论文题目: 青藏铁路冻土路基温度场随机有限元分析与变形可靠性研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 水文学及水资源
作者: 祁长青
导师: 施斌,吴青柏
关键词: 冻土路基,变形可靠性,随机有限元法,人工神经网络,响应面法,可靠度指标
文献来源: 南京大学
发表年度: 2005
论文摘要: 青藏铁路是我国西部开发中的重大工程,具有重大的政治、国防和经济意义。路基是铁路的基础,长期的实践表明青藏铁路的成败在于冻土路基问题,因此加强冻土路基变形可靠性的研究对减少路基病害、保证青藏铁路安全高效运行有重要意义。论文从冻土工程研究现状和冻土路基工程建设需要出发,在冻土路基热状况数值模拟的基础上,对路基变形预测和可靠性评价进行了比较系统的研究,取得了如下成果和创新:1、在分析冻土路基工程特点和回顾冻土工程研究成果的基础上,首次建立了冻土路基随机温度场模拟和变形可靠性评价系统,该系统可以综合考虑各种随机因素的影响,对冻土路基的可靠性进行概率评估,为客观和准确的评价青藏铁路冻土路基温度场和变形,指导和改进工程设计、施工和建设提供科学依据。2、引入随机场概念,利用数值方法对冻土路基热状况动态特征进行模拟研究,利用摄动随机有限元法,推导出了冻土路基温度场计算的随机有限元方程,并对青藏铁路北麓河试验段冻土路基随机温度场进行了计算。结果表明,外界环境的随机性是影响冻土路基地温波动的主导因素,随着深度的增加,环境温度的主导作用逐渐减弱,路基温度的标准差也逐渐减小,在一定的深度达到平均化。随着铁路运营时间的增长,路基下冻土的热敏感性增加,对热参数波动的反应变得强烈,冻土路基温度标准差明显增大,标准差在冻土路基下的分布范围也进一步扩大,将会严重影响路基可靠性。3、针对目前冻土路基变形计算上存在的困难,用BP-人工神经网络建立起了路基变形与地温、路基高度和上限之间的非线性映射,测试结果比较令人满意。对第30年的路基过程进行了预测,结果显示,神经网络可以相对精确的预测较长时间的路基变形量,预测结果能清晰的反映出路基的变形状况,即随着温度的降低路基的冻胀量加大,随着温度的升高路基的融沉量加大。4、首次采用可靠度指标和失效概率代替传统的安全系数来评价冻土路基变形的可靠性,根据可靠度指标的几何含义,建立了冻土路基可靠度指标求解的优化模型。可靠度指标的求解是一个约束优化问题,传统的计算方法十分复杂且效率较低,为此本文采用惩罚算子将约束问题转化为无约束问题,并利用遗传算法完成该优化问题的求解,使可靠度指标的求解更加精确和容易。5、对于冻土路基变形的功能函数无法明确表达的问题,论文中利用了响应面可靠度分析法,结合BP神经网络,建立了响应面函数以近似代替原来的功能函数,响应面函数在验算点附近可以较好的模拟真实的功能函数,不会降低可靠度分析的精度,从而很好的完成了冻土路基变形可靠度的计算。6、利用随机温度场的求解结果,对青藏北麓河段冻土路基运营后第30的变形可靠度进行了预测。结果表明,热参数的变异性越大,温度的标准差越大,路基的破坏概率增大,可靠性显著降低。因此为了提高冻土路基的可靠性,应降低环境随机性对路基温度场的影响,减少对多年冻土的热扰动,从而降低地温的标准差,提高冻土路基的稳定性。7、在冻土变形实测资料基础上,提出了冻土路基变形预测和评价模型,弥补了当前冻土路基工程以经验为主的设计原则带来的不足,使冻土路基的改良和加固工作更加定量化和科学化。
论文目录:
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 青藏铁路工程概况
1.2 冻土路基温度场及路基变形的研究意义
1.3 研究现状
1.4 论文的主要工作
第二章 冻土路基及其工程地质问题
2.1 冻土
2.1.1 冻土的概念
2.1.2 冻土的分类
2.1.3 多年冻土
2.2 多年冻土的冻融过程
2.3 青藏高原多年冻土地区的不良地质现象
2.3.1 冻胀丘和冰椎
2.3.2 融冻泥流和滑塌
2.3.3 热融湖塘与沼泽化湿地
2.3.4 冻胀
2.3.5 融沉
2.4 冻土路基的温度场
2.5 冻土路基的变形
第三章 冻土路基温度场随机有限元分析
3.1 概述
3.2 随机温度场的计算方法
3.3 随机场及其离散方法
3.3.1 随机场的概念
3.3.2 随机场的特征量
3.3.3 随机场的离散方法
3.4 路基温度场控制微分方程与定解条件
3.4.1 控制微分方程
3.4.2 定解条件
3.4.3 初始条件
3.5 冻土路基温度场随机有限元分析方法
3.6 青藏铁路北麓河试验段冻土路基随机温度场计算
3.6.1 程序的编制
3.6.2 应用实例
3.7 本章小结
第四章 神经网络在冻土路基变形预测中的应用
4.1 概述
4.2 人工神经网络简介
4.3 BP神经网络的学习和学习规则
4.3.1 正向传播
4.3.2 反向传播
4.3.3 记忆训练
4.3.4 学习收敛
4.4 BP网络的缺点及改进
4.5 基于神经网络的青藏铁路冻土路基变形预测
4.5.1 预测算法思想
4.5.2 样本的获取和处理
4.5.3 网络的拓扑结构
4.5.4 程序的编制
4.5.5 网络的学习、测试和预测
4.5.6 结果分析
4.6 本章小结
第五章 青藏铁路冻土路基变形可靠性分析
5.1 概述
5.2 工程可靠性理论简介
5.2.1 工程可靠性原理
5.2.2 可靠性理论的发展概况
5.2.3 极限状态和极限状态方程
5.2.4 可靠度指标和失效概率
5.2.5 可靠度指标的计算方法
5.3 可靠度计算的响应面法
5.3.1 响应面法简介
5.3.2 响应面函数的设计
5.3.3 响应面法在可靠度分析中的应用
5.4 青藏铁路冻土路基变形可靠度计算
5.4.1 程序的编制
5.4.2 应用实例
5.4.3 结论
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 全文总结
6.2 问题与展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间的主要科研成果
发布时间: 2008-01-03
参考文献
- [1].青藏铁路五道梁冻土路基稳定性评价方法研究[D]. 严学斌.北京交通大学2013
- [2].列车荷载和冻融循环作用下冻土路基稳定性研究[D]. 施烨辉.北京交通大学2011
- [3].青藏铁路列车行驶多年冻土场地路基振动反应与振陷预测[D]. 朱占元.哈尔滨工业大学2009
- [4].多年冻土区路基随机温度场及变形场分析模型研究[D]. 王涛.中国矿业大学2015
相关论文
- [1].青藏铁路运营期多年冻土区路基工程状态研究[D]. 李永强.兰州大学2008
- [2].多年冻土地区路基计算原理及临界高度研究[D]. 王铁行.长安大学2001
- [3].季节冻土水分迁移的机理及数值模拟[D]. 原国红.吉林大学2006
- [4].高原多年冻土区公路路基稳定及预测技术研究[D]. 汪双杰.东南大学2005
- [5].青藏铁路安多段多年冻土斜坡路基稳定性研究[D]. 沈宇鹏.北京交通大学2007