探究巖土參數(shù)的變異性及其評價方法

譚謙

（貴州省地礦局一一四地質(zhì)隊貴州遵義563000）

探究巖土參數(shù)的變異性及其評價方法

譚謙

（貴州省地礦局一一四地質(zhì)隊貴州遵義563000）

巖土參數(shù)是巖土工程設(shè)計中重要的設(shè)計參考指標(biāo)。巖土參數(shù)的最重要特性是它的空間變異性和不確定性。本文闡述了巖土參數(shù)變異性的來源并從巖土參數(shù)空間變異性出發(fā)敘述幾種評價方法，以及地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)理論在巖土參數(shù)評估中的作用。

巖土參數(shù)變異性評價分析

隨著建筑、交通等建設(shè)規(guī)模的擴大，建筑物對地基的承載能力、沉降幅度的要求越來越高了。要滿足這種高精度的巖土工程設(shè)計要求，取得建筑區(qū)域的巖土參數(shù)，并通過研究巖土參數(shù)，更加科學(xué)反映建設(shè)區(qū)域的巖土特質(zhì)，在施工前對建筑工程帶來必要的數(shù)據(jù)參考，從而保證工程建設(shè)的安全性和可靠性。

在工程建設(shè)中,人們認(rèn)識到同一點不同深度及同一地區(qū)的不同點處的巖土參數(shù)具有一定的差異,對巖土參數(shù)的空間變異性有一定的認(rèn)識。但是為了便于原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析而將巖土介質(zhì)視為均質(zhì)各向同性地層。卻忽略了巖土參數(shù)的空間變異性,而將這種“差異”僅僅作為試驗過程中的純隨機誤差。在巖土工程領(lǐng)域的可靠性設(shè)計中,若將參數(shù)樣本統(tǒng)計值直接作為巖土參數(shù)的空間統(tǒng)計值,將對可靠度計算精度產(chǎn)生直接影響。

因此,巖土參數(shù)的空間變異性分析和相關(guān)距離的計算一直受到重視。巖土最重要的特征是具有復(fù)雜的變異性也即地域特征，導(dǎo)致其參數(shù)值有顯著不確定性。巖土參數(shù)是巖土工程設(shè)計時需要考慮的基本要素，同時巖土參數(shù)的空間變異性已經(jīng)被人們所認(rèn)識,并逐步引入巖土工程的實際分析之中。

本文通過巖土空間參數(shù)的變異性來源及其評價分析的闡述，說明巖土參數(shù)在巖土工程中的作用。

1　巖土參數(shù)空間變異性的來源與特征

巖土參數(shù)所具有的不確定性除了來自巖土勘察導(dǎo)致的誤差外，巖土參數(shù)本身也有了隨機變量的特性。我們知道，長期地質(zhì)變遷形成的巖土，其性質(zhì)極為復(fù)雜。巖土因為其非均質(zhì)和各向異性的特點，使得它具備有空間的變異性，這種空間變異性與建筑勘察時對巖土取樣過程中的失真和量測誤差，是導(dǎo)致巖土參數(shù)變異性的主要因素。

巖土變異性的來源總結(jié)起來可以歸入以下幾類：首先是巖土其本身的變異或者是模型變異，也來自于為試驗誤差或者是統(tǒng)計誤差。而在大樣本條件下,并舍棄明顯不合理試驗值后,可以忽略模型和統(tǒng)計部分引起的變異。根據(jù)區(qū)域化變量理論,可將展布于一定空間范圍內(nèi)，相互之間具有一定相關(guān)性的隨機變量視為區(qū)域化變量。這恰好反映出巖土參數(shù)的空間相關(guān)性和隨機性。

因此,巖土工程的設(shè)計計算中涉及的抗剪強度指標(biāo)、壓縮模量(系數(shù))、孔隙比、容重和滲透系數(shù)等都可以看作區(qū)域化變量進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2　巖土參數(shù)變異性的評價分析

巖土參數(shù)空間變異性分析，是根據(jù)取樣并測定的數(shù)據(jù)資料，分析巖土參數(shù)的空間變化特征、參數(shù)自身及各參數(shù)之間的空間相互關(guān)系,以及將分析得到的結(jié)果應(yīng)用于實際的工程中，并對未測點參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化估值,還可分析預(yù)測狀態(tài)變量的空間分布。

在實際工程設(shè)計中,許多巖土參數(shù)可以看作是區(qū)域化變量。比如土的孔隙度相對密度塑性指數(shù)、滲透系數(shù)、壓縮模量、抗剪(壓)強度以及某一特定持力土層的厚度等。它們的依隨空間位置點而變化,并且具有兩個基本屬性,即結(jié)構(gòu)性與隨機性。由于區(qū)域化變量具有上述特殊性質(zhì),如果用經(jīng)典概率統(tǒng)計方法來研究、描述這類性質(zhì)的變化是非常不容易的，因為它無法道道巖土參數(shù)的空間結(jié)構(gòu)方面的信息。

而通過區(qū)域化變量理論中的一個簡單工具一一變異函數(shù)，就可以很好的描述區(qū)域化變量的上述特性，并對區(qū)域化的變異性也能反映。

目前多數(shù)巖土工程可靠性分析計算中，巖土參數(shù)的變異性是按概率統(tǒng)計中的隨機變量變異性來評估的，它采用樣本的均方差與樣本均值的比值(一般叫做變異系數(shù))來表示，這很容易忽略巖土參數(shù)變異性中很重要的特點，即結(jié)構(gòu)性。而我們采用的區(qū)域化變量理論中的變異函數(shù)來描述巖土參數(shù)空間變異性就彌補這一缺點。從而將這類變量的變異性分析的任務(wù)得以實現(xiàn)。同時，利用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法可以得到的巖土參數(shù)空間結(jié)構(gòu)信息，定量的描述巖土參數(shù)的空間變異性，更全面的分析巖土參數(shù)的空間變化，以及通過巖土工程勘探網(wǎng)的合理布局，從而得到定量的有關(guān)巖土參數(shù)空間的最優(yōu)化值。而經(jīng)典的統(tǒng)計方法使用的標(biāo)準(zhǔn)差，變異系數(shù)特征值的離散隨機變量等參數(shù)，這些值的特征通常能用來總結(jié)某個范圍內(nèi)的巖土參數(shù)值給定的離散的規(guī)模以及總體集中度，卻不可能反映巖土參數(shù)的空間局部作用域和特征值的一個特定的方向。所以，地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法可以彌補傳統(tǒng)統(tǒng)計方法忽視巖土參數(shù)變異性的缺點，從而對巖土參數(shù)的空間變異性進(jìn)行更現(xiàn)實的分析和評價。

3　結(jié)論

巖土參數(shù)的不確定性根源是巖土參數(shù)的空間變異性和量測系統(tǒng)變異性所導(dǎo)致的。巖土參數(shù)的變異性特征確定了巖土參數(shù)的空間分布的結(jié)構(gòu)性和隨機性的雙重特征，因此我們就用巖土參數(shù)的區(qū)域化變量理論對巖土參數(shù)的空間變異性做出客觀的評估。變異函數(shù)及其參數(shù)的使用，使得我們能夠?qū)r石結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行定量描述，從定量的角度揭示巖土屬性空間變異規(guī)律，在區(qū)域化變量空間結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上構(gòu)建出的有別于傳統(tǒng)統(tǒng)計方法的方向綜合變異指標(biāo)，然后充分利用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)所丟失的信息，就可以對巖土參數(shù)的空間變異性得出可靠的定量評價。地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)是巖土工程研究巖土的空間變異性及數(shù)學(xué)地質(zhì)領(lǐng)域有效的工具，有很廣闊的應(yīng)用前景，這體現(xiàn)其在儲量計算、勘探等領(lǐng)域探索，以及采礦設(shè)計和采礦地質(zhì)等方面都顯示了強大的生命力，已經(jīng)成為描述和考察各種自然資源工程學(xué)科。地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)研究巖土參數(shù)幾個空間變異性，可以更全面的揭示巖土參數(shù)的空間分布特征，從而更為準(zhǔn)確評估建筑工地的巖土特征，為工程施工前的做可靠的參照依據(jù)。

[1]朱小林:巖上工程參數(shù)的評價(巖上工程系列講座第五講)［J］．工程勘察,1989年5期.

[2]戴維著,孫惠文,劉承柞譯.礦產(chǎn)儲量的地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)評價(數(shù)學(xué)地質(zhì)進(jìn)展2)［J］．地質(zhì)出版社,北京,1989年.

[3]王俊庸.地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)及共在煤炭資源開發(fā)中的應(yīng)用［J］．煤炭工業(yè)出版社,1990

[4]田世豐.數(shù)學(xué)地質(zhì)淺析［J］．地質(zhì)出版社,北京,1988年.

[5]侯景儒,郭光裕.礦床統(tǒng)計預(yù)測及地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的理論與應(yīng)用［J］．冶金工業(yè)出版社,北京,1993年.

P58[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-7-437-1