岩土力学 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (10): 3022-3030.doi: 10.16285/j.rsm.2023.0209

• 岩土工程研究 • 上一篇    下一篇

基于生物地理优化的人工神经网络模型预测 软土的固结系数

王才进1,武猛1,杨洋2,蔡国军1, 3,刘松玉1,何欢1,常建新1   

  1. 1. 东南大学 岩土工程研究所,江苏 南京 211189;2. 江苏省交通工程建设局,江苏 南京 210004; 3. 安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥 230601
  • 收稿日期:2023-02-21 接受日期:2023-04-03 出版日期:2023-10-13 发布日期:2023-10-16
  • 通讯作者: 蔡国军,男,1977年生,博士,教授,主要从事原位测试和环境岩土方面的研究。E-mail: focuscai@163.com E-mail:wangcaijin@seu.edu.cn
  • 作者简介:王才进,男,1995年生,博士研究生,主要从事原位测试和热传导方面的研究。
  • 基金资助:
    国家杰出青年科学基金(No.42225206);国家自然科学基金(No.41877231,No.42072299,No.52008098);江苏省自然科学基金(No.BK20200405);江苏省交通运输科技项目(No.7921004042B)。

Prediction of consolidation coefficient of soft soil using an artificial neural network models with biogeography-based optimization

WANG Cai-jin1, WU Meng1, YANG Yang2, CAI Guo-jun1, 3, LIU Song-yu1, HE Huan1, CHANG Jian-xin1   

  1. 1. Institute of Geotechnical Engineering, Southeast University, Nanjing, Jiangsu 211189, China; 2. Jiangsu Province Transportation Engineering Construction Bureau, Nanjing, Jiangsu 210004, China; 3. School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei, Anhui 230601, China
  • Received:2023-02-21 Accepted:2023-04-03 Online:2023-10-13 Published:2023-10-16
  • Supported by:
    This work was supported by the National Science Fund for Distinguished Young Scholars(42225206), the National Natural Science Foundation of China (41877231, 42072299, 52008098), the Jiangsu Province Natural Science Fund (BK20200405) and the Project of Jiangsu Province Transportation Engineering Construction Bureau (7921004042B).

摘要:

软土固结系数Cv是岩土工程结构设计中的重要参数,测试固结系数需要花费大量的时间和成本。基于生物地理学优化算法(biogeographical optimization algorithm,BBO)来改进人工神经网络(artificial neural network,ANN)模型,使用生物地理优化的人工神经网络(ANN-BBO)模型对软土固结系数进行计算。基于连淮高速公路改扩建项目的路基软土数据对计算模型进行了训练和测试。通过相关系数矩阵和主成分分析对软土的11个物理力学参数进行了统计分析,确定了7个参数作为计算模型的输入参数,并对计算模型进行了训练和测试;模型通过相关系数、均方根误差和方差比进行检验,并对误差进行了统计分析;采用蒙特卡罗模拟对计算模型的鲁棒性进行了分析。结果表明:ANN-BBO模型可以用于估计软土的固结系数,相关系数R2 = 0.947 1,均方根误差RMSE = 0.165 7×103 cm2/s,方差比VAF = 94.54%;ANN-BBO模型预测精度明显优于ANN模型;ANN-BBO模型的鲁棒性比ANN模型更好。

关键词: 软土, 固结系数, 人工神经网络, 主成分分析, 鲁棒性

Abstract:

The consolidation coefficient Cv of soft soil is an important parameter in geotechnical engineering. The artificial neural network (ANN) model is improved with the biogeography-based optimization algorithm (BBO). And the artificial neural network with biogeography-based optimization (ANN-BBO) model, trained and tested by using the subgrade soft soil data of the reconstruction and expansion project of Lianyungang–Huai’an expressway, has been adopted to calculate the soft soil consolidation coefficient. Using the correlation coefficient matrix and principal component analysis, eleven physical and mechanical parameters were statistically analyzed, seven of which were identified as input parameters of calculation model which was then trained and tested. The model was tested by correlation coefficient, root mean square error, and variance ratio, whose robustness was analyzed by using Monte Carlo simulation. The results show that the ANN-BBO model can be used to calculate the consolidation coefficient of soft soil, the correlation coefficient 2 = 0.947 1, the root mean square error RMSE = 0.165 7×10−3 cm2/s, and the variance ratio VAF = 94.54%. The ANN–BBO model has significantly higher prediction accuracy and better robustness, compared with the ANN model.

Key words: soft soil, consolidation coefficient, artificial neural network, principal component analysis, robustness

中图分类号: 

  • TU447
[1] 应宏伟, 闫旭政, 周建, 龚晓南, 王阳扬, 韩华超, 侯靖. 堤坝软土碎石桩复合地基计算参数研究[J]. 岩土力学, 2023, 44(增刊): 669-677.
[2] 王奕霖, 李飒, 段贵娟, 李怀亮, 赵福臣. 深海超软土动剪切模量与阻尼比特性研究[J]. 岩土力学, 2023, 44(11): 3261-3271.
[3] 虞洪, 陈晓斌, 易利琴, 邱俊, 顾正浩, 赵辉, . 软土修正剑桥模型参数反演及其应用研究[J]. 岩土力学, 2023, 44(11): 3318-3326.
[4] 史蓝天, 李传勋, 杨洋. 变荷载下考虑井阻随时空变化的竖井地基固结解[J]. 岩土力学, 2023, 44(1): 183-192.
[5] 张志伟, 李忠超, 梁荣柱, 于东东, 梁东睿, 王理想, 吴文兵. 软土地层矩形顶管掘进引起地表隆沉变形分析[J]. 岩土力学, 2022, 43(S1): 419-430.
[6] 董福瑞, 王述红, 侯钦宽. 基于主成分分析的多参数岩体结构面 优势分组方法研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(9): 2457-2470.
[7] 邓涛, 许杰, 郑嘉勇, 郑路. 深厚软土中抗滑桩的修正悬臂桩计算方法[J]. 岩土力学, 2022, 43(5): 1299-1305.
[8] 韩逸冬, 邓岳保, 曹光形, 朱瑶宏, 姚燕明, . 考虑循环变温的软土热固结模型[J]. 岩土力学, 2022, 43(10): 2768-2776.
[9] 李长辉, 武航, 程国勇, 陈宇, 金敏, 常雷, . 不同排水板真空预压软土加固对比试验研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(10): 2819-2827.
[10] 仇超, 李传勋, 李红军, . 单级等速加载下高压缩性软土 非线性大应变固结解析解[J]. 岩土力学, 2021, 42(8): 2195-2206.
[11] 鲁泰山, 刘松玉, 蔡国军, 吴恺, 夏文俊, . 软土地层基坑开挖扰动及土体再压缩变形研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(2): 565-573.
[12] 汪云龙, 王进, 袁晓铭, 马佳钧, . 管状地下结构对软土场地浅埋筏式基础震陷影响规律模拟研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(12): 3485-3496.
[13] 胡静, 唐跃, 张家康, 邓涛. 高速列车荷载作用下饱和软土地基动力响应研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(11): 3169-3181.
[14] 岳建勇. 地铁交通引起的建筑物振动实测与数值模拟分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(8): 2756-2764.
[15] 姚宏波, 李冰河, 童磊, 刘兴旺, 陈卫林. 考虑空间效应的软土隧道上方卸荷变形分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(7): 2453-2460.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 樊恒辉,孔令伟,李洪良,卢雪清,尹培杰. 马家树水库大坝防渗土料分散性判别和改性试验[J]. , 2010, 31(1): 193 -198 .
[2] 王明年,陈炜韬,刘大刚,童建军. 公路隧道岩质和土质围岩统一亚级分级标准研究[J]. , 2010, 31(2): 547 -552 .
[3] 谭捍华,傅鹤林. TDR技术在公路边坡监测中的应用试验[J]. , 2010, 31(4): 1331 -1336 .
[4] 毛 宁,张尧亮. 经验公式简便求法典型实例[J]. , 2010, 31(9): 2978 -2982 .
[5] 余天堂. 模拟三维裂纹问题的扩展有限元法[J]. , 2010, 31(10): 3280 -3285 .
[6] 祝 磊,洪宝宁. 粉状煤系土的物理力学特性[J]. , 2009, 30(5): 1317 -1322 .
[7] 孙长帅,杨海巍,徐光黎. 岩石锚杆基础抗拔承载力计算方法探究[J]. , 2009, 30(S1): 75 -78 .
[8] 宋新江 ,徐海波 ,王永雷 ,王 伟 ,周爱兆 . 水泥土各向异性变形特性研究[J]. , 2012, 33(6): 1619 -1624 .
[9] 陈 菲 ,邓建辉 ,高明忠 ,王俤剀 ,蒙玉林 ,黄润太 . 丹巴县莫洛村滑坡的地质成因与稳定评价[J]. , 2012, 33(6): 1781 -1786 .
[10] 马 刚 ,周 伟 ,常晓林 ,周创兵 . 颗粒劣化效应的堆石料流变细观数值模拟[J]. , 2012, 33(S1): 257 -264 .