杂交粒子群响应面边坡稳定可靠性算法

系统地总结了多种响应面法（rsm）在不同类型边坡可靠度问题中的应用情况，通过文献分析总结出4类典型土坡可靠度问题：问题ⅰ，单层土坡不考虑参数空间变异性；问题ⅱ，单层土坡考虑参数空间变异性；问题ⅲ，多层土坡不考虑参数空间变异性；问题ⅳ，多层土坡考虑参数空间变异性．重点研究了基于多项式的4种响应面法（sqrsm、mqrsm、ssrsm和msrsm）在解决4类土坡可靠度问题（问题ⅰ～ⅳ）中的有效性．分别从计算精度和计算效率两个方面系统地比较了4种响应面法在黏性土坡和c-φ声土坡可靠度问题中的适用性．结果表明：对于不考虑土性参数空间变异性的单层土坡可靠度问题（问题ⅰ），推荐sqrsm；当单层土坡考虑土性参数空间变异性时（问题ⅱ），推荐msrsm；对于不考虑空间变异性的多层土坡可靠度问题（问题ⅲ），推荐mqrsm；对于考虑参数空间变异性的多层土坡可靠度问题（问题ⅳ），推荐采用msrsm方法．

系统地总结了多种响应面法(rsm)在不同类型边坡可靠度问题中的应用情况,通过文献分析总结出4类典型土坡可靠度问题:问题ⅰ,单层土坡不考虑参数空间变异性;问题ⅱ,单层土坡考虑参数空间变异性;问题ⅲ,多层土坡不考虑参数空间变异性;问题ⅳ,多层土坡考虑参数空间变异性.重点研究了基于多项式的4种响应面法(sqrsm、mqrsm、ssrsm和msrsm)在解决4类土坡可靠度问题(问题ⅰ~ⅳ)中的有效性.分别从计算精度和计算效率两个方面系统地比较了4种响应面法在黏性土坡和c-土坡可靠度问题中的适用性.结果表明:对于不考虑土性参数空间变异性的单层土坡可靠度问题(问题ⅰ),推荐sqrsm;当单层土坡考虑土性参数空间变异性时(问题ⅱ),推荐msrsm;对于不考虑空间变异性的多层土坡可靠度问题(问题ⅲ),推荐mqrsm;对于考虑参数空间变异性的多层土坡可靠度问题(问题ⅳ),推荐采用msrsm方法.

从塑性极限分析出发,基于上限分析构建边坡极限状态可靠度计算模型；针对状态函数高度非线性导致常规可靠度方法求解时存在困难的问题,将响应面模型作为极限状态函数与可靠度计算间\"桥梁\

在目前的结构可靠度分析法中,响应面法被认为式一种相对精确法。详细介绍了采用响应面方法结合数值试验对其进行拟合,求系统的可靠度,并应用于某地下岩体空间围岩稳定的可靠性分析。

提出基于随机响应面法的风化岩质边坡稳定可靠度分析方法。该方法运用geostudio软件建立边坡稳定性有限元分析模型,选取具有代表性的滑动面,构造边坡滑动面安全系数与独立标准正态随机向量间的显式功能函数,然后利用mcs求解得到功能函数的失效概率。最后采用mcs、kriging和三阶srsm三种方法对边坡稳定可靠度进行对比分析,结果表明:三种分析方法中三阶srsm的计算效率优于mcs和kriging,计算精度也要高于kriging。通过边坡可靠度分析岩土体力学参数对边坡可靠度指标的影响变化规律,得出结论:随着岩土层的加深,随机变量参数对边坡可靠度的影响逐渐加大。

基于福建省独特的地理气候特点,依据饱和-非饱和土渗流理论和流固耦合理论,采用有限元数值仿真方法研究持续性强降雨和台风降雨条件下残积土层滑坡灾害的形成机理,分析非恒定渗流对边坡力学特性的影响,结合刚体极限平衡理论和可靠度分析理论,采用蒙特卡罗法,选取失效概率作为危险性评价标准,进行边坡稳定性分析。结果表明:降雨总量相同条件下,台风降雨入渗深度浅,饱和程度高,破坏时间早且多为浅层滑坡；持续性强降雨则相反。

采用改进均值滤波法对多响应面法进行改进,构建了基于空间滤波的多响应面法消除多响应面子区域交接处的突兀点,提高可靠度计算精度和计算效率。用matlab语言编程实现改进后的空间滤波多响应面法应用于永吉县西阳河高陡边坡可靠度计算。结果表明,采用改进均值滤波法对多响应面法计算精度明显提高,适用于大型复杂边坡工程的可靠度计算。

岩质边坡中存在多种变异性,需要进行岩质边坡的可靠度分析。将数值分析法与可靠度分析的响应面法相结合,进行了岩质边坡稳定的可靠度分析。利用径向基函数网络(rbfn)的全局适应能力强的特点,在响应面法中,以径向基函数网络为响应面函数,将隐式的功能函数显式化。通过对每个响应面新增一个样本点的方法进行样本点的生成及响应面的迭代,计算表明:基于径向基函数网络的响应面法具有较高的计算精度及效率,可以适用于基本变量数较多的可靠度分析问题;本文的边坡算例中,第2层岩体的强度参数对边坡的可靠指标影响最大,而其他参数对可靠指标的影响则相对较小。

基于人工神经网络与响应面法相结合的组合方法,以边坡安全系数为研究对象,黏聚力、内摩擦角和容重作为自变量,采用janbu法计算边坡实际安全系数,以安全系数等于1为临界值,最终得到了边坡稳定的功能函数。对蒙华铁路良山边坡岩土体可靠度进行分析,并采用蒙特卡罗法进行了验证。结果表明：良山边坡的岩土体可靠度指标计算结果与蒙特卡罗法所获取的结果吻合,验证了所提出方法的可行性;与蒙特卡罗法相比,所提出方法计算时间大大缩短,为边坡稳定性研究提供了新的思路。

对功能函数不能明确表达的可靠度分析问题,常采用响应面法。本文提出把响应面区分为局部响应面和全局响应面。常用的二次多项式响应面及常规的神经网络响应面均属于局部响应面,其仅在验算点附近(±σ)处与真实极限状态曲面符合较好。本文提出的全局神经网络及模糊神经网络响应面、改进全局神经网络及模糊神经网络响应面则属于全局响应面,其在全局范围均与真实极限状态曲面符合良好,故其对全局有较好预测效果。文中对以上各种响应面法计算效果及其对全局预测效果通过算例进行了对比分析,其中改进全局神经网络及模糊神经网络响应面法计算精度较好,进行有限元分析次数最少,该方法用于大型复杂结构的可靠度分析,可相应提高工作效率和解题质量。

岩质边坡稳定性受到多种随机性因素和不确定性因素综合作用的影响,是影响边坡工程安全的重要课题。随着科学的发展和学者们对于岩质边坡稳定性认识的不断进步,其发展逐渐由定性向定量方向发展,表现传统研究方法逐步完善,新理论新方法不断出现并得到应用。边坡可靠性评价作为一门新学科,其研究方法手段正处于迅猛发展阶段。本文对这些方法的发展做了简要的总结,并提出了新的发展方向,为研究者提供参考。

为了评估因素敏感性对边坡稳定可靠度的影响,针对岩石边坡中最为常见的平面剪切型边坡,在定值法计算边坡稳定安全系数的基础上,用单因素分析法、极差分析法和方差分析法对边坡几何、计算物理力学参数的敏感性进行了对比分析,然后采用rosenblueth法对不同随机变量的组合进行了边坡稳定可靠度分析。研究结果表明:单因素分析、极差分析和方差分析得到了一致的参数敏感度排序,方差分析结果离散程度最大、分析效果最优;在假定参数变异性相同条件下,当随机变量取敏感性较大的因素时,可靠度分析的破坏概率也较大;对于敏感性较大的因素,不管是强度参数或者几何参数,若存在一定的变异性,在可靠度分析中都不应忽视,否则将对结果产生重大影响;在边坡可靠度分析前先确定各个稳定影响因素的敏感性排序,再根据实际参数的变异性选取随机变量,分析结果往往更加合理。

用常规可靠度分析方法进行边坡稳定的可靠度分析时,可靠度分析的主程序与用geo-slope软件求解安全系数的过程需交互进行,过程繁琐。为加快运行速度,本文采用了基于rbf神经网络的蒙特卡罗模拟法(rbf-mcsm),此法在进行可靠度分析时,需在运行可靠度分析程序之前先用geo-slope软件来准备好所有样本。本文首先应用geo-slope软件中的slope/w模块对皮园边坡四组剖面支护前后的安全系数进行求解,接下来采用基于径向基函数神经网络的蒙特卡罗模拟法(rbf-mcsm)拟合出功能函数,进而求解边坡的失效概率及可靠指标,并与常规的可靠度分析方法(中心点法、验算点法和响应面法)进行比较,由于rbf-mcsm法的计算结果与常规法中精度较高的验算点法和响应面法结果非常接近,说明rbf-mcsm法十分准确。

土石坝是目前应用最广泛的坝体,其建造成本低,就地取材,省去了建筑钢料的运输过程,过程简单,筑成后结合实际需求增高或加宽也方便操作。但这种传统坝体的稳固性却存在着很多问题。针对土石坝边坡稳定可靠的深入研究设计,可推动我国水利事业的发展,应用好这些技术,不但节省财务支出,还能缩短工期,使投入使用中坝体更安全耐冲击。

大多数滑坡都发生在降雨期间或降雨之后.基于有限元方法与传统的极限平衡法相结合的滑面应力法进行二维边坡稳定性分析,研究了降雨强度、持时和雨型对边坡稳定性的影响.并以可靠性理论为基础,研究了土体抗剪强度不确定性对降雨条件下边坡稳定性的影响.分析结果与重庆地区的降雨滑坡的案例统计分析规律一致.

大多数滑坡都发生在降雨期间或降雨之后.基于有限元方法与传统的极限平衡法相结合的滑面应力法进行二维边坡稳定性分析,研究了降雨强度、持时和雨型对边坡稳定性的影响.并以可靠性理论为基础,研究了土体抗剪强度不确定性对降雨条件下边坡稳定性的影响.分析结果与重庆地区的降雨滑坡的案例统计分析规律一致.

基于可靠度指标的几何含义,分析了粒子群算法的原理、模型和算法实现过程。通过算例用matlab语言编程进行计算,并与一次二阶矩法和蒙特卡罗法得出的结果进行了比较,证明了粒子群算法在化工设备可靠性分析中的有效性和可行性。

对于实际工程,往往不能明确功能函数。本文通过响应面法来模拟实际工程的功能函数。再结合form法,可直接应用现用的结构分析软件,对结构进行可靠度分析。

把边坡稳定性分析的剩余推力法与可靠度分析的jc法相结合,建立了基于剩余推力法的边坡稳定性可靠度分析模型,研制了相应计算程序,并对某黄土高边坡稳定性可靠度进行了实例分析。结果表明:该模型避免了每次迭代时要进行r-f变换,从而提高了计算效率;该模型及相应程序实现方法对基于其他稳定性分析法的边坡可靠度分析也具有一定的参考价值。

为了提高响应面法的计算效率和精度,对现有的全局响应面法进行了改进。采用径向基函数(rbf)神经网络,代替目前常用的bp网络,迭代过程中在超锥体的范围内构造响应面,逼近隐式的非线性功能函数。数值算例分析表明,与通常的响应面法相比,改进全局响应面法的迭代次数和有限元分析次数均大幅减少,节省机时,有利于提高计算精度。同时,以浅基础和挡土墙为工程背景进行可靠度分析,表明该方法能以较快的收敛速度和较少的有限元分析次数,获得较高精度的可靠度指标,适用于岩土工程的可靠度分析。

响应面法可以应用于大型复杂结构隐式极限状态方程的可靠性分析,然而至今可靠度响应面法的计算精度仍是未完全得以解决的问题。本文分析了响应面法计算结构可靠度的实质,指出了已有可靠度响应面法研究中存在的认识误区,并揭示了可靠度响应面法计算误差的真正原因。在此基础上,提出了改进响应面法用以解决传统响应面法收敛失败和计算误差大的问题,算例结果证实了所提方法的有效性与精度。最后,指出了可靠度响应面法的进一步研究方向。

介绍了响应面法的基本思想,并分析了用单面响应面法计算结构可靠度中存在的精度问题,提出了改进的单面响应面法;同时通过算例与其他方法进行了对比分析,结果表明,改进的单面响应面法不仅不会增加计算的数学难度,又能提高计算的精度。