岩土材料的基因特征及其测试方法

　　摘 要：由于岩土材料固有的天然成因，其基本物理力学特性表现出不同程度的空间变异性。基于有限的检测数据很难对岩土材料的整体物理力学特征进行描述，而特征参数取值的差异对岩土工程稳定状态的判别和相关工程设计结果的影响不可忽略。基于该问题，提出对一定空间范围内的特定岩(土)性材料性质整体特性进行描述的岩土材料基因特征的概念，给出基因特征的定义及其基本属性，提出运用大数据理论对大量实际工程中检测到的岩土材料参数数据进行统计分析并寻找其基因特征的思路。研发了岩土材料基因特征大数据管理及分析软件系统，实现了对岩土材料大数据实施收集、传输、分类、筛选、管理和统计分析的功能，并结合在重庆地区收集到的7万余条典型岩土材料数据，对该地区的典型岩土材料基因特征进行分析，得到相应的基因图谱。

　　关键词：岩土材料;基因特征;大数据;统计分析;贝叶斯估计

　　随着科学技术的不断发展，岩土力学的各种计算理论和分析模型已日臻完善，计算方法和分析手段也多种多样，许多先进的理论和方法已成功运用到实际工程中，为解决岩土工程实际问题提供了有力的理论基础和技术支撑，极大地推动和促进了岩土工程学科和工程实践的发展[1-2]。然而，一个十分关键的因素仍制约着一些先进岩土力学理论在实际工程中的应用，阻碍了岩土工程的快速发展，这个因素就是对岩土材料基本物理力学特征的认识，具体而言就是对岩土材料基本物理力学参数的正确确定。任何岩土力学理论和方法的应用都必须建立在对岩土材料基本物理力学参数的正确认识和准确识别之上，否则，任何先进的理论和精确的计算，其结果都会出现失真或谬误，从而使理论研究和数值计算的结果变得毫无意义[3]。而由于岩土材料自身固有的特殊成因，其物理力学性质表现出较为显著的空间随机变异性和不确定性，加之岩土工程问题涉及的空间区域往往比较大，正确评价一定区域不同岩(土)性材料的物理力学特征、获取一定空间区域范围内岩土材料真实可靠的物理力学参数是一项十分重要但又相当困难的工作。

　　目前，工程界常用的做法是，在工程勘查过程中获取几个试验点岩土材料样本的试验值，经过简单的统计分析后，提出反映该岩土材料整体性质的物理力学参数，并用于指导工程设计。由于试验样本的局限性，这种方法存在较大的缺陷和不足，使得人们对所获取的参数的真实性、可靠性和代表性表示怀疑。因此，勘查设计人员出于保守的设计观念及本能的自我保护意识，对测得的强度参数会进行不同程度的折减，然后再提供给工程设计或评估使用。折减的目的是人为考虑岩土材料参数的变异性和参数测试过程中可能带来的误差，这样的做法显然具有极大的主观随意性，缺乏必要的科学依据。材料参数是工程设计的基础和核心，参数选择的不合理会增加工程事故的風险或增加工程建设的投资，对工程项目的安全性和经济性带来不利影响。由此可见，对岩土材料的基本物理力学特征进行研究非常必要。

　　很多高等院校和科研机构都有先进的岩土材料基本力学特性研究设备，也有很多专家在利用这些设备从事岩土材料基本物理力学特征的研究，研究也很深入，并取得了很多成果[3-18]。但由于受到试验样本数量的限制，其研究结果是否具有对某种岩土材料整体区域特征的代表性和普适性依然有待进一步确认，同时，也缺乏相应的对比验证，这是有关岩土材料参数特征“点估计”和“区域估计”之间的关系问题。“点估计”的结果对局部小区域特征的揭示效果十分明显，但岩土体具有比较显著的空间变异性，“点估计”与“区域估计”结果之间有区别，特别是在“点估计”样本数量偏少的情况下，差别更明显，不可完全取而代之。

　　根据岩土材料物理力学特征固有的空间变异性和不确定性特征，结合岩土材料在不同区域的地质成因和构造条件，提出“岩土材料基因特征”的概念，用以描述岩土材料在一定区域上的基本物理力学特征，旨在运用数据统计的方法寻找一定空间区域范围内特定岩土材料群组(岩土材料岩性类别)的共性——基本物理力学特征，建立相应的岩土材料基本参数数据库，运用大数据分析方法对其进行基因特征识别和提取，并根据不断补充的测试数据对数据库进行补充完善，逐步修正其基因特征，使之对基因特征的描述逐步趋于准确，并反过来指导参数取值，为岩土力学理论应用和岩土工程设计提供可靠的基础数据。

　　1 岩土材料基因特征的概念

　　“基因”一词源于生物学，是指存在于生物种群内部具有遗传因子的基础物质。基因的作用体现在两个方面，一是传递遗传信息，二是决定生物的行为特征和健康状况。每一个生物都具有自己的基因特征，而每一个生物种群也具有该种群共有的基因共性(如人类、鱼类、鸟类、爬行动物以及各种植物种群等)，这些基因共性对研究该种群的生物衍变和个性特征具有重要意义。

　　同理，尽管岩土介质为非生物类物质，但也具有内部微观材料及其组织结构特征，微观细颗粒和其他介质经过数以亿年的物理化学作用，形成了今天的岩土材料。特定的材料物质组分，特定的结构方式，特定的温度、压力等生成环境影响因素赋予了该岩土材料群组特定的基因特性，并以特定的物理力学特征表现出来。尽管从工程建设的角度探求岩土材料基因的遗传特性意义不大，但从研究一定区域范围内相同岩土材料群组表现出来的物理力学特征上讲，岩土材料基因特征的研究不仅具有重要的理论意义，而且具有重要的工程适用价值。

　　岩土材料基因特征的定义可以表述为：在一定空间区域内，同一岩土材料群组所具有的共性基本物理力学特征。基于该定义，岩土材料基因特征应该具备如下属性：

　　1)区域性：由于受到岩土材料成因的影响，只有在基本相同的条件下形成的同一类岩土材料才具备相同或类似的基因特质;不同地区的岩土材料，由于其成因条件不同，表现出来的基因特征也有较大区别，由此决定了基因特征的区域性(图1)。

　　2)群组性：不同岩(土)性的岩土材料由于微观组分材料不同，结构方式不同，生成环境不同，具有不同的基因特征，因此，在对其进行研究时必须加以区分，不能相互混淆(图2)。

　　3)趋同性：同一区域相同群组的基因特征是指其具有代表性的共性或趋同特征，是一种统计概念，不排除在个别点上样本指标表现出细小差异。因此，基因特征的识别或检测必须要有足够数量的样本数据为基础，通过统计分析得出具有代表性的共性特征指标。

　　需要特别指出的是，岩土材料基本物理力学参数试验是岩土基因检测的基本方法，但每一个试验结果本身不能作为该群组基因特征描述的唯一指标，岩土材料基因特征和基本物理力学参数试验结果之间是群体与个体、一般性与特殊性的关系，只有通过对大量个体结果的统计分析，才能找到群体的共性化特征。

　　2 岩土材料基因特征研究的作用和意义

　　学者们已经对岩土材料基本物理力学特性进行了大量的研究，也取得了丰富的成果。但是，这些研究成果大多表现为对某一个特定工程的某一种特定岩土材料的某一个特定参数指标的研究，如强度指标、变形指标、渗透指标或时效性指标等，缺乏系统性和规范性，特别是研究结果只是针对特定空间点上的样本开展，结果缺乏在相关群组或空间区域上的参考价值和推广应用意义，也制约了这些研究结果价值的进一步体现。而岩土材料基因特征的概念则从广义上涵盖了岩土材料的各种基本内在属性特征，从描述上更加统一和规范，更重要的是这一概念不仅包含而且拓展了传统岩土材料基本物理力学性质研究的内涵，是一种基于传统试验研究结果基础之上的宏观统计结果，体现的是一定区域内相同群组岩土材料的宏观性质特征。

　　点上获取的试验数据既是区域统计的数据源，又是对既有基因特征统计结果的修订和补充信息;而既有的基因特征又可以对每一次检测所得的数据进行校验和比较，一些奇异数据的出现促使人们去分析查找原因，避免检测试验过程中出現人为错误或系统误差，保证数据的可靠性和真实性。岩土材料基因特征研究的意义在于，目前还不能非常准确地定量描述一定区域范围内岩土材料的基本物理力学性质的整体特征，仅仅通过有限的几个点上测得的数据去表征一个区域的岩土材料特性未免有失偏颇，有盲人摸象的感觉。因此，基于特定条件下相关大数据统计分析得到的结果从概率的角度上讲有可能比具体试验得到的某些数据更可靠，也更能代表岩土材料的区域物理力学特性。由于岩土材料均为天然形成，与混凝土、钢材等人工合成材料不同，其测试数据变异性相对较大，点上测得的数据对区域的代表性显得相对较低，这就使得基于区域统计分析的岩土材料基因特征的研究意义变得十分重要。

　　岩土材料基因特征的研究可以全面系统地对不同空间区域内不同岩(土)性群组的基本基因进行分析，建立相应的基因数据库，绘制相应的基因图谱，从而系统全面地分析各种基因元素对岩土材料物理力学特征的影响，分析这种影响的敏感性和相关性，根据分析结果，结合工程实际，需要对这些基因元素进行改良和干扰，提高这些岩土材料在某些方面的性能，以满足工程建设的需要，可以把这项工作称为岩土材料基因改良或转变。实际上，目前工程中广泛使用的地基处理中的各种物理化学加固技术以及生物岩土材料的研究都可以归结为对岩土材料基因特征的改良和转变。

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文章名称： 岩土材料的基因特征及其测试方法

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