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

جزئیات و دریافت

این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد.

فهرست جدول ها
جدول(2-1)موقعيت مرکز دايره پاي شيرواني بحراني    17
جدول (5-1) مقايسه نتايج تحليل مثال 1 در تحقيق حاضر با ديگر محققان    80
جدول(5-2)نتايج تحليل شيرواني مثال 3 با ديگر محققان    83
جدول(5-3)مشخصات مصالح شيرواني مثال5    85
جدول(5-4)نتايج بهينه يابي الگوريتم PSO و نتايج ديگر محققان براي مثال 5    86
جدول(5-5)مشخصات مکانيکي مصالح شيرواني خلکي مثال 6    87
جدول(5-6) نتايج تحليل مثال 6 به همراه نتايج ديگر محققان    89

فهرست شکل ها
شکل(2-1)تحليل پايداري شيرواني در خاک همگن با >0φ    12
شکل(2-2)نمودارهاي عدد پايداري در مقابل زاويه شيب شيرواني    13
شکل(2-3)موقعيت مرکز دواير بحراني براي β>53˚    15
شکل (2-4) موقعيت مرکز دايره پاي شيرواني براي β<53˚    16
شکل(2-5) موقعيت دوايره عميق    17
شکل(2-6)الف تحليل پايداري با استفاده از روش قطعه براي سطح لغزش آزمايشي    18
شکل(2-6)ب نيروهاي موثر بر قطعه n    19
شکل(2-7)روش بيشاپ اصلاح شده.(الف)نيروي موثر بر قطعه n ،(ب) چند ضلعي نيروها    22
شکل(2-8) مقدارmα(n)  بر حسب (tanφ)/Fs و nα    23
شکل(2-9)الف تحليل شيرواني خاکي به روش بيشاپ به همراه نشت دائمي آب    24
شکل(2-9)ب  نيروهاي موثر بر قطعه n ام در روش بيشاپ به همراه نشت دائمي    25
شكل(3-1) باز تاب بدترين راٌس سيمپلکس    33
شکل(3-2) نمايي از تابع جبري    39
شكل(3-3) فضاي طراحي مربوط به مسئله طراحي ستون به صورت نامقيد    40
شكل(3-4) نحوه جابجايي گره ها در يافتن سطح لغزش بهينه در روش دانكن و سلستينو    50
شکل(4-1) نحوه تاثير روابط PSO بر حرکت ذره    60
شکل(4-3) مشخصات هندسي دايره لغزش در برنامه PSOSLOPE    66
شکل(4-4) نحوه وارد نمودن وروديهاي برنامه PSOSLOPE    66
شکل(4-5) خروجي نتايج برنامه PSOSLOPE    67
شکل (5-1.الف)شيرواني با مشخصات هندسي    73
شکل(5-1.ب) نمودار نسبت w (تابع وزن اينرسي) به تعدادتکرار الگوريتمPSO    74
شکل (5-2) الف نمودار تاثير c1,c2 عوامل يادگيري در مقابل تعداد تکرار تحليل شيرواني    75
شکل (5-2)ب نمودار تاثير c1,c2 عوامل يادگيري در مقابل ضريب اطمينان    75
شکل(5-3)الف نمودار تاثير تعداد ذرات در مقابل زمان کل بهينهيابي    76
شکل(5-3)ب نمودار تاثير تعداد ذرات به مقدار Fs    76
شکل(5-4)تعيين محدوده متغييرهاي دايره لغزش در شيرواني خاکي    77
شکل (5-5) شيرواني خاکي با شيب ملايم 5/1 :1    78
شکل(5-6)الف نسبت تکرار روند حل به ضريب اطمينانFs    78
شکل (5-6)ب نمايي از دواير لغزش آزمايشي    79
شکل(5-7)موقعيت دايره لغزش در مثال 1    79
جدول (5-1) مقايسه نتايج تحليل مثال 1 در تحقيق حاضر با ديگر محققان    80
شکل(5-8) مقايسه مختصات محل لغزش در روش الگوريتم GA با تحقيق حاضر    80
شکل(5-9.الف)موقعيت دايره لغزش در مثال 2    81
شکل(5-10.ب) نمودار تعداد تکرار الگوريتم نسبت به ضريب اطمينان Fs براي مثال 2    81
شکل(5-11) مشخصات شيرواني همگن مثال 3    82
شکل(5-12) سرعت همگرايي الگوريتم PSO براي مثال 3    82
شکل(5-13)موقعيت دايره لغزش در مثال 3    83
شکل(5-14) مقايسه مشخصات هندسي دايره لغزش در دو الگوريتم GA و PSO    84
شکل(5-15) تاثير نشت آب بر موقعيت دايره لغزش و ضريب اطمينانFs    84
شکل(5-16) مشخصات هندسي شيرواني مثال 5    85
شکل (5-17) مشخصات هندسي سطح لغزش بحراني با استفاده از الگوريتم PSO    86
شکل(5-18)نمودار تکرار الگوريتم نسبت به ضريب اطمينان Fs    87
شکل(5-19)مشخصات هندسي شيرواني خاکي مثال 6    88
شکل(5-20) نمايش سرعت همگرايي الگوريتمPSO براي مثال 6    88
شکل(5-21)مشخصات هندسي سطح لغزش شيرواني خاکي مثال 6    89
شکل(5-22)مشخصات هندسي دايره لغزش در مثال 6 جهت مقايسه دو روش PSO و GA    90

فصل اول
کلیات


1-1- مقدمه
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.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 .
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  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 ، 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.  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 ملکاوی    برای 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 وقت گیر می باشد.کومبی و همکارانش و محمد حسین باقری پور و احسان شاهسوندی  از الگوریتم ژنتیک برای یافتن سطح لغزش شیروانی های خاکی استفاده نموده اند، که با توجه به مفاهیم روش بهینه یابی الگوریتم ژنتیک و سرعت همگرایی این روش نسبت به روش بهینه یاب جامعه پرندگان مشکل تر و وقت گیرتر می باشد.چنگ و همکارانش از الگوریتم پرندگان جهت یافتن سطح لغزش غیر دایروی در شیروانی های خاکی استفاده  کرده اند. شویی لی از الگوریتم جامعه پرندگان جهت بهینه یابی پایداری سد آش استفاده کرده است. از الگوریتم جامعه پرندگان در بهینه یابی مسائل دیگر مهندسی نیز استفاده شده است از جمله پرز و بهدینان از الگوریتم جامعه پرندگان برای بهینه یابی مقاومت میله های مرکب استفاده نموده است. لی و همکاران برای بهینه یابی سازه هایی با اتصالات پینی از الگوریتم جامعه پرندگان استفاده نموده اند.یانگ و همکاران از الگوریتم اصلاح شده جامعه پرندگان برای انطباق مسائل دینامیکی استفاده نموده اند.
1-2- اهداف پایان نامه
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. تلفیق روش بیشاپ و الگوریتم جامعه پرندگان باعث شده است تا بر خلاف بعضی از روش های مورد استفاده برای بهینه یابی پایداری شیروانی، دیگر در این روش نیازی به زمان زیاد جهت تکرار تحلیل مسئله نباشد و از محاسبات پیچیده ریاضیات نیز دوری نمود. این روش دارای مکانیزمی آسان جهت شبیه سازی مسئله برای استفاده از کامپیوتر و توانایی تلفیق آن با سایر روش های بهینه یابی را دارد از مزایای مهم دیگر الگوریتم جامعه پرندگان نسبت به روش های بهینه یابی فوق الذکر این است که احتمال درگیر شدن در بهینه محلی را با انتخاب متغییر ها و تعیین مناسب پارامتر های الگوریتم به شدت کاهش میدهد و با احتمال بیشتری نسبت به بسیاری از روش های بهینه یابی میتوان جواب بهینه کلی را یافت.
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 میگردد. بررسی ها و تحقیقات نویسندگان نشان داده است که میتوان با انتخاب مناسب تر متغییر ها و تعیین صحیح پارامترهای الگوریتم به روش جامعه پرندگان برای یافتن بهینه کلی شتاب بخشید. لذت در این تحقیق متغییرهای مرکز دایره و نقاط شروع سطح لغزش بعنوان متغییر مسئله انتخاب شده است. با تحلیل و آنالیز مسئله ، پارامترهای مناسبی برای الگوریتم تعیین نموده که انتخاب این متغییرها باعث میشود دوایر لغزش اضافی که قاطع سطح شیروانی نمیباشند تولید نشوند و مانع از تکرار اضافی برنامه جهت یافتن ضریب اطمینان حداقل گردید در نتیجه به همگرایی سریعتر الگوریتم منجر میگردد.
1-3- فصل بندی پایان نامه
فصل اول که فصل حاضر میباشد جهت مقدمه و توضیحات مربوط به اهداف پایان نامه آورده شده است.
فصل دوم که اختصاص دارد به آشنایی مفاهیم پایه ای تحلیل شیروانی های خاکی به روش های مختلف جهت انتخاب روش مناسب برای تحلیل شیروانی های خاکی در این تحقیق.
فصل سوم مربوط به آشنایی انواع روش های بهینه یابی کلی  و روش های بهینه یابی که تا کنون برای شیروانی های خاکی استفاده شده است می باشد.
فصل چهارم  به تشریح کامل الگوریتم جامعه پرندگان و کاربردهای آن پرداخته است و نحوه عملکرد برنامه تهیه شده در این تحقیق، که جهت تحلیل و بهینه یابی محتمل ترین سطح لغزش شیروانی های خاکی مورد استفاده قرار میگیرد را به اختصار توضیح داده است.
فصل پنجم به آنالیز حساسیت پارامترهای الگوریتم جامعه پرندگان و تعیین متغییرهای روش بیشاپ  و حل مثالهای عملی جهت اثبات دقت و اعتبار روش پیشنهادی پرداخته که نتایج ان را به صورت نمودار و جداول در انتهای هر مثال آورده شده است.
فصل ششم که فصل انتهایی میباشد به نتیجه گیری کلی حاصل از نتایج روش پیشنهادی پرداخته و در انتهای فصل پیشنهاداتی جهت تحقیق برای محققان دیگر در راستای این پایان نامه آورده است

فصل دوم
پیشینه پژوهش


2-1- مقدمه
يکي از مهمترين و در عين حال مشکلترين مباحث مکانيک خاک مسئله پايداري شيروانيها است.  لغزشهاي زمين در شرايط بسيار متفاوتي به وقوع مي پيوندد. اين لغزشها ممکن است شيبهاي طبيعي را عارض شود يا موجب به هم خوردن پايداري شيروانيهاي حاصل عمل انسان گردد. وقوع اين لغزشها ممکن است يکباره صورت گيرد و يا چندين ماه و حتي سالها به طول انجامد. پايداري شيروانيها همواره از موضوعات مورد علاقه در ميان مهندسين ژنوتکنيک بوده است، اهميت اين موضوع وقتي بيشتر اشکار ميگردد که لغزش يک شيرواني باعث خسارات عظيم جبران ناپذيري گردد. تا به امروز روشهاي زيادي براي تحليل و آناليز پايداري شيروانيها ارائه شده است از جمله اين روشها ميتوان به روشهاي فليتيوس، بيشاپ يا تايلور و .... اشاره نمود که تفاوت اين روشها در اعمال معادلات تعادل ميباشد. فصل حاضر جهت آشنايي با مفاهيم اصلي پايداري شيروانيها و انتخاب روش مناسب براي تحليل شيروانيهاي خاکي و تلفيق آن با الگوريتم بهينهياب مناسب که در فصلهاي بعدي توضيح داده ميشود آورده شده است. در اين پاياننامه به علت کاربردي، ساده و  مورد اطمينان بودن روش بيشاپ اصلاح شده  از اين روش  جهت تحليل پايداري شيروانيها و يافتن ضريب اطمينان استفاده ميشود.
2-2- تعريف شيرواني خاکي
به تودههاي خاکي که نسبت به سطح افق به صورت شيبدار ايستاده باشند شيرواني خاکي ميگويند. اين شيروانيها ممکن است طبيعي يا مصنوعي باشند. اصولاً ممکن است در اثر عواملي چون وزن خاک، وجود آب، تأثير بارهاي خارجي، کاهش عوامل مقاومت و پارهاي عوامل ديگر، به صورت يک گسيختگي فرو ريزد. لغزش شيرواني هنگامي اتفاق ميافتد که نيروهاي رانش ناشي از وزن شيرواني بر نيروهاي مقاومت ناشي از مقاومت برشي خاک در سطح لغزش غلبه نمايد[15]. اغلب پايداري يک شيب توسط ضريب اطمينان آن در مقابل چنين گسيختگي اندازه گيري مي شود.
شیروانی طبیعی: معمولا به صورت شیب های طبیعی با طول زیاد در طبیعت وجود دارند.
شیروانی مصنوعی: ساخته دست بشر هستند و ممکن است در اثر خاکریزی یا ترانشه زنی ایجاد شده باشند.
به طور کلي، انواع جابجايي(گسيختگي) خاک را در شيروانيها ميتوان به دو گروه زير تقسيم نمود:
الف) لغزندگي با سطح گسيختگي منحني
ب) لغزندگي با سطح گسيختگي مستوي
شکل سطح لغزش در شيروانيهاي نامحدود، تقريباً مستوي است و در صورتي که سطح لغزش منحني باشد، مقطع آن دايره و گاهي منحني لگاريتمي خواهد بود. هم چنين ممکن است اين سطح را مجموعهاي از چند منحني و خطوط مستوي دانست. منحني مشخصي که براي سطح  لغزش تصوير ميشود، معمولاً با آنچه که در عمل وجود دارد متفاوت است، هر چند اختلاف اين دو تا حدي نيست که درصد خطاي حاصل در نتايج بررسي قابل اغماض نباشد. گاهي نوع خاصي از محاسبه ايجاب ميکند که منحني مخصوصي براي لغزش در نظر گرفته شود. هنگامي که شکل و منحني سطح لغزش معلوم باشد، ميتواند مقاومت برش خاک را محاسبه نمود. به دلايل ذکر شده در اين فصل و فصول بعدي، در اين تحقيق براي يافتن سطح لغزش دايروي توسط الگوريتم بهينه ياب جامعه پرندگان براي جستجوي سطح لغزش  و روش بيشاپ اصلاح شده جهت تحليل شيرواني، استفاده شده است.
2-3- تحليل شيرواني محدود
درصورتي که ارتفاع بحراني شيرواني Hcr  معادل ارتفاع خود شيرواني باشد، براي تحليل آن از روش تحليل شيرواني محدود استفاده ميشود. اگر خاک داراي چسبندگي و اصطکاک به طور تواٌم باشد، عمق بحراني سطح لغزش که امتداد آن، حالت آستانه لغزش وجود دارد، با قرار دادن Fs=1 در رابطه ( 2-1)      Hcr H= در رابطه (2-2 )به دست مي آيد.
(2-1)                                                                                          
(2-2)                                                                                         
در روابط بالا Fs  ضريب اطمينان، C چسبندگي خاک، φزاويه اصطکاک بين دانههاي خاک، H ارتفاع شيرواني، γ وزن مخصوص خاک، β زاويه شيب شيرواني است.
 در تحليل پايداري شيرواني محدود، لازم است که يک سطح لغزش فرض شود و ضريب اطمينان نسبت به سطح لغزش فرضي مشخص گردد. اين سطح، بنا به شواهد متعدد، منحني است و يک گروه سوئدي آن را قسمت از دايره معرفي کرده است[15]. لذا براي تحليل پايداري شيروانيهاي خاکي که داراي شکل مشخص و ترکيب مصالح و لايهاي متنوعاند، به رغم روشهاي متفاوتي که ابداع شده است اکثر محققان فرض سطح دايرهاي را مبنا قرار ميدهند. اگر در شيرواني مورد نظر، قسمتهايي از شيب داراي  درزه و ترک يا سطوح ضعيف لايه بندي داشته باشد، مي تواند سطح لغزش را صفحهاي در نظر گرفت. براي خاک بدون لايه ضعيف و بدون درزه و ترک، قوس دايره مناسب تر از لغزش صفحه اي ميباشد.

2-4- تحليل شيرواني محدود با سطح لغزش دايره اي:
 در اين نوع شيروانيها، معمولاً لغزش به حالتهاي زير اتفاق مي افتد:
1- سطح لغزش، شيرواني را در پاي شيب يا بالاي آن قطع ميکند. به اين نوع لغزش، لغزش دامنه گفته مي شود.
2- سطح لغزش در پايين دست پاي شيب، زمين را قطع ميکند. به اين نوع لغزش، لغزش عميق (لغزش پايه) گفته ميشود.
براي تحليل لغزشهاي دايرهاي، از روش توده،  قطعه و بيشاپ استفاده ميشود که بررسي اين روشها در زير آمده است:
2-4-1- روش توده براي تحليل پايداري شيرواني با سطح لغزش دايرهاي:
روش توده وقتي مفيد است که بتوان خاک را همگن فرض نمود، که براي آن ميتوان دو حالت در نظر گرفت:
الف) شيرواني در خاک رس  و
ب) شيرواني در خاک همگن با