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路基拓宽优化设计改进粒子群算法

作　者: 严捷
导　师: 陈昌富
学　校: 湖南大学
专　业: 岩土工程
关键词: 路基拓宽粒子群算法优化设计加筋土挡墙重力式挡土墙土钉支护
分类号: U416.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

旧路拓宽是公路建设中一个较新的重要课题。与新建公路不同,旧路改建要求充分利用地形条件,尽可能地利用既有公路力求建设方案的经济实用,其设计的主要任务是对其进行优化和改造提高,合理使用公路支挡结构,尽量减少土石方工程量等。本文基于改进的粒子群算法对旧路拓宽优化设计进行研究,以期获得经济的设计方案,为工程实际提供参考。文章首先阐述了粒子群算法的基本思想及算法原理。结合目前常见的两类改进粒子群算法—惯性权重粒子群算法(LDW)与自适应变异粒子群算法(AMPSO),提出一种基于粒子惯性权重改进和对全局最优值进行“扰动”来调整粒子全局搜索能力的改进粒子群算法(Modified PSO算法,MPSO算法)。接着,本文对两类常用的路基支挡结构:重力式挡土墙、加筋土挡墙的设计方法进行了介绍,根据造价最优原则建立各自的优化模型,采用本文改进的粒子群算法,针对不同地形情况下挡土墙的结构进行了优化设计,得出相关的造价费用曲线,通过对曲线的拟合,得到不同填土高度下两类挡土墙的墙高—造价方程,并求出了各自的经济高度。然后,本文建立了边坡土钉支护优化设计模型。基于改进的粒子群算法编制了边坡最危险滑弧面搜索程序与边坡土钉支护整体优化程序。采用边坡滑弧面搜索程序,对给定条件下素土边坡的最大自稳高度及最大自稳坡角进行了探讨,得到了素土边坡高度与安全系数的关系式及边坡坡度与安全系数之间的关系式。采用边坡土钉支护程序,对不同高度、坡度下边坡的土钉加固费用进行了计算,得到了相关数据,并绘制了表格与费用曲线。最后,针对老路基为半填半挖情况时的拓宽,综合考虑单位路段内土石方工程数量、公路总占地面积、路基挡土墙、边坡稳定等因素,建立最优造价为目标函数的路基拓宽设计的优化数学模型。融合前面建立的挡土墙优化程序,得到路基拓宽的最优经济断面形式,为道路设计人员的进一步设计提供参考。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-15
  1.1 概述  10
  1.2 路基拓宽方法国内外研究现状  10-11
  1.3 公路支挡结构优化设计方法研究现状  11-12
    1.3.1 重力式挡土墙  11-12
    1.3.2 加筋土挡土墙  12
    1.3.3 土钉支护结构  12
  1.4 粒子群算法国内外研究现状  12-14
  1.5 本文主要研究内容  14-15
第2章粒子群智能优化算法  15-30
  2.1 概述  15-16
  2.2 粒子群算法  16-23
    2.2.1 粒子群算法基本思想  16-17
    2.2.2 基本粒子群算法  17-20
    2.2.3 自适应粒子群算法  20-23
  2.3 改进粒子群算法  23-26
    2.3.1 惯性权重计算的改进  24
    2.3.2 粒子全局搜索的改进  24-25
    2.3.3 改进粒子群算法流程  25-26
  2.4 数值试验与分析  26-29
    2.4.1 测试函数  26-27
    2.4.2 试验结果  27-28
    2.4.3 算法评价  28-29
  2.5 本章小结  29-30
第3章路基挡土墙优化设计改进粒子群算法  30-48
  3.1 概述  30-31
  3.2 路基挡土墙优化设计模型的建立  31-38
    3.2.1 模型建立的基本假设  31
    3.2.2 重力式挡土墙优化设计模型  31-34
    3.2.3 加筋土挡墙优化设计模型  34-38
  3.3 基于改进粒子群算法的路基挡土墙设计流程  38-43
    3.3.1 编码的设计  38-39
    3.3.2 约束条件的处理及适应度函数的选取  39-40
    3.3.3 设计变量的更新与优选  40
    3.3.4 路基挡土墙优化设计流程  40-43
  3.4 算例与讨论  43-47
    3.4.1 算例  43-45
    3.4.2 路基挡土墙经济对比分析  45-47
  3.5 本章小结  47-48
第4章边坡土钉支护优化设计改进粒子群算法  48-67
  4.1 概述  48-49
  4.2 土钉支护设计方法介绍  49-52
    4.2.1 土钉支护设计流程  49
    4.2.2 内部稳定性分析  49-51
    4.2.3 外部整体稳定性分析  51-52
  4.3 边坡土钉支护优化设计模型的建立  52-54
    4.3.1 设计变量  52
    4.3.2 目标函数  52-53
    4.3.3 约束条件  53-54
    4.3.4 边坡土钉支护优化设计数学模型  54
  4.4 边坡土钉支护优化设计方法的实现  54-59
    4.4.1 边坡土钉支护优化设计的总体流程  54-55
    4.4.2 基于粒子群算法最危险滑弧面搜索方法的实现  55-59
  4.5 算例及讨论  59-66
    4.5.1 算例  59-60
    4.5.2 土钉优化参数对工程造价的影响分析  60-63
    4.5.3 边坡几何参数对工程造价的影响分析  63-66
  4.6 本章小结  66-67
第5章路基拓宽优化设计改进粒子群算法  67-83
  5.1 概述  67-68
  5.2 路基拓宽方式及工程费用的计算  68-74
    5.2.1 填方部分拓宽方式及费用计算  68-72
    5.2.2 挖方部分拓宽方式及费用计算  72-74
  5.3 路基拓宽优化方法的实现  74-77
    5.3.1 路基拓宽优化设计实现的总体框架  74-75
    5.3.2 基于改进粒子群算法的路基拓宽优化设计流程  75-77
  5.4 算例与分析  77-82
    5.4.1 工程算例  77-80
    5.4.2 路基高度对拓宽方式的影响分析  80-81
    5.4.3 挡墙设置高度对拓宽费用的影响分析  81-82
  5.5 本章小结  82-83
结论  83-85
参考文献  85-89
致谢  89-90
附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  90

路基拓宽优化设计改进粒子群算法

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