روشهای عددی در مهندسی

روشهای عددی در مهندسی

طبقه‌بندی پایداری شیب‌های خاکی غیراشباع با استفاده از مدل‌سازی عددی و یادگیری ماشین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران
چکیده
پایداری شیب‌های غیراشباع به‌عنوان یکی از مسائل مهم در مهندسی ژئوتکنیک، نقش اساسی در ارزیابی ایمنی پروژه‌های عمرانی و پیشگیری از وقوع ناپایداری تحت تأثیر پارامترهای هیدرولوژیکی و هندسی دارد. در این پژوهش، به‌منظور ارزیابی پایداری شیب‌های غیراشباع، از مدل‌سازی عددی مبتنی بر روش اجزای محدود در نرم‌افزار پلکسیس دو‌‌بعدی استفاده شد و بر اساس نتایج آن، مجموعه‌ای از داده‌های مربوط به حالات پایدار و ناپایدار استخراج گردید. سپس عملکرد چهار الگوریتم یادگیری ماشین شامل ماشین بردار پشتیبان، رگرسیون لجستیک، جنگل تصادفی و اکس جی بوست بر روی این داده‌ها مورد ارزیابی قرار گرفت. پیاده‌سازی و کدنویسی این مدل‌ها با استفاده از زبان برنامه‌نویسی پایتون انجام شد. نتایج نشان داد که تمامی مدل‌های مورد بررسی، عملکرد قابل قبول و بسیار نزدیک به یکدیگر در طبقه‌بندی حالات پایداری شیب ارائه دادند. تحلیل اهمیت ویژگی‌ها و اثر پارامترهای ورودی بیانگر آن است که سطح آب زیرزمینی، زاویه شیب، شدت بارش و مدت بارش همگی اثر افزایشی بر ناپایداری شیب دارند. افزایش این پارامترها منجر به کاهش ضریب اطمینان پایداری و افزایش احتمال وقوع ناپایداری می‌شود. از منظر مکانیک خاک، این رفتار ناشی از کاهش مکش ماتریک، افت تنش مؤثر و کاهش مقاومت برشی در اثر نفوذ آب و همچنین افزایش مؤلفه تنش برشی محرک در شیب‌های تندتر است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Classification of Unsaturated Soil Slope Stability Using Numerical Modeling and Machine Learning

نویسندگان English

Adele Fanian
Hamid Hashemolhosseini
Reza Abdollahi
Mojtaba Azhari
Department of Civil Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan 84156-83111, Iran.
چکیده English

Abstract: The stability of unsaturated slopes, as one of the important issues in geotechnical engineering, plays a fundamental role in evaluating the safety of civil engineering projects and in preventing occurrence of instability under the influence of hydrological and geometrical parameters. In this study, in order to evaluate the stability of unsaturated slopes, numerical modeling based on the finite element method was performed using the PLAXIS 2D software, and based on its results, a dataset corresponding to stable and unstable conditions was extracted. Subsequently, the performance of four machine learning algorithms, including Support Vector Machine, Logistic Regression, Random Forest, and XGBoost, was evaluated on these data. The implementation and coding of these models was done using the Python programming language. The results indicated that all the investigated models demonstrated acceptable performance and very close results in classifying slope stability conditions. The analysis of feature importance and the effects of input parameters showed that groundwater level, slope angle, rainfall intensity, and rainfall duration all have an increasing effect on slope instability. An increase in these parameters leads to a reduction in the factor of safety and an increase in the probability of instability occurrence. From a soil mechanics perspective, this behavior is attributed to the reduction of matric suction, the decrease in effective stress, and the reduction in shear strength due to water infiltration, as well as the increase in the driving shear stress component in steeper slopes.

کلیدواژه‌ها English

Factor of safety
Machine learning
PLAXIS 2D
Slope stability
Unsaturated soil

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 28 شهریور 1405

تحت نظارت وف بومی