岩土力学 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (S1): 415-423.doi: 10.16285/j.rsm.2023.0570

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

基于高斯过程回归的岩石抗剪强度参数不确定性估测

张化进1,吴顺川2,李兵磊1,赵宇松1   

  1. 1. 福州大学 紫金地质与矿业学院,福建 福州 350108;2. 昆明理工大学 国土资源工程学院,云南 昆明 650093
  • 收稿日期:2023-05-08 接受日期:2023-07-16 出版日期:2024-09-18 发布日期:2024-09-20
  • 通讯作者: 李兵磊,男,1982年生,博士,副教授,主要从事采矿工程和岩体力学等方面的教学与科研工作。E-mail: libinglei@fzu.edu.cn
  • 作者简介:张化进,男,1996年生,博士,讲师,主要从事岩石力学和边坡稳定性等方面的教学与科研工作。E-mail: zhanghuajin@fzu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No.51934003);云南省创新团队资助项目(No.202105AE160023)。

Uncertainty estimation of rock shear strength parameters based on Gaussian process regression

ZHANG Hua-jin1, WU Shun-chuan2, LI Bing-lei1, ZHAO Yu-song1   

  1. 1. Zijin School of Geology and Mining, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350108, China; 2. Faculty of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan 650093, China
  • Received:2023-05-08 Accepted:2023-07-16 Online:2024-09-18 Published:2024-09-20
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (51934003) and the Program of Yunnan Innovation Team (202105AE160023).

摘要: 为克服以往岩石抗剪强度参数估测方法无法反映并量化其不确定性的问题,提出一种基于高斯过程回归(Gaussian process regression,GPR)的岩石抗剪强度参数不确定性估测方法,实现具有概率意义的不确定性分析。基于岩石强度参数数据集,利用高斯过程理论建立不同核函数下岩石单轴抗压强度(uniaxial compressive strength,UCS)和抗拉强度(uniaxial tensile strength,UTS)与抗剪强度参数的映射关系。通过最大化对数边缘似然函数优化GPR模型超参数,然后根据预测效果与不确定性程度,确定合适的核函数及其GPR模型。结果表明,在给定UCS和UTS数据下,建议采用Matérn核函数构建黏聚力GPR模型,采用有理二次核函数构建内摩擦角GPR模型。对比传统机器学习方法,GPR方法不仅可准确地预测岩石抗剪强度参数,还给出了预测结果的不确定性程度,具有较强的科学性和可解释性,证明了GPR模型的可行性与有效性。

关键词: 岩石, 抗剪强度参数, 高斯过程回归, 不确定性分析, 核函数

Abstract: To address the issue of previous methods for estimating rock shear strength parameters lacking the ability to reflect and quantify uncertainties, a rock shear strength parameter uncertainty estimation method based on Gaussian process regression (GPR) is proposed for conducting probabilistic uncertainty analysis. Utilizing the rock strength parameter dataset, Gaussian process theory is employed to establish the mapping relationship between rock uniaxial compressive strength (UCS) and tensile strength (UTS) with shear strength parameters using various kernel functions. Through maximizing the logarithmic marginal likelihood function, the hyperparameter of the GPR model is optimized, and then the appropriate kernel function and GPR model are determined according to the prediction effect and uncertainty degree. The results indicate that under given UCS and UTS data, it is advisable to utilize the Matérn kernel function for developing the cohesion GPR model and the rational quadratic kernel function for constructing the internal friction angle GPR model. Compared with conventional machine learning methods, the GPR method not only provides accurate predictions of rock shear strength parameters but also offers insights into the degree of prediction uncertainty, demonstrating strong scientific validity and interpretability, thereby validating the feasibility and efficacy of the GPR model.

Key words: rock, shear strength parameters, Gaussian process regression, uncertainty analysis, kernel function

中图分类号: TU45
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