[發(fā)明專(zhuān)利]基于改進(jìn)LSTM深度學(xué)習(xí)方法的土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系確定方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011021562.6
• 申請(qǐng)日: 2020-09-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112784331B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-09-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 沈水龍;張寧;閆濤;鄭鈐
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 汕頭大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/13
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/13;G06F30/27;G06N3/04;G06N3/08;G06F119/14
• 代理公司: 廣州三環(huán)專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 44202
• 代理人: 周增元

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于改進(jìn)LSTM深度學(xué)習(xí)方法的土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系確定方法，包括步驟：制備不同物理力學(xué)參數(shù)的土體試樣；建立應(yīng)力應(yīng)變的原始數(shù)據(jù)集；對(duì)所述原始數(shù)據(jù)集進(jìn)行歸一化處理；建立四層LSTM深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，確定隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)量N_h、激活函數(shù)和代價(jià)函數(shù)J；確定LSTM深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值矩陣和向量，以及混合激活函數(shù)的初始參數(shù)；利用修正Adam動(dòng)量梯度下降算法更新權(quán)值矩陣，確定代價(jià)函數(shù)下降幅度J_d，更新激活函數(shù)參數(shù)；重復(fù)迭代直至LSTM深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的代價(jià)函數(shù)J小于預(yù)設(shè)數(shù)值或達(dá)到預(yù)定迭代訓(xùn)練次數(shù)Iter。本發(fā)明從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取并確定應(yīng)力和應(yīng)變的非線性關(guān)系，能夠考慮土體應(yīng)力應(yīng)變行為的時(shí)間相關(guān)特性。本方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，便于推廣，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及土體本構(gòu)關(guān)系領(lǐng)域，尤其涉及一種基于改進(jìn)LSTM深度學(xué)習(xí)方法的土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系確定方法。

背景技術(shù)

土體是巖土工基礎(chǔ)設(shè)施的載體，確定土體在荷載條件下的非線性力學(xué)響應(yīng)，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)和施工具有重要意義。由于土體復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)和多樣的組成成分，土體在外部荷載作用下具有復(fù)雜的非線性變形特征。確定土體的非線性力學(xué)行為對(duì)目前描述土體非線性力學(xué)行為的數(shù)學(xué)模型稱(chēng)為本構(gòu)模型。根據(jù)研究方法的不同，土體本構(gòu)模型可以分為傳統(tǒng)理論模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本構(gòu)模型。傳統(tǒng)本構(gòu)模型通常將土體視為連續(xù)介質(zhì)，基于多種理想化假設(shè)，近似描述土體非線性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，或多或少地偏離了土體實(shí)際的應(yīng)力應(yīng)變行為；在特定條件下，能夠較好地描述某一種土體的特定應(yīng)力應(yīng)變行為，例如修正劍橋模型能夠描述砂土的剪脹，但無(wú)法描述黏土的蠕變特性；而為使模型描述更多土體非線性特征，高級(jí)本構(gòu)模型增加模型的特征參數(shù)，這些沒(méi)有明確的物理意義，造成參數(shù)標(biāo)定的困難，引發(fā)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，更好地解決巖土工程問(wèn)題。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，直接從土體的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)中提取土體的非線性應(yīng)力應(yīng)變特性，方法簡(jiǎn)單，普適性強(qiáng)，易于推廣。

經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，目前用于土體本構(gòu)模型研究的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法主要為前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、反饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。曾靜等于2004年在《巖土力學(xué)》發(fā)表的《不同應(yīng)力路徑下砂土的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)彈塑性本構(gòu)模型研究》一文中，采用前饋式神網(wǎng)絡(luò)方法學(xué)習(xí)了砂土的應(yīng)力應(yīng)變特性；李克鋼等于2013年在《巖土力學(xué)》發(fā)表的《干濕循環(huán)作用下砂巖力學(xué)特性及其本構(gòu)模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬》一文中，采用前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)描述了砂巖的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；Hashash等于2019年在《Geotechnical Testing Journal》發(fā)表的《A NewTriaxial Apparatus Imposing Nonuniform Shearing for Deep Learning of SoilBehavior》一文中，采用嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究了剪切試驗(yàn)中土體的應(yīng)力應(yīng)變特性。但上述方法均未考慮土體應(yīng)力應(yīng)變行為的時(shí)間相關(guān)特性，無(wú)法描述歷史應(yīng)力應(yīng)變對(duì)當(dāng)前應(yīng)力應(yīng)變的影響，因而結(jié)果存在較大偏差。目前尚沒(méi)有能夠考慮應(yīng)力應(yīng)變長(zhǎng)期時(shí)間特性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)力應(yīng)變確定方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種基于改進(jìn)LSTM深度學(xué)習(xí)方法的土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系確定方法?？煽朔碚撃Ｐ筒捎枚喾N假設(shè)、普適性較差及高級(jí)模型參數(shù)標(biāo)定困難的缺陷，也可克服傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法未考慮土體應(yīng)力應(yīng)變行為時(shí)間相關(guān)特性的缺陷。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于改進(jìn)LSTM深度學(xué)習(xí)方法的土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系確定方法，所述方法通過(guò)下列步驟實(shí)現(xiàn)：

第一步、制備不同物理力學(xué)參數(shù)的土體試樣；

優(yōu)選地，所述物理力學(xué)參數(shù)是指：土體的壓縮指數(shù)λ、回彈指數(shù)κ、孔隙率e、強(qiáng)度參數(shù)M；

優(yōu)選地，所述土體試樣是指高度與直徑之比為2~2.5的圓柱形土體試驗(yàn)樣本。

第二步、利用三軸壓縮試驗(yàn)，獲取不同土體試樣在一系列指定應(yīng)力加載步下的應(yīng)變數(shù)據(jù)，建立應(yīng)力應(yīng)變的原始數(shù)據(jù)集；