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(jì)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(jì)算精度的角度對(duì)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(gè)方面對(duì)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(shí)需要人為確定邊界條件而帶來計(jì)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(jì)算精度，降低對(duì)分析

3、區(qū)域選取范圍的要求，進(jìn)而減少計(jì)算工作量；同時(shí)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法適應(yīng)值比較方式和粒子運(yùn)動(dòng)方式做出修改，使粒子移動(dòng)更具有導(dǎo)向性和靈活性，同時(shí)為避免算法早熟采用同時(shí)考慮時(shí)間和粒子群聚集程度影響的動(dòng)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)型支持向量機(jī)計(jì)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(shí)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(jì)算效率。
　　 （4）探討了核函數(shù)形式對(duì)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(shí)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(duì)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(duì)參數(shù)識(shí)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(jì)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(xiàng)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(yàn)和影響度分析確定待反演參數(shù)，以實(shí)測變形