اعتبار،چابکی،پاسخگویی

تحلیل احتمالاتی پایداری شیب خاکی با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی تصادفی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، مؤسسه آموزش عالی آپادانا، شیراز، ایران

2 استادیار، مؤسسه آموزش عالی آپادانا، شیراز، ایران

چکیده
تحلیل پایداری شیروانی‌های خاکی یکی از مسائل کلیدی در مهندسی ژئوتکنیک به شمار می‌رود. در این پژوهش، با هدف ارائه مدلی کارآمد در تحلیل احتمالاتی پایداری شیروانی، از شبکه عصبی مصنوعی تصادفی بهره گرفته شده است. پارامترهای ژئوتکنیکی نظیر وزن حجمی، چسبندگی، زاویه اصطکاک داخلی، نسبت پواسون، مدول الاستیسیته و زاویه شیب به‌عنوان متغیرهای تصادفی در نظر گرفته شدند. به منظور تولید داده‌های آموزشی، با استفاده از روش اجزای محدود و انجام ۴۰۰۰ بار تحلیل عددی، ضریب اطمینان شیروانی شبیه‌سازی گردید.دو مدل شبکه عصبی طراحی شد؛ در مدل اول ضریب اطمینان و در مدل دوم زاویه شیب به عنوان خروجی در نظر گرفته شدند. سپس ساختارهای مختلف لایه‌های میانی شبکه بررسی و ساختار بهینه بر اساس کم‌ترین خطای پیش‌بینی انتخاب گردید. برای امکان استفاده از مدل در تحلیل احتمالاتی، تابع فعال‌ساز به‌صورت خطی لحاظ شد و رابطه حاصل در چارچوب روش لنگر دوم مرتبه اول به‌کار گرفته شد. نتایج حاصل نشان داد که ساختار بهینه مدل اول دارای پنج لایه میانی با تعداد گره‌های 5، 1، 13، 8 و 14 و مدل دوم شامل لایه‌هایی با 5، 5، 7، 7 و 8 گره است. همچنین مشاهده شد که افزایش پیچیدگی ساختار شبکه لزوماً به معنای بهبود دقت مدل نیست. روش ارائه‌شده بر روی دو مطالعه موردی شامل شیروانی جاده یاسوج–کاکان در ایران و جاده Wozeka–Gidole در اتیوپی اعمال گردید. برای مطالعه اول، شاخص قابلیت اعتماد 2.42 و احتمال خرابی 0.0078 و برای مطالعه دوم به‌ترتیب مقادیر 4.34 و6-^10 *6.8124 حاصل شد. مطابق با جدول سطح عملکرد، نتایج نشان‌دهنده سطح عملکرد «خوب» تا «بالاتر از حد متوسط» در هر دو مطالعه موردی است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Probabilistic Analysis of Soil Slope Stability Using Random Artificial Neural Networks

نویسندگان English

Parnia Karimi 1
Amir Gholampour 2
1 Civil Msc, Apadana Institute of Higher Education, Shiraz, Iran
2 Assistant professor, Apadana Institute of Higher Education, Shiraz, Iran
چکیده English

Slope stability analysis is a fundamental challenge in geotechnical engineering. This study presents an efficient probabilistic modeling approach for slope stability using stochastic artificial neural networks. Key geotechnical parameters including unit weight, cohesion, internal friction angle, Poisson’s ratio, elastic modulus, and slope angle were modeled as random variables. Training data were generated via finite element analyses with 4000 simulations to compute the safety factor.Two neural network models were developed: the first predicting the factor of safety, and the second predicting the slope angle. Various hidden layer architectures were evaluated, and the optimal structures were selected based on minimum prediction error. A linear activation function was employed to facilitate integration within a probabilistic framework, enabling application of the model in the first-order second-moment reliability method. Results revealed that the optimal architecture for the first model includes five hidden layers with 5, 1, 13, 8, and 14 neurons, while the second model’s optimal structure consists of five layers with 5, 5, 7, 7, and 8 neurons. It was also demonstrated that increasing network complexity does not necessarily enhance model performance. The proposed approach was applied to two case studies: the Yasuj–Kakan road slope in Iran and the Wozeka–Gidole road slope in Ethiopia. For the first case, the reliability index and failure probability were 2.42 and 0.0078, respectively; for the second, these values were 4.34 and 6.8124^10-6 .According to the performance level criteria, these results correspond to performance levels ranging from “above average” to “good” for both sites.

کلیدواژه‌ها English

  • Soil Slope Stability
  • Finite Element Method
  • Artificial Neural Network
  • First Order Second Moment
  • Probabilistic Analysis
Qi, Y. (2023). “FLAC3D-based slope stability analysis and calculation”. Highlights in Science,
Engineering and Technology, 79, 22-29.
Chakraborty, A., & Goswami, D. (2017). Slope stability prediction using artificial neural network
(ANN). International Journal of Engineering and Computer Science, 6(6), 21845-21848.
Bharati, A. K., Ray, A., Khandelwal, M., Rai, R., & Jaiswal, A. (2022). Stability evaluation of dump
slope using artificial neural network and multiple regression. Engineering with Computers, 38(Suppl 3),
1835-1843.
Irwan, A. G., & Wiati, I. T. Reconstruction of Natural Slope Stability by Limit Equilibrium Methods
and Finite Element Methods. Dinamika Teknik Sipil: Majalah Ilmiah Teknik Sipil, 16(2), 43-49.
Johari, A., Javadi, A. A., & Habibagahi, G. (2011).“Modelling the mechanical behaviour of
unsaturated soils using a genetic algorithm-based neural network“. Computers and Geotechnics, 38(1),
2-13.
Johari, A., & Javadi, A. A. (2010). “Prediction of soil-water characteristic curve using neural
network”. In Unsaturated Soils, Two Volume Set (pp. 461-466). CRC Press.
Johari, A., & Mousavi, S. (2019). An analytical probabilistic analysis of slopes based on limit equilibrium
methods. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 78(6), 4333-4347.
Mebrahtu, T. K., Heinze, T., Wohnlich, S., & Alber, M. (2022). Slope stability analysis of deepseated
landslides using limit equilibrium and finite element methods in Debre Sina area, Ethiopia.
Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 81(10), 403.
Civil and Project Journal, 2025, 7(7), 11-29
https://doi.org/10.22034/cpj.2025.536403.1388
29
Gu, X., Song, L., Xia, X., & Yu, C. (2024). Finite Element Method-Peridynamics Coupled Analysis
of Slope Stability Affected by Rainfall Erosion. Water, 16(15), 2210.
Gholampour,A.(2018). “Application of the finite element method in geotechnical engineering”.
Shiraz: Moallefan-e Farhikhteh Publication (In Persian).
Kalateh, F., & Kheiry, M. (2024). Uncertainty analysis in the simulation of effective seepage flow
through earth dams with the Monte Carlo algorithm and machine learning. Water and Soil Management
and Modeling, 4(1), 151-170.
Johari, A., & Talebi, A. (2019). Stochastic analysis of rainfall-induced slope instability and steadystate
seepage flow using random finite-element method. International Journal of Geomechanics, 19(8),
04019085.
Johari, A., & Gholampour, A. (2018).“A practical approach for reliability analysis of unsaturated
slope by conditional random finite element method“.Computers and Geotechnics, 102, 79-91.
Mamata, R. C., Ramlia, A., Yazidb, M. R. M., Kasab, A., Razalib, S. F. M., & Bastamc, M. N.
(2022). Slope stability prediction of road embankment using artificial neural network combined with
genetic algorithm. J Kejuruter, 34(1), 165-173.
Meng, J., Mattsson, H., & Laue, J. (2021). Three‐dimensional slope stability predictions using
artificial neural networks. International Journal for Numerical and Analytical Methods in
Geomechanics, 45(13), 1988-2000.
US Army Corps of Engineers. (1999). Risk-based analysis in geotechnical engineering for support
of planning studies (ETL 1110-2). Washington, DC
Wong, F. S. (1985). First-order, second-moment methods. Computers & structures, 20(4), 779-791.
Rezaei, A., Rabeti Moghaddam, M., Zamani Lenjani, M., & Montaseri, H. (2024).”The combined
effect of rainfall and road construction on the stability of soil slopes”. Jadeh, 32(118), 295–312 (In
Persian).
Bushira, K. M., Gebregiorgis, Y. B., Verma, R. K., & Sheng, Z. (2018). “Cut soil slope stability
analysis along national Highway at wozeka–gidole road, Ethiopia”. Modeling Earth Systems and
Environment, 4, 591-600.
American Association of State Highway and Transportation Officials. (2020). AASHTO LRFD
bridge design specifications (9th ed.) [Article 11.6.2.3, pp. 11-102 to 11-104]. Washington, DC: Author
  • تاریخ دریافت 01 تیر 1404
  • تاریخ بازنگری 08 تیر 1404
  • تاریخ پذیرش 11 مرداد 1404
  • تاریخ اولین انتشار 11 مرداد 1404
  • تاریخ انتشار 01 مهر 1404