巖土材料的基因特征及其測(cè)試方法

劉東升　劉漢龍　吳越　仉文崗

摘 要：由于巖土材料固有的天然成因，其基本物理力學(xué)特性表現(xiàn)出不同程度的空間變異性?；谟邢薜臋z測(cè)數(shù)據(jù)很難對(duì)巖土材料的整體物理力學(xué)特征進(jìn)行描述，而特征參數(shù)取值的差異對(duì)巖土工程穩(wěn)定狀態(tài)的判別和相關(guān)工程設(shè)計(jì)結(jié)果的影響不可忽略?；谠搯栴}，提出對(duì)一定空間范圍內(nèi)的特定巖（土）性材料性質(zhì)整體特性進(jìn)行描述的巖土材料基因特征的概念，給出基因特征的定義及其基本屬性，提出運(yùn)用大數(shù)據(jù)理論對(duì)大量實(shí)際工程中檢測(cè)到的巖土材料參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并尋找其基因特征的思路。研發(fā)了巖土材料基因特征大數(shù)據(jù)管理及分析軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖土材料大數(shù)據(jù)實(shí)施收集、傳輸、分類、篩選、管理和統(tǒng)計(jì)分析的功能，并結(jié)合在重慶地區(qū)收集到的7萬余條典型巖土材料數(shù)據(jù)，對(duì)該地區(qū)的典型巖土材料基因特征進(jìn)行分析，得到相應(yīng)的基因圖譜。

關(guān)鍵詞：巖土材料;基因特征;大數(shù)據(jù);統(tǒng)計(jì)分析;貝葉斯估計(jì)

中圖分類號(hào)：TU411;TU413 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2022）04-0001-09

Genetic features of geo-materials and their testing method

LIU Dongsheng1， LIU Hanlong2， WU Yue1，3， ZHANG Wengang2

（1. Chongqing Bureau of Geological Survey and Mineral Exploration， Chongqing 401121， P. R. China; 2. School of Civil Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China; 3. School of Civil Engineering and Architecture， Chongqing University of Science and Technology， Chongqing 401331， P. R. China）

Abstract： Basic features of geo-materials generally show spatial variability to some extent due to their natural cause of formation. Its difficult to give a full description of the field basic features of geo-materials by use of limited testing data. The values of parameters which represent the basic features of geo-materials have great influence on the geotechnical engineering design. In this paper， a concept of genetic features for geo-materials is firstly proposed and definition as well as some attributes with regards to this concept are also given. Based on big data analysis and a large amount of data collected from practical projects in Chongqing， method for searching the genetic features of geo-materials is proposed. A software about the genetic feature analysis is developed and it can be used for collection， analysis and management of geo-materials data obtained from engineering practice. Based on it， more than 70 000 data about genetic features of typical geo-materials in Chongqing are collected and analyzed， some typical genetic maps of geo-materials in Chongqing are obtained.

Keywords：geo-material; genetic feature; big data; statistical analysis; Bayes estimation

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，巖土力學(xué)的各種計(jì)算理論和分析模型已日臻完善，計(jì)算方法和分析手段也多種多樣，許多先進(jìn)的理論和方法已成功運(yùn)用到實(shí)際工程中，為解決巖土工程實(shí)際問題提供了有力的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，極大地推動(dòng)和促進(jìn)了巖土工程學(xué)科和工程實(shí)踐的發(fā)展[1-2]。然而，一個(gè)十分關(guān)鍵的因素仍制約著一些先進(jìn)巖土力學(xué)理論在實(shí)際工程中的應(yīng)用，阻礙了巖土工程的快速發(fā)展，這個(gè)因素就是對(duì)巖土材料基本物理力學(xué)特征的認(rèn)識(shí)，具體而言就是對(duì)巖土材料基本物理力學(xué)參數(shù)的正確確定。任何巖土力學(xué)理論和方法的應(yīng)用都必須建立在對(duì)巖土材料基本物理力學(xué)參數(shù)的正確認(rèn)識(shí)和準(zhǔn)確識(shí)別之上，否則，任何先進(jìn)的理論和精確的計(jì)算，其結(jié)果都會(huì)出現(xiàn)失真或謬誤，從而使理論研究和數(shù)值計(jì)算的結(jié)果變得毫無意義[3]。而由于巖土材料自身固有的特殊成因，其物理力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出較為顯著的空間隨機(jī)變異性和不確定性，加之巖土工程問題涉及的空間區(qū)域往往比較大，正確評(píng)價(jià)一定區(qū)域不同巖（土）性材料的物理力學(xué)特征、獲取一定空間區(qū)域范圍內(nèi)巖土材料真實(shí)可靠的物理力學(xué)參數(shù)是一項(xiàng)十分重要但又相當(dāng)困難的工作。目前，工程界常用的做法是，在工程勘查過程中獲取幾個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)巖土材料樣本的試驗(yàn)值，經(jīng)過簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)分析后，提出反映該巖土材料整體性質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)，并用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。由于試驗(yàn)樣本的局限性，這種方法存在較大的缺陷和不足，使得人們對(duì)所獲取的參數(shù)的真實(shí)性、可靠性和代表性表示懷疑。因此，勘查設(shè)計(jì)人員出于保守的設(shè)計(jì)觀念及本能的自我保護(hù)意識(shí)，對(duì)測(cè)得的強(qiáng)度參數(shù)會(huì)進(jìn)行不同程度的折減，然后再提供給工程設(shè)計(jì)或評(píng)估使用。折減的目的是人為考慮巖土材料參數(shù)的變異性和參數(shù)測(cè)試過程中可能帶來的誤差，這樣的做法顯然具有極大的主觀隨意性，缺乏必要的科學(xué)依據(jù)。材料參數(shù)是工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和核心，參數(shù)選擇的不合理會(huì)增加工程事故的風(fēng)險(xiǎn)或增加工程建設(shè)的投資，對(duì)工程項(xiàng)目的安全性和經(jīng)濟(jì)性帶來不利影響。由此可見，對(duì)巖土材料的基本物理力學(xué)特征進(jìn)行研究非常必要。AF9DA212-F27C-48ED-B9D1-A092D886E1D4

很多高等院校和科研機(jī)構(gòu)都有先進(jìn)的巖土材料基本力學(xué)特性研究設(shè)備，也有很多專家在利用這些設(shè)備從事巖土材料基本物理力學(xué)特征的研究，研究也很深入，并取得了很多成果[3-18]。但由于受到試驗(yàn)樣本數(shù)量的限制，其研究結(jié)果是否具有對(duì)某種巖土材料整體區(qū)域特征的代表性和普適性依然有待進(jìn)一步確認(rèn)，同時(shí)，也缺乏相應(yīng)的對(duì)比驗(yàn)證，這是有關(guān)巖土材料參數(shù)特征“點(diǎn)估計(jì)”和“區(qū)域估計(jì)”之間的關(guān)系問題?！包c(diǎn)估計(jì)”的結(jié)果對(duì)局部小區(qū)域特征的揭示效果十分明顯，但巖土體具有比較顯著的空間變異性，“點(diǎn)估計(jì)”與“區(qū)域估計(jì)”結(jié)果之間有區(qū)別，特別是在“點(diǎn)估計(jì)”樣本數(shù)量偏少的情況下，差別更明顯，不可完全取而代之。

根據(jù)巖土材料物理力學(xué)特征固有的空間變異性和不確定性特征，結(jié)合巖土材料在不同區(qū)域的地質(zhì)成因和構(gòu)造條件，提出“巖土材料基因特征”的概念，用以描述巖土材料在一定區(qū)域上的基本物理力學(xué)特征，旨在運(yùn)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法尋找一定空間區(qū)域范圍內(nèi)特定巖土材料群組（巖土材料巖性類別）的共性——基本物理力學(xué)特征，建立相應(yīng)的巖土材料基本參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析方法對(duì)其進(jìn)行基因特征識(shí)別和提取，并根據(jù)不斷補(bǔ)充的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行補(bǔ)充完善，逐步修正其基因特征，使之對(duì)基因特征的描述逐步趨于準(zhǔn)確，并反過來指導(dǎo)參數(shù)取值，為巖土力學(xué)理論應(yīng)用和巖土工程設(shè)計(jì)提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 巖土材料基因特征的概念

“基因”一詞源于生物學(xué)，是指存在于生物種群內(nèi)部具有遺傳因子的基礎(chǔ)物質(zhì)?；虻淖饔皿w現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是傳遞遺傳信息，二是決定生物的行為特征和健康狀況。每一個(gè)生物都具有自己的基因特征，而每一個(gè)生物種群也具有該種群共有的基因共性（如人類、魚類、鳥類、爬行動(dòng)物以及各種植物種群等），這些基因共性對(duì)研究該種群的生物衍變和個(gè)性特征具有重要意義。

同理，盡管巖土介質(zhì)為非生物類物質(zhì)，但也具有內(nèi)部微觀材料及其組織結(jié)構(gòu)特征，微觀細(xì)顆粒和其他介質(zhì)經(jīng)過數(shù)以億年的物理化學(xué)作用，形成了今天的巖土材料。特定的材料物質(zhì)組分，特定的結(jié)構(gòu)方式，特定的溫度、壓力等生成環(huán)境影響因素賦予了該巖土材料群組特定的基因特性，并以特定的物理力學(xué)特征表現(xiàn)出來。盡管從工程建設(shè)的角度探求巖土材料基因的遺傳特性意義不大，但從研究一定區(qū)域范圍內(nèi)相同巖土材料群組表現(xiàn)出來的物理力學(xué)特征上講，巖土材料基因特征的研究不僅具有重要的理論意義，而且具有重要的工程適用價(jià)值。

巖土材料基因特征的定義可以表述為：在一定空間區(qū)域內(nèi)，同一巖土材料群組所具有的共性基本物理力學(xué)特征。基于該定義，巖土材料基因特征應(yīng)該具備如下屬性：

1）區(qū)域性：由于受到巖土材料成因的影響，只有在基本相同的條件下形成的同一類巖土材料才具備相同或類似的基因特質(zhì);不同地區(qū)的巖土材料，由于其成因條件不同，表現(xiàn)出來的基因特征也有較大區(qū)別，由此決定了基因特征的區(qū)域性（圖1）。

2）群組性：不同巖（土）性的巖土材料由于微觀組分材料不同，結(jié)構(gòu)方式不同，生成環(huán)境不同，具有不同的基因特征，因此，在對(duì)其進(jìn)行研究時(shí)必須加以區(qū)分，不能相互混淆（圖2）。

3）趨同性：同一區(qū)域相同群組的基因特征是指其具有代表性的共性或趨同特征，是一種統(tǒng)計(jì)概念，不排除在個(gè)別點(diǎn)上樣本指標(biāo)表現(xiàn)出細(xì)小差異。因此，基因特征的識(shí)別或檢測(cè)必須要有足夠數(shù)量的樣本數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過統(tǒng)計(jì)分析得出具有代表性的共性特征指標(biāo)。

需要特別指出的是，巖土材料基本物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)是巖土基因檢測(cè)的基本方法，但每一個(gè)試驗(yàn)結(jié)果本身不能作為該群組基因特征描述的唯一指標(biāo)，巖土材料基因特征和基本物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果之間是群體與個(gè)體、一般性與特殊性的關(guān)系，只有通過對(duì)大量個(gè)體結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，才能找到群體的共性化特征。

2 巖土材料基因特征研究的作用和意義

學(xué)者們已經(jīng)對(duì)巖土材料基本物理力學(xué)特性進(jìn)行了大量的研究，也取得了豐富的成果。但是，這些研究成果大多表現(xiàn)為對(duì)某一個(gè)特定工程的某一種特定巖土材料的某一個(gè)特定參數(shù)指標(biāo)的研究，如強(qiáng)度指標(biāo)、變形指標(biāo)、滲透指標(biāo)或時(shí)效性指標(biāo)等，缺乏系統(tǒng)性和規(guī)范性，特別是研究結(jié)果只是針對(duì)特定空間點(diǎn)上的樣本開展，結(jié)果缺乏在相關(guān)群組或空間區(qū)域上的參考價(jià)值和推廣應(yīng)用意義，也制約了這些研究結(jié)果價(jià)值的進(jìn)一步體現(xiàn)。而巖土材料基因特征的概念則從廣義上涵蓋了巖土材料的各種基本內(nèi)在屬性特征，從描述上更加統(tǒng)一和規(guī)范，更重要的是這一概念不僅包含而且拓展了傳統(tǒng)巖土材料基本物理力學(xué)性質(zhì)研究的內(nèi)涵，是一種基于傳統(tǒng)試驗(yàn)研究結(jié)果基礎(chǔ)之上的宏觀統(tǒng)計(jì)結(jié)果，體現(xiàn)的是一定區(qū)域內(nèi)相同群組巖土材料的宏觀性質(zhì)特征。點(diǎn)上獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)既是區(qū)域統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)源，又是對(duì)既有基因特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果的修訂和補(bǔ)充信息;而既有的基因特征又可以對(duì)每一次檢測(cè)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和比較，一些奇異數(shù)據(jù)的出現(xiàn)促使人們?nèi)シ治霾檎以?，避免檢測(cè)試驗(yàn)過程中出現(xiàn)人為錯(cuò)誤或系統(tǒng)誤差，保證數(shù)據(jù)的可靠性和真實(shí)性。巖土材料基因特征研究的意義在于，目前還不能非常準(zhǔn)確地定量描述一定區(qū)域范圍內(nèi)巖土材料的基本物理力學(xué)性質(zhì)的整體特征，僅僅通過有限的幾個(gè)點(diǎn)上測(cè)得的數(shù)據(jù)去表征一個(gè)區(qū)域的巖土材料特性未免有失偏頗，有盲人摸象的感覺。因此，基于特定條件下相關(guān)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到的結(jié)果從概率的角度上講有可能比具體試驗(yàn)得到的某些數(shù)據(jù)更可靠，也更能代表巖土材料的區(qū)域物理力學(xué)特性。由于巖土材料均為天然形成，與混凝土、鋼材等人工合成材料不同，其測(cè)試數(shù)據(jù)變異性相對(duì)較大，點(diǎn)上測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域的代表性顯得相對(duì)較低，這就使得基于區(qū)域統(tǒng)計(jì)分析的巖土材料基因特征的研究意義變得十分重要。

巖土材料基因特征的研究可以全面系統(tǒng)地對(duì)不同空間區(qū)域內(nèi)不同巖（土）性群組的基本基因進(jìn)行分析，建立相應(yīng)的基因數(shù)據(jù)庫(kù)，繪制相應(yīng)的基因圖譜，從而系統(tǒng)全面地分析各種基因元素對(duì)巖土材料物理力學(xué)特征的影響，分析這種影響的敏感性和相關(guān)性，根據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合工程實(shí)際，需要對(duì)這些基因元素進(jìn)行改良和干擾，提高這些巖土材料在某些方面的性能，以滿足工程建設(shè)的需要，可以把這項(xiàng)工作稱為巖土材料基因改良或轉(zhuǎn)變。實(shí)際上，目前工程中廣泛使用的地基處理中的各種物理化學(xué)加固技術(shù)以及生物巖土材料的研究都可以歸結(jié)為對(duì)巖土材料基因特征的改良和轉(zhuǎn)變。AF9DA212-F27C-48ED-B9D1-A092D886E1D4

3 巖土材料基因特征的測(cè)定方法

巖土材料基因特征的測(cè)定方法并不復(fù)雜，原理也比較簡(jiǎn)單，就是利用現(xiàn)有的巖土材料基本物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試儀器進(jìn)行各種基本參數(shù)的測(cè)試，包括室內(nèi)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括不同地區(qū)不同群組巖土材料的物質(zhì)組分、結(jié)構(gòu)方式以及物理力學(xué)特征參數(shù)等。問題的關(guān)鍵和難點(diǎn)在于，必須要有足夠數(shù)量的測(cè)試數(shù)據(jù)，才能對(duì)某一群組巖土體的基因特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并揭示其基因特征值。由于測(cè)試樣本的獲取和制作需要進(jìn)行鉆孔、取樣、制樣和試驗(yàn)等復(fù)雜工作，每一個(gè)試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)的獲取都需要付出較大的經(jīng)濟(jì)成本和人工代價(jià)，加之許多樣本需要做破壞性試驗(yàn)，樣本不可重復(fù)使用，當(dāng)數(shù)據(jù)樣本需求量較大時(shí)，需要的研究經(jīng)費(fèi)和人力成本都比較高，這就使得這項(xiàng)工作實(shí)施起來十分困難。

然而，一個(gè)被忽略的現(xiàn)象是，中國(guó)每年都在不同地區(qū)進(jìn)行著數(shù)量巨大的工程建設(shè)，工程建設(shè)一定離不開對(duì)建設(shè)場(chǎng)地的地質(zhì)評(píng)價(jià)（如地基承載力、變形特性、穩(wěn)定性等），要完成這些評(píng)價(jià)就必須完成大量的場(chǎng)地勘查工作，提供相應(yīng)的巖土材料物理力學(xué)參數(shù)以滿足設(shè)計(jì)需要。令人惋惜的是，這些海量的數(shù)據(jù)在項(xiàng)目實(shí)施完成后便被束之高閣。單獨(dú)從一個(gè)工程項(xiàng)目的角度上看，項(xiàng)目完成后，這些數(shù)據(jù)確實(shí)不再具有使用的價(jià)值，但從研究巖土材料基因特征的角度上看，這些數(shù)據(jù)就異常珍貴。如果能把這些海量數(shù)據(jù)收集起來，按地理區(qū)域、地層構(gòu)造、巖土群組、基因元素等因素進(jìn)行分類整理，并按照大數(shù)據(jù)方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，有可能得到特定巖土材料群組的基因特征。事實(shí)上，目前的情況是，數(shù)據(jù)是客觀存在的，樣本是大量的，需要完成的工作就是通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段收集數(shù)據(jù)，按照科學(xué)的方法分類數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)學(xué)的方法統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，提取相應(yīng)的巖土材料基因特征，并用于相同群組巖土材料設(shè)計(jì)參數(shù)的選取參照，服務(wù)工程建設(shè)。特別需要強(qiáng)調(diào)的是，巖土材料參數(shù)的獲取和更新是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，每年都會(huì)有大量的數(shù)據(jù)補(bǔ)充到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，并不斷對(duì)原有巖土材料參數(shù)基因特征進(jìn)行逐步修訂?？梢韵胂螅?jīng)過數(shù)年或者數(shù)十年的數(shù)據(jù)積累，不同區(qū)域各個(gè)巖土材料群組的基因特征就越來越清晰，也越來越準(zhǔn)確，對(duì)工程建設(shè)安全性和經(jīng)濟(jì)性的影響也將越來越明顯?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的產(chǎn)生和大數(shù)據(jù)技術(shù)的出現(xiàn)使得數(shù)據(jù)的獲取和統(tǒng)計(jì)變得十分方便，關(guān)鍵是如何運(yùn)用到巖土基因特征的分析中。巖土材料基因特征的分析方法很簡(jiǎn)單，就是收集數(shù)據(jù)、分類數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、提取特征值，技術(shù)路線如圖3所示。為了使數(shù)據(jù)的分析更加合理和可靠，在統(tǒng)計(jì)過程中可以使用貝葉斯參數(shù)估計(jì)等方法，提高數(shù)據(jù)估計(jì)的效率和精度。

4 重慶市巖土材料基因特征研究

重慶是著名的山城，具有顯著的地形地貌特征和地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)，地層巖性也具有顯著的地區(qū)特色。重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局所屬的地勘隊(duì)伍數(shù)十年來長(zhǎng)期從事全市的地質(zhì)勘查工作，承接了數(shù)以萬計(jì)的各類工程建設(shè)和地質(zhì)災(zāi)害防治項(xiàng)目的勘查、設(shè)計(jì)和施工，積累了大量的巖土材料物理力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)，為該地區(qū)巖土材料基因特征的研究創(chuàng)造了良好的條件。

4.1 建立巖土材料數(shù)據(jù)采集及分析管理系統(tǒng)

基于全局的多個(gè)巖土材料測(cè)試中心，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立了一套“巖土材料數(shù)據(jù)采集及分析管理系統(tǒng)”。該系統(tǒng)可以對(duì)不同數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、傳輸、分類、篩選、管理和統(tǒng)計(jì)分析，并運(yùn)用貝葉斯理論，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)特征和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果對(duì)具體項(xiàng)目的參數(shù)值進(jìn)行估計(jì)。目前，已經(jīng)采集了近3年來重慶地區(qū)測(cè)試到的各類巖土材料物理力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)7萬余條，對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)的基本特征進(jìn)行描述，存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，以備大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)技術(shù)路線如圖4所示。

4.2 運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)基因特征進(jìn)行分析

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的相關(guān)條件對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)里的數(shù)據(jù)按區(qū)域、群組以及巖（土）性和物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分類、篩選，提取符合條件的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到已有數(shù)據(jù)的基本物理力學(xué)特征或基因特征，并以此作為巖土材料基因特征估計(jì)的先驗(yàn)信息。

圖5～圖8是重慶渝中區(qū)兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)的直方圖以及重慶部分區(qū)縣砂巖、泥巖單軸抗壓強(qiáng)度的基因特征圖譜。由圖5可知，渝中區(qū)泥巖天然單軸抗壓強(qiáng)度呈左偏態(tài)分布。而在圖6中，渝中區(qū)砂巖天然單軸抗壓強(qiáng)度則呈右偏態(tài)分布。由圖7可知，重慶市各區(qū)縣泥巖天然抗壓強(qiáng)度總體呈渝東北地區(qū)偏高而渝西南、渝東南偏低的規(guī)律。由圖8可知，重慶市各區(qū)縣砂巖天然抗壓強(qiáng)度總體呈渝東北地區(qū)偏低而渝西南偏高的規(guī)律，特殊點(diǎn)在于渝東南的秀山。此外，酉陽、彭水、巫溪縣缺少相關(guān)數(shù)據(jù)支撐，需進(jìn)一步用數(shù)據(jù)核實(shí)確定。

4.3 貝葉斯估計(jì)獲取巖土材料設(shè)計(jì)參數(shù)

為了同時(shí)考慮歷史數(shù)據(jù)基因特征值和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)取值的影響，使用貝葉斯估計(jì)方法對(duì)巖土材料的參數(shù)進(jìn)行了估計(jì)。對(duì)于某特定工程項(xiàng)目，以系統(tǒng)分析提供的該地區(qū)特定巖土材料群組的歷史基因特征值為先驗(yàn)參數(shù)特征，以項(xiàng)目實(shí)際試驗(yàn)值作為后驗(yàn)參數(shù)特征，運(yùn)用貝葉斯估計(jì)方法，通過計(jì)算估計(jì)出用于工程設(shè)計(jì)的巖土參數(shù)設(shè)計(jì)值。

工程實(shí)踐表明，巖土強(qiáng)度參數(shù)多服從正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)分布[19]，對(duì)于服從正態(tài)分布的巖土強(qiáng)度參數(shù)，即x～N（μ，σ2），其中，x表示巖土強(qiáng)度參數(shù)，（μ，σ2）為強(qiáng)度參數(shù)服從的正態(tài)分布的均值和方差。（μ，σ2）全面地反映了巖土強(qiáng)度參數(shù)的隨機(jī)分布特征，即巖土強(qiáng)度參數(shù)基因特征。對(duì)于一個(gè)具體工程，強(qiáng)度參數(shù)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ對(duì)應(yīng)的（μ，σ2）是未知的，如何科學(xué)地確定（μ，σ2）成為巖土強(qiáng)度參數(shù)取值是否合理的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的做法是根據(jù)有限的現(xiàn)場(chǎng)抽樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用“點(diǎn)估計(jì)”的方法來推斷（μ，σ2），采用現(xiàn)場(chǎng)樣本的均值為總體均值μ的無偏點(diǎn)估計(jì)量，現(xiàn)場(chǎng)樣本的方差為總體方差σ2的無偏點(diǎn)估計(jì)量，即

式中：x為巖土強(qiáng)度指標(biāo)樣本均值;s2為巖土強(qiáng)度指標(biāo)樣本方差;為總體均值μ的點(diǎn)估計(jì)量;2為方差σ2的無偏點(diǎn)估計(jì)量。

由于取樣條件及勘察成本的限制，現(xiàn)場(chǎng)樣本數(shù)量往往十分有限，多數(shù)工程通常只有3～6組，這屬于統(tǒng)計(jì)學(xué)中的小樣本，從而使得由式（1）確定的巖土強(qiáng)度參數(shù)特征與巖體實(shí)際的基因特征存在不同程度的差異。AF9DA212-F27C-48ED-B9D1-A092D886E1D4

為此，基于貝葉斯統(tǒng)計(jì)理論提出μ、σ2服從一個(gè)二維的聯(lián)合先驗(yàn)分布，表示為

式中：π（μ，σ2）為（μ，σ2）的聯(lián)合先驗(yàn)分布;π（σ2）為σ2的先驗(yàn)分布;π（μ|σ2）為σ2條件下μ的先驗(yàn)分布，并認(rèn)為μ|σ2和σ2分別服從正態(tài)分布和逆伽馬分布，即

式中：μ0、κ0、υ0、σ20為待確定的超參數(shù)。

稱（μ，σ2）的先驗(yàn)分布為正態(tài)逆伽馬分布。在先驗(yàn)分布的基礎(chǔ)上，根據(jù)貝葉斯公式，可以得到在現(xiàn)場(chǎng)樣本數(shù)據(jù)條件下（μ，σ2）的后驗(yàn)分布，按照共軛先驗(yàn)的理論，先驗(yàn)分布與后驗(yàn)分布屬于同族分布，即

式中：μn=κ0κ0+nμ0+nκ0+nx;κn=κ0+n;υn=υ0+n;υnσ2n=υ0σ20+（n-1）s2+κ0nκ0+n（μ0-x）2;π（μ，σ2|x）為（μ，σ2）的后驗(yàn)分布;x為現(xiàn)場(chǎng)樣本均值;s2為現(xiàn)場(chǎng)樣本方差;n為現(xiàn)場(chǎng)樣本數(shù)量。

采用最大后驗(yàn)估計(jì)作為參數(shù)的估計(jì)量，（μ，σ2）的最大后驗(yàn)估計(jì)為

式中：μMD、σ2MD為（μ，σ2）的最大后驗(yàn)估計(jì)量;μ0、κ0、υ0、σ20為先驗(yàn)分布超參數(shù)，由歷史數(shù)據(jù)確定。

利用式（6）可將歷史數(shù)據(jù)的基因特征與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的綜合，得到更為合理的巖土強(qiáng)度參數(shù)隨機(jī)分布特征參數(shù)的估計(jì)值。以此算法為基礎(chǔ)，在巖土大數(shù)據(jù)分析管理軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了巖土強(qiáng)度參數(shù)的貝葉斯估計(jì)，如圖9所示。

4.4 基于貝葉斯參數(shù)估計(jì)的工程案例

利用該方法對(duì)重慶市某邊坡工程的巖土強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，并對(duì)不同算法參數(shù)估計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。邊坡剖面如圖10所示，坡體為粉質(zhì)黏土。估計(jì)結(jié)果如表1和圖11、圖12所示。

表1為該工程巖土強(qiáng)度參數(shù)c、在天然和飽和兩種狀態(tài)下的歷史基因特征、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)以及貝葉斯估計(jì)的結(jié)果，同時(shí)，表中還根據(jù)三者各自的參數(shù)特征算出了相應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

圖11和圖12是巖土強(qiáng)度參數(shù)c、分別在天然和飽和狀態(tài)下3種統(tǒng)計(jì)方法所得到的取值柱狀圖。

由表1和圖11、圖12可見，貝葉斯估計(jì)的結(jié)果對(duì)歷史基因特征和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果均有不同程度的修正，其修正幅度的大小與歷史基因特征值和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值的變異系數(shù)有關(guān)，表明巖土材料基因特征對(duì)實(shí)際工程參數(shù)取值的影響不可忽略。貝葉斯估計(jì)的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值可能增加或降低歷史基因特征和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)值，但通常情況下，貝葉斯估計(jì)的結(jié)果總是位于歷史基因特征和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值之間，這一結(jié)果也充分表明了貝葉斯估計(jì)方法的合理性和正確性。隨著歷史樣本數(shù)量的不斷增加，歷史數(shù)據(jù)基因特征值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)特征值之間的差距就會(huì)逐步減小，基于這些數(shù)據(jù)的貝葉斯估計(jì)結(jié)果也會(huì)與二者的結(jié)果逐步趨近，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)巖土材料整體基因特征的正確描述。

需要特別指出的是，一旦使用了貝葉斯參數(shù)估計(jì)值，強(qiáng)度參數(shù)取值的變化必然導(dǎo)致邊坡抗滑力的計(jì)算結(jié)果隨之發(fā)生變化，對(duì)邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的判斷也會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)果。穩(wěn)定性狀態(tài)的判定不僅與不同強(qiáng)度參數(shù)變化的幅度有關(guān)，還與不同強(qiáng)度參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性影響的敏感性有關(guān)，因此，實(shí)際穩(wěn)定狀態(tài)評(píng)價(jià)的變化必須通過對(duì)具體的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析得到，不能根據(jù)參數(shù)變化情況直接評(píng)估。

從概率的角度上講，由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)樣本量少，統(tǒng)計(jì)結(jié)果可信度相對(duì)較低;同時(shí)，考慮工程周邊相鄰工程參數(shù)歷史基因特征和工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)的貝葉斯估計(jì)方法更科學(xué)合理。

5 結(jié)論與建議

1）借用生物學(xué)基因的概念，提出了巖土材料基因特征的概念，并給出了相應(yīng)的屬性。用巖土材料基因特征描述一定幾何空間范圍內(nèi)相同群組巖土材料的基本物理力學(xué)特性對(duì)具有不確定性和空間變異性的巖土材料基本性質(zhì)的描述更加規(guī)范和科學(xué)。

2）分析了巖土材料物理力學(xué)參數(shù)具體點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果與該區(qū)域范圍內(nèi)相應(yīng)的基因特征值之間的相互關(guān)系，具體測(cè)試結(jié)果只能代表巖土材料在區(qū)域內(nèi)有限樣本點(diǎn)上的“點(diǎn)估計(jì)”，不能完全代表巖土材料的區(qū)域整體屬性;基因特征是大量這類樣本經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析得出的遵從特定分布的特征值，隨著樣本數(shù)量的不斷增加，基因特征對(duì)巖土體基本屬性的描述將越來越準(zhǔn)確。

3）提出運(yùn)用大量已有實(shí)際工程檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)巖土材料基因特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的設(shè)想，并運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析方法建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)收集、傳輸、分類、篩選、管理和分析軟件平臺(tái)，結(jié)合收集到的7萬多條重慶地區(qū)的實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)該地區(qū)典型巖土材料的物理力學(xué)基因特征進(jìn)行分析，得到了該地區(qū)初步的基因特征圖譜。

4）根據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的重慶典型巖土材料基因圖譜，并結(jié)合某具體滑坡工程實(shí)例檢測(cè)所得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用貝葉斯估計(jì)理論對(duì)實(shí)際工程的巖土材料強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。結(jié)果表明，基于貝葉斯估計(jì)的參數(shù)估計(jì)值與僅使用歷史基因特征或僅使用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所得到的參數(shù)估計(jì)值之間存在一定的差異，貝葉斯估計(jì)值通常位于歷史基因特征值和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)特征值之間，隨著數(shù)據(jù)樣本的不斷增加，3種方法估計(jì)的參數(shù)值將逐步趨于一致。

筆者提出的是一種以大量實(shí)際工程檢測(cè)數(shù)據(jù)為依托，運(yùn)用大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)尋找?guī)r土材料基因特征的方法，因此，數(shù)據(jù)本身的數(shù)量和質(zhì)量都十分關(guān)鍵。鑒于當(dāng)前巖土材料檢測(cè)單位和項(xiàng)目勘查單位之間的職責(zé)界限，加之檢測(cè)報(bào)告的服務(wù)對(duì)象僅為某一特定的具體工程，檢測(cè)單位在檢測(cè)報(bào)告中對(duì)樣本屬性的描述還不是十分完善，因此，在一定程度上影響了統(tǒng)計(jì)樣本的分類提取，也影響了基因特征的提取質(zhì)量。建議國(guó)家或各省市或行業(yè)部門對(duì)巖土材料工程參數(shù)的檢測(cè)報(bào)告格式進(jìn)行規(guī)范，提出統(tǒng)一的報(bào)告模板和巖土數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中盡可能對(duì)測(cè)試參數(shù)的相關(guān)屬性進(jìn)行詳細(xì)描述，從而提高參數(shù)用于大數(shù)據(jù)分析時(shí)的實(shí)用性和針對(duì)性，確保分析所得巖土材料基因特征的準(zhǔn)確性和可靠性。參考文獻(xiàn)：

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（編輯 王秀玲）

收稿日期：2021-08-29

基金項(xiàng)目：重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃（cstc2015jcyjA00003）;國(guó)家自然科學(xué)基金（51308576）;重慶市自然科學(xué)基金（cstc2020jcyj-jq0087）

作者簡(jiǎn)介：劉東升（1962- ），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事巖土工程可靠性分析、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論研究及工程實(shí)踐，E-mail：dshliu@vip.sina.com。

仉文崗（通信作者），男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：zhangwg@cqu.edu.cn。

Received：2021-08-29

Foundation items：Chongqing Basic and Frontier Research Projects （No. cstc2015jcyjA00003）; National Natural Science Foundation of China （No. 51308576）; Natural Science Foundation of Chongqing （No. cstc2020jcyj-jq0087）

Author brief：LIU Dongsheng （1962- ）， professor， doctorial supervisor， main research interests： geotechnical engineering reliability analysis and geological disaster risk assessment， E-mail： dshliu@vip.sina.com.

ZHANG Wengang （corresponding author）， professor， doctorial supervisor， E-mail： zhangwg@cqu.edu.cn.AF9DA212-F27C-48ED-B9D1-A092D886E1D4