基于改进遗传算法的低弹模混凝土防渗墙力学参数反分析

论文摘要

低弹模混凝土广泛应用于土石坝除险加固工程中，但测定该材料力学参数的试件尺寸不尽相同且争议较大，本构模型的选择大多倾向于邓肯模型。为验证测试试件的合理性和本构模型的优劣，本文所做的工作是为取得实测数据后的南安坂头土石坝墙体材料参数的反演分析做理论准备，包括：三维稳定渗流、三维防渗墙施工过程模拟程序设计、改进的遗传算法程序设计以及尝试性反演。第一：为与应力场藕合，在固定网格法下，利用等效结点流量判别法进行溢出面的判定，并采用初流量法进行自由面的求解，等效结点流量判别法兼顾了水头边界和流量边界。第二：墙体施工过程模拟中，将防渗墙处单元挖除进行应力释放并作为一级荷载增量施加到坝体剩余单元上；利用弹性模量很小、泊松比为0.49、具有泥浆重度的线弹性单元模拟泥浆固壁中泥浆单元，利用接触面单元进行泥皮作用的模拟；采用“换土”过程模拟泥浆固壁过程和墙体回填过程；泥浆固壁、墙体回填产生的应力累加作为蓄水期墙体单元的初始应力。第三：反分析程序主要是在简单遗传算法的基础上进行如下改进：框架微调、共享小生境技术、精英复制、最佳保留机制、单双点交叉相结合及自适应改进。重点测试了初始染色体基因座赋0操作的改进效果。通过试验函数的测试，改进的遗传算法大幅提高了传统遗传算法的寻优能力,自适应改进实现了种群规模，交叉率和变异率的联合调整，达到自适应目的。不论是非自适应改进还是自适应改进，初始染色体基因座赋0操作均能起到改进效果，非自适应条件下赋0操作还能提高函数自变量的精度。第四：施工模拟采用整体模型进行计算，模拟结果能反应出加固工程的应力变形规律；在固定防渗墙以外的其它材料参数的前提下，利用主河床3个坝段模型，分别采用邓肯E-B模型、本课题组的多重势面模型、线弹性模型的一组计算结果作为“实测值”，运用自适应改进方法分别对防渗墙材料参数进行了反演分析。结果表明适应度函数设计的可行性和遗传算法改进的有效性。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 防渗墙施工过程数值模拟概述
• 1.3 遗传算法及其在工程反分析中的应用
• 1.3.1 遗传算法优缺点
• 1.3.2 改进遗传算法概述
• 1.3.3 遗传算法在工程反分析中的应用
• 1.4 选题背景
• 1.5 本文主要工作
• 第二章 三维稳定渗流有限元分析
• 2.1 三维稳定渗流有限元计算原理
• 2.1.1 基本方程式和有限元法计算公式
• 2.1.2 变分有限元原理
• 2.2 渗出面的确定
• 2.2.1 边界结点水头判别法
• 2.2.2 边界单元流量判别法
• 2.2.3 可能渗出面等效结点流量判别法
• 2.3 自由面的求解方法
• 2.3.1 变网格法
• 2.3.2 固定网格法
• 2.4 渗流量的计算
• 2.4.1 面积分法
• 2.4.2 等效结点流量法
• 2.5 程序设计与程序框架图
• 2.5.1 程序说明
• 2.5.2 程序框架图
• 2.6 实例分析
• 2.6.1 水闸有压渗流分析
• 2.6.2 砂槽模型试验
• 2.7 本章小结
• 第三章 防渗墙应力与变形三维非线性有限元分析
• 3.1 本构模型
• 3.1.1 实体单元本构模型
• 3.1.2 接触面单元模型
• 3.2 位移模式及形函数
• 3.3 整体平衡方程及解法
• 3.3.1 整体平衡方程
• 3.3.2 中点增量法
• 3.4 程序框架图
• 3.5 防渗墙施工过程模拟
• 3.5.1 填方
• 3.5.2 挖方、泥浆固壁和墙体填筑的数值模拟
• 3.7 本章小结
• 第四章 遗传算法及其改进
• 4.1 遗传算法的基本流程
• 4.2 遗传算法的基本实现
• 4.2.1 编码与解码
• 4.2.2 初始种群的生成
• 4.2.3 适应度函数
• 4.2.4 选择
• 4.2.5 交叉
• 4.2.6 突变
• 4.2.7 收敛准则及终止条件
• 4.3 遗传算法的非自适应改进
• 4.3.1 程序框架调整
• 4.3.2 共享小生镜技术
• 4.3.3 精英复制
• 4.3.4 最佳保留机制
• 4.3.5 单多点交叉相结合
• 4.3.6 初始染色体基因赋“0”
• 4.4 非自适应改进程序框架
• 4.5 非自适应改进算法的验证
• 4.5.1 验证函数
• 4.5.2 非自适应改进的效果验证
• 4.6 遗传算法的自适应改进
• 4.6.1 种群规模的自适应调整
• 4.6.2 交叉率、变异率的自适应调整
• 4.7 自适应改进程序框架
• 4.8 自适应改进算法验证
• 4.9 本章小结
• 第五章 工程实例分析
• 5.1 工程概况
• 5.2 墙体施工模拟分析
• 5.2.1 渗流分析
• 5.2.2 施工模拟分析
• 5.3 反演思路与方法
• 5.3.1 坝段分析与整体分析
• 5.3.2 本构模型的影响
• 5.3.3 本构模型的选择
• 5.3.4 灵敏度分析方法
• 5.3.5 适应度函数与终止条件
• 5.4 邓肯 E-B 模型参数反演分析
• 5.5 多重势面模型参数反演分析
• 5.6 线弹性模型参数反演分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 研究成果及结论
• 6.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历