探究巖土參數的變異性及其評價方法

譚謙

（貴州省地礦局一一四地質隊貴州遵義563000）

探究巖土參數的變異性及其評價方法

譚謙

（貴州省地礦局一一四地質隊貴州遵義563000）

巖土參數是巖土工程設計中重要的設計參考指標。巖土參數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變異性的來源并從巖土參數空間變異性出發敘述幾種評價方法，以及地質統計學理論在巖土參數評估中的作用。

巖土參數變異性評價分析

隨著建筑、交通等建設規模的擴大，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計要求，取得建筑區域的巖土參數，并通過研究巖土參數，更加科學反映建設區域的巖土特質，在施工前對建筑工程帶來必要的數據參考，從而保證工程建設的安全性和可靠性。

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

因此,巖土參數的空間變異性分析和相關距離的計算一直受到重視。巖土最重要的特征是具有復雜的變異性也即地域特征，導致其參數值有顯著不確定性。巖土參數是巖土工程設計時需要考慮的基本要素，同時巖土參數的空間變異性已經被人們所認識,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的變異性來源及其評價分析的闡述，說明巖土參數在巖土工程中的作用。

1　巖土參數空間變異性的來源與特征

巖土參數所具有的不確定性除了來自巖土勘察導致的誤差外，巖土參數本身也有了隨機變量的特性。我們知道，長期地質變遷形成的巖土，其性質極為復雜。巖土因為其非均質和各向異性的特點，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，是導致巖土參數變異性的主要因素。

巖土變異性的來源總結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,可以忽略模型和統計部分引起的變異。根據區域化變量理論,可將展布于一定空間范圍內，相互之間具有一定相關性的隨機變量視為區域化變量。這恰好反映出巖土參數的空間相關性和隨機性。

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

2　巖土參數變異性的評價分析

巖土參數空間變異性分析，是根據取樣并測定的數據資料，分析巖土參數的空間變化特征、參數自身及各參數之間的空間相互關系,以及將分析得到的結果應用于實際的工程中，并對未測點參數進行最優化估值,還可分析預測狀態變量的空間分布。

在實際工程設計中,許多巖土參數可以看作是區域化變量。比如土的孔隙度相對密度塑性指數、滲透系數、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,即結構性與隨機性。由于區域化變量具有上述特殊性質,如果用經典概率統計方法來研究、描述這類性質的變化是非常不容易的，因為它無法道道巖土參數的空間結構方面的信息。

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

目前多數巖土工程可靠性分析計算中，巖土參數的變異性是按概率統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)來表示，這很容易忽略巖土參數變異性中很重要的特點，即結構性。而我們采用的區域化變量理論中的變異函數來描述巖土參數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得以實現。同時，利用地質統計學方法可以得到的巖土參數空間結構信息，定量的描述巖土參數的空間變異性，更全面的分析巖土參數的空間變化，以及通過巖土工程勘探網的合理布局，從而得到定量的有關巖土參數空間的最優化值。而經典的統計方法使用的標準差，變異系數特征值的離散隨機變量等參數，這些值的特征通常能用來總結某個范圍內的巖土參數值給定的離散的規模以及總體集中度，卻不可能反映巖土參數的空間局部作用域和特征值的一個特定的方向。所以，地質統計學方法可以彌補傳統統計方法忽視巖土參數變異性的缺點，從而對巖土參數的空間變異性進行更現實的分析和評價。

3　結論

巖土參數的不確定性根源是巖土參數的空間變異性和量測系統變異性所導致的。巖土參數的變異性特征確定了巖土參數的空間分布的結構性和隨機性的雙重特征，因此我們就用巖土參數的區域化變量理論對巖土參數的空間變異性做出客觀的評估。變異函數及其參數的使用，使得我們能夠對巖石結構特征進行定量描述，從定量的角度揭示巖土屬性空間變異規律，在區域化變量空間結構分析基礎上構建出的有別于傳統統計方法的方向綜合變異指標，然后充分利用經典統計學所丟失的信息，就可以對巖土參數的空間變異性得出可靠的定量評價。地質統計學是巖土工程研究巖土的空間變異性及數學地質領域有效的工具，有很廣闊的應用前景，這體現其在儲量計算、勘探等領域探索，以及采礦設計和采礦地質等方面都顯示了強大的生命力，已經成為描述和考察各種自然資源工程學科。地質統計學研究巖土參數幾個空間變異性，可以更全面的揭示巖土參數的空間分布特征，從而更為準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。

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P58[文獻碼]B

1000-405X（2015）-7-437-1