化方法的涌现,分别利用和声搜索算法以及混沌和声算法模拟了潘家铮极大、极小值原理,运用优化方法直接分析土坡稳定的时机已经成熟,本文内容分为八章,简要介绍如下: 第一章介绍了土坡稳定分析的重要性以及土坡稳定分析常用方法的优缺点,得出了本文临界滑动面搜索方法研究的重要性,综述了国内外相关的研究与进展,针对存在的问题,确定了本文的研究工作内容。第二章介绍了极限平衡条分法程序设计的思路以及圆弧、任意滑动面的构建方法,并给出了相应的临界滑动面搜索的优化模型。介绍了初始复形的产生方法和寻优成功率的概念。第三章针对已有复合形法的缺陷,将其完善补充得到了改进复合形法,为降低基本复合形法搜索结果对初始复形的依赖程度,将基于排序的路径选择方式引入蚁群算法中,将变异过程引入到粒子群算法中构成了变异粒子群算法,利用正交试验方法,给出了蚁群算法、模拟退火算法的计算参数,并将蚁群算法、变异粒子群算法、模拟退火算法搜索得到的较优解应用于基本复合形法的寻优过程中,构建了蚁群复合形法、粒子群复合形法、退火复合形法三种混合复合形法,对复杂土坡进行圆弧临界滑动面搜索的实例表明,三种混合复形法的全局搜索能力比基本复合形法大大提高。第四章对基本复合形法全局搜索能力不强的原因进行了探讨,提出了复形顶点多样性的三种度量指标——共享度、复形相似距和复形中心距,构建了多样复合形法,算例分析表明,共享度表征下的多样复合形法搜索能力较高;在复合形法每次迭代过程中,定义冗余度最大顶点为最坏点,不断替换最坏点构成了冗余顶点替换复合形法;每个顶

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-15
1 绪论  15-27
  1.1 问题提出  15-16
  1.2 土坡稳定分析方法  16-18
    1.2.1 极限平衡法  16-17
    1.2.2 数值计算方法  17-18
  1.3 临界滑动面搜索方法  18-25
    1.3.1 变分法  19
    1.3.2 固定模式搜索法  19-21
    1.3.3 数学规划法  21-22
    1.3.4 动态规划法  22-23
    1.3.5 随机搜索法  23
    1.3.6 智能方法  23-25
  1.4 本文主要工作  25-27
2 条分法程序设计  27-36
  2.1 几何图形的识别与分析  27-30
  2.2 滑动面的构建  30-34
    2.2.1 圆弧滑动面  30-31
    2.2.2 任意滑动面  31-34
  2.3 初始复形构建  34-36
3 混合复合形法  36-70
  3.1 最危险圆弧滑动面搜索的优化模型  36-37
  3.2 基本复合形法  37-41
    3.2.1 有复合形法(Existing Basic Complex Method)  37-38
    3.2.2 改进的复合形法(Improved Basic Complex Method)  38-39
    3.2.3 基本复合形法寻优能力分析  39-41
  3.3 蚁群复合形法  41-50
    3.3.1 蚁群算法  41-47
    3.3.2 蚁群复合形法分析  47-50
  3.4 粒子群复合形法  50-58
    3.4.1 粒子群优化算法  50-55
    3.4.2 基于最大复形中心距替换准则的粒子群复合形法  55-58
  3.5 引入退火机制的复合形法  58-66
    3.5.1 模拟退火算法(Simulated Annealing)  58-62
    3.5.2 退火复合形法(Simulated Annealing Complex Method)  62-66
  3.6 极限平衡方法对算法分析能力的影响  66-69
  3.7 小结  69-70
4 新型复合形法  70-98
  4.1 基本复合形法缺陷及改进措施  70-71
    4.1.1 缺陷  70
    4.1.2 改进措施  70-71
  4.2 多样复合形法  71-74
    4.2.1 复形顶点多样性度量  71-73
    4.2.2 多样复合形法  73-74
  4.3 冗余顶点替换的复合形法  74-75
    4.3.1 顶点冗余度  74
    4.3.2 冗余顶点替换的复合形法步骤  74-75
  4.4 基于最大伪梯度搜索的多样复合形法  75-77
  4.5 基于最大熵原理的复合形法  77-79
    4.5.1 信息熵  78
    4.5.2 最大熵原理复合形法步骤  78-79
  4.6 禁忌模拟退火复合形法Tabu Simulated Annealing Complex Method  79-83
    4.6.1 禁忌算法  79-80
    4.6.2 禁忌退火映射收缩算子  80-81
    4.6.3 禁忌退火复合形法步骤  81-82
    4.6.4 算法参数敏感性分析  82-83
  4.7 鱼群算法  83-91
    4.7.1 李晓磊鱼群算法  84-87
    4.7.2 禁忌鱼群算法  87-91
  4.8 算法比较分析  91-97
  4.9 小结  97-98
5 基于和声搜索算法的非圆临界滑动面寻求  98-118
  5.1 任意滑动面搜索的优化模型  98-99
  5.2 基本和声搜索算法  99-101
  5.3 引入和声策略的遗传算法  101-107
    5.3.1 简单遗传算法  101-102
    5.3.2 引入和声策略的遗传算法  102-103
    5.3.3 算例  103-107
  5.4 改进和声搜索算法  107-112
    5.4.1 改进策略1  107-109
    5.4.2 改进策略2  109
    5.4.3 算例  109-112
  5.5 两阶段优化策略  112-117
  5.6 小结  117-118
6 局部安全系数法的优化算法实施  118-142
  6.1 潘家铮极值原理  118-122
    6.1.1 极大值原理  118-121
    6.1.2 极小值原理  121-122
  6.2 和声算法实现局部安全系数法  122
  6.3 算例  122-126
    6.3.1 土坡3  122-124
    6.3.2 土坡4  124
    6.3.3 失稳土坡6  124-126
  6.4 混沌和声算法实现局部安全系数法  126-135
    6.4.1 混沌探索策略  127-129
    6.4.2 混沌和声算法  129-130
    6.4.3 算例  130-135
  6.5 约束对分析结果的影响  135-140
    6.5.1 算例  135-140
  6.6 小结  140-142
7 拟建糯扎渡高心墙堆石坝坝坡抗震稳定分析  142-159
  7.1 工程概况  142
  7.2 拟静力法分析坝坡稳定性  142-149
    7.2.1 拟静力条分法  143-145
    7.2.2 拟静力有限元法  145-146
    7.2.3 考虑土体动强度的计算方法  146-149
  7.3 拟静力法结果  149-155
    7.3.1 拟静力条分法结果  149-153
    7.3.2 拟静力有限元法  153-155
  7.4 拟静力条分法任意滑动面结果  155-156
  7.5 利用潘家铮极值原理与和声搜索算法分析结果  156-157
  7.6 局部安全系数法结果  157-159
8 结语  159-162
  8.1 结论  159-160
  8.2 展望  160-162
参考文献  162-173
攻读博士学位期间发表学术论文情况  173-175
创新点摘要  175-176
致谢  176-177
附录A 土坡算例剖面  177-180
附录B 土坡算例搜索域  180-181
大连理工大学学位论文版权使用授权书  181

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