Machine Learning–Enhanced Modeling of Stress–Strain Behavior of Frozen Sandy Soil
机器学习增强的冻砂土应力-应变行为建模
纽芬兰纪念大学工程与应用科学学院土木工程系,圣约翰斯,NL A1C 5S7,加拿大
通讯作者。
稿件接收日期:2024 年 10 月 8 日 / 修订日期:2024 年 11 月 27 日 / 接受日期:2024 年 11 月 30 日 / 发布日期:2024 年 12 月 3 日
Abstract 摘要
许多实验和计算技术已被用于解释冻土的力学特性。然而,由于其响应的高度复杂性,模拟冻土的应力-应变特性仍然具有挑战性。在本研究中,采用人工神经网络(ANNs)对冻土的力学行为进行建模,同时实施了不同的测试策略。通过三轴试验,收集了不同温度和围压下冻砂土的应力-应变数据,并建立了一个数据库用于模型训练。随后,训练和开发了不同的人工神经网络,以估算偏应力和体积应变,同时将温度、轴向应变和围压作为主要输入变量。根据研究结果,可以表明这些模型以较高的准确度有效预测了冻土的应力-应变行为。
关键词:冻土;应力-应变行为;力学行为;机器学习;人工神经网络
1. Introduction 1. 引言
在冻土上进行建设对寒冷地区提出了独特的挑战,因为它支撑着管道、铁路甚至建筑等关键基础设施。然而,确保这些结构的稳定性是一个复杂的挑战[1, 2]。与未冻结的土壤不同,冻土由于温度变化表现出敏感且复杂的力学行为。准确预测冻土在应力下的响应对于寒冷地区安全可持续的建设实践至关重要。冻土是全球常见的特征,永久冻土层覆盖了北半球 21.8%的陆地面积[3]。然而,这种冻土并非均匀分布。存在短期冻土和季节性冻土等分类,突显了冻结持续时间的差异[4]。在冬季,冻土面积显著增加,估计在最冷的月份有 50%的陆地面积处于冻结状态[5]。冻土固有的复杂性源于其异质性、不连续性以及对应力和应变的高度非线性响应。 这些特性使得在真实条件下准确预测其力学行为变得尤为困难[6, 7]。正因如此,探究冻土在不同温度和应力条件下的力学响应变得至关重要,尤其是在寒冷地区的工程项目中。
研究人员从理论角度探索了不同的概念,以开发描述冻土力学行为的本构模型,如扩展的亚塑性行为[8]、饱和冻土的率无关行为[9]、现象学弹塑性损伤本构模型[10],以及其他关于冻土力学行为的研究,包括其强度、荷载类型和变形特性[11]。尽管传统冻土本构模型具有重要价值,但它们在实际应用中面临诸多限制[12]。传统模型仅对特定土类有效,限制了其在工程实践中的广泛应用。模型在用于开发该模型的特定数据上可能具有良好精度;然而,对于不同类型的应力,情况并非如此[13]。这些模型日益增加的数学复杂性通常意味着需要大量参数并进行模型校准。固有的复杂性使得涉及参数的校准变得困难,阻碍了其在工程中的实际应用[12, 13]。 此外,土壤力学行为是一个受荷载历史、时间、孔隙水压力、相对密度、预压、压力场和加载速率等因素影响的变量[14]。
基于机器学习的方法,凭借其从数据集中学习并利用计算能力的能力,为传统的力学行为建模和技术提供了替代方案。在过去的十年中,土木和岩土工程领域对数据驱动的机器学习方法的兴趣显著增加[15, 16, 17]。此外,机器学习技术也成功应用于通过冻土特性预测提供洞察。采用遗传算法优化的人工神经网络(ANNs)用于预测冻黏土中的未冻水含量[18]。长短期记忆(LSTM)方法及其与蒙特卡洛 dropout 的结合被用于预测冻土的应力-应变响应,并纳入不确定性量化[7]。这一不断增长的研究凸显了传统本构模型与基于人工智能(AI-based)方法之间的关键区别。 虽然本构模型基于数学方程和假设,但这些模型通过其分析高维数据的强大能力,在捕捉土壤中应力与应变之间复杂的非线性关系方面表现出色[12, 19]。基于 AI 的方法在预测冻土力学行为方面是一条有前景的道路,与传统方法相比,提供了潜在更准确且多功能的方法。
2. Research Significance 2. 研究意义
本研究探讨了机器学习在提升人工神经网络(ANNs)精度与适用性方面的应用,旨在模拟冻砂土在实验三轴测试下的应力-应变行为。其目标是建立可靠且用户友好的模型,这些模型具备可解释的封闭式公式,用于确定冻砂土在不同冻结温度及围压下的应力-应变响应。为此,研究考虑了由三轴测试冻土样本结果得出的四种不同训练与测试数据集组合,以及两种不同的输入特征组合。为了缓解潜在的过拟合问题,采用了严格的模型选择与评估方法。通过对比实验数据与未见过测试数据,并全面评估与分析常见误差标准,对模型性能进行了深入考察。 因此,确定若所开发模型达到了可接受的精度水平,便可可靠地用于提供冻砂土应力-应变行为的一般估计,这是工程设计工作中的关键因素。目的在于克服冻砂土力学行为表征中缺乏直接解决方案的问题。整体工作流程如图 1 所示。
3. Materials and Methods 3. 材料与方法
Xu (2014) [20] 整理了在−4 和−6°C 冻结温度及 0.3、0.6、0.8 和 1 MPa 围压下进行的冻土三轴试验数据,如图 2 所示。三轴压缩试验中使用了标准砂。砂土的最大和最小直径分别为 2.0 mm 和 0.075 mm,且 50%通过直径(D 50 )为 0.7 mm。通过八次不同的三轴压缩试验,共获得了 212 个应力与体积应变的数据点。
图 2. 在−4 和−6°C 冻结温度下三轴试验的应力-应变响应,引自 Xu (2014) [20]。
3.1. Data Preprocessing and Sampling Strategies
3.1. 数据预处理与采样策略
模型开发所考虑的输入组合包括前驱偏应力和体积应变,分别用 q (t−1) 和ε v (t−1) 表示;轴向应变(ε a );围压(σ c );以及冻结温度(T)。需要注意的是,q (t−1) 和ε v (t−1) 是任何本构模型的常见变量。然而,这两者也可以省略,并且可以开发另一个独立的模型。目前,基于机器学习的本构建模中采用了多种输入参数和框架,但在选择这些参数和框架方面尚无既定的方法或指导[12]。两种输入组合情况被分类为案例 1 和案例 2,分别代表模型中包含和排除前驱目标值。
此外,模型测试考虑了三种情景:
- Scenario (I): Two out of eight tests results were reserved for the testing phase. This scenario was designed to simulate real-world conditions, where some test conditions might be new, and it illustrates the model’s ability to predict outcomes for the experiments that were not included in training phase;
场景(I):八项测试结果中有两项被保留用于测试阶段。该场景旨在模拟现实世界条件,其中某些测试条件可能是新的,并展示了模型对未包含在训练阶段的实验结果的预测能力; - Scenario (II): The testing divisions were randomly selected segments of the strain–stress curves, each consisting of five consecutive data points. By putting aside pieces of the stress–strain curves, we aimed to test the model’s effectiveness in predicting partially unknown data, addressing conditions of incomplete data while performing laboratory experiments;
场景(II):测试部分为随机选取的应力-应变曲线片段,每段包含五个连续数据点。通过留出部分应力-应变曲线,我们旨在测试模型在预测部分未知数据时的有效性,以应对实验室实验过程中数据不完整的情况。 - Scenario (III): Data points were sampled from the entire dataset for the testing phase. Sampling from the full dataset allowed assessing the model’s generalization ability for a variety of data points with different pressure and temperature combinations. Two different sampling approaches were also employed in this scenario. The first approach was stratified sampling, in which an equal number of randomly selected points were chosen from each individual experiments. This process was selected to ensure that each class of data (each stress–strain curve) was proportionally represented in the testing phase and to ensure a confident testing phase for each different freezing and pressure condition. The second sampling approach was putting aside randomly selected points out of the whole data.
场景(III):测试阶段从整个数据集中采样数据点。从完整数据集中采样能够评估模型在不同压力和温度组合下对多种数据点的泛化能力。此场景中还采用了两种不同的采样方法。第一种方法是分层采样,即从每个单独实验中随机选择相同数量的点。选择此过程是为了确保每类数据(每条应力-应变曲线)在测试阶段按比例表示,并确保每种不同冻结和压力条件下的测试阶段具有可靠性。第二种采样方法是从整个数据中随机选择部分点作为测试集。
测试数据分区约占整个开发模型场景的 20%。此外,在利用这些场景并选择数据开发模型之前,数据经过了缩放和归一化处理。在此过程中,原始数据值被转换为 0.1 到 0.9 之间的范围,采用了公式(1)中所述的线性关系。
其中 X 为变量,X min 和 X max 分别为每个变量的最小值和最大值。这确保了所有特征都在可比较的尺度上呈现。此外,为避免 sigmoid 传递函数(用于 ANN 的隐藏层)的饱和,通常在模型开发之前对数据进行缩放[21, 22]。
3.2. Artificial Neural Networks (ANNs)
3.2. 人工神经网络(ANNs)
人工神经网络(ANNs)已成为建模复杂工程问题的强大工具[23]。它们能够从实验数据中学习现有模式,从而预测未见数据集的未来趋势。典型的 ANN 架构由组织成层的互连神经元组成,包括输入层、多个隐藏层(n)和输出层(多层感知器)。每个连接的强度由权重值表示,并且在隐藏层和输出层的神经元中引入了偏置节点[24]。多层前馈 ANN 在土木和岩土工程应用中经常被使用[25, 26, 27]。它们的一般架构与基本 ANN 概念一致,包括输入层、n 个隐藏层和输出层。这些层中的互连神经元以前馈方式连接。虽然足够的网络配置对于准确预测至关重要,但从业者必须避免使用过多神经元导致的过拟合,因为这可能限制模型的泛化能力[25]。 本研究使用人工神经网络(ANN)开发了模型,以估计可能导致应力-应变响应的偏应力和体积应变。研究中采用了 MATLAB 中的神经网络工具箱进行 ANN 建模。根据 Shahin 等人(2004)[25]推荐的数据划分程序,约 75%的数据集被用于模型训练。此外,本研究使用了基于单隐藏层的前馈多层网络。
人工神经网络(ANNs)通过相互连接的神经元层处理数据。每个输入信号会乘以一个权重,并与同一层的其他信号相加。这个加权和随后被传递到下一层,在那里进行类似的处理。ANNs 可以有一个或多个隐藏层,形成复杂的权重连接。最常见的类型是前馈和前馈反向传播(FFBP)。训练 ANN 涉及迭代调整这些权重,以最小化预测输出与实际输出之间的差异。激活函数(通常是 S 型函数)决定了加权和如何影响神经元的输出。Levenberg–Marquardt(LM)等训练算法通过最小化网络预测与目标值之间的平方误差来优化这些权重[28, 29]。这一迭代过程使 ANNs 能够从数据中模拟复杂关系。关于 LM 的详细数学公式和主导方程,读者可参考现有文献[22, 30]。图 3 展示了具有单一隐藏层的 ANNs 示意图。
双曲正切 S 型传递函数(tansig)(y = 2/(1 + e −2x ) − 1)被考虑用于隐藏层,而线性函数(purelin)用于输出层。文献[31, 32]已证实使用一个隐藏层来解决不同的非线性问题。为了评估所开发的人工神经网络(ANN)模型的性能,采用了均方误差(MSE)、线性相关系数(R)和平均绝对百分比误差(MAPE)。通过试错法确定了单隐藏层中神经元的最佳数量,评估了隐藏层大小从 1 到 20 个神经元的模型。基于测试阶段的数据表现,选择了最佳的网络配置。在本研究中,将偏应力和体积应变作为两个不同的目标,并努力为每个目标开发独立的网络。
3.3. Error Criteria 3.3. 误差准则
优化后的 ANN 模型性能通过常用的统计标准(公式(2)-(7))进行评估,这些标准常用于衡量模型性能与误差。这些指标包括相关系数(R)(公式(2))、决定系数(R 2 )(公式(3))、均方误差(MSE)(公式(4))、均方根误差(RMSE)(公式(5))、平均绝对百分比误差(MAPE)(公式(6))以及平均绝对误差(MAE)(公式(7))。为确保模型间误差值的全面比较,这些标准是在归一化数据反向转换后,基于原始非归一化目标值进行评估的。
E 和 P 分别表示每个数据点的测量值和估计值,n 是数据的总数。此外, 和 分别表示测量值和估计值的平均值。
4. Results and Discussion
4. 结果与讨论
4.1. Optimized Developed Networks
4.1. 优化开发的网络
隐藏层中的神经元数量根据所开发模型的性能在 1 到 20 个神经元之间进行选择。表现优异的网络如表 1 所示。该表展示了所选模型的配置及其训练和测试的 R、MSE 和 MAPE 值。需要注意的是,这些值是使用归一化和缩放后的模型输出计算得出的。
表 1. 偏应力和体积应变的优化开发模型性能。
图 4 和图 5 展示了优化后的模型预测值(转换回实际值,而非缩放值)与实验数据的对比。训练数据点以蓝色标记表示,而测试数据点则显示为空心圆圈。图 4 和图 5 中的红色虚线代表估计值与实验值之间的完美匹配(R = 1)。这条线象征着理想的结果。数据点越靠近这条线,表明测量值与预测值之间的一致性越好。可以看出,大多数数据点都位于理想拟合线附近,且几乎所有模型的相关系数(R 值)对于 q 和ε v 两个目标均超过 0.99(表 2 中仅显示两位小数)。此外,模型性能及误差评估的其他标准将在后续章节中探讨。
图 4. 不同建模场景下预测的偏应力与实验测量值的对比。
图 5. 不同建模场景下的预测列车体积与实验测量结果对比。
4.2. Error Analysis 4.2. 错误分析
图 6 和图 7 分别展示了训练集和测试集中每个数据点的预测值与实测值(q 和ε v )之间的绝对误差。此外,图 8 呈现了各开发模型在测试数据上的平均绝对误差(MAE)。图 6 和图 8a 显示,在情景(I)中,相较于其他模型,案例 1 和案例 2 在预测偏应力时误差更大。同时,在相同案例类别中,无论是分层抽样还是随机抽样的数据点模型,q 的估计误差均大于情景 2。进一步地,图 7 和图 8b 表明,采用情景(II)进行ε v 预测时,准确性更高。值得注意的是,在情景(I)的案例 2 中,若忽略先前的目标值(Y −1 ),将导致模型准确性最低,这一点在图 8b 中清晰可见。
图 6. 比较不同建模场景下案例 1 和案例 2 的 q 模型绝对误差。
图 7. 比较不同建模场景下案例 1 和案例 2 的ε v 模型绝对误差。
4.3. Model Performance 4.3. 模型性能
模型的输出以偏应力和体积应变以及轴向应变的形式展示在图 9、图 10、图 11、图 12、图 13、图 14、图 15 和图 16 中。这些应力-应变曲线中的训练和测试分别以实心和空心标记表示。
图 12. 情景(II)的体积应变与轴向应变结果。
图 13. 情景(III)——分层抽样的偏应力与轴向应变结果。
图 14. 情景(III)——分层采样的体积应变与轴向应变结果。
图 15. 情景(III)——随机采样的偏应力与轴向应变结果。
图 16. 场景(III)——随机抽样的体积应变与轴向应变结果。
这些图表展示了使用人工神经网络(ANNs)估算的不同冻结温度和围压下冻土的力学行为。偏应力-轴向应变(q–ε a )和体积应变-轴向应变(ε v –ε a )的曲线与训练集的实验数据基本吻合。对于测试集,ANN 的预测结果与实验测量值一致,特别是在预测和测量的 q–ε a 曲线之间的高度一致性上表现尤为明显。然而,在体积应变-轴向应变曲线上观察到一些差异,尤其是在情景(I)中。表 2 通过误差和相关性评价指标展示了预测性能。在该表中,决定系数 R 2 也被用作相关系数 R 值的补充和额外衡量标准。虽然 R 为预测值与实验值之间线性关系的强度和方向提供了有价值的见解,但 R 2 是另一个有效的标准,因为它量化了模型能够解释的实验数据中的方差比例[33]。 通过展示所有 R 2 值均超过 0.99(表 2 中仅显示两位小数),可以证明 ANN 的能力不仅与实验值具有良好的相关性,还能捕捉冻土力学行为的几乎所有变异性。R 与 R 2 的这种组合使用提供了对模型性能更全面的验证,因为 R 2 通过确认模型几乎捕捉了数据中的所有方差来支持预测准确性。
图 11、图 12、图 13、图 14、图 15 和图 16 中展示的部分结果可能看似存在过拟合问题。这些图表包含了训练和测试数据集,并特别突出了对测试数据的预测。过拟合的关键指标是模型在训练数据和测试数据上的表现存在显著不一致,但此处并非如此。此外,表 1 和表 2 中呈现的误差指标一致显示模型在未见过的测试部分具有高准确度,表明模型在引入的输入范围内具有良好的泛化能力,而非过拟合。设计的测试策略(部分应力-应变曲线或数据点)旨在挑战模型在不同条件下的泛化能力。在多种场景下,测试部分的预测与实验数据之间的一致性表明,模型的性能不仅局限于训练数据。因此,模型似乎在准确性和泛化之间实现了有效平衡,无需过度担忧潜在的过拟合问题。
在表 2 中,考虑了训练和测试部分的所有数据以评估指标。此外,所有开发的模型在预测案例 1 和 2 的 q 和ε v 时进行了比较。尽管所有模型都显示出较高的准确性,但误差标准最小的模型以粗体显示并加阴影。
4.4. Discussion on the Testing Strategy
4.4. 测试策略讨论
本研究考察了模型测试的三种不同情景。情景(I)涉及保留个别实验未见,情景(II)要求预留每段应力-应变曲线的一部分,而情景(III)则包含数据点采样。情景(I)设定了最为严格的条件,模型需基于其他实验物理状态的训练来预测单个实验。在此情景下,冻结温度分别为-4℃和-6℃时的 0.6 MPa 和 0.8 MPa 围压被保留作为测试集。由于模型在这些条件下未接触过先前的数据,其准确性较其他建模策略低是可以理解的。此外,在涉及 Y −1 的模型中,分层数据采样相较于随机点采样,带来了更高的准确性提升。
4.5. Stress–Strain Formulation
4.5. 应力-应变公式
与其他仅报告优化模型的研究不同,本工作提供了 ANN 模型每一层的权重和偏置值。这些信息使读者能够使用任何电子表格程序直接复现所呈现的结果,并计算估计的偏应力和体积应力。以下方程表达了归一化输入参数(T、σ c 、ε a 和 q (t−1) 或ε v (t−1) 在案例 1 模型中)与归一化输出(q 或ε v )之间的关系。
Y n 表示归一化的目标(q 或 ε v );f n 1 和 f n 2 分别是线性和 tansig 传递函数;h 表示隐藏层中的神经元数量;X 表示每个贡献变量的归一化值;m 是贡献输入变量的数量;w ik 指定了第 i 个输入与隐藏层中第 k 个神经元之间的连接权重;w k 是隐藏层中第 k 个神经元与输出神经元之间的关联权重;b hk 是隐藏层中第 k 个神经元的偏置;b 0 是输出层中的偏置值。随后,将表示每种情况下误差最小的最准确训练模型的权重和偏置的 w ik 、b hk 、w k 和 b 0 插入方程 (8),从而得到方程 (9)–(12) 中所示的公式。
q—情景(III)—分层抽样模型(案例 1)
ε v —场景(II)(案例 1)
q—情景(III)—随机抽样模型(案例 2)
ε v —场景(III)—随机抽样模型(案例 2)
5. Sensitivity Analysis 5. 敏感性分析
为了评估不同输入变量对预测值 q 和ε v 的影响,对 ANN 模型的结果进行了敏感性分析。该分析采用 Milne 的方法[34],利用神经网络中的当前权重来确定每个输入变量对网络输出的相对影响。通过以下方程,可以计算每个输入变量(x)对最终输出(q 或ε v )的百分比贡献(Q ik ),方法是考虑连接输入神经元到隐藏神经元的权重(w ij )以及连接隐藏神经元到输出神经元的权重(M jk )。连接所有 N 个输入神经元到特定隐藏神经元的权重之和用 表示。所有输入变量的 Q ik 值之和必须始终等于 100%。
图 16 直观地展示了本分析确定的各输入变量对目标变量的相对影响。
如图 17a,b 所示,Y −1 ,即先前的偏应力或体积应变,是最具影响力的贡献参数,其重要性分别为 36.18%和 32.93%。然而,在偏应力预测的案例 2 模型中,轴向应变是模型中最有效的输入变量,占比 39.68%,而最不有效的输入是围压,其重要性为 29.2%。对于案例 2 中体积应变预测的模型,温度是最具影响力的参数,对响应的影响为 36.03%,而最不有效的参数是围压,对目标的影响为 31.56%。可以观察到,在模型涉及的所有输入变量中,训练模型中没有对任何变量进行过高或过低的评价。
图 17. 各贡献参数的相对重要性:(a) 情景(III)——分层抽样模型(案例 1),(b) 情景(II)(案例 1),(c) 情景(III)——随机抽样模型(案例 2)和(d) 情景(III)——随机抽样模型(案例 2)。
6. Conclusions 6. 结论
传统的冻土行为本构模型需要专门的测试设备和程序,导致过程耗时且成本高昂。此外,冻土复杂的内部结构由多相组成,导致了复杂的力学行为。为了应对这些挑战,本研究提出了一种利用人工神经网络(ANNs)的机器学习方法,以预测冻土在各种条件下的完整应力-应变响应。该 ANN 模型使用了先前冻土实验研究中的数据库进行训练,该数据库包含了不同温度和围压下的测量数据。
在模型开发过程中考虑了两种不同的方法:一种涉及考虑前因(Y −1 )目标并解决时间序列问题(案例 1),另一种仅使用独立输入变量(案例 2)。此外,采用了多种测试划分采样策略来评估不同采样场景的影响。测试数据划分应用了三种场景:(I)保持个别测试未见,(II)留出应力-应变曲线的部分,(III)从曲线中选择不同的数据点。进一步研究了在第三种场景中分层采样与随机采样的效果。结果表明,测试划分的选择显著影响了模型的准确性,其中场景(I)产生的模型准确性最低。然而,场景(I)在泛化预测未先前引入模型物理状态的目标方面展示了潜力。 大多数已开发的模型在预测冻砂土的应力-应变行为方面表现出色,相关系数超过 0.99。根据其相对于其他开发模型的准确性,所选模型也以闭式解的形式呈现,为理解冻砂土的应力-应变行为提供了深入见解。
本研究表明,人工神经网络(ANNs)能够有效模拟冻砂土的应力-应变行为,而这一行为由于冻土在不同温度和压力条件下的复杂非线性特性,传统本构模型往往受限于广泛的校准需求。相比之下,本文开发的 ANN 模型提供了一种可靠、实用的方法,仅需有限数据集即可实现精确预测,减少了对可能无法全面捕捉冻土力学特性的经验模型的依赖。值得一提的是,当前研究仅限于使用一种土样,包含八项实验共计 212 个数据点,这可能在得出稳健结论方面显得不够充分。因此,未来研究需纳入更多实验测试,以进一步验证此处所得结果的稳健性,并为冻土行为提供一个全面的智能模型。值得注意的是,经典本构模型同样缺乏跨多种土类及条件的适应性。 本研究的发现凸显了数据驱动建模在提升寒冷地区实际工程应用中的潜力,支持更高效、适应性更强的设计解决方案。未来工作可通过纳入更广泛土壤成分和测试条件下的额外实验数据,解决本研究的局限性,进一步验证并扩展模型的适用性。
Author Contributions 作者贡献
概念化,H.S.;方法论,D.R.E.和 H.S.;软件,H.S.;验证,D.R.E.和 H.S.;形式分析,D.R.E.;调查,D.R.E.;资源,H.S.;数据管理,D.R.E.;撰写—初稿准备,D.R.E.;撰写—审阅与编辑,H.S.;可视化,D.R.E.;监督,H.S.;项目管理,H.S.;资金获取,H.S.。所有作者均已阅读并同意该手稿的出版版本。
Funding 资金
本项目由 Mitacs 和 Samen Data Technologies Inc.通过 Accelerate 项目资助,资助编号为 215934。
Institutional Review Board Statement
机构审查委员会声明
Informed Consent Statement
知情同意声明
Data Availability Statement
数据可用性声明
本研究中使用的所有数据均已在本文中描述和处理。
Acknowledgments 致谢
作者感谢 Mitacs 通过 Samen Data Technologies Inc.赞助的 Accelerate 项目提供的研究资金。
Conflicts of Interest 利益冲突
作者声明无利益冲突。
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Model Target | Modeling Scenario | Input Case | Neuron No. | Training R-Value | Testing R-Value | Normalized Training MSE | Normalized Testing MSE | Training MAPE (%) | Testing MAPE (%) | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Deviatoric Stress (q) | (I) | Case 1 | 3 | 0.99 | 0.99 | 0.0002350 | 0.0002455 | 2.98 | 3.14 | |
Case 2 | 4 | 0.99 | 0.99 | 0.0000380 | 0.0001053 | 1.24 | 1.54 | |||
(II) | Case 1 | 12 | 0.99 | 0.99 | 0.0000032 | 0.0000246 | 0.27 | 0.55 | ||
Case 2 | 12 | 0.99 | 0.99 | 0.0000108 | 0.0000617 | 0.58 | 0.92 | |||
(III) | Stratified Sampling | Case 1 | 13 | 0.99 | 0.99 | 0.0000009 | 0.0000310 | 0.12 | 0.90 | |
Case 2 | 11 | 0.99 | 0.99 | 0.0000186 | 0.0000842 | 0.74 | 1.49 | |||
Random Sampling | Case 1 | 12 | 0.99 | 0.99 | 0.0000012 | 0.0000351 | 0.16 | 0.73 | ||
Case 2 | 14 | 0.99 | 0.99 | 0.0000077 | 0.0000378 | 0.43 | 0.95 | |||
Volumetric Strain (εv) | (I) | Case 1 | 2 | 0.99 | 0.99 | 0.0000101 | 0.0000061 | 1.17 | 0.99 | |
Case 2 | 3 | 0.99 | 0.99 | 0.0001397 | 0.0016639 | 4.05 | 9.02 | |||
(II) | Case 1 | 10 | 0.99 | 0.99 | 0.0000010 | 0.0000031 | 0.34 | 0.42 | ||
Case 2 | 9 | 0.99 | 0.99 | 0.0000047 | 0.0000073 | 0.85 | 0.86 | |||
(III) | Stratified Sampling | Case 1 | 9 | 0.99 | 0.99 | 0.0000017 | 0.0000060 | 0.46 | 1.10 | |
Case 2 | 14 | 0.99 | 0.99 | 0.0000007 | 0.0000164 | 0.23 | 1.64 | |||
Random Sampling | Case 1 | 14 | 0.99 | 0.99 | 0.0000006 | 0.0000106 | 0.27 | 1.42 | ||
Case 2 | 14 | 0.99 | 0.99 | 0.0000014 | 0.0000037 | 0.42 | 0.76 |
Target | Parameter | Case 1 | Case 2 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Scenario (I) | Scenario (II) | Scenario (III) | Scenario (I) | Scenario (II) | Scenario (III) | ||||
Stratified Sampling | Random Sampling | Stratified Sampling | Random Sampling | ||||||
q | R | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 0.99 |
R2 | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 0.99 | |
MSE | 0.00151 | 0.00020 | 0.00021 | 0.00024 | 0.00651 | 0.00056 | 0.00092 | 0.00040 | |
RMSE | 0.03885 | 0.01417 | 0.01457 | 0.01560 | 0.08066 | 0.02371 | 0.03028 | 0.01991 | |
MAE | 0.02781 | 0.00892 | 0.00646 | 0.00694 | 0.06442 | 0.01634 | 0.01945 | 0.01068 | |
εv | R | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 0.99 |
R2 | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 0.98 | 0.99 | 0.99 | 0.99 | |
MSE | 0.00133 | 0.00021 | 0.00039 | 0.00080 | 0.07634 | 0.00076 | 0.00062 | 0.00042 | |
RMSE | 0.03646 | 0.01433 | 0.01978 | 0.02831 | 0.27629 | 0.02748 | 0.02483 | 0.02049 | |
MAE | 0.02911 | 0.01124 | 0.01468 | 0.02118 | 0.18951 | 0.02005 | 0.01275 | 0.01265 |
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Rezazadeh Eidgahee, D.; Shiri, H.
Machine Learning–Enhanced Modeling of Stress–Strain Behavior of Frozen Sandy Soil. Geotechnics 2024, 4, 1228-1245.
https://doi.org/10.3390/geotechnics4040062
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