基于支持向量機(jī)的巖體力學(xué)參數(shù)反演及工程應(yīng)用.pdf

1、基于支持向量機(jī)（SVM）的位移反分析是較新出現(xiàn)的一種巖土工程參數(shù)反演方法，它用訓(xùn)練得到的支持向量機(jī)模型代替數(shù)值模型實(shí)現(xiàn)巖體力學(xué)參數(shù)與位移間的復(fù)雜映射關(guān)系，大大提高了反演計算效率。與早期反分析中較多采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法相比，支持向量機(jī)在理論基礎(chǔ)和求解算法方面都具有明顯優(yōu)勢，日益受到巖土工程研究人員的重視。
　　 本文圍繞目前反分析方法存在的一些問題，首先從提高建模效率和模型計算精度的角度對地下工程數(shù)值建模方法進(jìn)行探討，然后從影響支持

2、向量機(jī)泛化性能的主要因素，即支持向量機(jī)模型參數(shù)、支持向量機(jī)類型以及核函數(shù)形式三個方面對基于支持向量機(jī)的巖體力學(xué)參數(shù)反演方法展開系統(tǒng)研究，并應(yīng)用于工程實(shí)踐，主要內(nèi)容概括如下：
　　 （1）探討了基于自然單元法的地下工程數(shù)值建模方法。為克服在處理地下工程無限域或半無限域問題時需要人為確定邊界條件而帶來計算誤差的問題，引入無限元模擬無窮遠(yuǎn)處邊界條件，與自然元相結(jié)合形成耦合分析方法，通過算例分析表明，耦合方法能夠提高計算精度，降低對分析

3、區(qū)域選取范圍的要求，進(jìn)而減少計算工作量；同時實(shí)現(xiàn)了基于自然元與無限元耦合方法的粘彈性分析，拓展了自然單元法在巖土工程中的適用范圍。
　　 （2）為克服傳統(tǒng)參數(shù)選取方法存在的不足，研究了基于粒子群算法的支持向量機(jī)模型參數(shù)優(yōu)化方法。為提高算法搜索能力，對標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法適應(yīng)值比較方式和粒子運(yùn)動方式做出修改，使粒子移動更具有導(dǎo)向性和靈活性，同時為避免算法早熟采用同時考慮時間和粒子群聚集程度影響的動態(tài)自適應(yīng)慣性權(quán)重，在此基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)

4、粒子群算法；算例分析表明，與傳統(tǒng)參數(shù)選擇方法相比，采用該方法明顯提高了參數(shù)搜索效率和相應(yīng)支持向量機(jī)模型的預(yù)測精度。
　　 （3）研究了基于最小二乘支持向量機(jī)（LS-SVM）的巖體力學(xué)參數(shù)反演方法。針對標(biāo)準(zhǔn)型支持向量機(jī)計算復(fù)雜度大的缺點(diǎn)，將最小二乘支持向量機(jī)代替標(biāo)準(zhǔn)型支持向量機(jī)，與改進(jìn)粒子群算法相結(jié)合，用于圍巖參數(shù)反演；同時為克服常規(guī)算法得到的最小二乘支持向量機(jī)的解喪失稀疏性的缺點(diǎn)，采用基于二次Renyi熵的增量迭代式回歸算法訓(xùn)練

5、最小二乘支持向量機(jī)模型：通過反演算例表明，將最小二乘支持向量機(jī)應(yīng)用于巖體力學(xué)參數(shù)反演是可行的，與標(biāo)準(zhǔn)型支持向量機(jī)相比，采用最小二乘支持向量機(jī)能夠有效提高反演計算效率。
　　 （4）探討了核函數(shù)形式對反演結(jié)果的影響。目前普遍采用的徑向基核函數(shù)（RBF）由于缺乏平移正交性，使得相應(yīng)支持向量機(jī)模型的逼近能力受到限制，間接影響參數(shù)辨識精度，為此引入小波和尺度函數(shù)作為LS.SVM的核函數(shù)用于巖體力學(xué)參數(shù)反演；并針對常規(guī)尺度函數(shù)局部性不足的

6、缺點(diǎn)，根據(jù)相關(guān)理論構(gòu)造出一種具有良好緊支性和光滑性的尺度核函數(shù)；算例分析表明，核函數(shù)的逼近性能對參數(shù)識別精度有較大影響，在滿足容許精度要求的前提下，采用逼近能力強(qiáng)的核函數(shù)可以減少所需樣本數(shù)量，從而降低計算量。
　　 （5）以前面的工作為基礎(chǔ)，結(jié)合王坑高速公路隧道項目，開展工程應(yīng)用研究。在考慮爆破開挖影響的基礎(chǔ)上，采用自然元與無限元耦合方法構(gòu)建了模擬隧道施工過程的三維仿真模型；通過正交數(shù)值試驗和影響度分析確定待反演參數(shù)，以實(shí)測變形