岩土力学 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (1): 289-302.doi: 10.16285/j.rsm.2024.0344

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基于深度学习的岩石短长期本构模型及灰砂岩变形预测

张瑨1,李书恒1,朱其志1,石玲玲1,邵建富1, 2   

  1. 1.河海大学 土木与交通学院,江苏 南京 210024;2.里尔大学,法国 里尔
  • 收稿日期:2024-03-22 接受日期:2024-07-08 出版日期:2025-01-10 发布日期:2025-01-04
  • 通讯作者: 朱其志,男,1979年生,博士,教授,主要从事岩石多尺度建模和数值模拟方法方面的研究,E-mail: qizhi_zhu@163.com
  • 作者简介:张瑨,男,1990年生,博士,副教授,主要从事岩土材料本构理论和人工智能算法方面的研究,E-mail: chelseazhangjin@163.com
  • 基金资助:
    中央高校基本科研业务费专项资金资助(No.B230201059)。

Short- and long-term rock constitutive model and gray sandstone deformation prediction based on deep learning method

ZHANG Jin1, LI Shu-heng1, ZHU Qi-zhi1, SHI Ling-ling1, SHAO Jian-fu1, 2   

  1. 1. College of Civil Engineering and Transportation, Hohai University, Nanjing, Jiangsu 210024, China; 2. University of Lille, Lille, France
  • Received:2024-03-22 Accepted:2024-07-08 Online:2025-01-10 Published:2025-01-04
  • Supported by:
    This work was supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (B230201059).

摘要: 岩石的短期和长期力学性能和变形特性对工程长期稳定与安全有着重要的影响。传统的本构模型难以统一描述不同岩石材料的短长期力学特性,而基于深度学习方法的理论可在不引入其他弹塑性参数以及本构规律的情况下预测不同岩石的力学特性。长短期记忆(long short-term mernory,简称LSTM)深度学习算法适用于处理具有时间序列的数据任务,用于预测岩石短长期力学特性具有显著优势。通过引入LSTM算法,分别根据三轴压缩加载路径和应力松弛随时间变化的规律构建序列数据,建立了灰砂岩在常规三轴压缩以及应力松弛下的力学特性预测模型。与试验数据进行对比,可以证明基于深度学习的岩石短长期力学预测本构模型的准确性。为进一步提升模型工程应用价值,将LSTM本构模型嵌入到有限元法(finite element method,简称FEM)框架中进行数值实现,并应用于灰砂岩变形特性的模拟。对比结果表明,LSTM-FEM方法具有较好地预测岩石短长期变形特性的能力。

关键词: 短长期力学特性, 长短期记忆, 本构关系, 有限元法

Abstract: The short and long-term mechanical properties and deformation characteristics of rocks significantly impact the engineering project’s long-term stability and safety. Traditional constitutive models struggle to uniformly describe the short- and long-term mechanical properties of various rock materials. In contrast, deep learning methods can predict these properties without additional elastic or plastic parameters and constitutive laws. The long short-term memory (LSTM) deep learning algorithm is well-suited for time series data tasks and excels in predicting the short- and long-term mechanical properties of rocks. This study utilized the LSTM algorithm to construct sequence data based on the triaxial compression loading path and stress relaxation over time. A prediction model for the mechanical properties of gray sandstone under conventional triaxial compression and stress relaxation was established. Comparison with experimental data validates the accuracy of the deep learning-based short- and long-term rock mechanical prediction model. To enhance the model’s engineering application value, the LSTM constitutive model was embedded into the finite element (FEM) framework for numerical implementation and applied to gray sandstone simulation. The comparison results show that the LSTM-FEM method better predicts the short- and long-term deformation characteristics of rocks.

Key words: short- and long-term mechanical properties, long short term memory, constitutive relation, finite element method

中图分类号: TU 413
[1] 李晓照, 闫怀蔚, 李连杰, 戚承志. 预拉脆性岩石动态直接拉伸断裂的宏细观力学模型[J]. 岩土力学, 2025, 46(S1): 217-227.
[2] 张宪成, 池宝涛, 于先泽, 郭前建, 袁伟, 张耀明, . 面向近场有限元法的非结构网格划分及其断裂损伤分析[J]. 岩土力学, 2025, 46(S1): 467-476.
[3] 张弛, 邓龙传, 庄欠伟, 李晓昭, 王秋平, 乔梁, . 基于试验和数值模拟的滚刀旋转破岩受力和效率研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(9): 2995-3006.
[4] 陈灯红, 张心瀚, 刘云辉, 胡昊文, 刘云龙, 梁羽翔, . 基于八叉树比例边界有限元法的高拱坝-不规则地基-库水系统非线性地震响应分析[J]. 岩土力学, 2025, 46(8): 2586-2599.
[5] 潘泓, 许嘉显, 骆冠勇, 彭斯格, 曹洪, . 三维有限元中奇异点源的简化分析方法[J]. 岩土力学, 2024, 45(8): 2483-2491.
[6] 孙锐, 阳军生, 张庆贺, 杨峰, . 基于网格自适应加密策略的隧道稳定性三维极限分析下限有限元法研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(4): 1256-1264.
[7] 毛佳, 余健坤, 邵琳玉, 赵兰浩. 三维可变形圆化多面体离散单元法[J]. 岩土力学, 2024, 45(3): 908-916.
[8] 王刚, 邓泽之, 金伟, 张建民, . 潜蚀的局部守恒有限元和有限体积交替解法[J]. 岩土力学, 2024, 45(3): 917-926.
[9] THENDAR Yoshua, LIM Aswin. 考虑地下连续墙接缝的深基坑RFD系统研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(12): 3717-3727.
[10] 冯嵩, 郑颖人, 高红, . 岩土常规三轴Drucker-Prager准则[J]. 岩土力学, 2024, 45(10): 2919-2928.
[11] 朱彬, 裴华富, 杨庆, 卢萌盟, 王涛, . 基于随机有限元法的波致海床响应概率分析[J]. 岩土力学, 2023, 44(5): 1545-1556.
[12] 李艳朋, 李志远, 胡志强, 林皋, . 基于改进比例边界有限元法的成层场地中峡 谷−地下孔洞体系的散射分析[J]. 岩土力学, 2022, 43(S2): 553-562.
[13] 原鹏博, 朱磊, 钟秀梅, 董兰凤, 谌文武, . 酶诱导碳酸钙沉淀加固遗址土动力特性试验研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(12): 3385-3392.
[14] 程坦, 郭保华, 孙杰豪, 田世轩, 孙崇轩, 陈岩, . 非规则砂岩节理剪切变形本构关系试验研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(1): 51-64.
[15] 李波波, 王忠晖, 任崇鸿, 张尧, 许江, 李建华, . 水-力耦合下煤岩力学特性及损伤本构模型研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(2): 315-323.
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