相遇蚁群算法在边坡非圆弧临界滑动面搜索中的应用研究

边坡非圆弧临界滑动面搜索是边坡稳定计算中的一个关键问题,其实质为安全系数最小的滑动路径搜索问题,采用效果良好的路径搜索算法--蚁群算法是目前研究的热点。为了克服传统蚁群算法效率低、效果差的缺点,基于蚂蚁正反向搜索相遇形成完整路径的原理,提出了一种相遇蚁群算法。将该算法用于边坡非圆弧滑动面搜索问题,提出了一种非圆弧临界滑动面搜索的新方法。通过2个边坡的算例计算及一个水库岸坡的工程应用,验证了新算法的有效性。计算结果表明,相遇蚁群算法无论是整个搜索范围还是从某一点起的搜索范围都要比一般蚁群算法大,所以相遇蚁群算法在搜索边坡临界滑动面时所得到解的多样性也要比一般蚁群算法好,因此,相遇蚁群算法的搜索范围能以较大的概率包含全局最优解,算法最终也能以较大概率搜索到全局最优解。最终,相遇蚁群算法可以在更大的范围内以更快的速度找到边坡的临界滑动面。     

基坑土钉支护可靠性分析优化算法

针对基坑工程中岩土参数存在随机性和变异性的特点,基于响应面重构法、遗传算法和禁忌搜索方法研究了土钉墙边坡可靠性分析方法。考虑土钉的加固作用,建立了适用于土钉墙边坡任意形状滑面安全系数计算的改进Morgenstern-Price法。基于响应面原理,将改进Morgenstern-Price法取代传统响应面法中的有限单元法来随机抽样构造响应面函数,建立了一种近似的土钉墙边坡可靠度计算方法。以土体的抗剪强度指标 、 为随机变量,提出了一种能同时确定土钉墙边坡最小可靠度指标 及相应最危险滑面的全局优化计算方法--土钉墙可靠性分析自适应禁忌搜索遗传算法（ATSGA）。结合算例,分别以土钉墙边坡的最小可靠度指标和最小中值安全系数为目标函数,采用ATSGA法搜索其相应的最危险滑动面,结果表明,二者相差较大。     

路堤边坡稳定可靠度计算中的模型不确定性分析

基于均质路堤边坡Monte Carlo法的稳定可靠度计算,分析了临界滑面搜索策略和稳定分析方法两类模型不确定性对边坡可靠度的影响特性,讨论了边坡失效概率随土工参数变异性的变化规律。研究表明,选用不同的临界滑面搜索策略所得可靠度结果差异不大,参数滑面法（overall slope）的失效概率略大于均值滑面法（global minimum）,但差别对边坡稳定性分析没有实质性影响;土性参数变异水平是影响边坡可靠度的最重要因素,边坡在相同设计参数安全系数下的可靠度指标随参数变异性增大而急剧降低;不同稳定性分析方法对应的安全系数概率密度函数曲线形态基本一致,但失效概率差异明显,因此目标可靠度指标取值应与稳定性分析方法相适应。提出的考虑土工参数变异水平的安全系数取值修正原则,对改进确定性设计的边坡稳定分析技术有积极意义。     

基于主动学习径向基函数的边坡系统可靠度分析

相较于极限平衡法,强度折减法在计算边坡稳定性系数上有许多优势,但更大的计算量在一定程度上限制了其在边坡可靠度分析中的应用。为了有效地减少可靠度分析中数值模型的计算次数,以减轻使用强度折减法所带来的计算压力,引入了基于主动学习径向基函数（ARBF）代理模型的高效分析方法：利用主动学习函数在极限状态面附近搜索训练样本更新代理模型,加快模型训练的收敛速度;采用线性核径向基插值函数简化模型参数优化过程,建立简洁、稳定的代理模型。此外,为了充分发挥主动学习代理模型的优势,提出针对土质边坡特性的初始采样策略。当得到稳定的代理模型后,结合蒙特卡罗模拟计算边坡的系统失稳概率。作为对比,基于两个典型边坡算例,测试了两种经典的可靠度方法：主动学习克里金模型（AK）和二次响应面法（QRSM）,论证了引入的主动学习径向基函数代理模型在计算效率上的高效性和计算模型上的稳定性。     

基于遗传算法的边坡稳定性分析

边坡稳定性分析的关键是如何确定最危险滑动面。遗传算法是一种全局优化分析方法,克服了一般优化方法容易陷入局部最优解的缺点。由于工程实际中边坡几何形状的不规则和材料的非均匀性,真正的临界滑动面形状并不是都能用圆弧来准确描述的,研究任意型滑面情况下的稳定性很有必要。为更加合理地进行边坡的稳定性分析,利用遗传算法来搜索模拟边坡的最危险滑动面,在工程实例中进行具体应用,得到了非圆弧型滑动面,与其他软件计算结果对比,表明本文算法精度更高,适应性更广。     

双重变异遗传算法及其在临界滑动面搜索中的应用

针对传统的优化算法难以在具有变量多、约束条件复杂、局部极值点多的边坡临界滑动面搜索中取得较好效果的问题,提出双重变异遗传算法（DMGA）。一方面,该算法通过探测变异操作提升算法的局部寻优能力,通过直接变异操作提升算法的全局寻优能力,两者的结合使算法能够在搜索的广度与深度上达到较好的平衡;另一方面,算法采用考虑个体适应度值与进化代数的自适应交叉概率及自适应变异概率,使算法在进化的早期能够增加种群的多样性,在进化的后期能够保护较优的个体不受破坏。将该算法与简化Bishop法相结合,对澳大利亚计算机应用协会（ACADS）提供的考核题及一个海堤边坡工程实例进行分析,计算结果表明:（1）对于均质边坡和非均质边坡,该方法均能准确搜索到边坡的临界滑动面及相应的安全系数;（2）与仅进行直接变异或探测变异的遗传算法相比,双重变异遗传算法具有更强的全局搜索能力及更好的鲁棒性,具有广阔的应用前景。     

框架预应力锚杆边坡支护结构稳定性分析

以极限平衡理论及框架预应力锚杆边坡支护结构的滑动面破坏模式为基础,采用毕肖普法,并考虑竖向条间剪力对滑移面抗剪强度的影响,建立了边坡最危险滑移面的搜索模型,并推导了稳定系数的求解公式。运用遗传算法对支护结构最危险滑移面进行动态搜索和确定,计算其稳定性系数。该方法避免了在优化设计中陷入局部最小值的缺点,更具有有效性和准确性。     

退火遗传算法在边坡稳定性分析中的应用

在边坡稳定分析中,折线滑面的搜索是一个非常重要的环节.将模拟退火算法与遗传算法相结合,既发挥了遗传算法强大的全局搜索能力,同时利用模拟退火算法加强了遗传算法的局部求精能力.通过引入退火遗传算法很好地解决了滑坡临界折线滑动面搜索问题,为边坡的滑动面搜索提供一个新的解决方法,克服了常规方法的种种弊端.     

基于随机响应面法的边坡系统可靠度分析

提出了一套基于随机响应面法的边坡系统可靠度分析方法。该方法首先从大量潜在滑动面中筛选出代表性滑动面。针对每条代表性滑动面,采用Hermite多项式展开建立其安全系数与土体参数间的非线性显式函数关系（即随机响应面）。然后,采用直接蒙特卡洛模拟计算边坡系统失效概率。在蒙特卡罗模拟中,采用所有代表性滑动面的随机响应面计算每一组样本所对应的边坡最小安全系数。最后,以两个典型多层边坡系统可靠度问题为例验证了该方法的有效性。结果表明：文中提出的边坡系统可靠度分析方法能够有效地识别边坡代表性滑动面,具有较高的计算精度和效率,并且确定代表性滑动面时无需计算滑动面间的相关系数。同时该方法可以有效地计算低失效概率水平的边坡系统可靠度,为含相关非正态参数的边坡系统可靠度问题提供了一条有效的分析途径。此外,多层边坡可能同时存在多条潜在滑动面,基于单一滑动面（如临界确定性滑动面）或者部分代表性滑动面进行边坡系统可靠度分析均会低估边坡失效概率。     

框架预应力锚杆边坡支护结构的稳定性分析方法及其 应用

以边坡极限平衡理论及框架预应力锚杆边坡支护结构的圆弧滑动破坏模式为基础,在考虑框架、锚杆对土体边坡稳定性影响的情况下,基于圆弧滑动条分法的思想利用积分法建立了内部稳定性安全系数计算模型和最危险滑移面搜索模型。确定滑移面圆心坐标为几何控制参数,推导了安全系数计算模型中各变量与滑移面圆心坐标之间的函数关系式,从而获得了滑移面几何控制参数与内部稳定性安全系数之间的函数关系。利用网格法对框架预应力锚杆支护结构最危险滑移面的圆心坐标进行动态搜索和求解。最后采用Matlab语言编制了框架预应力锚杆边坡支护结构的稳定性分析程序,并结合工程实例进行了验算,讨论了此种方法的适用条件,结果表明该方法简明适用,较传统的经验分析方法更加合理。     

PSO-based stability analysis of unreinforced and reinforced soil slopes using non-circular slip surface

Slope stability analysis is one of the most intricate problems of geotechnical engineering because it is mathematically difficult to search the critical slip surface of earth slopes with complex strata owing to the involved multimodal function optimization problem. At present, a minimum factor of safety for a non-circular slip surface in a uniform and unreinforced earth slope can be calculated using several methods; however, for a reinforced soil slope, it cannot be easily calculated because of the additional effect of the reinforcement. One efficient method to search the critical slip surface is particle swarm optimization (PSO). PSO can solve complex non-differentiable problems, and its increasing ease of use has facilitated its application to multimodal function optimization problems in a variety of fields. However, the recommended PSO parameters to calculate the safety factors of unreinforced and reinforced soil slopes, namely the inertia and local and global best solution weighting coefficients, have not been sufficiently investigated. Moreover, the computational efficiency of PSO for safety factor calculation, including computational accuracy and time, has not been clarified. To calculate the unreinforced and reinforced soil slope safety factors, this study considers force and moment equilibriums, including the tensile force of the reinforcement. Firstly, the computational efficiency of the calculation process by PSO was shown to increase the maximum number of slip surface nodes in the calculation of the safety factor. Then, an analysis was carried out to investigate the safety factor sensitivity to the PSO parameters. Based on this analysis, appropriate PSO parameters for the safety factor calculation of unreinforced and reinforced soil slopes were proposed.

     

基于整体稳定性分析法的边坡临界滑动面搜索

临界滑动面搜索是边坡稳定分析中很重要的内容,针对现有方法的不足,提出了一种新的搜索方法。基于边坡稳定性的整体分析法,建立了确定临界滑面的非线性优化模型。该模型将滑面离散点的纵坐标和安全系数都视为独立变量,目标函数取为安全系数本身,约束条件是平衡方程组和滑面凸性。由于目标函数是线性函数,约束条件至多是二次多项式,非线性程度较低,可采用经典优化算法和常见的非线性优化工具求解,比如Matlab。通过实例分析并与传统的滑面搜索方法进行对比表明,所建议的方法在数值稳定性及收敛性方面均具有优势。     

An improved search strategy for the critical slip surface using finite element stress fields

The finite element method can be used to advantage in slope stability problems. This paper proposes a technique to search for the critical slip surface as well as to define and calculate the factor of safety for the slope, when the finite element method is used to model its formation. First, stresses are estimated at each Gaussian point from the finite element analysis. Then, the global stress smoothing method is applied to get a continuous stress field. Based on this stress field, the factor of safety is calculated for a specified slip surface by a stress integration scheme. An improved search strategy is proposed for a noncircular critical surface which starts with a search method for a circular critical surface. During the search process, points defining a trial slip surface can freely move in the finite element mesh subject to some kinematical constraints. This method can be applied to both the limit equilibrium method and the finite element method. Effects of the slope stress history and soil parameters on the resulting critical surface are investigated.     

土坡体系可靠度分析方法及在高土石坝工程中的应用

针对土坡稳定体系可靠度分析问题,提出了一种分析方法框架,包括采用缩减方差抽样技术生成随机变量样本值、采用全局优化算法搜索边坡最小安全系数、采用Monte-Carlo法计算边坡体系可靠度3个主要部分。在此框架下,建立了一种较为简便实用的高土石坝坝坡稳定体系可靠度分析方法。该方法采用拉丁超立方抽样技术生成随机变量的样本值,再用商业软件STAB搜索相应的坝坡最小安全系数,最后用可靠指标法或Monte-Carlo法计算坝坡体系可靠度。工程算例表明,筑坝材料强度参数的随机不确定性对坝坡临界滑弧的位置影响较大,坝坡稳定体系可靠度小于单一滑动面的坝坡稳定最小可靠度,提出的方法可用于实际工程坝坡稳定体系可靠度分析。     

边坡可靠度分析的一种新的优化求解方法

介绍了Low & Tang提出的一种新的可靠度优化求解方法,并将之用于边坡可靠度分析中：该方法适用于任何概率分布的相关变量,不必计算当量正态均值和方差、相关变量独立变换,直接在变量的原始空间内搜索边坡的最小可靠指标和概率临界滑面,可采用任何合适的约束优化方法进行求解,方法清晰简洁。边坡可靠度分析常用的滑面有2个：最小安全系数（变量均值处）对应的确定性临界滑面和最小可靠指标对应的概率临界滑面,但这2个滑面在有些情况下差别较大,Hassan & Wolff提出了一种简化方法可以方便地获得概率临界滑面,但由于方法简单,受到质疑。通过一系列算例分析,优化求解方法得到的概率临界滑面和Hassan & Wolff的简化方法滑面非常接近,显示了简化方法的有效性,值得在工程实践中推广。     

Two Methods for Predicting Reliability Index and Critical Probabilistic Slip Surface of Soil Slopes

Two methods of reliability analysis of soil slopes are studied, and the representative flow charts of both methods are illustrated. Method 1 can predict the reliability index and the critical probabilistic slip surface directly and it is computational efficient, but it needs the development of new codes for integrating the reliability analysis code and the slope stability code. Method 2 makes the reliability analysis code call the slope stability analysis code directly, and each code can be considered as an intact part. The main result of Method 2 is the reliability index of soil slope. Combined with the proposed method for locating the critical slip surface, Method 2 can also predict the probabilistic slip surface. Although Method 2 needs much more callings of the subprogram of slope stability analysis code, it needs not the developing of new computer program. Thus, Method 2 is easy to use and can be applied to different reliability analysis methods and slope stability analysis methods.     

禁忌搜索在边坡稳定分析中的应用

在禁忌搜索和极限平衡分析的基础上,提出了全局确定边坡最小安全系数的禁忌搜索方法,并建立了响应的模型;该方法是一种启发式的全局搜索方法,可以搜索出全局最小安全系数,同时还能确定出与之对应的最危险滑动面。将该方法应用于不同几何形状和土层信息的边坡稳定分析中,结果表明,提出的方法能够避免局部最小解,并能搜索到全局最小安全系数。     

Global method for stability analysis of anchored slopes

Based on the global method, an approach is proposed to consider the effect of anchor reinforcement on slope stability, where equilibrium conditions are formulated in terms of the whole slip body. Anchor pre-tension is assumed to be undertaken by the whole slip body instead of individual slices, causing internal force within slope more realistic. Meanwhile, the optimization model for locating the critical slip surface is of weak nonlinearity and easy to solve using the conventional optimization procedures. The effects of anchoring orientation and position are thoroughly investigated, and interesting results are obtained.     

禁忌搜索在确定土坡危险滑动面中的应用

在土坡稳定的计算过程中常采用经典的极限平衡法。对每一条可能的圆弧滑动面通过条分法计算其安全系数,最小的安全系数就代表了土坡的实际安全系数。在此过程中,滑动面的圆心坐标和半径可以视为安全系数的函数,滑动面的圆心坐标和半径是自变量,安全系数就是函数值。这样,土坡安全系数的计算过程实际上是对安全系数这个函数求极值的过程。通过将土坡的安全系数视为圆心坐标和滑弧半径的函数,应用连续变量的禁忌搜索技术计算土坡稳定安全系数,提高土坡稳定计算的可靠性。     

基于认知聚类分区方法的边坡可靠度分析

提出了边坡可靠度分析的一种新的全局优化方法--认知聚类分区方法。该方法主要包括5个步骤：分区、随机抽样、计算极径L、回代、计算可靠指标及验算点。给出了相应的计算流程图,并编写了基于C语言的计算程序KCPREL。最后,以岩质边坡稳定可靠度问题为例证明了所提方法的有效性。结果表明,认知聚类分区方法能同时计算出可靠指标和验算点,并能获得全局最优解。该方法的计算精度和蒙特卡洛模拟方法相当,计算效率远远高于传统的蒙特卡洛模拟方法。此外,该方法在分析含有复杂的隐式及非线性功能函数的边坡稳定可靠度问题方面体现出明显的优越性。等步长认知聚类分区方法能全面且均匀地搜索角度,从而得到更准确的验算点。为了保证足够的计算精度及减小计算量,建议步长取10º以内。