تحلیل پایداری شیروانی های خاکی و بهینه یابی سطح لغزش شیروانی ها با استفاده از الگوریتم بهینه یابی93

دانشگاه آزاد اسلامی
واحد بین الملل جلفا
گروه عمران
پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد
رشته مهندسی عمران گرایش مکانیک خاک و پی
عنوان :
تحلیل پایداری شیروانی های خاکی و بهینه یابی سطح لغزش شیروانی ها با استفاده از الگوریتم بهینه یابی
استاد راهنما :
جناب آقای دکتر میکائیل یوسف زاده
نگارش :
احمد محمّدی
پاییز 1393
01352110
چکیده مطالب
يکي از مهمترين و در عين حال مشکلترين مباحث مکانيک خاک مسئله پايداري شيروانيها است. تحلیل پایداری شیروانی های خاکی به منظور تعیین محتمل ترین فرآیند گسیختگی یا به عبارتی دیگر یافتن کمترین ضریب اطمینان، یکی از مسائل مهم مهندسی ژئوتکنیک است. از بین روش های ذکر شده روشهای بهینه سازی الهام گرفته از طبیعت بیشترین استفاده را برای تعیین بحرانی ترین سطح لغزش داشته است. در میان روشهای گوناگون بهینه یابی، روشی که بتواند سطح لغزش بحرانی را در زمان کوتاهتر و با حجم آنالیز کمتر پیدا نماید نسبت به روش های دیگر از برتری بیشتری برخوردار می باشد. یکی از روش های بهینه یابی نوین، روش جامعه پرندگان است. در این پایان نامه جهت تحلیل شیروانی های خاکی از روش بیشاپ اصلاح شده و تلفیق آن با الگوریتم جامعه پرندگان که یکی از روش های بهینه یابی غیر کلاسیک و مدرن میباشد برای یافتن سطح لغزش بحرانی شیروانی های خاکی استفاده شده است. در این پایان نامه روشی سریع جهت بهینه سازی سطح لغزش شیروانی های خاکی با کمک الگوریتم جامعه پرندگان و روش بیشاپ اصلاح شده ارائه می گردد.
واژه های کلیدی: پایداری شیروانی، بهینه یابی، سطح لغزش، بیشاپ، ضریب اطمینان
تقدیم به پدر و مادر عزیز و مهربانم
و به تمام آزاد مردانی که
نیک می اندیشند
و عقل و منطق را پیشه خود نموده
و جز رضای الهی و پیشرفت و سعادت جامعه،
هدفی ندارند.
شکر و سپاس خدا را
که بزرگترین امید و یاور در لحظه لحظه زندگیست
با تشکر و سپاس
از استاد دانشمند و پر مایه ام جناب آقای دکتر یوسف زاده که از محضر پر فیض تدریسشان ، بهره ها برده ام
و
و با تشکر خالصانه خدمت همه کسانی که به نوعی مرا در به انجام رساندن
این مهم یاری نموده اند.
فهرست مطالب
TOC o “1-3” h z u فصل اول PAGEREF _Toc405414204 h 11-1- مقدمه PAGEREF _Toc405414205 h 21-2- اهداف پایان نامه PAGEREF _Toc405414206 h 41-3- فصل بندی پایان نامه PAGEREF _Toc405414207 h 5فصل دوم PAGEREF _Toc405414208 h 72-1- مقدمه PAGEREF _Toc405414209 h 82-2- تعريف شيرواني خاکي PAGEREF _Toc405414210 h 82-3- تحليل شيرواني محدود PAGEREF _Toc405414211 h 102-4- تحليل شيرواني محدود با سطح لغزش دايره اي PAGEREF _Toc405414212 h 112-4-1- روش توده براي تحليل پايداري شيرواني با سطح لغزش دايرهاي PAGEREF _Toc405414213 h 112-4-2- تحليل پايداري شيرواني با روش قطعه PAGEREF _Toc405414214 h 172-4-3- روش بيشاب اصلاح شده PAGEREF _Toc405414215 h 202-4-4- روش اصلاح شده بيشاب براي خاک هاي اشباع PAGEREF _Toc405414216 h 23فصل سوم PAGEREF _Toc405414217 h 263-1- مقدمه PAGEREF _Toc405414218 h 273-2- تاريخچه بهينه‌سازي PAGEREF _Toc405414219 h 293-3- كاربردهاي بهينه‌سازي در مهندسي PAGEREF _Toc405414220 h 303-4- دسته‌بندي مسائل مهندسي PAGEREF _Toc405414221 h 313-4-1- دسته‌بندي بر مبناي وجود قيدها PAGEREF _Toc405414222 h 313-5- روشهاي بهينه سازي الهام گرفته از طبيعت PAGEREF _Toc405414223 h 433-5-1- مختصري بر الگوريتم ژنتيكي PAGEREF _Toc405414224 h 443-5-2- مختصري بر الگوريتم جامعه پرندگان PAGEREF _Toc405414225 h 473-6- نگاهي به روشهاي مختلف استفاده شده براي بهينه يابي سطح لغزش شيروانيهاي خاکي PAGEREF _Toc405414226 h 493-6-1- اصول روشهاي بهينه سازي در يافتن سطح لغزش بحراني PAGEREF _Toc405414227 h 493-6-2- روش ارائه شده توسط سلستيون و دونسن PAGEREF _Toc405414228 h 493-6-3- متد ارائه شده توسط آريا و تاگيو در استفاده از روش ˝ گراديان مزدوج˝ PAGEREF _Toc405414229 h 513-6-4- روش ارائه شده توسط ناگيو در استفاده از روش سيمپلكس PAGEREF _Toc405414230 h 513-6-5- متد ارائه شده توسط چن و شائودر استفاده از روش متريك متغير PAGEREF _Toc405414231 h 523-7- مزاياي کاربرد روشهاي بهينه سازي در تحليل شيرواني ها PAGEREF _Toc405414232 h 54فصل چهارم PAGEREF _Toc405414233 h 554-1- مقدمه PAGEREF _Toc405414234 h 564-2-تاريخچه الگوريتم جامعه پرندگان PAGEREF _Toc405414235 h 574-3- مطالعه رفتار پرندگان و ايده اوليه PSO PAGEREF _Toc405414236 h 584-3- الگوريتم PSO PAGEREF _Toc405414237 h 584-4- مزيتهاي PSO در قياس با ساير الگوريتمهاي جستجو PAGEREF _Toc405414238 h 634-5- كاربردهاي PSO PAGEREF _Toc405414239 h 644-6- آشنايي با برنامه PSOSLOPE PAGEREF _Toc405414240 h 654-7- مراحل اجراي برنامه PSOSLOPE PAGEREF _Toc405414241 h 67فصل پنجم PAGEREF _Toc405414242 h 715-1- مقدمه PAGEREF _Toc405414243 h 725-2- تعيين پارامترهاي تاثير گذار در سرعت همگرائي الگوريتم PSO PAGEREF _Toc405414244 h 735-3- حل چند مثال عملي و تعيين ضريب اطمينان حداقل سطح لغزش و مقايسه نتايج حاصل با نتايج تحقيق محققان ديگر PAGEREF _Toc405414245 h 775-4- قابليتها و مزاياي الگوريتم جامعه پرندگان و تلفيق آن با روش بيشاپ در جستجوي سطح لغزش بحراني شيروانيهاي خاکي PAGEREF _Toc405414246 h 90نتيجه گيري PAGEREF _Toc405414247 h 91پيشنهادات PAGEREF _Toc405414248 h 92منابع و ماخذ PAGEREF _Toc405414249 h 93

فهرست جدول ها
TOC h z t “JADVAL,1” جدول(2-1)موقعيت مرکز دايره پاي شيرواني بحراني PAGEREF _Toc405378402 h 17جدول (5-1) مقايسه نتايج تحليل مثال 1 در تحقيق حاضر با ديگر محققان PAGEREF _Toc405378403 h 80جدول(5-2)نتايج تحليل شيرواني مثال 3 با ديگر محققان PAGEREF _Toc405378404 h 83جدول(5-3)مشخصات مصالح شيرواني مثال5 PAGEREF _Toc405378405 h 85جدول(5-4)نتايج بهينه يابي الگوريتم PSO و نتايج ديگر محققان براي مثال 5 PAGEREF _Toc405378406 h 86جدول(5-5)مشخصات مکانيکي مصالح شيرواني خلکي مثال 6 PAGEREF _Toc405378407 h 87جدول(5-6) نتايج تحليل مثال 6 به همراه نتايج ديگر محققان PAGEREF _Toc405378408 h 89
فهرست شکل ها
TOC h z t “shekl,1” شکل(2-1)تحليل پايداري شيرواني در خاک همگن با >0φ PAGEREF _Toc405377242 h 12شکل(2-2)نمودارهاي عدد پايداري در مقابل زاويه شيب شيرواني PAGEREF _Toc405377243 h 13شکل(2-3)موقعيت مرکز دواير بحراني براي β>53˚ PAGEREF _Toc405377244 h 15شکل (2-4) موقعيت مرکز دايره پاي شيرواني براي β<53˚ PAGEREF _Toc405377245 h 16شکل(2-5) موقعيت دوايره عميق PAGEREF _Toc405377246 h 17شکل(2-6)الف تحليل پايداري با استفاده از روش قطعه براي سطح لغزش آزمايشي PAGEREF _Toc405377247 h 18شکل(2-6)ب نيروهاي موثر بر قطعه n PAGEREF _Toc405377248 h 19شکل(2-7)روش بيشاپ اصلاح شده.(الف)نيروي موثر بر قطعه n ،(ب) چند ضلعي نيروها PAGEREF _Toc405377249 h 22شکل(2-8) مقدارmα(n) بر حسب (tanφ)/Fs و nα PAGEREF _Toc405377250 h 23شکل(2-9)الف تحليل شيرواني خاکي به روش بيشاپ به همراه نشت دائمي آب PAGEREF _Toc405377251 h 24شکل(2-9)ب نيروهاي موثر بر قطعه n ام در روش بيشاپ به همراه نشت دائمي PAGEREF _Toc405377252 h 25شكل(3-1) باز تاب بدترين راٌس سيمپلکس PAGEREF _Toc405377253 h 33شکل(3-2) نمايي از تابع جبري PAGEREF _Toc405377254 h 39شكل(3-3) فضاي طراحي مربوط به مسئله طراحي ستون به صورت نامقيد PAGEREF _Toc405377255 h 40شكل(3-4) نحوه جابجايي گره ها در يافتن سطح لغزش بهينه در روش دانكن و سلستينو PAGEREF _Toc405377256 h 50شکل(4-1) نحوه تاثير روابط PSO بر حرکت ذره PAGEREF _Toc405377257 h 60شکل(4-3) مشخصات هندسي دايره لغزش در برنامه PSOSLOPE PAGEREF _Toc405377258 h 66شکل(4-4) نحوه وارد نمودن وروديهاي برنامه PSOSLOPE PAGEREF _Toc405377259 h 66شکل(4-5) خروجي نتايج برنامه PSOSLOPE PAGEREF _Toc405377260 h 67شکل (5-1.الف)شيرواني با مشخصات هندسي PAGEREF _Toc405377261 h 73شکل(5-1.ب) نمودار نسبت w (تابع وزن اينرسي) به تعدادتکرار الگوريتمPSO PAGEREF _Toc405377262 h 74شکل (5-2) الف نمودار تاثير c1,c2 عوامل يادگيري در مقابل تعداد تکرار تحليل شيرواني PAGEREF _Toc405377263 h 75شکل (5-2)ب نمودار تاثير c1,c2 عوامل يادگيري در مقابل ضريب اطمينان PAGEREF _Toc405377264 h 75شکل(5-3)الف نمودار تاثير تعداد ذرات در مقابل زمان کل بهينهيابي PAGEREF _Toc405377265 h 76شکل(5-3)ب نمودار تاثير تعداد ذرات به مقدار Fs PAGEREF _Toc405377266 h 76شکل(5-4)تعيين محدوده متغييرهاي دايره لغزش در شيرواني خاکي PAGEREF _Toc405377267 h 77شکل (5-5) شيرواني خاکي با شيب ملايم 5/1 :1 PAGEREF _Toc405377268 h 78شکل(5-6)الف نسبت تکرار روند حل به ضريب اطمينانFs PAGEREF _Toc405377269 h 78شکل (5-6)ب نمايي از دواير لغزش آزمايشي PAGEREF _Toc405377270 h 79شکل(5-7)موقعيت دايره لغزش در مثال 1 PAGEREF _Toc405377271 h 79جدول (5-1) مقايسه نتايج تحليل مثال 1 در تحقيق حاضر با ديگر محققان PAGEREF _Toc405377272 h 80شکل(5-8) مقايسه مختصات محل لغزش در روش الگوريتم GA با تحقيق حاضر PAGEREF _Toc405377273 h 80شکل(5-9.الف)موقعيت دايره لغزش در مثال 2 PAGEREF _Toc405377274 h 81شکل(5-10.ب) نمودار تعداد تکرار الگوريتم نسبت به ضريب اطمينان Fs براي مثال 2 PAGEREF _Toc405377275 h 81شکل(5-11) مشخصات شيرواني همگن مثال 3 PAGEREF _Toc405377276 h 82شکل(5-12) سرعت همگرايي الگوريتم PSO براي مثال 3 PAGEREF _Toc405377277 h 82شکل(5-13)موقعيت دايره لغزش در مثال 3 PAGEREF _Toc405377278 h 83شکل(5-14) مقايسه مشخصات هندسي دايره لغزش در دو الگوريتم GA و PSO PAGEREF _Toc405377279 h 84شکل(5-15) تاثير نشت آب بر موقعيت دايره لغزش و ضريب اطمينانFs PAGEREF _Toc405377280 h 84شکل(5-16) مشخصات هندسي شيرواني مثال 5 PAGEREF _Toc405377281 h 85شکل (5-17) مشخصات هندسي سطح لغزش بحراني با استفاده از الگوريتم PSO PAGEREF _Toc405377282 h 86شکل(5-18)نمودار تکرار الگوريتم نسبت به ضريب اطمينان Fs PAGEREF _Toc405377283 h 87شکل(5-19)مشخصات هندسي شيرواني خاکي مثال 6 PAGEREF _Toc405377284 h 88شکل(5-20) نمايش سرعت همگرايي الگوريتمPSO براي مثال 6 PAGEREF _Toc405377285 h 88شکل(5-21)مشخصات هندسي سطح لغزش شيرواني خاکي مثال 6 PAGEREF _Toc405377286 h 89شکل(5-22)مشخصات هندسي دايره لغزش در مثال 6 جهت مقايسه دو روش PSO و GA PAGEREF _Toc405377287 h 90
فصل اولکلیات

1-1- مقدمهتحلیل پایداری شیروانی های خاکی به منظور تعیین محتمل ترین فرآیند گسیختگی یا به عبارتی دیگر یافتن کمترین ضریب اطمینان، یکی از مسائل مهم مهندسی ژئوتکنیک است.روشهایی که توسط محققین برای یافتن سطح لغزش بکار گرفته میشود را می توان به دسته کلی تقسیم کرد. که این سه دسته عبارتند از:
(الف) روش عددی حساب تغییرات (ب) روش توده خاکی (ج) روش بهینه سازی الهام گرفته از 1طبیعت.
از بین روش های ذکر شده روشهای بهینه سازی الهام گرفته از طبیعت بیشترین استفاده را برای تعیین بحرانی ترین سطح لغزش داشته است. بهینه سازی سطح لغزش شیروانی ها از مسائل بهینه سازی بدون قید بوده که امروزه این روش ها گستره خوبی داشته اند، هرچند که هنوز امکان زیادی برای گسترش آنها وجود دارد.
در میان روشهای گوناگون بهینه یابی، روشی که بتواند سطح لغزش بحرانی را در زمان کوتاهتر و با حجم آنالیز کمتر پیدا نماید نسبت به روش های دیگر از برتری بیشتری برخوردار می باشد. لذا با جمع آوری، مقایسه و تحلیل نتایج بدست آمده از روش های گوناگون بهینه یابی، میتوان روش مناسب جهت تحلیل مسائل مهندسی را انتخاب و پیشنهاد نمود. با تحقیقات و بررسی حتی انجام شده نسبت به الگوریتم های بهینه یابی مختلف جهت تحلیل شیروانی های خاکی،در تحقیق فوق نتیجه زیر حاصل شده است که: جهت یافتن سطح لغزش در شیروانی های خاکی استفاده از الگوریتم جامعه پرندگان به دلایلی که در زیر ذکر میشود مناسب میباشد.
یکی از روش های بهینه یابی نوین، روش جامعه 1پرندگان است که مزایای روش فوق نسبت به سایر روش ها به این شرح می باشد:
1-دارای مکانیزم آسان جهت استفاده از کامپیوتر
2-بررسی روابط ریاضی ساده
3-استفاده از خود تابع هدف به جای استفاده از مشتقات آن بر خلاف دیگر روش ها
4- سرعت بالای همگرایی به جواب این الگوریتم اشاره نمود.
با توجه به اهمیت تعیین سطح لغزش بحرانی شیروانی ها،در این تحقیق تلاش می شود با تحلیل شیروانی ها به روش بی شاپ اصلاح شده و تلفیق آن با الگوریتم جامعه پرندگان و انتخاب مناسب متغییرهای پایداری شیروانی راه حل مناسبی جهت کاهش میزان آنالیز و همگرایی سریعتر الگوریتم ارائه گردد. روش های بهینه یابی که تا کنون مورد استفاده بوده است دارای محدودیت ها و مشکلات خاص خود میباشند، به عنوان مثال آریا و 2تاگیو، با استفاده از روش گرادیان مزدوج سطح لغزش غیر دایره ای بحرانی در شیروانی ها را تعیین کرده اند. در این روش نیاز به مشتق مرتبه اول تابع ضریب اطمینان میباشد که در بعضی مسائل از پیچیدگی بالایی برخوردار میباشد. 3نگوین نیز از روش سیمپلکس برای یافتن سطح گسیختگی استفاده نموده است که در این روش احتمال درگیر شدن در بهینه محلی زیاد میباشد. در سالهای اخیر ملکاویبرای بهینه یابی سطح لغزش از روش مونت کارلو استفاده نموده اند که با توجه به مفاهیم روش بهینه یابی مونت کارلو، استفده از این روش جهت مدل سازی برای استفاده از کامپیوتر مشکل و

Author:

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *