基于遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的巖土參數(shù)優(yōu)化反分析

侯林波

(南寧市財政局工程項目專項管理科，南寧 530022)

基于遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的巖土參數(shù)優(yōu)化反分析

侯林波

(南寧市財政局工程項目專項管理科，南寧 530022)

由于地下工程巖土力學(xué)參數(shù)的復(fù)雜性，在實際工程設(shè)計和施工中，要想得到比較準(zhǔn)確的巖土力學(xué)參數(shù)是比較困難的，而巖土參數(shù)對地下工程的設(shè)計和施工的成敗具有很重要的意義。本文利用遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法結(jié)合數(shù)值模擬試驗對地下工程巖土力學(xué)參數(shù)進行優(yōu)化反分析，并取得了良好的效果。

地下工程；巖土力學(xué)參數(shù)；遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

在地下工程中，由于巖土結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，巖土力學(xué)參數(shù)與巖土位移之間的關(guān)系很難用顯式數(shù)學(xué)表達式來描述，所以采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立起巖體力學(xué)參數(shù)與巖體位移之間的映射關(guān)系之后，對于任一組給定的巖體力學(xué)參數(shù)，可以通過網(wǎng)絡(luò)的推廣預(yù)測能力求出其相應(yīng)的位移值，然后應(yīng)用遺傳算法結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對巖體力學(xué)參數(shù)進行搜索尋優(yōu)。

1 基于遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GA-ANN)巖土力學(xué)參數(shù)優(yōu)化反分析原理[1]

基于GA-ANN巖土參數(shù)反分析步驟如下：

(l)確定目標(biāo)函數(shù)。本文采用的目標(biāo)函數(shù)為：

(1.1)

(2)通過正交試驗設(shè)計方法[2]設(shè)計試驗方案，利用數(shù)值計算軟件輸出參數(shù)取相應(yīng)輸入?yún)?shù)的計算值；

(3)進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，同時采用遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，搜索最佳的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，建立反分析參數(shù)與目標(biāo)函數(shù)之間的非線性映射；

(4)采用均勻設(shè)計法構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測試樣本，測試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測能力；

(5)對遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行初始化設(shè)置，確定待反分析的巖體力學(xué)參數(shù)的取值范圍；

(6)在待反分析參數(shù)的取值范圍內(nèi)，隨機地產(chǎn)生一組規(guī)模為N的初始網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)群體，每個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)個體是一條用二進制代碼表示的染色體；

(7)將群體中每個個體的取值輸入己經(jīng)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測其位移值，計算位移值的預(yù)測誤差(適應(yīng)度)；

(8)如果適應(yīng)度滿足精度要求，則認(rèn)為找到了最優(yōu)解，停止計算，輸出參數(shù)值和預(yù)測位移值。如果適應(yīng)度不滿足要求，則進行參數(shù)取值的遺傳進化操作，對每一參數(shù)取值的染色體進行復(fù)制、交叉、變異等遺傳操作，產(chǎn)生新一子代可能的參數(shù)取值群體；

(9)重復(fù)進行步驟(7)、(8)，直至找到了最合理的參數(shù)值。

基于GA-ANN的參數(shù)反分析流程如圖1。

圖1 GA-ANN優(yōu)化反分析流程圖

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

南京緯三路過江通道工程北岸工作井設(shè)計里程為SUK3+527.999～SUK3+553.000，基坑平面尺寸約為40m×40m，開挖深約8m。

(1)工程地質(zhì)情況：

經(jīng)現(xiàn)場鉆探揭露，結(jié)合室內(nèi)土工試驗成果分析，場地內(nèi)地基巖土體可分為：

①雜填土：層厚2.90～6.00m，灰色，松散。主要成分為粘性土，含碎石，生活垃圾等雜物。部分鉆孔內(nèi)含淤泥質(zhì)土，呈塑-軟塑狀態(tài)，本層分布普遍。

②粉質(zhì)粘土：層厚1.50～4.00m，黃褐色，灰褐色?？伤?硬塑狀態(tài)。

③粉土：層厚0.80～7.00m，黃色、灰黃色，飽和、稍密狀態(tài)。具微層理，夾少量粉細(xì)砂。

④細(xì)砂：層厚9.10～13.20m，黃色、灰黃色，飽和、中密狀態(tài)。砂以粉細(xì)砂為主，含少量絹云母片。

(2)支護方案：

本工作井基坑四周為建筑物、重要道路，而且距離較近，無放坡條件，需采用剛度大、變形小的支護結(jié)構(gòu)以保證基坑順利開挖，根據(jù)場地地質(zhì)條件、基坑周邊環(huán)境情況以及技術(shù)條件，選擇排樁支護，樁徑1000mm，樁身長20m，采用C25混凝土，支護結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 基坑支護結(jié)構(gòu)及土層示意圖

本文利用有限差分軟件FLAC3D對該基坑工程進行開挖施工模擬，利用正交試驗設(shè)計和均勻?qū)嶒炘O(shè)計對力學(xué)參數(shù)和支護參數(shù)進行試驗，然后利用遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法對土體力學(xué)參數(shù)進行優(yōu)化反分析，以達到對基坑設(shè)計施工的指導(dǎo)。

2.2 計算模型

由于工作井基坑開挖尺寸為40m×40m，因此數(shù)值計算模型寬度以基坑中心線為基準(zhǔn)向后延伸75m，同時由于地表下20m 處為基巖且基巖與臨近土層的剛度差異較大，所以以基巖為模型的底邊界，選定模型高度為以地表水平線為基準(zhǔn)向下延伸20m，共劃分了70 400個單元。為了確保樁單元和網(wǎng)格相互作用和模擬的精確性，劃分樁為20個單元。屈服準(zhǔn)則選用能比較真實反映土體性質(zhì)的摩爾-庫侖準(zhǔn)則。計算模型沿x和z軸方向邊界條件為單向約束，模型底部為三向約束。基坑個測點布置圖和計算模型如圖3和圖4。當(dāng)基坑開挖完成后，各測點的實測位移值如表1。

表1 基坑開挖完成后測點實測最終位移值

圖3 測點布置圖

圖4 計算模型

根據(jù)該基坑工程的地質(zhì)勘查報告，由于影響基坑變形的力學(xué)參數(shù)有很多，但最主要力學(xué)參數(shù)是個土層的彈性模量E和泊松比μ，而像其它因素如粘聚力C、內(nèi)摩擦角φ等它們主要對基坑的強度有主要影響。彈性模量E是體現(xiàn)物體抵抗變形的能力的指標(biāo)，泊松比μ在材料力學(xué)里的定義是橫向變形與縱向變形的比值，因此這兩個變量對基坑變形起主導(dǎo)作用。而且在實際地質(zhì)勘查中，經(jīng)過多次勘測，像粘聚力C、內(nèi)摩擦角φ這樣的參數(shù)基本都能具有很好的代表性，因此在實際分析中，特別是在參數(shù)優(yōu)化反分析中把它們當(dāng)做固定值確定下來。

由于影響基坑變形的主要是土體的變形模量E和泊松比μ，且第二、第三層土的力學(xué)參數(shù)非常接近，因此在分析時將二、三層土合并為一層，在基坑開挖范圍內(nèi)，根據(jù)地質(zhì)條件其取值范圍為：第一層雜填土彈性模量E1=5～10Mpa，泊松比μ1=0.3～0.4；第二、第三層土彈性模量E2～3=25～35Mpa，泊松比μ2～3=0.25～0.35；本為采用正交試驗設(shè)計構(gòu)造學(xué)習(xí)樣本，均勻?qū)嶒炘O(shè)計構(gòu)造檢驗樣本，反分析參數(shù)共4個，即試驗因素為4個，每個因素取3個水平，參數(shù)水平表如表2。

采用正交試驗表L9(34)進行試驗，這樣共有9組正交試驗，然后利用FLAC3D軟件計算基坑各測點的位移之和，計算結(jié)果如表3。

表2 各參數(shù)水平劃分

2.3 基于GA-ANN的基坑巖土參數(shù)優(yōu)化反分析

通過上面對基坑巖土參數(shù)正交試驗的敏感性的分析可知，對基坑變形其主要作用的參數(shù)是E1、E2～3、μ2～3、μ1，因此利用位移優(yōu)化反分析法對基坑巖土參數(shù)進行優(yōu)化分析時，所選擇的巖土參數(shù)也就確定為E1、E2～3、μ2～3、μ1，也就是優(yōu)化反分析數(shù)學(xué)模型的設(shè)計變量?；贕A-ANN的基坑巖土參數(shù)優(yōu)化反分析步驟如下：

(1)確定優(yōu)化分析目標(biāo)函數(shù)，由于基坑巖土參數(shù)優(yōu)化反分析的評價指標(biāo)是基坑的位移變形，那么目標(biāo)函數(shù)可以按照(1.1)式確定；

(2)每個設(shè)計變量的取值范圍可以根據(jù)實際的勘測的大致范圍進行確定，在優(yōu)化反分析數(shù)學(xué)模型中這個實際的勘測范圍也就是約束條件；

(3)利用前面敏感性分析的9組正交試驗樣本作為學(xué)習(xí)訓(xùn)練樣本，4組均勻試驗樣本作為檢測樣本，通過遺傳算法對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化所得到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型為2個隱含層，每個隱含層的節(jié)點數(shù)分別為29和16。

為了檢驗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的學(xué)習(xí)訓(xùn)練效果，采用均勻?qū)嶒炘O(shè)計所得的試驗計算方案結(jié)果作為ANN模型的檢測樣本。采用均勻設(shè)計表U9(34)安排參數(shù)，從9組試驗數(shù)據(jù)中任意選擇4組試驗數(shù)據(jù)作為檢測數(shù)據(jù)樣本，輸入ANN模型后的預(yù)測結(jié)果與計算結(jié)果間的誤差見表4。

表3 正交試驗樣本數(shù)值計算結(jié)果

表4 ANN模型預(yù)測值和均勻試驗設(shè)計樣本計算值間的誤差

從表4中的檢驗誤差可以看出，ANN模型的預(yù)測值和均勻試驗樣本計算值間的相對誤差都小于5%，這說明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程達到了不錯的效果，預(yù)測精確度達到了95%以上。

(4)建立優(yōu)化反分析數(shù)學(xué)模型。模型的形式為：

min f(X)

s.t h(X)

式中：min——取最小值；

s.t ——表示滿足的約束條件；X——設(shè)計變量矩陣；

h(X)——為設(shè)計變量的取值范圍；

(5)根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，利用遺傳優(yōu)化算法對要優(yōu)化反分析的巖土參數(shù)E1、μ1、E2～3、μ2～3。根據(jù)施工中的實測位移值進行優(yōu)化分析，利用遺傳算法進行優(yōu)化搜索，并將數(shù)學(xué)模型表達式作為遺傳優(yōu)化算法的適應(yīng)值函數(shù)，以此來作為優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)。

通過以上分析，在進行基坑巖土參數(shù)優(yōu)化反分析的時候，設(shè)定遺傳算法的初始化參數(shù)選定為：種群N=60，變異概率Pm=0.3，交叉概率Pc=0.2，迭代步數(shù)選擇200步，將各測點最終的實測位移值輸入遺傳優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，通過對適應(yīng)度值的比較，得到優(yōu)化反分析后的基坑巖土力學(xué)參數(shù)見表5。

表5 GA-ANN優(yōu)化反分析得到的巖土力學(xué)參數(shù)

將反分析得到的參數(shù)采用FLAC3D進行位移計算，將計算得到的各測點的位移值與實測位移進行比較，比較結(jié)果如見表6。

表6 FLAC3D計算位移與測點實測位移比較

從表中可以看出，利用反演巖土力學(xué)參數(shù)得到的計算位移與實際測位移相對誤差最大為1.54%，最小為0.74%，精度在95%以上。這說明基于遺傳神經(jīng)網(wǎng)路(GA-ANN)方法反演巖土力學(xué)參數(shù)是可行的，能在實際應(yīng)用中達到很好的精度。

3 結(jié)論

本章主要介紹了地下工程巖土參數(shù)優(yōu)化反分析理論，并結(jié)合實際工程，利用正交試驗設(shè)計方法對基坑巖土力學(xué)參數(shù)進行了數(shù)值模擬計算分析，以及利用遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法對基坑巖土參數(shù)進行了優(yōu)化反分析，并且取得了良好的效果，因此可以在地下工程的實際設(shè)計和施工過程中進行運用推廣。

[1]李守巨.基于計算智能的巖土力學(xué)模型參數(shù)反演方法及工程應(yīng)用.[博士論文],大連：大連理工大學(xué),2004.

[2]劉文卿.試驗設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005,2

[3]張蕊,宋傳中,馬還援.基坑開挖與支護FLAC數(shù)值模擬計算及分析.安徽地質(zhì),2007.17(1):54-58.

Artificial Neural Network with Genetic Algorithm (GA-ANN) to Optimize and Feedback-analyze Mechanical Parameters of the Underground Works

Hou Linbo

(NanningMunicipalFinanceBureauSpecialProjectManagementDivision,Nanning530022,China)

Due to the complexity of geotechnical parameters of the underground works, it is difficult to obtain accurate geotechnical parameters in actual design and construction, which is important to the success of design and construction of underground works. In this article, it achieves good results using Artificial Neural Network with Genetic Algorithm (GA-ANN) to optimize and feedback-analyze mechanical parameters of the underground works .

Underground Works; Mechanical Parameters; Artificial Neural Network with Genetic Algorithm (GA-ANN)

侯林波(1982-)，男，工程師。主要研究方向：橋梁隧道及地下工程方向。

TU42:TP183

A

1674-7461(2015)01-0095-04