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系統識別號 U0002-0908200510241700
中文論文名稱 基因演算法應用於衝擊性撓度儀回算之研究
英文論文名稱 Backcalculation For FWD Deflections of Pavements Using Genetic Algorithm
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 93
學期 2
出版年 94
研究生中文姓名 江克培
研究生英文姓名 Ke-Pei Jiang
學號 691310329
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2005-06-09
論文頁數 110頁
口試委員 指導教授-張德文
委員-李英豪
委員-李永鍵
委員-胡光復
中文關鍵字 動態回算  基因遺傳演算法  初始族群  突變率 
英文關鍵字 dynamic backcalculation  genetic algorithm  initialization population  mutation 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 傳統的試驗數據回算一般多以靜態方式完成,但由實務及研究經驗顯示,靜態回算無法有效地模擬動態試驗,更無法穩定的處理觀測數據,致使撓度法於鋪面工程中之運用常止於觀摩與比較,肇於此,本研究使用格林柔度方程式解模擬鋪面動態應力波行為,並結合基因遺傳演算法發展動態回算分析,以擴充撓度法試驗的應用範圍。研究另蒐集國內落重儀現地試驗,以迭代法、資料庫法、基因遺傳算法和MODULUS回算程式所得與實驗室試驗數據比較,確定各項分析法之可信度。

研究結果顯示,以動態正算程式配合基因遺傳演算法,在理論回算或是現地實驗值的模擬中,動態程式均能較傳統回算程式更有效地掌握現地狀況。本研究針對撓度法中之衝擊試驗-落重撓度儀進行模擬,發展出配合該試驗法的動態回算程式DBFWD-GA,研究中並對基因演算因子進行影響分析,結果指出回算時間會隨族群數量和世代數增加而倍增,當初始族群為140﹝四層結構﹞,突變率為0.1時,其回算結果最佳。其回算彈性模數值和撓度值控制均方根誤差小於2%,對於判斷鋪面結構強弱應有初步成效。動力回算結果雖近似,但與靜力回算和實驗室數據仍有出入,且同一鋪面構造回算結果差異紊雜,其應用仍有必要再探究。


英文摘要 Conventional data interpretation of the deflection test on pavements is mostly accomplished using the static analysis. However according to the practice and the study experiences, the static analysis could not accurately model the dynamic testing and stably handle the predictions. The deflection test needs to be analyzed carefully in order to provide reliable information of the pavements. This study uses the dynamic Green’s functions to model the stress waves propagating along the pavements. The Genetic Algorithms (GA) is incorporated with the program to develop the dynamic backcalculation analysis of the Falling Weight Deflectometer (FWD) test. In-situ deflection data of the FWD test were collected and analyzed. Comparison and validation were carried for dynamic backcalculation programs using the iterative, data bank and this method with the static backcalculation program MODULUS. The laboratory results were also used for comparisons.

Results of this study indicate that the dynamic backcalculation can reflect the pavement structure more truthfully than the static conventional analysis. A dynamic backcalculation program UTFWD-GA is thus suggested to evaluate the pavements for the FWD test. According to the parametric studies, the backcalculation time would increase with the number of populations and generations. The optimized results could be found for the GA method of the four layered flexible pavement structures, where the initialization populations is 140, and mutation is 0.1. The associated RMS errors of the moduli and the deflections were found less than 2%. Although the dynamic backcalculation results were found agreeable with each other, they would be different from static backcalculation and lab data. Nevertheless, the predictions on the same road were varied at different sections. The applications need to be restudied carefully.
論文目次 目 錄
目錄 ………………………………………………………………… Ⅰ
表目錄 ……………………………………………………………… Ⅳ
圖目錄 ……………………………………………………………… Ⅵ
第一章 緒論
1-1 研究緣起 ………………….…………………………………… 1
1-2 研究目的 ……………………………………………………… 2
1-3 研究方法與內容 ……………………………………………… 3
1-4 研究流程 ……………………………………………………… 3
第二章 文獻回顧
2-1 非破壞性撓度試驗種類 ………………………………………. 5
2-1-1 靜力撓度試驗 ………….………………….………….…… 8
2-1-2 穩態動力撓度試驗 ………….……………………….……. 8
2-1-3 衝擊動力撓度試驗 ………….……………………….……. 10
2-1-4 波傳遞試驗………….………………….……………….…. 10
2-2 落重撓度儀〈FWD〉之特性 …………………………………… 11
2-2-1岩盤影響 ……………………………………………….…… 12
2-2-2非線性影響 ……………………………………….………… 15
2-3 非破壞性撓度法之演譯模式 ……….……………….………. 16
2-3-1 撓度指標法 .……………….…………….………….….. 18
2-3-2應力分析法 …………….……..………..…….………… 29
2-3-2-1 基本理論 ……………………………………………..… 29
2-3-2-2 鋪面系統正算程式簡介 ……………………………..… 31
2-3-2-3 鋪面系統回算程式簡介 ……………………………….… 33
2-4近代回算技巧之發展………………………………………….… 38
2-4-1最佳化回算技巧…………………………………………….. 38
2-4-2迴歸分析與類神經網路運用……………………………….. 39
2-4-3基因演算法之應用 ………………………………….……… 39
第三章 回算基礎與假設
3-1動態理論基礎………………………………………………….… 41
3-2動態正算程式UTFWD簡介……………………………….…….… 44
3-3基因遺傳演算法的源由 …………………………….………... 45
3-3-1 基因遺傳演算法則 ……………………………….…… 46
3-3-2 基因遺傳演算法基本原理 …………………………….… 47
3-3-2-1 基因編碼 ………………………….……………………. 47
3-3-2-2 初始群組 …………………………………………...... 48
3-3-2-3 適應度函數 ………………………………………….…. 49
3-3-2-4 基因演算因子 ………………………………………..… 49
3-3-2-5 演化終止條件 ………………………………………..… 52
3-3-3 基因遺傳演算法的特性 ……………………….……….… 53
3-4回算程式DBFWD-GA的建構………………………………………. 54
3-4-1 鋪面結構資料………………………………………………. 55
3-5 鋪面材料參數設定 ……………………………….……….…. 56
3-6 回算程式之迭帶限定 ……………………………….….……. 58
3-7 理論回算影響因子分析 ……………………………..………. 59
3-7-1 族群數量 ……………………………………….……….… 59
3-7-2 世代數 ……………………………………………………… 59
3-7-3 突變率 ……………………………………………………… 60
3-8 因子影響討論 …………………………………………….... 60
第四章 回算實例分析與比較
4-1 衝擊試驗撓度實例分析 ………………………………………. 62
4-1-1 中山高衝擊試驗撓度實測資料 …………………………. 62
4-1-2 縣道110衝擊試驗撓度實測資料 ………………………… 73
第五章 結論與建議
5-1 結論 ……………………………………………………………. 81
5-2 建議 …………………………………………….……………… 82
參考文獻 …………………………………………………………… 83
附錄A 四層結構理論回算…………………………………………. 93
附錄B 三層結構理論回算................................. 96
附錄C 基因演算因子程式碼 …..……………………….….….. 99

表 目 錄
表2-1 動態非破壞性試驗之適用性 ………………………...….. 6
表2-2 常見撓度調查儀器比較表 ……………………….....….. 7
表2-3 非破壞性撓度法評估舖面強度比較表 ………………….. 17
表2-4 撓度指標評估鋪面強度 ………………………………….. 19
表2-5 動力撓度儀試驗評估鋪面強度 ………………………….. 20
表2-6 道路評審儀試驗評估鋪面強度 …………………….……. 20
表2-7 北二高鋪面穩態動力正規化撓度指標評估表 ……….…. 21
表2-8 中山高鋪面穩態動力正規化撓度指標評估表 .…………. 22
表2-9 省道鋪面穩態動力正規化撓度指標評估表 …………….. 23
表2-10北二高鋪面衝擊正規化撓度指標評估表(等接受器間距). 24
表2-11中山高鋪面衝擊正規化撓度指標評估表(等接受器間距). 25
表2-12省道鋪面衝擊正規化撓度指標評估表(等接受器間距). 26
表2-13北二高鋪面衝擊正規化撓度指標評估表 (不等接受器間距) 27
表2-14中山高鋪面衝擊正規化撓度指標評估表 (不等接受器間距) 28
表2-15多層彈性理論發展之常用程式 …………………….……. 32
表2-16常用回算程式理論架構一覽表 …………………….……. 37
表2-17遺傳基因演算法特定參數設定表 ………………….…… . 40
表3-1 四層柔性鋪面結構含地瀝青處理底層資料表(中山高) 55
表3-2 四層柔性鋪面結構含地瀝青處理底層資料表(省 道) 56
表3-3 三層柔性鋪面結構含地瀝青處理底層資料表(市 道) 56
表3-4 國外專家學者建議之彈性模數值 ……………………..… 56
表3-5 國內專家學者建議之彈性模數值 ………………….…... 57
表3-6 國內外常用柏松比建議值 ………………………….…... 58
表3-7 建議使用之材料單位重 ………………………….………. 58
表3-8回算模數RMSE誤差整合表﹝四層鋪面﹞ ………...……… 61
表3-9回算模數RMSE誤差整合表﹝三層鋪面﹞ …..…..….…. 61
表4-1 中山高104~105段之南北雙向落重儀實測撓度值 ..….… 63
表4-2 中山高104~105段之南北雙向落重儀回算撓度值 ..….… 63
表4-3 中山高北上DBFWD、IDBAC、IDBAC- GA和MODULUS
回算模數比較表….……………………………………..….. 71
表4-4 中山高南下DBFWD、IDBAC和IDBAC- GA和MODULUS
回算模數比較表…..…………………………...………….. 72
表4-5 縣道110線0k+000~ 1k+200段之落重儀實測撓度值….….. 74
表4-6 縣道110線0k+000~ 1k+200段之落重儀回算撓度值.….…. 75
表4-7 縣道110線DBFWD、IDBAC和IDBAC- GA和MODULUS
回算模數比較表 …………………..…….………………… 79
表4-8 縣道110線面層和路基回算模數值與實驗值比較……...… 80

圖 目 錄
圖1-1 研究流程圖 …………………………………...…………. 4
圖2-1 動力撓度儀示意圖 …………………..………………….. 9
圖2-2 表面波頻譜分析法示意圖 ……………………..…….... 11
圖2-3 動力撓度儀四種鋪面岩盤深度與撓度比關係圖.…...…. 14
圖2-4 土壤之非線性剪應變特性圖 ………………………….... 15
圖3-1 UTFWD程式流程圖 ………………………….……………… 45
圖3-2 遺傳演算流程圖 ………………………………….…..…. 47
圖3-3 單點式交配圖 ………………………………………….... 50
圖3-4 兩點式交配圖 ………………………………………….... 51
圖3-5 字罩式交配圖 ………………………………………….... 51
圖3-6 突變示意圖 …………………………………………….... 52
圖3-7 回算程式流程圖……………………….………….……... 54
圖4-1 中山高實測撓度﹝北﹞……………………………………… 64
圖4-2 中山高回算撓度﹝北﹞……………………………………… 64
圖4-3 中山高實測撓度﹝南﹞……………………………………… 65
圖4-4 中山高回算撓度﹝南﹞……………………………………… 65
圖4-5 中山高落重儀面層回算模數圖(104k~105k北上)....… 66
圖4-6 中山高落重儀底層回算模數圖(104k~105k北上)….... 67
圖4-7 中山高落重儀基層回算模數圖(104k~105k北上)….... 67
圖4-8 中山高落重儀路基回算模數圖(104k~105k北上)….... 68
圖4-9 中山高落重儀面層回算模數圖(104k~105k南下)….... 68
圖4-10 中山高落重儀底層回算模數圖(104k~105k南下)……. 69
圖4-11 中山高落重儀基層回算模數圖(104k~105k南下)……. 69
圖4-12 中山高落重儀路基回算模數圖(104k~105k南下)……. 70
圖4-13 縣道實測撓度.……..…………………….……………… 76
圖4-14 縣道回算撓度.……..…………………….……………… 76
圖4-15 縣道110落重儀面層回算模數 ………………………... 77
圖4-16 縣道110落重儀底層回算模數 ………………………... 77
圖4-17 縣道110落重儀基層回算模數 ………………………... 78
圖4-18 縣道110落重儀路基回算模數 ………………………... 78

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