中国安全科学学报 ›› 2026, Vol. 36 ›› Issue (8): 260-268.doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2026.08.1168
喻豪1(
), 王超1,2,3,**(
), 贺子旺1, 刘宇1, 金子浚1, 亓帅1
收稿日期:2026-04-10
修回日期:2026-06-12
出版日期:2026-08-28
通信作者:
作者简介:![]() |
喻豪 (2001—),男,重庆人,硕士研究生,主要研究方向为岩石力学、岩土工程灾害防治。E-mail: yvhao@stu.kust.edu.cn。 |
基金资助:
Yu Hao1(
), Wang Chao1,2,3,**(
), He Ziwang1, Liu Yu1, Jin Zijun1, Qi Shuai1
Received:2026-04-10
Revised:2026-06-12
Published:2026-08-28
摘要:
为科学准确获取平行黏结模型(PBM)细观参数,首先,采用正交设计、拉丁超立方采样和分层采样构建细观参数样本,结合PFC2D自动化批量单轴压缩数值试验建立宏-细观参数映射数据库;然后,采用粒子群优化算法(PSO)、麻雀优化算法(SSA)、指数三角优化算法(ETO)分别对随机森林(RF)、反向传播神经网络(BP)、支持向量回归(SVR)和K近邻(KNN)模型开展超参数优化,并构建16种机器学习模型进行比较优选;最后,以锦屏二级水电站大理岩为例,基于优选模型开展细观参数标定及卸荷岩爆数值模拟试验。结果表明:ETO-BP模型预测性能优于其他模型;基于优选模型标定的5种岩样单轴抗压强度、弹性模量和泊松比误差均小于5%;卸荷条件下岩样破坏过程经历平静期、小颗粒弹射期、片状剥离伴颗粒弹射期和全面崩垮期,并呈现颗粒弹射、片状劈裂及块状崩落等破坏形式。
中图分类号:
喻豪, 王超, 贺子旺, 刘宇, 金子浚, 亓帅. 基于机器学习的PBM细观参数标定及卸荷岩爆模拟研究[J]. 中国安全科学学报, 2026, 36(8): 260-268.
Yu Hao, Wang Chao, He Ziwang, Liu Yu, Jin Zijun, Qi Shuai. Machine learning-based calibration of PBM meso-parameters and numerical simulation of unloading rockburst[J]. China Safety Science Journal, 2026, 36(8): 260-268.
表1
单轴压缩模拟试验宏-细观参数映射数据库
| 编号 | 模型细观参数 | 宏观参数 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ${\stackrel{-}{\mathit{E}}}^{\mathrm{*}}$/GPa | ${\stackrel{-}{\mathit{\kappa }}}^{\mathrm{*}}$ | ${\stackrel{-}{\mathit{\sigma }}}_{\mathit{c}}$/MPa | $\stackrel{-}{\mathit{\phi }}$/(°) | Rc/MPa | E/GPa | ν | |
| 1 | 10.00 | 1.50 | 10.00 | 0.00 | 11.32 | 11.81 | 0.179 |
| 2 | 56.67 | 1.50 | 40.00 | 20.00 | 42.10 | 47.37 | 0.143 |
| 3 | 103.03 | 1.50 | 70.00 | 40.00 | 68.10 | 69.40 | 0.123 |
| ︙ | ︙ | ︙ | ︙ | ︙ | ︙ | ︙ | ︙ |
| 114 | 37.68 | 6.37 | 11.67 | 42.03 | 12.91 | 24.44 | 0.331 |
| 115 | 24.75 | 3.99 | 53.93 | 31.82 | 52.96 | 19.62 | 0.326 |
| 116 | 121.19 | 2.18 | 89.75 | 16.85 | 90.62 | 71.07 | 0.161 |
表2
模型平均误差及R2
| 模型 | ${\stackrel{-}{\mathit{E}}}^{\mathrm{*}}$ | ${\stackrel{-}{\mathit{\kappa }}}^{\mathrm{*}}$ | ${\stackrel{-}{\mathit{\sigma }}}_{\mathit{c}}$ | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 平均误差/% | R2 | 平均误差/% | R2 | 平均误差/% | R2 | |
| RF | 15.48 | 0.926 9 | 13.90 | 0.803 0 | 7.26 | 0.973 1 |
| PSO-RF | 14.92 | 0.953 9 | 17.43 | 0.838 6 | 5.28 | 0.983 0 |
| SSA-RF | 14.68 | 0.951 7 | 17.43 | 0.834 2 | 5.46 | 0.980 6 |
| ETO-RF | 14.16 | 0.954 0 | 17.61 | 0.836 4 | 5.00 | 0.981 4 |
| BP | 12.89 | 0.945 5 | 9.57 | 0.920 4 | 5.96 | 0.976 6 |
| PSO-BP | 6.17 | 0.980 8 | 6.32 | 0.950 5 | 5.34 | 0.987 4 |
| SSA-BP | 8.25 | 0.973 3 | 7.62 | 0.964 9 | 5.92 | 0.984 2 |
| ETO-BP | 6.13 | 0.981 5 | 5.32 | 0.954 5 | 3.52 | 0.992 3 |
| SVR | 14.41 | 0.938 2 | 12.70 | 0.906 4 | 7.50 | 0.980 8 |
| PSO-SVR | 10.49 | 0.969 3 | 7.66 | 0.930 7 | 5.87 | 0.990 7 |
| SSA-SVR | 9.42 | 0.958 2 | 11.60 | 0.901 1 | 6.51 | 0.986 2 |
| ETO-SVR | 6.24 | 0.962 6 | 6.88 | 0.971 6 | 5.30 | 0.990 6 |
| KNN | 14.03 | 0.838 4 | 21.18 | 0.665 3 | 12.56 | 0.934 8 |
| PSO-KNN | 13.90 | 0.937 2 | 16.06 | 0.794 0 | 12.34 | 0.951 0 |
| SSA-KNN | 15.63 | 0.904 2 | 17.20 | 0.791 6 | 10.56 | 0.978 6 |
| ETO-KNN | 14.75 | 0.905 1 | 16.09 | 0.786 7 | 9.64 | 0.969 8 |
表4
ETO-BP模型标定结果
| 岩样 | Rc | E | v | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 实测 值/MPa | 模拟值/ MPa | 误差/ % | 实测 值/GPa | 模拟 值/GPa | 误差/ % | 实测值 | 模拟值 | 误差/ % | |
| 1号页岩 | 65.2 | 67.89 | 4.13 | 26.0 | 26.30 | 1.15 | 0.237 | 0.232 | 2.11 |
| 2号页岩 | 87.0 | 88.23 | 1.41 | 24.2 | 24.88 | 2.81 | 0.248 | 0.241 | 2.82 |
| 砂岩 | 47.31 | 47.70 | 0.82 | 16.71 | 17.43 | 4.31 | 0.27 | 0.257 | 4.81 |
| 1号大理岩 | 88.3 | 86.58 | 1.95 | 49.0 | 51.07 | 4.22 | 0.19 | 0.189 | 0.53 |
| 2号大理岩 | 199.2 | 197.5 | 0.85 | 24.13 | 25.29 | 4.81 | 0.282 | 0.294 | 4.26 |
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