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

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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
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