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
یکی از مهمترین و در عین حال مشکلترین مباحث مکانیک خاک مسئله پایداری شیروانیها 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- تعریف شیروانی خاکی PAGEREF _Toc405414210 h 82-3- تحلیل شیروانی محدود PAGEREF _Toc405414211 h 102-4- تحلیل شیروانی محدود با سطح لغزش دایره ای PAGEREF _Toc405414212 h 112-4-1- روش توده برای تحلیل پایداری شیروانی با سطح لغزش دایرهای PAGEREF _Toc405414213 h 112-4-2- تحلیل پایداری شیروانی با روش قطعه PAGEREF _Toc405414214 h 172-4-3- روش بیشاب اصلاح شده PAGEREF _Toc405414215 h 202-4-4- روش اصلاح شده بیشاب برای خاک های اشباع PAGEREF _Toc405414216 h 23فصل سوم PAGEREF _Toc405414217 h 263-1- مقدمه PAGEREF _Toc405414218 h 273-2- تاریخچه بهینه‌سازی PAGEREF _Toc405414219 h 293-3- کاربردهای بهینه‌سازی در مهندسی PAGEREF _Toc405414220 h 303-4- دسته‌بندی مسائل مهندسی PAGEREF _Toc405414221 h 313-4-1- دسته‌بندی بر مبنای وجود قیدها PAGEREF _Toc405414222 h 313-5- روشهای بهینه سازی الهام گرفته از طبیعت PAGEREF _Toc405414223 h 433-5-1- مختصری بر الگوریتم ژنتیکی PAGEREF _Toc405414224 h 443-5-2- مختصری بر الگوریتم جامعه پرندگان PAGEREF _Toc405414225 h 473-6- نگاهی به روشهای مختلف استفاده شده برای بهینه یابی سطح لغزش شیروانیهای خاکی PAGEREF _Toc405414226 h 493-6-1- اصول روشهای بهینه سازی در یافتن سطح لغزش بحرانی PAGEREF _Toc405414227 h 493-6-2- روش ارائه شده توسط سلستیون و دونسن PAGEREF _Toc405414228 h 493-6-3- متد ارائه شده توسط آریا و تاگیو در استفاده از روش ˝ گرادیان مزدوج˝ PAGEREF _Toc405414229 h 513-6-4- روش ارائه شده توسط ناگیو در استفاده از روش سیمپلکس PAGEREF _Toc405414230 h 513-6-5- متد ارائه شده توسط چن و شائودر استفاده از روش متریک متغیر PAGEREF _Toc405414231 h 523-7- مزایای کاربرد روشهای بهینه سازی در تحلیل شیروانی ها PAGEREF _Toc405414232 h 54فصل چهارم PAGEREF _Toc405414233 h 554-1- مقدمه PAGEREF _Toc405414234 h 564-2-تاریخچه الگوریتم جامعه پرندگان PAGEREF _Toc405414235 h 574-3- مطالعه رفتار پرندگان و ایده اولیه PSO PAGEREF _Toc405414236 h 584-3- الگوریتم PSO PAGEREF _Toc405414237 h 584-4- مزیتهای PSO در قیاس با سایر الگوریتمهای جستجو PAGEREF _Toc405414238 h 634-5- کاربردهای PSO PAGEREF _Toc405414239 h 644-6- آشنایی با برنامه PSOSLOPE PAGEREF _Toc405414240 h 654-7- مراحل اجرای برنامه PSOSLOPE PAGEREF _Toc405414241 h 67فصل پنجم PAGEREF _Toc405414242 h 715-1- مقدمه PAGEREF _Toc405414243 h 725-2- تعیین پارامترهای تاثیر گذار در سرعت همگرائی الگوریتم PSO PAGEREF _Toc405414244 h 735-3- حل چند مثال عملی و تعیین ضریب اطمینان حداقل سطح لغزش و مقایسه نتایج حاصل با نتایج تحقیق محققان دیگر PAGEREF _Toc405414245 h 775-4- قابلیتها و مزایای الگوریتم جامعه پرندگان و تلفیق آن با روش بیشاپ در جستجوی سطح لغزش بحرانی شیروانیهای خاکی PAGEREF _Toc405414246 h 90نتیجه گیری PAGEREF _Toc405414247 h 91پیشنهادات PAGEREF _Toc405414248 h 92منابع و ماخذ PAGEREF _Toc405414249 h 93

فهرست جدول ها
TOC h z t “JADVAL,1” جدول(2-1)موقعیت مرکز دایره پای شیروانی بحرانی PAGEREF _Toc405378402 h 17جدول (5-1) مقایسه نتایج تحلیل مثال 1 در تحقیق حاضر با دیگر محققان PAGEREF _Toc405378403 h 80جدول(5-2)نتایج تحلیل شیروانی مثال 3 با دیگر محققان PAGEREF _Toc405378404 h 83جدول(5-3)مشخصات مصالح شیروانی مثال5 PAGEREF _Toc405378405 h 85جدول(5-4)نتایج بهینه یابی الگوریتم PSO و نتایج دیگر محققان برای مثال 5 PAGEREF _Toc405378406 h 86جدول(5-5)مشخصات مکانیکی مصالح شیروانی خلکی مثال 6 PAGEREF _Toc405378407 h 87جدول(5-6) نتایج تحلیل مثال 6 به همراه نتایج دیگر محققان PAGEREF _Toc405378408 h 89
فهرست شکل ها
TOC h z t “shekl,1” شکل(2-1)تحلیل پایداری شیروانی در خاک همگن با >0φ PAGEREF _Toc405377242 h 12شکل(2-2)نمودارهای عدد پایداری در مقابل زاویه شیب شیروانی PAGEREF _Toc405377243 h 13شکل(2-3)موقعیت مرکز دوایر بحرانی برای β>53˚ PAGEREF _Toc405377244 h 15شکل (2-4) موقعیت مرکز دایره پای شیروانی برای β<53˚ PAGEREF _Toc405377245 h 16شکل(2-5) موقعیت دوایره عمیق PAGEREF _Toc405377246 h 17شکل(2-6)الف تحلیل پایداری با استفاده از روش قطعه برای سطح لغزش آزمایشی PAGEREF _Toc405377247 h 18شکل(2-6)ب نیروهای موثر بر قطعه n PAGEREF _Toc405377248 h 19شکل(2-7)روش بیشاپ اصلاح شده.(الف)نیروی موثر بر قطعه n ،(ب) چند ضلعی نیروها PAGEREF _Toc405377249 h 22شکل(2-8) مقدارmα(n) بر حسب (tanφ)/Fs و nα PAGEREF _Toc405377250 h 23شکل(2-9)الف تحلیل شیروانی خاکی به روش بیشاپ به همراه نشت دائمی آب PAGEREF _Toc405377251 h 24شکل(2-9)ب نیروهای موثر بر قطعه n ام در روش بیشاپ به همراه نشت دائمی PAGEREF _Toc405377252 h 25شکل(3-1) باز تاب بدترین راٌس سیمپلکس PAGEREF _Toc405377253 h 33شکل(3-2) نمایی از تابع جبری PAGEREF _Toc405377254 h 39شکل(3-3) فضای طراحی مربوط به مسئله طراحی ستون به صورت نامقید PAGEREF _Toc405377255 h 40شکل(3-4) نحوه جابجایی گره ها در یافتن سطح لغزش بهینه در روش دانکن و سلستینو PAGEREF _Toc405377256 h 50شکل(4-1) نحوه تاثیر روابط PSO بر حرکت ذره PAGEREF _Toc405377257 h 60شکل(4-3) مشخصات هندسی دایره لغزش در برنامه PSOSLOPE PAGEREF _Toc405377258 h 66شکل(4-4) نحوه وارد نمودن ورودیهای برنامه PSOSLOPE PAGEREF _Toc405377259 h 66شکل(4-5) خروجی نتایج برنامه PSOSLOPE PAGEREF _Toc405377260 h 67شکل (5-1.الف)شیروانی با مشخصات هندسی PAGEREF _Toc405377261 h 73شکل(5-1.ب) نمودار نسبت w (تابع وزن اینرسی) به تعدادتکرار الگوریتمPSO PAGEREF _Toc405377262 h 74شکل (5-2) الف نمودار تاثیر c1,c2 عوامل یادگیری در مقابل تعداد تکرار تحلیل شیروانی PAGEREF _Toc405377263 h 75شکل (5-2)ب نمودار تاثیر c1,c2 عوامل یادگیری در مقابل ضریب اطمینان PAGEREF _Toc405377264 h 75شکل(5-3)الف نمودار تاثیر تعداد ذرات در مقابل زمان کل بهینهیابی PAGEREF _Toc405377265 h 76شکل(5-3)ب نمودار تاثیر تعداد ذرات به مقدار Fs PAGEREF _Toc405377266 h 76شکل(5-4)تعیین محدوده متغییرهای دایره لغزش در شیروانی خاکی PAGEREF _Toc405377267 h 77شکل (5-5) شیروانی خاکی با شیب ملایم 5/1 :1 PAGEREF _Toc405377268 h 78شکل(5-6)الف نسبت تکرار روند حل به ضریب اطمینانFs PAGEREF _Toc405377269 h 78شکل (5-6)ب نمایی از دوایر لغزش آزمایشی PAGEREF _Toc405377270 h 79شکل(5-7)موقعیت دایره لغزش در مثال 1 PAGEREF _Toc405377271 h 79جدول (5-1) مقایسه نتایج تحلیل مثال 1 در تحقیق حاضر با دیگر محققان PAGEREF _Toc405377272 h 80شکل(5-8) مقایسه مختصات محل لغزش در روش الگوریتم GA با تحقیق حاضر PAGEREF _Toc405377273 h 80شکل(5-9.الف)موقعیت دایره لغزش در مثال 2 PAGEREF _Toc405377274 h 81شکل(5-10.ب) نمودار تعداد تکرار الگوریتم نسبت به ضریب اطمینان Fs برای مثال 2 PAGEREF _Toc405377275 h 81شکل(5-11) مشخصات شیروانی همگن مثال 3 PAGEREF _Toc405377276 h 82شکل(5-12) سرعت همگرایی الگوریتم PSO برای مثال 3 PAGEREF _Toc405377277 h 82شکل(5-13)موقعیت دایره لغزش در مثال 3 PAGEREF _Toc405377278 h 83شکل(5-14) مقایسه مشخصات هندسی دایره لغزش در دو الگوریتم GA و PSO PAGEREF _Toc405377279 h 84شکل(5-15) تاثیر نشت آب بر موقعیت دایره لغزش و ضریب اطمینانFs PAGEREF _Toc405377280 h 84شکل(5-16) مشخصات هندسی شیروانی مثال 5 PAGEREF _Toc405377281 h 85شکل (5-17) مشخصات هندسی سطح لغزش بحرانی با استفاده از الگوریتم PSO PAGEREF _Toc405377282 h 86شکل(5-18)نمودار تکرار الگوریتم نسبت به ضریب اطمینان Fs PAGEREF _Toc405377283 h 87شکل(5-19)مشخصات هندسی شیروانی خاکی مثال 6 PAGEREF _Toc405377284 h 88شکل(5-20) نمایش سرعت همگرایی الگوریتمPSO برای مثال 6 PAGEREF _Toc405377285 h 88شکل(5-21)مشخصات هندسی سطح لغزش شیروانی خاکی مثال 6 PAGEREF _Toc405377286 h 89شکل(5-22)مشخصات هندسی دایره لغزش در مثال 6 جهت مقایسه 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

این نوشته در پایان نامه ها ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

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