Model-Free Data-Driven Computational Analysis for Soil Consolidation Problems

Wuzhou Zhai

doi:10.1002/nag.70155

2025-11-01

DOI：10.1002/nag.70155

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摘要

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土壤是固有不确定性的天然材料。在岩土工程中，土壤性质基本上是通过测试小样本进行表征的。然后利用这些结果确定适用于有限元分析（FEM）等传统计算程序的适当土工材料本构模型及其相关参数。然而，此类分析的准确性和泛化能力很大程度上取决于模型的选择，而模型的选择可能因具体应用而异。为克服这些局限性，不依赖预定义土壤本构模型的计算方法正在兴起。在本文中，推导了针对多孔介质中流体运移的数据驱动计算方法，特别参考了土体固结问题。该方法不依赖任何本构流定律或模型；相反，它直接使用流体运移性质的实验数据，以计算在多孔骨架瞬态变化期间流体相分布。对于离散化域，数据驱动求解器为每个单元或积分点分配一个来自实验数据集的状态，同时满足质量守恒条件和流体压力梯度定义。通过引入由局部状态与材料状态之间的二次距离定义的惩罚函数，将问题表述为一个受约束的最小化任务，并通过拉格朗日乘数法显式求解。随后，使用所提出的数据驱动方法分析了多个案例，并与解析解和有限元（FE）解进行了比较。在这些测试中，数据驱动方法表现出良好的准确性和收敛性，并进一步讨论了数据集的尺度和噪声水平的影响。

Keyword:

data-driven computing

geotechnical engineering

soil consolidation

uncertainty analysis