边坡稳定性计算.ppt

边坡稳定性计算,地质工程杨杰导师陈新民,边坡稳定性问题是工程中十分重要的问题,它的分析方法及计算已经有了一定的发展阶段,下面首先对它的分析方法进行简单的介绍,一、定量分析法１，极限平衡分析方法极限平衡分析方法计算简便，是目前最常用方法．它是通过分析在临界破坏状态下，土体外力与内部强度所提供抗力之间的平衡，计算土体在自身和外力作用下的土体稳定程度．目前已有的极限平衡分析方法有斯宾塞法，毕肖普条分法，简布法，沙尔玛法和楔体极限平衡分析法等等。其缺点是在力学上作了一些简化假设。,２，有限单元法,有限单元法是一种十分成熟的数值方法，也是边坡稳定中用的较多的方法．它的优点是考虑是边坡岩体的非均质和不连续性，可以给出岩体的应力、应变大小与分布，避免了在极限平衡法中将滑体视为刚体过于简化的确定。但它还不能很好的求解大应变和位移不连续等问题。,3，无单元法,无单元法是有限单元法的一种推广。它保留了有限元的一些特点，但摆脱了单元限制，克服了有限元的不足。无单元法只需节点信息而无需单元信息，处理简单，计算精度高，收敛速度快，提供了场函数的连续可导近似解。它具有广阔的运用前景。,4，遗传进化算法,遗传进化算法是一种新发展起来的全局搜索算法。此法首先随机生成一组模型，将模型的每个参数表示为二进位制数码，然后对种群内各模型根据具体问题所给的目标函数决定其生存概率，来进行优胜劣汰，再把剩下的较优的个体进行交换和变异，最终完成一次最种群的繁殖，反复循环，来模拟生物进化规律。它的特点是在检索了少部分搜索空间后便能迅速的收敛于最有解。该方法模拟了生物遗传进化的过程，克服了传统方法容易陷入局部极小值的缺点，是一种全局优化算法。,5，人工神经网络评价法,人工神经网络是指由大量的简单神经元经广泛互联构成的一种计算结构，是一种广义的并行处理系统。神经网络采用类似于人神经网络的体系结构来构造模拟仿真人的大脑功能，即把对信息的储存和计算推理同时储存在同一个单元里。因此，在某种程度上神经网络被认为可以模仿生物神经系统的工作过程。研究表明，神经网络法研究边坡工程具有独特的优势。利用神经网络可以尽可能多的将各种影响因素作为输入变量，建立这些定性或定量影响因素同边坡安全系数与变形量之间的高度非线性映射模型，然后用模型来评价边坡的安全性。,,此外，还有一些方法，如离散单元（DEM）法、快速拉格朗日（Lagrangian分析法、不连续变形分析（DDA）法、流形元法等等。,二，定性分析法,1,范例推理评价法范例推理（case-basedreasoning,简称CBR）是由斯坎克（Schank在1982年提出的，1983年科勒登（Kolodner开始在计算机上实现。在范例推理中，把当前所面临的新问题称为目标范例（targetcase，而把记忆的问题称为源范例basecase。范例推理就是由目标范例的提示而获得记忆中的源范例，并由源范例来指导目标范例求解的一种策略。基于范例推理中知识表示是以范例为基础，范例的获取比规则获取要容易，从而知识获取。为边坡稳定性评价这样知识获取很不容易的复杂问题提供了一条新途径。,2，专家系统,专家系统是一种按某学科及相关学科专家的水平进行推理和解决问题，并能说明其缘由的计算机程序。边坡稳定分析设计专家系统就是进行边坡工程稳定性分析与设计的智能化计算机程序。它把某一位或多位边坡工程专家的知识、工程经验、理论分析、数值分析、物理模拟、现场监测等行之有效的知识和方法有机地组织起来，建成一个边坡工程知识库，再利用智能化的推理机来模拟并再现人脑的思维过程，吸收其合理的知识结构，寻求优化的技术途径，同时它又能建立计算机模型，结合相关学科不同专家的知识进行推理和决策，对所研究的对象进行稳定性评价。,三、非确定性分析方法,1、模糊综合评价法试验与工程实践表明，边坡性质及稳定性的界限实际上不是很清楚，具有相当的模糊性。模糊综合评价是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，综合考虑被评事物或其属性的相关因素，进而进行等级或类别评价。实践证明，模糊分级评判方法为多变量、多因素影响的边坡稳定性分析提供了一种行之有效的手段。这一方法主要应用于大型边坡的整体稳定性评价。,2、可靠度评价方法,边坡工程可靠性分析是近20年发展起来的评价边坡工程状态的新方法，它把边坡岩体性质，荷载、地下水、破坏模式、计算模型等作为不确定量，借鉴结构工程可靠性理论方法，结合边坡工程的具体情况，用可靠指标或破坏概率来评价边坡安全度。,3、灰色系统评价法,信息不完全，部分信息已知，部分信息未知的系统称为灰色系统。把系统中的一切信息量看作灰色量，采用特有的方法建立描述灰色量的数学模型有3个基本环节①根据系统已知发生的一组时间序列数据，根据变量多少建成不同的预测模型。②估计模型参数，如按最小二乘法确定。③把模型用于预测，并进行评价。利用灰色关联度分析方法，可在不完全的信息中，对所要分析研究的各因素通过一定的数据处理，在随机的因素序列间找出它们的关联性，发现主要矛盾，找到主要他特征和主要影响因素。因此特别适合于象边坡稳定性这种数据有限，没有原形，复杂而且不确定性问题的分析与评价,以下以遗传算法为例,⑴目标函数的定义这里的目标函数为边坡稳定安全系数公式,,式中ri为土的重度，bi、hi为土条的宽度和高度；li为第i土条的滑动面的弧长；ci、Фi为滑动面上土层的粘聚力和内摩擦角；n为分条数；αi为土条i滑动面的法线与竖直线的夹角。计算简图如下图所示,,用安全系数的大小表示可行解的适应性。本问题为寻找最小安全系数，因此F值越小，适应性能越好。⑵初始解种群的确定给定最危险滑弧圆心搜索范围，在此范围内随机、均匀地选择n个圆心Oixi,yi,i1，2，，n。其中n为圆心群体个数；圆心Oi代表第i条染色体；坐标分量xi,yi为染色体Oi的基因。⑶最危险滑弧半径的确定对每个圆心给出滑弧半径搜索范围，在此范围内搜索最危险滑弧半径。具体方法如下,,a随机均匀地选取m个半径Rjj1,2,，m作为父代。b）按概率对父代中的每个半径进行变异操作，即加上一个随机量，产生子代个体，从而形成新的群体Rjj1,2,，m。c）对新群体中的每一个半径Rj按公式计算安全系数Fj,则Fj为Rj所对应的适应值。d）以优胜劣汰的机制，将群体中F值较大的一半淘汰掉，幸存者成为新一代父代。e）重复b-d的操作，直到连续几代求出的最小安全系数不变，即为圆心Oi所对应的适应值FI。,,⑷竞争、选择和复制的操作将Oi所对应的适应值Fi（i1,2,，n）中n/2个F值较大的圆心点淘汰掉，对幸存的n/2个圆心点根据其适应值大小按概率自我复制，形成新的n个圆心点。⑸杂交和变异的操作随机选择n/4对圆心，将每一对圆心坐标的某一个分量进行互换，产生一对新的圆心，从而完成杂交操作。然后再随机选择n/2个圆心，将每个圆心坐标的某个分量通过加上一个随机量来产生新的圆心，从而完成变异操作。,,⑹最危险滑动面确定对子代群体重复3-5步的操作，直到对最小安全系数F1值满意或达到最大进化代数，则计算结束。由F1所对应的圆心O1和半径R1确定的滑动面即为最危险滑动面。根据以上程序，可以编制计算程序。实例某滨海油田海提为例计算分析。海提边坡及地基剖面与各特征点坐标如下图,,各土层计算参数如下,,计算中给出三种不同的圆心搜索范围，用遗传进化算法计算结果如下,,结论遗传进化算法模拟了生物遗传进化过程，克服了传统方法容易陷入局部极小值的缺点，是一种全局优化算法。,参考文献,1、杨学堂、王飞，边坡稳定性评价方法及发展趋势，岩土工程技术，2004，18（2）1031062、I.B.DONALD，边坡稳定性的有限元评价，西北水资源与水工程，1996，7（3）89953、孙涛、顾波，边坡稳定性分析方法评述，岩土工程界，5（11）48504、陈新民，罗国煜。基于经验的边坡稳定性灰色系统分析与评价。岩土工程学报，1999，21（5）6386415、肖专文、张奇志，遗传进化算法在边坡稳定性分析中的应用，岩土工程学报，1998，18（1）4346,