Бул изилдөөдөгү Жакшыртылган Киттерди Оптималдаштыруу Алгоритмине (Improved Whale Optimisation Algorithm, IWOA) негизделген чектүү элементтик тескери талдоо жумшак топурактагы жол негизинин өлчөнгөн чөгүү жүрүм-турумунан улам топурак моделинин механикалык жана сойлоо параметрлерин тескери аныктап, ошол параметрлер менен узак мөөнөттүү деформацияны эсептеген моделдөө ыкмасы болуп саналат. Изилдөөчүлөр MATLAB аркылуу IWOA менен Abaqus чектүү элементтер моделин бириктирип, топурактын жүк алдындагы пластикалык жүрүм-турумун жана убакытка көз каранды сойлоосун бирге карашкан. Тескери чечүүдө серпилгичтик модулу, Пуассон коэффициенти, сызыктуу агуу бетинин жантайыш параметри, баштапкы агуу чыңалуусу жана үч сойлоо параметри болуп, жалпысынан жети өзгөрмө бааланган.
Автожол модели 0,69 m асфальт жабуусунан, 4 m үймө топурактан, 0,5 m кум жаздыкчасынан жана 19,5 m жумшак чопо катмарынан турат. Жер астындагы суунун деңгээли жер бетинен 1 m төмөн деп кабыл алынган, чектүү элементтик тордун өлчөмү 0,75–1 m аралыгында тандалган жана курулуш маалында үч чекиттен деформация көзөмөлдөнгөн. Курулуштун 210-күнүндөгү өлчөөлөр тескери талдоодо колдонулган ылайыктуулук функциясын түзүүгө киргизилген.
IWOA булакта 16 классикалык benchmark функциясында жана дагы алты оптималдаштыруу алгоритми менен салыштырылган. Реалдуу инженердик колдонмодогу PSO–IWOA салыштыруусунда IWOAнын ылайыктуулук мааниси 38-итерацияда 2,5×10−5 деңгээлинде туруктуу абалга келген, ал эми стандарттуу Бөлүкчөлөр Үйүрүн Оптималдаштыруу (PSO) 75-итерацияда 4,7×10−2 маанисине жакындаган. Тескери талдоо менен эсептелген чөгүү ийри сызыгы долбоордук параметрлерден алынган чечимге салыштырмалуу өлчөнгөн талаа жүрүм-турумуна жакыныраак дал келген. Узак мөөнөттүү сандык болжолдо жабуунун чөгүүсү 10 жылдын аягында 10 cm чегинен төмөн калаары, ал эми борбор менен жол четинин ортосундагы дифференциалдык чөгүү болжол менен 5 жыл ичинде туруктуу болуп, болжол менен 16 mm деңгээлинде калаары маалымдалган. Бул 10 жылдык маанилер түздөн-түз 10 жылдык талаа өлчөөсү эмес, калибрленген моделдин болжолу экендиги өзгөчө сакталууга тийиш.
Жумшак топуракта жолдун чөгүүсү эмне үчүн татаал инженердик маселе?
Жумшак топурактын үстүнө үймө жана жабуу курулганда, топурак баштапкы жүктөө учурунда гана деформацияланбайт. Серпилгич жана пластикалык деформациядан тышкары, туруктуу же узакка созулган чыңалуу астында деформация убакыт өткөн сайын уланышы мүмкүн. Убакытка көз каранды бул курамдык бөлүк сойлоо деп аталат. Жол жаңы бүткөндө кабыл алына тургандай көрүнгөн деформациянын бөлүштүрүлүшү айлар жана жылдар өткөн сайын өзгөрүшү мүмкүн. Ошондуктан кыска мөөнөттүү серпилгич же пластикалык жүрүм-турумду гана чагылдырган модель узак кызмат мөөнөтүндөгү жалпы чөгүүнү толук эмес баалашы мүмкүн.
Топурактын Сойлоосу Узак Мөөнөттүү Жол Чөгүүсү Үчүн Эмне Үчүн Маанилүү?
Топурактын сойлоосу жүк өзгөрбөсө да деформациянын убакыт өткөн сайын уланышына алып келгендиктен, жол негизинин узак мөөнөттүү чөгүүсүн эсептөөдө маанилүү. Каралган моделде сойлоо эске алынганда, жол бүтөр заматкы тик жылыш талаасы менен 10 жылдан кийинки талаа кыйла айырмаланат; демек узак мөөнөттүү болжолду бир гана көз ирмемдик деформацияга таянып жүргүзүүгө болбойт.
Булактын 3-сүрөтүндө жол негизинин бүтөр заматкы тик жылыш контурлары менен 10 жылдан кийинки контурлар салыштырылган. Эки учурда тең эң чоң чөгүү жол кесилишинин орто бөлүгүндө топтолуп, убакыт өткөн сайын сойлоонун таасири айкыныраак болуп барат. Бул жыйынтык моделдин убакытка көз каранды бөлүгү инженердик чечмелөөдө негизги орунда экенин көрсөтөт.
Сандык жол кесилиши
| Катмар / шарт | Булакта берилген маани | Моделдеги ролу |
|---|---|---|
| Асфальт жабуусу | 0,69 m | Жолдун үстүңкү жабуу катмары |
| Үймө | 4 m | Жумшак топуракка берилген үстүңкү конструкция жүгүнүн негизги курамдык бөлүгү |
| Кум жаздыкчасы | 0,5 m | Үймө менен астындагы жумшак топурактын ортосундагы катмар |
| Төмөнкү жумшак чопо катмары | 19,5 m | Узак мөөнөттүү чөгүү эсептелген негизги топурак чөйрөсү |
| Жер астындагы суунун деңгээли | Жер бетинен 1 m төмөн | Топурак моделинин гидрогеологиялык шарты |
| Үймө/жабуу эңкейишинин катышы | 1:1,5 | Модель геометриясынын эңкейиш шарты |
| Деформацияны көзөмөлдөө чекити | 3 даана | Курулуш учурунда негиздин деформациясын көзөмөлдөө |
| Чектүү элементтик тордун өлчөмү | 0,75–1 m | Сандык дискреттештирүү масштабы |
Булак тексти төмөнкү катмарды “silty clay” деп атаса, түпнуска 1-сүрөттүн легендасында “muddy clay” деген сөз айкашы колдонулат. Бул терминологиялык айырма булакта түшүндүрүлбөгөндүктөн, бул жерде жасалма теңдештирүү жүргүзүлгөн жок; моделдин сандык катмар калыңдыгы болгон 19,5 m мааниси сакталды.
Drucker–Prager негизиндеги чыңалуу модели
Изилдөөнүн метод бөлүмүнүн башында Modified Drucker–Prager Cap Model деген аталыш берилсе, чыңалуу абалы боюнча бөлүмчөдө колдонулган теңдеме linear Drucker–Prager yield criterion hardening model деп аныкталат. Булак бул аталыштардын ортосундагы байланышты өзүнчө түшүндүрбөгөндүктөн, төмөнкү туюнтма булакта берилген чыңалуу теңдемесинин математикалык түзүлүшүн түздөн-түз көрсөтөт.
\[ \sigma_1-\sigma_3+ \frac{\tan\beta}{2+\frac{1}{3}\tan\beta} (\sigma_1+\sigma_3) - \frac{1-\frac{1}{3}\tan\beta} {1+\frac{1}{6}\tan\beta} \sigma_c^0=0 \]
Бул жерде \(\sigma_1\) жана \(\sigma_3\) башкы чыңалуулар. \(\beta\) сызыктуу агуу бетинин жантайышы менен байланышкан параметр. Булак ошондой эле төмөнкү катыштарды берет:
\[ \tan\beta=\frac{6\sin\varphi}{3-\sin\varphi} \]
\[ \sigma_c^0=\frac{2c\cos\varphi}{1-\sin\varphi} \]
\(\varphi\) ички сүрүлүү бурчун, \(c\) когезияны жана \(\sigma_c^0\) баштапкы агуу чыңалуусун билдирет. Ошентип, топурак бир гана серпилгич материал катары эмес, чыңалуу абалы белгилүү бир агуу шартына жеткенде пластикалык жүрүм-турум көрсөтө алган чөйрө катары көрсөтүлөт.
Убакытка көз каранды сойлоо мыйзамы
Abaqus моделинде убакыт боюнча катууланган даражалык мыйзамга негизделген сойлоо катышы колдонулган:
\[ \dot{\varepsilon}^{cr} = A(\bar{\sigma}^{cr})^n t^m \]
\(\dot{\varepsilon}^{cr}\) эквиваленттүү сойлоо салыштырма деформациясынын ылдамдыгы; \(\bar{\sigma}^{cr}\) эквиваленттүү сойлоо чыңалуусун, \(t\) убакытты, \(n\) чыңалуунун сойлоого даражалык таасирин, \(m\) убакытка көз карандылыкты жана \(A\) топурактын курамы жана түзүлүшү менен байланышкан сойлоо параметрин билдирет. Булак \(A\) үчүн өзүнчө физикалык бирдик бербегендиктен, бул жерде бирдик чыгарылган да, ойлоп табылган да жок.
Убакыт боюнча интегралдоонун жыйынтыгында булак төмөнкү катышты колдонот:
\[ \varepsilon= \frac{A}{m+1} (\bar{\sigma}^{cr})^n t^{m+1} \]
Бул теңдемеде \(\varepsilon\) — \(t\) убактысындагы жалпы сойлоо салыштырма деформациясы. Логарифмдик түрү болсо:
\[ \ln\varepsilon= \ln\left(\frac{A}{m+1}\right) +n\ln\bar{\sigma}^{cr} +(m+1)\ln t \]
түрүндө берилет. Булак \(m+1\) мааниси 0 менен 1дин ортосунда экенин, демек \(m\) параметри −1 менен 0дун ортосунда болушу керектигин билдирет. Бул математикалык түзүлүш чыңалуунун таасирин \(n\) даражасы, ал эми убакыттын таасирин \(m+1\) даражасы аркылуу өз-өзүнчө көрсөтүүгө мүмкүндүк берет.
IWOA Менен Чектүү Элементтик Тескери Талдоо Эмнени Чечет?
IWOA менен чектүү элементтик тескери талдоо белгисиз топурак параметрлерин долбоордук божомолдор менен гана тандоонун ордуна, өлчөнгөн жол негизи деформациясы менен чектүү элементтик модель эсептеген деформациянын дал келүүсүн жакшырта турган параметрлер жыйындысын издейт. Изилдөөдө үч өлчөө чекитинен алынган талаа чөгүү маалыматы ылайыктуулук функциясына киргизилип, IWOA бул функцияны оптималдаштыруу аркылуу топурактын жети параметрин тескери чечүү менен аныктаган.
Бул ыкмада оптималдаштыруу алгоритми топурактын физикасын алмаштырбайт. Топурактын жүрүм-туруму Abaqus ичиндеги чектүү элементтик жана сойлоо модели менен эсептелет; IWOAнын милдети моделдин кайсы параметрлер менен өлчөнгөн деформацияга жакшыраак дал келерин изилдөө. MATLAB эки эсептөө катмарынын ортосундагы байланышты түзүү үчүн колдонулган.
| Параметр | Издөө аралыгы | Түшүндүрмө |
|---|---|---|
| Серпилгичтик модулу \(E\) | 3000–5000 kPa | Топурактын серпилгич катуулугу |
| Пуассон коэффициенти \(\mu\) | 0,2–0,4 | Каптал жана октук деформациялардын байланышы |
| Агуу бетинин жантайыш параметри \(\beta\) | 20–40 | Булак таблицасында өзүнчө бурч бирдиги көрсөтүлгөн эмес |
| Баштапкы агуу чыңалуусу \(\sigma_c^0\) | 30–80 kPa | Пластикалык агуудагы чыңалуу босогосу менен байланышкан параметр |
| Сойлоо параметри \(A\) | 1×10−6–2×10−6 | Сойлоо жүрүм-турумунун масштаб параметри |
| Сойлоо параметри \(m\) | −1–0 | Убакытка көз карандылыкты аныктаган даража |
| Сойлоо параметри \(n\) | 1–3 | Чыңалууга көз карандылыкты аныктаган даража |
WOA/IWOA эсебинде булак максималдуу итерациялар санын 150, популяция өлчөмүн 30 жана логарифмдик спирал формасынын туруктуусун 1 деп берет. Изилдөөнүн беш беттик негизги тексти “жакшыртылган” алгоритмге киргизилген бардык өзгөртүүлөрдү өзүнчө математикалык формулалар менен майда-чүйдөсүнө чейин бербейт; ыкманын жакшырганын benchmark жана инженердик колдонмонун жыйынтыктары аркылуу баалайт.
Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары
Оптималдаштыруу алгоритминин benchmark баалоосу
IWOAнын оптималдаштыруу жөндөмүн сыноо үчүн 16 классикалык тест функциясы колдонулган. Булак 30 жана 100 өлчөмдүү баалоолор, дагы алты жасалма интеллект/оптималдаштыруу алгоритми менен салыштыруу, орточо жана стандарттык четтөө маанилери жана 30 симуляциянын орточо жыйынтыктарына колдонулган Friedman тести жөнүндө айтат. Бирок негизги макаланын текстинде Friedman тестинин тест статистикасы же p-мааниси өзүнчө сандык жыйынтык катары берилген эмес; ошондуктан Verianla баяны мындай маанини жаратпайт.
IWOA жана PSOнун инженердик тескери чечүүдөгү жакындашуусу
| Көрсөткүч | IWOA | PSO |
|---|---|---|
| Ылайыктуулук мааниси туруктуу болгон итерация | 38 | 75 |
| Жакындашуудан кийинки билдирилген ылайыктуулук мааниси | 2,5×10−5 | 4,7×10−2 |
Бул салыштырууда төмөнүрөөк ылайыктуулук мааниси жана эртерээк туруктуулук IWOA каралган тескери чечүү маселеси үчүн PSOго караганда тезирээк жана өлчөө-максат дал келүүсү жагынан ийгиликтүүрөөк оптималдаштыруу жүргүзгөнүн көрсөтөт. Бул жыйынтык IWOA бардык мүмкүн болгон оптималдаштыруу маселелеринде сөзсүз артык экенин далилдебейт; бул булакта бааланган benchmark функциялары жана ушул жол негизи боюнча тескери чечүү үчүн билдирилген көрсөткүч.
Тескери чечүү параметрлери долбоордук параметрлерден кандай айырмаланды?
| Модель параметри | Тескери талдоонун жыйынтыгы | Долбоордук маани |
|---|---|---|
| Серпилгичтик модулу \(E\) | 4200 kPa | 3300 kPa |
| Пуассон коэффициенти \(\mu\) | 0,36 | 0,25 |
| Агуу бетинин жантайыш параметри \(\beta\) | 35,3 | 22 |
| Баштапкы агуу чыңалуусу \(\sigma_c^0\) | 57,0 kPa | 45 kPa |
| Сойлоо параметри \(A\) | 1,2×10−6 | 1,5×10−6 |
| Сойлоо параметри \(m\) | −0,99 | −0,95 |
| Сойлоо параметри \(n\) | 2,0 | 1,5 |
Таблица тескери чечүү баштапкы долбоордук параметрлерди жөн гана кайра колдонбогонун ачык көрсөтөт. Мисалы, серпилгичтик модулу 3300 kPa ордуна 4200 kPa, Пуассон коэффициенти 0,25 ордуна 0,36 жана баштапкы агуу чыңалуусу 45 kPa ордуна 57,0 kPa болуп табылган. Мунун илимий мааниси — өлчөнгөн деформация жүрүм-турумуна эң жакшы дал келген модель параметрлери алдын ала долбоордук маанилерден айырмаланышы мүмкүн. Бирок бул маанилер “топурактын абсолюттук чыныгы касиеттери” деген тыянакка модель жана тескери чечүү белгисиздиктеринен көз карандысыз келүүгө болбойт.
Өлчөнгөн жана эсептелген чөгүүнү салыштыруу
Булактын 4-сүрөтү курулуш мезгилинде үч катарды салыштырат: долбоордук параметрлер менен эсептелген чөгүү, тескери чечүү параметрлери менен эсептелген чөгүү жана өлчөнгөн маани. Башында тенденциялар бири-бирине жакын болгону менен, убакыт өткөн сайын долбоордук параметрлер менен эсептелген катар өлчөнгөн жүрүм-турумдан көбүрөөк алыстайт. Тескери талдоонун жыйынтыгы болсо өлчөнгөн ийри сызыкка жакыныраак барат. Булактын ыкманын ишенимдүүлүгүнө байланыштуу негизги инженердик таянычы ушул салыштыруу.
График растр түрүндө берилгендиктен жана бардык убакыт чекиттеринин сандык чийки маанилери өзүнчө таблица катары жарыяланбагандыктан, бул ийри сызыктан пиксел окуп, жаңы жана жасалма тактыктагы убакыт катары түзүлгөн жок.
10 Жылдык Чөгүү Жыйынтыгы Талаа Өлчөөсүбү же Модель Болжолубу?
Изилдөөдөгү 10 жылдык чөгүү жыйынтыгы модель болжолу болуп саналат; изилдөө 10 жыл бою жүргүзүлгөн үзгүлтүксүз талаа мониторингин билдирбейт. Талаадагы деформация өлчөөлөрү модель параметрлерин тескери чечүүдө жана эсептелген жүрүм-турумду салыштырууда колдонулуп, кийинки жылдардагы чөгүү сойлоону камтыган чектүү элементтик модель менен болжолдонгон.
Узак мөөнөттүү тик деформация
3-сүрөттө жол негизи бүтөр заматкы абал менен 10 жылдан кийинки эсептелген тик жылыш талаалары салыштырылат. Булакка ылайык, контурлар болжол менен эллипстик бөлүштүрүүнү көрсөтүп, эң чоң чөгүү негиз бетинин орто бөлүгүндө пайда болот. Он жылдан кийинки бөлүштүрүүнүн алгачкы абалдан кыйла айырмаланышы сойлоо компонентинин узак мөөнөттүү чечүүгө тийгизген таасирин көрүнүктүү кылат.
5a-сүрөттө жабуунун борбору жол четине караганда көбүрөөк чөгөрү жана эки ийри сызык тең башында тез, андан кийин бара-бара жайлаган деформация жүрүм-турумун көрсөтөрү көрүнөт. Булак 10 жылдын аягында жабуунун чөгүүсү 10 cmден төмөн калганын жана муну колдонулган жол негизи долбоорлоо критерийине ылайык деп баалаганын билдирет.
5b-сүрөт борбор менен жол четинин чөгүүлөрүнүн айырмасынан эсептелген дифференциалдык чөгүүнүн өзгөрүү ылдамдыгы убакыт өткөн сайын азаярын көрсөтөт. Булак текстине ылайык, бул маани жол бүткөндөн болжол менен 5 жыл өткөндөн кийин туруктуу болуп, болжол менен 16 mm деңгээлинде калат.
Изилдөө колдогон жана колдобогон чечмелөөлөр
| Изилдөө колдойт | Изилдөө өзү гана колдобойт |
|---|---|
| IWOA менен жүргүзүлгөн тескери талдоо каралган маселеде стандарттуу PSOго караганда тезирээк жакындап, төмөнүрөөк ылайыктуулук маанисине жеткенин. | IWOA бардык оптималдаштыруу маселелеринде ар бир алгоритмден артык экенин. |
| Тескери чечүү параметрлери менен эсептелген деформация өлчөнгөн курулуш мезгилиндеги жүрүм-турум менен күчтүү дал келгенин. | Модель көз карандысыз тышкы маалымат топтомунда же ар кандай бардык топурак түрлөрүндө ошол эле тактыкта иштей турганы далилденгенин. |
| Сойлоону эске алуу узак мөөнөттүү жумшак топурак чөгүүсү үчүн маанилүү экенин. | Ар бир жумшак топурактуу жол үчүн бирдей сойлоо параметрлери жарактуу экенин. |
| Каралган модель үчүн 10 жылдык чөгүү болжол менен 10 cm чегинде/андан төмөн калаары эсептелгенин. | 10 жылдык маани түздөн-түз 10 жылдык талаа байкоосу менен тастыкталганын. |
| Дифференциалдык чөгүү моделде болжол менен 5 жылдан кийин болжол менен 16 mm деңгээлинде туруктуу болгонун. | Башка жол геометриялары, климаттар же топурак профилдери үчүн ошол эле маани жарактуу экенин. |
Булактын жыйынтык бөлүмүндө жакшыртылган алгоритм “эң чыгым-эффективдүү” деп да мүнөздөлөт. Бирок негизги макалада өзүнчө экономикалык чыгым эсеби, акча бирдиги, эсептөө чыгымынын модели же чыгымдарды салыштыруу таблицасы берилбегендиктен, бул сөз айкашы бул жерде сандык түрдө тастыкталган экономикалык жыйынтыкка айландырылган жок.
Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү
| Түпнуска аталыш | A reliable model for predicting the settling of soft soil subgrade to ensure highway safety |
|---|---|
| Авторлор | Serges Mendomo Meye; Paul F. Nguema; Michelle P.T. Fomeza; Serge E. Awono |
| Жооптуу автор | Serges Mendomo Meye |
| Мекеме 1 | Higher Institute of Agriculture, Forestry, Water Resources, and Environment, University of Ebolowa, Ebolowa, Cameroon |
| Мекеме 2 | Laboratory of Hydraulics, Mechanics, and Materials, University of Ebolowa, Ebolowa, Cameroon |
| DOI | 10.17159/sajs.2026/19227 |
| Журнал | South African Journal of Science |
| Басма | Academy of Science of South Africa |
| Том / сан | 122 / 3–4 |
| Макаланын номери | 19227 |
| Макаланын түрү | Research Article |
| Келип түшкөн күнү | 20 Март 2025 |
| Кайра кароо | 8 Январь 2026 |
| Кабыл алуу | 31 Январь 2026 |
| Жарыялоо | 26 Март 2026 |
| Рецензиялоо | Рецензиядан өткөн |
| Лицензия | Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) |
| Каржылоо | Жок |
| Маалыматтын жеткиликтүүлүгү | Изилдөөнү колдогон маалыматтар макаланын ичинде экени айтылган; өзүнчө ачык маалымат топтому көрсөтүлгөн эмес. |
| Кошумча материал | Билдирилген эмес. |
| Кызыкчылыктардын кагылышы | Авторлор кызыкчылыктардын кагылышын билдиришкен эмес. |
| AI / LLM билдирүүсү | Авторлор AI же LLM колдонулганын билдиришкен эмес. |
Авторлордун салымы: Serges Mendomo Meye концептуалдаштыруу, методология, формалдуу талдоо, текшерүү, маалыматтарды курациялоо, алгачкы долбоор жана карап чыгуу/редакциялоо милдеттерин; Paul F. Nguema изилдөө, формалдуу талдоо, маалыматтарды курациялоо жана долбоорду башкарууну; Michelle P.T. Fomeza изилдөө, формалдуу талдоо, текшерүү, көзөмөл жана долбоордук жетекчиликти; Serge E. Awono методология, изилдөө, көзөмөл жана карап чыгуу/редакциялоону аткарган.
Методологиялык чечмелөө чеги: Изилдөө реалдуу автожол долбоорундагы деформация өлчөөлөрүн колдонгону менен, 10 жылдык жыйынтык түздөн-түз узак мөөнөттүү талаа мониторингинин маалыматы эмес. Тескери чечүүдө үч өлчөө чекити жана өзгөчө курулуштун 210-күнүндөгү өлчөөлөр колдонулган. PDF көз карандысыз окутуу/текшерүү бөлүнүшүн же башка автожолдо тышкы текшерүүнү аныктабайт. Мындан тышкары, 10 жылдык болжол үчүн ишеним аралыгы же ыктымалдык белгисиздик тилкеси билдирилген эмес. Ошондуктан жыйынтыктар каралган модель жана талаа шарттарынын алкагында чечмелениши керек.
График жана кайра өндүрүмдүүлүк жөнүндө эскертүү: Изилдөө маалыматтар макаланын ичинде экенин билдиргени менен, 4-сүрөт жана 5-сүрөттөгү бардык убакыт чекиттеринин чийки сандык маанилери өзүнчө маалымат таблицасы катары берилген эмес. Ошондуктан графиктердин растр сүрөтүнөн чекит-чекит маалымат чыгарып, булакта жок жасалма тактык түзүлбөшү керек. Параметр таблицалары, билдирилген жакындашуу маанилери жана текстте ачык берилген узак мөөнөттүү жыйынтыктар түздөн-түз кайра түзүлө алат.
Пикир калтырыңыз
E-mail дарегиңиз жарыяланбайт. Милдеттүү талаалар * менен белгиленген