Enhancing shear strength predictions of rocks using a hierarchical ensemble model

分位数 凝聚力(化学) 一般化 主成分分析 数学 灵敏度(控制系统) 统计 算法 计算机科学 人工智能 数据挖掘 机器学习 化学 数学分析 工程类 电子工程 有机化学
作者
Xiaohua Ding,Maryam Amiri,Mahdi Hasanipanah
出处
期刊:Scientific Reports [Springer Nature]
卷期号:14 (1): 20268-20268 被引量:13
标识
DOI:10.1038/s41598-024-71367-6
摘要

Shear strength (SS) parameters are essential for understanding the mechanical behavior of materials, particularly in geotechnical engineering and rock mechanics. This study proposes a novel hierarchical ensemble model (HEM) to predict SS parameters: cohesion ( C ) and angle of internal friction ( φ ). The HEM addresses the limitations of traditional machine learning models. Its performance was validated using leave-one-out cross-validation (LOOCV) and out-of-bag (OOB) evaluation methods. The model's accuracy was assessed with R-squared correlation (R2), absolute average relative error percentage (AAREP), Taylor diagrams, and quantile-quantile plots. The computational results demonstrated that the proposed HEM outperforms previous studies using the same database. The model predicted φ and C with R2 values of 0.93 and 0.979, respectively. The AAREP values were 1.96% for φ and 4.7% for C . These results indicate that the HEM significantly improves the prediction quality of φ and C , and exhibits strong generalization capability. Sensitivity analysis revealed that σ_3maxσ3max (maximum principal stress) had the greatest impact on modeling both φ and C . According to uncertainty analysis, the LOOCV and OOB had the widest uncertainty bands for the φ and C parameters, respectively.

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