基于不同PSO-ELM模型的碾壓黏土抗剪強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法研究

金坎輝, 楊 濤, 霍樹(shù)義, 王 雷, 王誠(chéng)杰, 姜 岳, 張歡靈

(1.河北水利電力學(xué)院/河北省巖土工程安全與變形控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 滄州 061000； 2.中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司天津工務(wù)段， 天津 300011)

由于具有取材方便、施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，土石壩已成為目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的壩型之一[1-3]。其中，土體黏聚力和內(nèi)摩擦角等抗剪強(qiáng)度將直接影響壩體質(zhì)量及使用壽命。由《碾壓式土石壩施工規(guī)范》可知，碾壓土石壩的質(zhì)量與碾壓黏土的碾壓次數(shù)、碾壓質(zhì)量等參數(shù)有關(guān)[4]。當(dāng)碾壓土石壩施工完成后，需對(duì)壩體碾壓黏土的強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，以保證壩體正常運(yùn)行[5]?，F(xiàn)如今，黏土黏聚力和內(nèi)摩擦角的測(cè)定方法多采用直剪或三軸試驗(yàn)進(jìn)行，這種方法雖精度較高，但操作復(fù)雜、成本較高，在一定程度上無(wú)法廣泛應(yīng)用[6-7]。因此，找尋合理的方法估算黏土抗剪強(qiáng)度，對(duì)碾壓土石壩質(zhì)量提升十分關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的估算方法，是通過(guò)對(duì)黏土含水率、干密度等基本物理指標(biāo)的測(cè)定，從而構(gòu)建土體黏聚力和內(nèi)摩擦角估算模型，但此類模型多為單一因素模型，無(wú)法全面反映各影響因素與黏土抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系[8]。機(jī)器學(xué)習(xí)模型無(wú)需找出各影響因素之間的具體函數(shù)關(guān)系，同時(shí)可充分考慮每個(gè)因素的影響，已逐漸廣泛應(yīng)用于抗剪強(qiáng)度預(yù)測(cè)研究中。王志會(huì)等[9]基于PSO-BPNN模型構(gòu)建了充填體圍巖界面抗剪強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，指出該模型可較好預(yù)測(cè)圍巖抗剪強(qiáng)度；謝文強(qiáng)等[10]基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建了黏土不排水抗剪強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，指出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)結(jié)果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停渲蠦royden-Fletcher-Goldfarb-Shanno算法下的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型精度最高；許健等[11]基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析了黃土抗剪強(qiáng)度的變化趨勢(shì)，指出該方法具有較好的預(yù)測(cè)精度，能夠綜合描述諸因素與黏聚力的量化關(guān)系。

截止到目前，碾壓黏土作為碾壓土石壩的主要組成部分，關(guān)于抗剪強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型的研究較少，而傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型需要較多的學(xué)習(xí)樣本，模型初始權(quán)值和閾值的選擇隨機(jī)性強(qiáng)，使模型精度較低，限制了模型應(yīng)用[12-13]。本文以實(shí)測(cè)碾壓黏土黏聚力和內(nèi)摩擦角2項(xiàng)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為基礎(chǔ)，基于粒子群優(yōu)化的極限學(xué)習(xí)機(jī)模型(PSO-ELM)構(gòu)建碾壓黏土抗剪強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，以期為碾壓土石壩設(shè)計(jì)、施工和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 碾壓黏土抗剪強(qiáng)度測(cè)定

本次研究以實(shí)際碾壓土石壩工程為例，選擇九龍水庫(kù)為研究對(duì)象，該水庫(kù)位于四川南充市，選擇土石壩壩體心墻部位進(jìn)行取土測(cè)量，在施工過(guò)程中嚴(yán)格控制碾壓參數(shù)，黏土心墻碾壓參數(shù)可見(jiàn)表1。工程施工完畢后，按《碾壓式土石壩施工規(guī)范》要求測(cè)定土體含水率、干密度、內(nèi)摩擦角和黏聚力等指標(biāo)，測(cè)定頻率每月測(cè)定3組，測(cè)定時(shí)間為5 a，共180組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

為更好的表征碾壓黏土的抗剪強(qiáng)度，本文引入土體凍融循環(huán)次數(shù)，設(shè)置不同土體的凍融循環(huán)次數(shù)，對(duì)土體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，將土體在-20℃下凍結(jié)12 h后，在20℃下融化12 h記為1次凍融循環(huán)，其中天然土體凍融循環(huán)次數(shù)為0次，設(shè)置5次和10次共2個(gè)梯度，其中第37—108組數(shù)據(jù)為進(jìn)行凍融循環(huán)的土體，其余土體均為天然土體。

表1 施工基本參數(shù)確定

1.2 粒子群算法優(yōu)化極限學(xué)習(xí)機(jī)模型

Huang等[14]于2006年提出了極限學(xué)習(xí)機(jī)模型(ELM)，該模型由輸入層、輸出層和隱含層3部分組成，設(shè)隱含層神經(jīng)元的激活函數(shù)為g(ω，X，b)，則ELM模型輸出層表達(dá)式為：

(1)

式中:βj為隱含層到輸出層的連接值;ωij為輸入層到隱含層的連接值;Xi為輸入層變量值;bj為第j個(gè)隱含層的閾值。

ELM模型激活函數(shù)可分為3種：Sine函數(shù)(ELMsin)、Radbas函數(shù)(ELMrad)和Hardlim函數(shù)(ELMhard)，3種函數(shù)具體公式如下：

Sine函數(shù)：

g(ωij,Xi,bj)=g(ωijXi+bj)=sin(ωijXi+bj)

Radbas函數(shù)：

Hardlim函數(shù)：

初始ELM模型的缺點(diǎn)是它的權(quán)值和隱藏偏差是隨機(jī)確定的，從而易產(chǎn)生非最優(yōu)解[15]。粒子群優(yōu)化算法是一種廣泛應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)模型參數(shù)調(diào)整的優(yōu)化方法，在建模中已被證明有良好的應(yīng)用前景，因此，采用粒子群算法可進(jìn)一步提高ELM模型精度。

假設(shè)在一個(gè)有D維的空間里，給定一個(gè)有n個(gè)粒子的總體X=(X1,X2,…,Xn)，粒子i的位置和速度分別為Xi=(Xi1,Xi2,…,XiD)和V=(Vi1,Vi2,…,ViD)，最優(yōu)粒子i和對(duì)應(yīng)的整個(gè)種群的位置分別為Pi=(Pi1,Pi2,…,PiD)T和Pg=(Pg1,Pg2,…,PgD)T，在粒子群優(yōu)化的迭代過(guò)程中，粒子i的位置和速度的更新為：

Xid=Xid+Xid(d=1,2,…,D,i=1,2,…，n)

(2)

(3)

由于ELM模型共有3種激活函數(shù)，PSO-ELM模型同樣具有3種激活函數(shù)，最終分別構(gòu)建了PSO-ELMsin，SO-ELMrad和PSO-ELMhard共3種模型。

1.3 模型訓(xùn)練與驗(yàn)證

本文以前3 a的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，以最后2 a的數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)集，以含水率、干密度和凍融循環(huán)次數(shù)3種參數(shù)為模型輸入組合，對(duì)3種激活函數(shù)下的PSO-ELM模型精度進(jìn)行驗(yàn)證。為進(jìn)一步比較PSO-ELM模型的精度，本文引入廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(GRNN)[16]、隨機(jī)森林模型(RF)[17]和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(BP)[18]，最終比較9種模型精度，得出碾壓黏土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)最優(yōu)預(yù)測(cè)模型。

1.4 模型精度評(píng)價(jià)指標(biāo)

以均方根誤差(RMSE)，相對(duì)均方根誤差(RRMSE)，確定系數(shù)(R2)，平均絕對(duì)誤差(MAE)和模型效率系數(shù)(Ens)5種指標(biāo)形成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，用于評(píng)判不同模型的精度，具體公式如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

由于評(píng)估指標(biāo)過(guò)多，單個(gè)評(píng)估指標(biāo)很難比較不同的模型。因此，引入GPI指數(shù)來(lái)全面評(píng)估模型仿真結(jié)果，公式如下：

(9)

式中:αj為常數(shù),MAE和RRMSE取1,NS取-1;gj為不同指標(biāo)的縮放值的中位數(shù);yij為不同指標(biāo)的尺度值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同模型模擬值與實(shí)測(cè)值擬合結(jié)果與分析

圖1為不同模型碾壓黏土黏聚力擬合結(jié)果。由圖中可以看出，不同模型模擬值與實(shí)測(cè)值的擬合效果存在差異。其中，3種PSO-ELM模型的精度普遍高于其余模型，PSO-ELMsin模型的精度最高，其擬合方程斜率僅為1.005，決定系數(shù)R2達(dá)到了0.998，且與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性達(dá)到了極顯著水平(p<0.01)，PSO-ELMrad和PSO-ELMhard模型的精度次之，擬合方程斜率分別為1.016，1.018，決定系數(shù)R2分別達(dá)到了0.977，0.971；ELM模型的精度次之，3種模型中同樣表現(xiàn)為ELMsin模型精度最高，其擬合方程斜率僅為1.056，決定系數(shù)R2達(dá)到了0.965；GRNN模型、RF模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的精度較差，其中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的精度最低，其與實(shí)測(cè)值的擬合方程斜率為0.770，R2僅為0.656，與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性僅達(dá)到了顯著水平(p<0.05)。

圖2為不同模型碾壓黏土內(nèi)摩擦角擬合結(jié)果。由圖中可以看出，3種PSO-ELM模型的精度較高，其中PSO-ELMsin模型的精度最高，而在3種ELM模型中，ELMsin模型精度高于PSO-ELMhard模型，3種激活函數(shù)表現(xiàn)出的精度關(guān)系為Sine函數(shù)>Radbas函數(shù)>Hardlim函數(shù)，GRNN模型、RF模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的精度較差，擬合方程斜率分別為1.273，0.759，1.291，R2分別為0.725，0.594，0.508，其中GRNN模型模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性達(dá)到了極顯著水平(p<0.01)，而RF模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的相關(guān)性未達(dá)顯著水平(p>0.05)。

綜上所述，在碾壓黏土抗剪強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型中，PSO-ELM模型均表現(xiàn)出較高的精度，同時(shí)PSO-ELMsin模型為精度最高模型。

圖1 不同模型黏聚力擬合結(jié)果

2.2 不同模型模擬值年內(nèi)變化趨勢(shì)分析

圖3為不同模型模擬的黏聚力和內(nèi)摩擦角年內(nèi)變化趨勢(shì)圖。由圖中可以看出，不同模型模擬值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)基本一致，碾壓黏土抗剪強(qiáng)度在年內(nèi)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，這可能與碾壓黏土在年內(nèi)的含水率和干密度變化有關(guān)。在不同模型中，PSO-ELM模型對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角月值的擬合結(jié)果較高，其中PSO-ELMsin模型的精度最高，與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差在6.0%～9.3%，3種ELM模型精度次之，相對(duì)誤差在10.9%～20.9%。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型精度最低，其模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差均在20%以上。綜上所述，PSO-ELMsin模型為抗剪強(qiáng)度月值預(yù)測(cè)精度最高模型。

2.3 不同模型模擬值精度對(duì)比

表2列出了不同模型黏聚力模擬值精度對(duì)比。由表中可以看出，PSO-ELMsin模型精度最高，其R2和Ens分別達(dá)到了0.997，0.998，GPI排名第一，達(dá)到了1.409。3種PSO-ELM模型精度較高，GPI排名前3位。3種ELM模型精度次之，精度表現(xiàn)為ELMsin模型>ELMrad模型> ELMhard模型，3種模型GPI分別為0.568，-0.050和-0.002，排名4—6位。GRNN模型和RF模型精度較低，RMSE，RRMSE和MAE分別為8.158，11.315 kPa，18.93%和26.26%，5.749，10.090 kPa，R2和Ens分別達(dá)到了0.756，0.739和0.850，0.820，GPI排名7—8位。BP模型精度最低，RMSE，RRMSE和MAE分別為13.313 kPa，30.90%和11.203 kPa，R2和Ens分別為0.656，0.685，模型誤差較高且一致性較低，GPI排名最低。

表3列出了不同模型內(nèi)摩擦角模擬值精度對(duì)比。由表中可以看出，PSO-ELMsin模型精度最高，其RMSE，RRMSE和MAE分別為1.635°，6.98%和1.616°，R2和Ens分別達(dá)到了0.993，0.983，GPI排名第一。3種ELM模型中同樣表現(xiàn)為ELMsin模型精度最高，GPI為0.255，排名第4，GRNN模型和RF模型精度較低，RMSE，RRMSE和MAE分別為3.223，3.476°，13.77%和15.85%，3.176，3.356°，R2和Ens分別達(dá)到了0.961，0.840，0.768，0.729，GPI排名7—8位，BP模型精度最低。

2.4 碾壓黏土抗剪強(qiáng)度影響因素分析

為得出影響碾壓黏土抗剪強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，本文以PSO-ELMsin模型為基礎(chǔ)分析了不同參數(shù)輸入組合下的模型精度，結(jié)果見(jiàn)表4—5。

由表中可以看出，不同輸入組合下的模型精度不同，其中輸入?yún)?shù)個(gè)數(shù)為2的組合精度高于參數(shù)個(gè)數(shù)為1的組合，其中干密度和含水率組合下的模型精度最高，干密度與凍融循環(huán)次數(shù)的組合次之，當(dāng)輸入?yún)?shù)組合個(gè)數(shù)為1時(shí)，3種組合方式表現(xiàn)出的精度為干密度最高、含水率次之、凍融循環(huán)次數(shù)最低，這表明碾壓黏土抗剪強(qiáng)度影響因素影響程度由高到低依次為干密度、含水率和凍融循環(huán)次數(shù)，綜上所述，為保證模型預(yù)測(cè)精度，干密度為模型輸入必不可少的輸入因素。

圖2 不同模型內(nèi)摩擦角擬合結(jié)果

圖3 不同模型黏聚力和內(nèi)摩擦角年內(nèi)變化趨勢(shì)

2.5 模型可移植性分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證PSO-ELMsin模型精度，本文驗(yàn)證了模型的可移植性，在同一水庫(kù)的副壩進(jìn)行取樣研究，同樣測(cè)定副壩的干密度、含水率及凍融循環(huán)次數(shù)指標(biāo)，將副壩不同指標(biāo)作為模型輸入組合，驗(yàn)證主壩抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表6—7。由表中可以看出，輸入副壩參數(shù)不同組合下的模型精度略低于主壩本身參數(shù)輸入，當(dāng)輸入副壩干密度、含水率及凍融循環(huán)次數(shù)時(shí)，模型精度仍較高，Ens和R2仍在0.95以上，這表明，PSO-ELMsin模型具有較好的可移植性，在應(yīng)用模型時(shí)，若壩體本身缺少相關(guān)資料，可采用其他環(huán)境、材料相近的壩體資料作為模型輸入?yún)?shù)，仍可保證模型較高的精度。

表2 不同模型黏聚力模擬精度對(duì)比

表3 不同模型內(nèi)摩擦角模擬精度對(duì)比

表4 PSO-ELMsin模型不同組合輸入下黏聚力模擬精度對(duì)比

表5 PSO-ELMsin模型不同組合輸入下內(nèi)摩擦角模擬精度對(duì)比

表6 黏聚力可移植性分析

表7 內(nèi)摩擦角可移植性分析

3 討 論

ELM模型中參數(shù)的隨機(jī)取值在一定程度上影響了模型精度。PSO-ELM模型可克服傳統(tǒng)ELM模型隨機(jī)選取參數(shù)、要求樣本量龐大的缺陷，基于粒子群算法自動(dòng)找出ELM模型的最優(yōu)參數(shù)，最終得出最優(yōu)模型，解決了傳統(tǒng)ELM模型泛化能力較差的問(wèn)題，在較少隱含層個(gè)數(shù)前提下得出精度較高的結(jié)果[19]。張念等[20]在模擬梨棗樹(shù)液流時(shí)、張穎等[21]對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)、王新民等[22]預(yù)測(cè)建筑物爆破震動(dòng)速度時(shí)均指出PSO-ELM模型均有更高的精度。同時(shí)本文研究表明，ELM模型精度高于GRNN模型、RF模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，這進(jìn)一步證明了PSO-ELM模型的科學(xué)性。

本文研究表明，干密度和含水率是影響碾壓黏土抗剪強(qiáng)度較關(guān)鍵的因素，陳佳雨等[7]研究干密度和含水率對(duì)紅黏土抗剪強(qiáng)度影響時(shí)指出，干密度和含水率是使紅黏土抗剪強(qiáng)度變化的關(guān)鍵因素，與本文結(jié)論基本一致。陸業(yè)奇[23]研究含水率對(duì)黏土抗剪強(qiáng)度影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著含水率的升高，土體黏聚力與內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。由于水庫(kù)在年內(nèi)存在豐枯水交替變化的趨勢(shì)，黏土含水率在全年先增加后降低，這可能也是本文黏聚力和內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì)的重要原因。

4 結(jié) 論

(1) 在抗剪強(qiáng)度日值的模擬中，PSO-ELM模型精度普遍最高，3種ELM模型精度次之，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型精度最差。3種PSO-ELM模型中，PSO-ELMsin模型精度最高，黏聚力和內(nèi)摩擦角模擬中的擬合方程斜率分別為1.005，1.032，3種激活函數(shù)精度依次為于Sine函數(shù)>radbas函數(shù)>hardlim函數(shù)；

(2) 在抗剪強(qiáng)度月值的模擬中，PSO-ELMsin模型精度最高，其與實(shí)測(cè)中的相對(duì)誤差在6.0%～9.3%；

(3) PSO-ELMsin模型表現(xiàn)出了最低的誤差和最高的一致性，在黏聚力擬合中，其RMSE，RRMSE和MAE分別為0.776 kPa，1.80%和0.641 kPa，R2和Ens分別達(dá)到了0.997，0.998，內(nèi)摩擦角擬合中，其RMSE，RRMSE和MAE分別為1.635°，6.98%和1.616°，R2和Ens分別達(dá)到了0.993，0.983，GPI排名在所有模型中均為第一位；

(4) 通過(guò)對(duì)不同輸入?yún)?shù)組合下的模型精度對(duì)比可知，影響碾壓黏土抗剪強(qiáng)度最關(guān)鍵的因素為干密度，含水率次之，凍融循環(huán)次數(shù)的影響程度最低，PSO-ELMsin模型具有最高的精度，且具有較高的可移植性。

本文僅選擇了干密度、含水率和凍融循環(huán)次數(shù)作為模型輸入?yún)?shù)，驗(yàn)證了PSO-ELM模型的科學(xué)性，指出PSO-ELMsin模型為碾壓黏土抗剪強(qiáng)度預(yù)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)模型。在今后的研究中，可進(jìn)一步加入黏土含量、孔隙率、滲透系數(shù)等參數(shù)，進(jìn)一步驗(yàn)證模型精度，為碾壓黏土抗剪強(qiáng)度精確估算提供科學(xué)依據(jù)。