在深度学习与岩土工程融合的背景下，科研的边界持续扩展，创新成果不断涌现。从基本物理模型的构建到岩土工程问题的复杂模拟，从数据驱动的分析到工程问题的智能解决，深度学习正以前所未有的动力推动岩土工程领域的革新。据调查，目前在岩土工程领域内，深度学习的应用主要集中在以下几个方面：
1、预测模型开发：使用深度学习来预测土壤和岩石的力学行为，例如土压力、剪切强度等。
2、数据驱动特性分析：通过机器学习算法分析大量实验数据，以识别土壤和岩石的非线性特性。
3、地质结构识别：应用深度学习技术如卷积神经网络（CNN），识别和分类地质结构和岩石类型。
4、地下设施稳定性分析：利用深度学习模型评估地下设施（隧道、矿井）的稳定性和潜在风险。
5、环境影响评估：使用深度学习模拟和预测岩土工程活动对环境（地下水流、土壤污染）影响。
6、灾害风险评估：应用深度学习模型来评估地震、滑坡等自然灾害对岩土工程结构的潜在风险
7、智能监测和诊断：利用深度学习进行岩土工程结构的实时监测，及时发现问题并进行诊断
8、自动化设计和优化：使用深度学习算法自动设计岩土工程解决方案，优化工程设计参数。
深度学习与岩土工程讲师
双一流及985工程建设高校副教授、硕导。主持和参与国家及省自然科学基金多项，发表 SCI 检索论文30余篇，论文总共他引900余次。主要从事岩土工程数值模拟方法研究。在土体基本理论与本构关系、人工智能机器学习在岩土工程中的应用等方面积累了丰富的经验。
PFC讲师
江苏省高水平建设重点高校副教授、硕导。参与国家及省自然科学基金数项，发表 SCI 检索论文二十余篇，国际、国内会议论文二十余篇，其中专利两项，软著五项。主要从事岩土工程数值模拟方法。在土体宏微观力学特性与本构关系、城市地下空间工程、人工智能机器学习在岩土工程中的应用等方面积累了丰富的经验。
深度学习在岩土工程中的应用与实践
课 程
内容
岩土工程
物理模型基础
- 岩土工程中的基本物理模型及工程问题
1.1.饱和土的一维渗流固结模型（扩散方程）及实际工程应用
1.2.达西定律与饱和土渗流方程（Laplace equation）及适用性
1.3.非饱和土渗流数学模型（Richards方程）及实际工程应用
1.4.工程应用中的正问题与反问题，通过具体案例区分
- 基本物理模型的求解方法
2.1.边界条件：通过图解和实际工程案例，讲解边界条件在物理模型中的作用，如无流边界、狄利克雷边界等
2.2.线性方程的解析解法
2.2.1. 直接解法：分离变量法及行波变换法
2.2.2. 间接解法：积分变换法
实战演练：分离变量法求固结方程的解析解
2.3.非线性方程的解析解法
2.3.1. 直接解法：双线性方法
2.3.2. 间接解法：反散射变换
实战演练：双线性方法求KdV方程的解析解
2.4.线性与非线性方程的数值解法
2.4.1. 有限差分法
2.4.2. 有限单元法
2.4.3. 谱方法
实战演练：时间分布Fourier方法求Boussinesq方程的数值解
Python及神经网络构建基础
- Python基本指令及库
3.1.Python基础：通过交互式编程环境，教授Python基础，包括数据类型和逻辑运算等
3.2.科学计算库：介绍Numpy和Matplotlib，并讲授如何使用它们进行科学计算和数据可视化
实战演练：基于简单Numpy指令解决岩石图像分类问题
3.3.神经网络构建：通过简单的实例，如使用Numpy构建感知机，教授神经网络的基本概念
3.4.深度学习框架：通过Tensorflow和Pytorch的实例，教授如何构建和训练用于岩土工程问题的深度学习模型
实战演练：基于Pytorch模块求解渗透系数及其影响因素间关系的量化模型
数据---物理
双驱动神经网络
- 深度学习基本原理与数据---物理双驱动神经网络
4.1.深度学习基础
4.1.1. 神经元及激活函数
4.1.2. 前馈神经网络与万能逼近定律
4.1.3. 多种深度神经网络
4.1.4. 自动微分方法
4.1.5. 深度神经网络的损失函数
4.1.6. 最优化方法
4.2.数据---物理双驱动神经网络方法
4.2.1. 物理信息神经网络（PINN）的工作原理及应用介绍
4.2.2. 深度算子网络（DeepONet）的工作原理及应用介绍
4.2.3. 物理深度算子网络（PI-DeepONet）的工作原理及应用介绍
实战演练：利用DeepXDE框架解决饱和土体的固结问题
案例实践
论文复现
- 动手实践：论文复现
论文实例解读与实战（一）：PINN模型在固结问题中的应用
参考文献：Application of improved physics-informed neu-ral networks for nonlinear consolidation problems with continuous drainage boundary conditions
Ø 神经网络架构的选择与设计
Ø 固结方程作为约束的损失函数设计
Ø 训练及预测
Ø 构建并训练一个固结问题的PINN模型
Ø 硬约束边界条件
论文实例解读与实战（二）：PINN模型在非饱和渗透模拟中的应用
参考文献：Surrogate modeling for unsaturated infiltration via the physics and equality-constrained artificial neural network
Ø PINN的改进---PECANN模型
Ø 损失函数的设计：数据拟合项与物理定律项的平衡
Ø 训练数据的生成：合成数据与实验数据（多保真PINN模型）
Ø PINN用于非饱和渗透模拟的优势（不确定性问题）
论文实例解读与实战（三）：PINN模型在非线性波动方程中的应用
参考文献：Explorations of certain nonlinear waves of the Boussinesq and Camassa--Holm equations using physics-informed neural networks
Ø Boussinesq方程与Camassa-Holm方程的数值求解难点
Ø PINN的改进---MPINN模型
Ø PINN的优势、劣势及未来发展方向
PFC离散元数值模拟仿真技术与应用
课 程
内容
理论基础及PFC入门
1 岩土工程数值模拟方法概述
1.1基于网格的模拟方法：
有限元、有限差分、大变形处理CEL、ALE、XFEM
1.2基于点的模拟方法：
离散单元法DEM、光滑粒子流方法SPH、物质点法MPM
1.3基于块体的模拟方法
2 离散元与PFC软件操作
2.1 离散元的基本原理（计算原理、宏观参量与微观参量的关系）
2.2 PFC软件界面操作
2.3文件系统
2.4显示控制
2.5帮助文档的使用
FISH、PYTHON语言及COMMAND命令
3 PFC软件的计算控制方法
3.1 PFC计算控制的语言逻辑
3.2 FISH语言（基本语法、函数定义与调用、创建模型、控制模拟过程、处理模拟结果、FISH Callback操作等）
3.3 COMMAND命令（命令结构、创建模型、状态监测与绘图、控制模拟过程、求解控制、状态查询、与FISH语言的混合使用等）
3.4 PYTHON语言（基本语法、Numpy库的使用、接口的使用等）
离散元模拟方法
4 离散元模拟方法
4.1离散元数值试样的生成方法
4.1.1单元试样模型生成方法
4.1.2边值问题（场地）模型生成方法
4.1.3连续---非连续耦合模型生成方法
4.1.4复杂颗粒形状的模拟方法（Rblock方法、Clump方法）
4.2接触模型选择与参数标定
4.2.1离散元接触模型的选择原则---12个内置模型
4.2.2接触模型参数的标定方法与参数意义---以胶结颗粒材料（岩石、胶结砂土等）为例，讲授参数标定步骤
4.3其他问题
4.3.1模型边界条件施加方法（达到初始平衡状态、开挖类模拟、填筑类模拟、加载类模拟、周期性边界、应力伺服）
4.3.2各种阻尼的选择（粘滞阻尼、局部阻尼、滞回接触模型）
4.3.3时步与时步缩放（静力、动力问题时步及相关命令）
4.3.4试样尺寸、颗粒数量、级配选择
4.3.5 并行计算
土体单元试验模拟
5 土体单元试验模拟方法
5.1常规三轴剪切试验模拟(命令流+FISH)
5.1.1建模方法与注意事项
5.1.2模拟结果分析
5.1.3模拟结果可视化
5.2真三轴剪切模拟(命令流+FISH)
5.2.1真三轴加载路径的模拟
5.2.2真三轴强度准则
5.2.3微观结构演变过程
5.3不排水三轴剪切模拟(命令流+FISH)
5.4循环三轴剪切的模拟(命令流+FISH)
5.5颗粒破碎过程模拟(命令流+FISH)
5.6岩石（胶结颗粒）材料的剪切过程模拟
5.7离散元模拟与弹塑性本构模型
工程实例分析
6 工程实例分析
6.1活动门试验模拟(命令流+FISH)
6.1.1试样级配控制
6.1.2应力状态控制
6.1.3孔隙比的控制
6.1.4 活动门加载的实现
6.2盾构隧道掌子面稳定性(命令流+FISH)
6.2.1主动失稳模式
6.2.2被动失稳模式
6.3节理岩体中的硐室开挖稳定性(命令流+FISH)
6.3.1节理裂隙岩体的生成
6.3.2初始应力状态控制
6.3.3 开挖模拟
PFC3D与FLAC3D耦合模拟与分析
7 离散---连续域耦合模拟
7.1离散---连续耦合模拟方法
Ø 与FLAC3D中一维结构单元耦合
Ø 与FLAC3D中二维壳结构单元或三维实体单元的面的耦合
Ø 与FLAC3D中三维实体单元的耦合（实例）
7.2离散---连续域参数匹配
7.3基于离散---连续域耦合的三轴剪切试验模拟(命令流+FISH)
实例操作：二维壳结构单元耦合（壳单元模拟橡胶膜-创建耦合墙-施加应力边界等向压缩-剪切模拟）
7.4基于离散---连续域耦合的地基承载力分析(命令流+FISH)
实例操作：基于Punch indentation案例的修改与实现
PFC-CFD耦合模拟与分析
8 流固耦合分析
8.1颗粒与流体相互作用理论（CFD模块概况、体积平均粗网格法、颗粒与流体相互作用计算）
8.2流固耦合框架
Ø CFD网格、流体域边界设置、网格导入、网格流体参数设置
Ø 孔隙率计算
Ø 耦合时间间隔、耦合时步、网格与颗粒尺寸
Ø 耦合步骤
8.3实例操作分析(命令流+FISH)
8.3.1单向耦合
8.3.2孔隙介质中Darcy流模拟（Fipy应用）
8.3.3 与FLAC3D的渗流耦合模拟
v1047608967
深度学习在岩土工程应用及PFC离散元数值模拟应用