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      基于GCSF算法的邊坡穩(wěn)定性分析軟件設(shè)計(jì)

      2016-12-03 04:33:45嚴(yán)春
      科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年31期
      關(guān)鍵詞:邊坡穩(wěn)定性

      摘 要:邊坡穩(wěn)定性分析軟件是一款用于評(píng)估邊坡滑面的穩(wěn)定性、指導(dǎo)用戶進(jìn)行加固的專業(yè)分析軟件。軟件使用C#語(yǔ)言,利用Win Form桌面窗體技術(shù)配合GDI+繪圖技術(shù)開(kāi)發(fā)而成?,F(xiàn)已完成基礎(chǔ)功能的開(kāi)發(fā),用戶可將原始坡信息通過(guò)繪制、數(shù)值輸入或文本導(dǎo)入的方式輸入到軟件中,并通過(guò)直觀的2D圖形呈現(xiàn)出來(lái);利用全局臨界滑動(dòng)場(chǎng)(GCSF)的概念計(jì)算邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)并確定最危險(xiǎn)滑動(dòng)面;關(guān)于計(jì)算結(jié)果,用戶可查看滑面信息、滑塊信息,各類(lèi)曲線圖,多算法的結(jié)果對(duì)比,軟件可輸出專業(yè)分析報(bào)告。本軟件主要使用全局臨界滑動(dòng)場(chǎng)(GCSF)算法,配合其他邊坡穩(wěn)定性算法,能夠方便、快速、準(zhǔn)確地確定邊坡任意形狀的整體和局部臨界滑動(dòng)面位置和安全系數(shù),評(píng)價(jià)邊坡的整體與局部穩(wěn)定性,提供合理、可靠的計(jì)算結(jié)果。

      關(guān)鍵詞:邊坡穩(wěn)定性;全局臨界滑動(dòng)場(chǎng)(GCSF);極限平衡

      1 概述

      邊坡穩(wěn)定性分析是巖土工程中最老的問(wèn)題之一,也是在研究和實(shí)踐中最活躍的問(wèn)題之一。多年以來(lái),大量的學(xué)者曾經(jīng)提出了很多土坡穩(wěn)定性分析方法,己有很多土坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的計(jì)算方法和臨界滑動(dòng)面的搜索方法,并且?guī)讉€(gè)大型軟件分析已經(jīng)得到應(yīng)用,但是仍然存在不少的問(wèn)題。工程中最常用的假定形狀是圓弧形滑面,計(jì)算簡(jiǎn)單,但實(shí)際滑面很多不能用圓弧滑面近似,這時(shí)只能采用非圓弧滑面的計(jì)算方法。而同類(lèi)軟件雖然能快速搜索出任意形狀的滑動(dòng)面,但其并沒(méi)有將極限平衡條分法與最優(yōu)性原理有機(jī)結(jié)合,理論不夠嚴(yán)密,也無(wú)法顯示邊坡整體與局部穩(wěn)定性。

      邊坡(全局)臨界滑動(dòng)場(chǎng)法評(píng)價(jià)邊坡局部與整體穩(wěn)定性,是一種很有應(yīng)用前景的邊坡穩(wěn)定分析方法。這個(gè)方法的最基本核心思想是不直接找安全系數(shù)最小的滑動(dòng)面,而是找一定安全系數(shù)下剩余推力最大的滑動(dòng)面。邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)計(jì)算方法是將極限平衡條分法與最優(yōu)性原理有機(jī)結(jié)合具有理論嚴(yán)密、原理簡(jiǎn)單、計(jì)算準(zhǔn)確、適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn),能夠方便、快速、準(zhǔn)確地確定邊坡任意形狀的整體和局部臨界滑動(dòng)面位置和安全系數(shù)。文章所述的邊坡穩(wěn)定性分析軟件,實(shí)現(xiàn)了用全局臨界滑動(dòng)場(chǎng)法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算。

      2 軟件設(shè)計(jì)原理及算法介紹

      2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

      邊坡穩(wěn)定性分析系統(tǒng)軟件(簡(jiǎn)稱“CSF軟件”)是一款用于評(píng)估邊坡滑面的穩(wěn)定性、指導(dǎo)用戶進(jìn)行加固的專業(yè)分析軟件。CSF軟件對(duì)邊坡點(diǎn)上的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到每個(gè)采樣點(diǎn)的坐標(biāo)以及對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性安全系數(shù);并輸出最小的安全性系數(shù),同時(shí)處理出可能產(chǎn)生的滑坡的滑面,對(duì)外輸出組成滑面的坐標(biāo)信息。CSF軟件根據(jù)計(jì)算所得的安全性系數(shù),按照行業(yè)的不同,提示用戶是否需要進(jìn)行加固,并對(duì)用戶提出加固方式的建議。此外還可對(duì)加固后的滑面進(jìn)行再分析,保證加固方案的可靠性。

      CSF軟件基于.net framework開(kāi)發(fā),使用Win Form體系結(jié)構(gòu),利用GDI+技術(shù)實(shí)現(xiàn)自定義繪圖。該軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

      (1)本軟件封裝了獨(dú)立的圖形引擎,用戶可通過(guò)此引擎繪制邊坡圖形、呈現(xiàn)邊坡圖形信息、根據(jù)邊坡圖形得到計(jì)算參數(shù)、將計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)出來(lái)。

      (2)本軟件將算法模塊劃分為支持一個(gè)個(gè)獨(dú)立算法的插件模型,各個(gè)算法繼承于“基礎(chǔ)算法模型”后,獨(dú)立擴(kuò)展自身的計(jì)算方法及參數(shù)。

      (3)業(yè)務(wù)處理邏輯層處理了圖形、表單、算法的級(jí)聯(lián)關(guān)系,提供統(tǒng)一的全局靜態(tài)參數(shù)集合,方便各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)用。用戶只需完成簡(jiǎn)單的界面輸入及基本操作,及可得到對(duì)應(yīng)結(jié)果。例如:提供計(jì)算過(guò)程窗口顯示每條滑面的計(jì)算結(jié)果,而詳細(xì)計(jì)算過(guò)程對(duì)用戶隱藏。

      2.2 全局臨界滑動(dòng)場(chǎng)算法(GCSF)概述

      邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)基本的核心思想:一定安全系數(shù)下找剩余推力最大的滑面,通過(guò)剖析條間力遞推公式發(fā)現(xiàn)條件間推力遵循推力最大原理,該原理在數(shù)學(xué)上與動(dòng)態(tài)規(guī)劃法的最優(yōu)原理一致,而且求剩余推力最大的過(guò)程是滿足過(guò)程無(wú)后效性的多階段過(guò)程;最后以推力最大原理為基礎(chǔ),提出模擬邊坡邊界滑動(dòng)場(chǎng)的數(shù)值方法。

      如果某出口的剩余推力為負(fù)值,說(shuō)明該出口實(shí)際安全系數(shù)高于設(shè)定安全系數(shù),如果剩余推力為正值,則該出口實(shí)際安全系數(shù)低于設(shè)定安全系數(shù)。最大的剩余推力為零,這個(gè)安全系數(shù)便是邊坡整體最小安全系數(shù),極大剩余推力最大且為零的危險(xiǎn)滑動(dòng)面就是邊坡臨界滑動(dòng)面,此時(shí)的滑動(dòng)場(chǎng)定義為邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)(簡(jiǎn)稱CSF)。

      2.3 全局臨界滑動(dòng)場(chǎng)算法(GCSF)實(shí)現(xiàn)

      對(duì)于每一個(gè)出口,總存在一個(gè)局部臨界滑動(dòng)面(最危險(xiǎn)滑動(dòng)面)使它在極小安全系數(shù)下的極大剩余推力為零。求解某出口的局部危險(xiǎn)滑動(dòng)面,只須先求解出該出口剩余推力為零的危險(xiǎn)滑動(dòng)場(chǎng)。所有出口的局部臨界滑動(dòng)面(要求全部求出)組成的場(chǎng)定義為全局臨界滑動(dòng)場(chǎng)。

      計(jì)算第一個(gè)出口的局部臨界滑動(dòng)場(chǎng)與CSF相似,計(jì)算下一個(gè)出口的局部臨界滑動(dòng)場(chǎng)可以前次的局部臨界滑動(dòng)場(chǎng)為初始滑動(dòng)場(chǎng),依次向內(nèi)計(jì)算每個(gè)出口,迭代3到5次,構(gòu)成GCSF。

      注意點(diǎn):CSF是以最大的剩余推力等于零為目標(biāo)求出邊坡整體臨界狀態(tài)下的安全系數(shù),GCSF依次從每個(gè)出口出發(fā),使其對(duì)應(yīng)的剩余推力均等于零。

      前一步計(jì)算得到的值作為后一個(gè)計(jì)算的設(shè)定值,迭代次數(shù)一般不超過(guò)5次。每步都只要計(jì)算一次DSF(次危險(xiǎn)滑動(dòng)場(chǎng))。

      3 功能實(shí)現(xiàn)

      本軟件提供文本導(dǎo)入、圖形繪制、表單輸入,這三種輸入邊坡信息的方式,便于用戶上手使用;一個(gè)邊坡草圖,可以建立最多十個(gè)分析文件,運(yùn)用不同的算法進(jìn)行計(jì)算,并可將結(jié)果集進(jìn)行比較;計(jì)算前提供檢驗(yàn)功能,便于用戶在計(jì)算前對(duì)邊坡信息進(jìn)行修改確認(rèn);計(jì)算結(jié)果以主圖顯示、條塊信息彈框、滑面信息彈框、曲線對(duì)比圖、多分析文件對(duì)比圖、導(dǎo)出報(bào)告等多種形式呈現(xiàn),讓用戶全面的觀察及分析邊坡穩(wěn)定性參數(shù),輔助穩(wěn)定性結(jié)論的歸納。具體功能介紹如下。

      3.1 繪坡及計(jì)算

      (1)新建一個(gè)工程例圖:畫(huà)坡面線,并完成行地層分割。

      (2)給地層分配材質(zhì):配置地層具體參數(shù)值,用戶根據(jù)需要自行更改。然后通過(guò)右側(cè)“參數(shù)設(shè)置-地層”一欄,給每一層附參數(shù),即更改對(duì)應(yīng)材質(zhì)一列的選值。

      (3)選擇分析方法:選中“分析文件”,如圖3中A標(biāo)注。在“參數(shù)設(shè)置”的“基本”選項(xiàng)卡中,進(jìn)行參數(shù)的配置。

      (4)檢驗(yàn):在“計(jì)算”之前可以先進(jìn)行校驗(yàn),看是否滿足計(jì)算條件。也可以直接點(diǎn)擊“單分析文件計(jì)算”按鈕,或菜單“分析”中“單分析文件計(jì)算”完成計(jì)算。多個(gè)分析文件可選擇所有分析文件同時(shí)計(jì)算,太多可能速度會(huì)慢些。

      (5)計(jì)算:計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

      3.2 查看計(jì)算結(jié)果信息

      (1)查看危險(xiǎn)滑面對(duì)應(yīng)的條塊信息。(如圖4)

      (2)查看對(duì)應(yīng)的所有滑面信息。

      (3)查看相關(guān)曲線圖。

      4 結(jié)束語(yǔ)

      本軟件是江蘇三恒科技股份有限公司巖土事業(yè)部與合肥工業(yè)大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)。這是市場(chǎng)上首款提供臨界滑動(dòng)場(chǎng)算法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性的軟件,為填補(bǔ)邊坡工程行業(yè)的空缺,更好的分析及計(jì)算邊坡穩(wěn)定性。在合工大專家的指導(dǎo)下,本軟件算法部分已測(cè)試無(wú)誤,可以運(yùn)用于實(shí)際場(chǎng)景。本軟件今年6月完成驗(yàn)收,投入試用,用戶反饋良好。

      參考文獻(xiàn)

      [1]朱大勇,姚兆明.邊坡工程[M].2014,10.

      [2]朱大勇.臨界滑動(dòng)場(chǎng)及其數(shù)值模擬[D].1997,1.

      [3]王成華,夏緒勇.邊坡穩(wěn)定分析中的臨界滑動(dòng)面搜索方法述評(píng)[D].2002,9.

      [4]鄭阿奇.VisualC++.NET程序設(shè)計(jì)教程[M].2005.

      [5]李春雨.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及實(shí)用編程技術(shù)[M].2009,1.

      [6]孫燮華.數(shù)字圖像處理——VisualC#.NET編程與實(shí)驗(yàn)[M].2010,9.

      作者簡(jiǎn)介:嚴(yán)春(1963-),男,江蘇常州人,本科,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)槊旱V井下傳感器、數(shù)據(jù)采集分站及安全監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)等。

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