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A Physics-Guided Symbolic Regression Framework for Efficient and Interpretable Sand Constitutive Modeling

岩土工程 回归分析 本构方程 回归 地质学 计算机科学 工程类 数学 统计 结构工程 机器学习 有限元法
作者
Yi Zhu,Su Chen,Xiaojun Li
出处
期刊:Canadian Geotechnical Journal [NRC Research Press]
标识
DOI:10.1139/cgj-2025-0201
摘要

Data-driven constitutive modeling for geomaterials encounters significant challenges in achieving a balance among interpretability, physical consistency, and computational efficiency. Traditional symbolic regression often struggles with extensive search spaces, slow convergence rates, and insufficient physical constraints, which limits its applicability to complex granular materials such as sands. In this context, we propose a framework for knowledge-based physically guided symbolic regression (KB-phgSR), which seamlessly integrates classical constitutive models with data-driven optimization techniques. The framework employs a two-stage approach: initially distilling Pareto-optimal equations from established physical models to establish physically consistent solutions; subsequently refining these equations using experimental data while ensuring dimensional balance and adherence to mechanical boundary conditions. Validated against triaxial tests conducted on Toyoura and Ottawa sands under various drainage conditions, KB-phgSR demonstrates enhanced convergence speed and robustness in capturing the intricate behaviors of sand. The optimized equations exhibit both high accuracy and interpretability while conforming to fundamental elastoplastic principles. By effectively combining physics-based priors with data-driven discovery methods, this framework advances constitutive modeling towards improved generalizability and engineering efficacy, positioning it as a paradigm-shifting tool with transformative potential in geomechanics and beyond.
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