混沌和声搜索算法及其在土坡局部安全系数法中的应用

提出一种混沌和声算法来进行土坡局部安全系数法的计算。该算法利用混沌变量的随机、遍历特性在解空间内进行有效探索,同时采用基本和声算法中的和声策略对解空间进行开发,从产生的新解与原和声库内的解中选出较优秀的解重新进入和声库,这样不断迭代就构成了混沌和声搜索算法

岩石力学与工程学报 Vol.25 Supp.1

2006年2月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2006

第25卷 增1

混沌和声搜索算法及其在土坡 局部安全系数法中的应用

李 亮，迟世春，林 皋

(大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

摘要：提出一种混沌和声算法来进行土坡局部安全系数法的计算。该算法利用混沌变量的随机、遍历特性在解空间内进行有效探索，同时采用基本和声算法中的和声策略对解空间进行开发，从产生的新解与原和声库内的解中选出较优秀的解重新进入和声库，这样不断迭代就构成了混沌和声搜索算法。将该新算法应用于局部安全系数法分析土坡渐进破坏的过程中，同基本和声搜索算法以及已有结果的比较证明，该算法简单易行，结果合理可靠，可以用于土坡稳定分析。

关键词：边坡工程；边坡稳定；安全系数；局部安全系数；和声搜索算法；混沌

中图分类号：P 642.22 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)增1–2763–07

CHAOS HARMONY SEARCH METHOD AND ITS APPLICATION TO

LOCAL FACTOR OF SAFETY METHOD FOR SOIL SLOPES

LI liang，CHI Shichun，LIN Gao

(State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning 116024，China)

Abstract：A new kind of chaos harmony search method is developed for the local factor of safety analysis of soil slopes. The new method utilizes the grandiosity and chaos parameters to explore the design space for better solutions. In addition，the harmony procedure used in basic harmony search method is also used to exploit the design space. The equivalent number of better solutions are introduced into the harmony memory. The method proceeds until the maximum iterating time is equal to the pre-specified value. The chaos harmony search method is applied to the progressive failure analysis of soil slopes using local factor of safety. The comparisons of the computed results with those obtained by basic harmony search method and those from published literatures suggest that the proposed method is applicable to soil slope stability analysis.

Key words：slope engineering；slope stability；factor of safety；local factor of safety；harmony search method；chaos

1 引 言

自从潘家铮教授提出边坡稳定分析的极值原理以来，边坡稳定分析的实质被理解为一个极大中的

收稿日期：2005–05–31；修回日期：2005–08–05

极小双重优化问题[1]。以前由于计算机等条件的限制，很少有学者直接利用优化方法研究土坡稳定分析，而仅仅是在边坡临界滑动面的搜索中涉及到优化方法。国内沈珠江[2]提出了局部安全系数方法求解边坡稳定分析的思路，但是没有涉及到具体的优

作者简介：李 亮(1977–)，男，博士，2000年毕业于武汉水利电力大学水利水电建筑工程专业，主要从事土工建筑物的优化计算与分析方面的研究工作。E-mail：liangli14@

提出一种混沌和声算法来进行土坡局部安全系数法的计算。该算法利用混沌变量的随机、遍历特性在解空间内进行有效探索,同时采用基本和声算法中的和声策略对解空间进行开发,从产生的新解与原和声库内的解中选出较优秀的解重新进入和声库,这样不断迭代就构成了混沌和声搜索算法

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化方法。梧 松和郑荣跃[3]根据沈珠江的思路，利用双层复形法对一简单土坡进行了局部安全系数法的求解。国外的一些学者[4

～7]

都曾对局部安全系数法

进行过研究，也均没有涉及到优化方法。目前，随着计算机技术的飞速发展，特别是新型优化算法的不断涌现，直接利用优化方法求解土坡稳定性已成为可能。本文拟结合新出现的和声搜索算法以及混沌变量的遍历特性来构建简单、有效的混沌和声搜索算法，并用它进行局部安全系数法的计算。

2 局部安全系数法

对于如图1所示的可能滑动面Y=(xA，yA；x1，

y1；L；xn 1，yn 1；xB，yB)，可用n段直线近似模

拟。其第i个典型土条的受力情况如图2所示。

图1 滑动面及条分示意图 Fig.1 Schematic slip surface and slices

ii

图2 典型土条受力分析 Fig.2 Forces acting on typical slice

其中，Wi，Qi分别为土条自重和水平方向外力，di为Qi到条底中心点的垂直距离，CL之间的距离为Hi+1，

GD之间的距离为Hi，Ei，Ti分别为第i 1条块与第i条块之间的法向力和剪切力；Ei+1，Ti+1分别为第i条块与第i+1条块之间的法向力和剪切力；

hi为Ei的作用点到点D的距离，hi+1为Ei+1的作用点到点L的距离，bi为土条宽度，αi为土条底面的

倾角；Ni，Si，Ui分别为条底的法向力、剪切力及孔隙水压力。

第i条块的局部安全系数定义为

FNtan i+ci

i=i

S (1) i

滑动面整体的抗滑稳定安全系数定义为

n

i

tan i+ci

F∑N

i=1

s=

(2)

∑n

S

i

i=1

式中：ci为第i土条底部的黏聚力总和。若假设条块间剪切力与法向力满足如下关系：

Ti=λi(Eitan v+cv)(i=1，2，L，n 1) (3)

式中：λi为强度发挥系数，λi∈[0，1]； v为条块间土层的平均摩擦角；cv为条块间土层的总黏聚力。此外，若假设n 1个土条条底法向力的作用点位于各自条底中点，第1个或最后1个土条条底法向力的作用点由静力平衡条件确定，这样可将h1， h2， L，hn 1， λ1，λ2， L，λn 1视为优化变量，利用

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