遺傳規劃方法在孔內剪切數據分析中的應用★

劉 琳，孫延軍，王俊卿

(中核勘察設計研究有限公司,河南 鄭州 450000)

巖土體力學參數是十分重要的工程技術指標,在巖土工程勘察領域,如何獲取準確的巖土體物理力學性質相關參數,是保證工程優化設計、工程建設質量、控制工程造價的關鍵因素。巖土體抗剪強度指標是表達巖土體力學性質的重要參數,對于工程建設具有十分重要的意義。目前,獲得巖土體抗剪強度參數的方法主要有室內剪切試驗和三軸剪切試驗、十字板剪切試驗等,孔內剪切試驗作為原位測試的一種,在避免了巖土體的擾動條件下可以直觀獲取巖土體抗剪強度參數。R.L.HANDY等最早提出了原位剪切試驗方法,制造了Lowa鉆孔剪切儀并進行了相關試驗[1-2];然而,在孔內剪切試驗的測試現場存在一定的制約因素,使得孔內剪切試驗的測試結果與室內試驗的數據存在一定程度的數據偏差問題,從而導致原位測試結果在工程應用中可靠性不易保證。針對原位測試與室內試驗結果偏差問題,國內學者在前人研究的基礎上,對國內剪切設備缺陷進行了改進研究,指出改進后剪切設備獲取的試驗數據需要經過有效地整理與分析后,才能更好的為工程實際提供支撐[3-6]。在巖土工程領域諸多問題可以納為優化、預測、建模、綜合評判、聚類分析等問題[7],此類問題用常規的系統工程方法解決時具有局限性。針對常規方法的局限性,國內學者將“遺傳規劃法”引入巖土工程領域,廣泛應用于巖石流變模型的辨別、泥石流多因子融合預測、土體參數反演、深基坑維護結構側移預測、復雜地層中盾構滾刀磨損壽命預測、儲層巖石靜態模量預測等,并取得了較好預測結果[8-13]。

遺傳規劃法是用層次性的語言表達問題,在解決人工機器學習、控制及分子生物學等領域問題效果尤其顯著[14]。為了更方便快捷地獲取抗剪強度指標,本文在總結已有測試方法的基礎上,通過以室內剪切試驗測試方法為基礎改進的孔內剪切設備獲得巖土體的原位測試數據,將遺傳規劃的方法推廣應用于孔內剪切設備實測數據的分析,尋找影響因素間的內在聯系,彌補了孔內剪切原位測試的不足,為孔內剪切設備的進一步完善提供參考,同時為孔內剪切原位測試結果數據分析提供一條新的途徑。

1 孔內剪切原理及設備組成

1.1 孔內剪切試驗原理

孔內剪切試驗是基于現場原位鉆孔,將剪切刀頭放置在鉆孔內測試深度處進行現場剪切測試。其試驗原理及工作過程與室內直接剪切試驗較為相似,均將遞增的法向應力施加在測試土體上的同時,通過設備提供剪切力直至土體發生剪切破壞[15]。

剪切刀頭上的齒間距、齒高相對鉆孔孔徑均較小,齒尖土體為鉆孔孔壁上的土體,單元土體環向應力和徑向應力隨橫向距離的變化可忽略不計,法向應力的方向與徑向應力方向一致。將剪切刀頭刺入土體,在指定法向應力下發生土體剪切破壞,從而獲得土體的剪應力,利用摩爾-庫侖強度理論得到抗剪強度參數。過程見圖1。

剪切刀頭長度為L,寬度為B,有效剪切高度為L0,上拔力為P,法向壓力為N,則有:

剪切面積A=B×L0;

σ=N/A,τ=P/2A。

采集多組不同工況下最大剪應力與相對應的正應力數據進行線性擬合,得到黏聚力c和內摩擦角φ。

1.2 孔內剪切設備組成

根據摩爾-庫侖強度理論結合孔內剪切試驗原理,孔內剪切設備由剪切探頭、上拔力提供裝置、法向力提供裝置、連接構件、傳感器和數據采集裝置構成。在上拔力提供裝置下方安裝壓力傳感器,并連接顯示壓力數值輸出端,可獲取上拔力值?？變燃羟性O備組成見圖2。

整個設備體積較小、重量輕、占地面積小,各部分構件在現場進行組裝、拆卸、不需要能源供應,攜帶方便、適應性強。

2 實測數據分析

在鄭州西部某項目現場開展孔內剪切測試,選擇ZK01號鉆孔,測試深度分別設置在2 m,4 m,6 m,地層主要為第四紀粉質黏土。鉆探時,在所測深度附近處取樣用于室內試驗,室內實驗結果如表1所示。

表1 室內試驗結果

鉆探結束后開展孔內剪切試驗。試驗前查看鉆孔情況,對孔洞情況進行初判,主要查看因素有:孔壁完整程度、孔內水位情況、孔壁泥漿附著情況,綜合評定該孔能夠進行孔內剪切試驗。使用法向力提供裝置對氣缸活塞進行加壓,使得氣缸張開推動剪切板緊緊壓在鉆孔孔壁上。法向壓力施加完成,待土體固結后,均勻搖動手輪提拉剪切探頭。每秒搖動首輪1圈～2圈,保證手輪勻速搖動,搖動10圈的提升量控制在0.1 mm～0.2 mm。每一圈過后記錄顯示器上的讀數,由于該讀數器記錄的是質量,需換算為重量。當剪切試驗發生終止條件后卸掉氣壓,將剪切探頭清潔后放回孔內同一深度,依次增大正應力工況,重復上述測試步驟,取得多組測試數據。

將顯示器上的讀數進行曲線擬合,得到峰值并換算成剪力,根據剪切刀頭尺寸計算得到剪切面積,將最大剪應力與對應法向應力的多組數據進行線性擬合,得到黏聚力c和內摩擦角φ。

ZK01號孔中測試深度為2 m,4 m,6 m的情況下,顯示器數值隨手輪轉動的關系曲線以及由此結果擬合得到的抗剪強度分布如圖3—圖8所示。

在試驗中,不同工況下法向應力增加,手輪轉動相同圈數的情況下,顯示器數值隨法向應力的增加而增加;在同一工況下,顯示器數值隨轉動圈數的增加而增大直至達到峰值出現回落,本試驗中各孔處孔內剪切手輪轉動圈數與顯示器數值關系曲線均呈現同樣趨勢,可用于確定抗剪強度指標。通過將各工況數據進行線性擬合,能得到相關性較強的抗剪強度線,其線性相關性和摩爾-庫侖強度線高度吻合,得到各測試深度處土的黏聚力及內摩擦角?？變燃羟性囼炁c室內試驗的結果對比見表2。

表2 孔內剪切試驗與室內試驗結果對比

從表2可以看出孔內剪切試驗的實測黏聚力c和內摩擦角φ值比室內試驗測得的數值均有偏小的趨勢,且難以用簡單、直觀的倍數或常數關系來表達。為防止數據采集量少及區域差異性對測試結果造成的片面性影響,在平頂山市、開封市等地區的粉質黏土層中也做了同樣的孔內剪切試驗,其現場測試結果與室內試驗結果仍然存在差異,因此,數據差異的存在并非偶然現象。目前,國內外主要采用經驗系數對現場測試結果進行修正,而經驗系數的取值不易確定。因此需要綜合考慮現場因素,進一步分析,采用遺傳規劃的方法尋找現場測試與室內試驗結果之間的相互聯系。

3 遺傳規劃方法建模與分析

3.1 遺傳規劃基本原理及步驟

J.R.Koza基于自然選擇原理于20世紀90年代初創造性地提出了遺傳規劃方法,該方法是一種與領域無關的、機械地搜索程序空間的方法,同時融合了數學、計算機、生物等學科的綜合性技術,通過對問題進行結構化處理,給出一種進化函數,通過某些操作,進行循環迭代,將那些“最適合”的解保留下來,所謂問題的解[16]。

遺傳規劃的搜索空間由多個計算機程序構成,根據適應度的大小通過復制、交換、突變等過程找到最優解,而對于基本參數如何設定,是人們在不斷探索、實踐中尋找的有利于算法收斂的數值,在實際應用中還需要根據具體情況進行適當的調整。

3.2 自變量選取

影響抗剪強度指標測定的因素復雜多樣,并且各因素之間關系并不直接、明確,因此,需要對眾多因素進行分析和篩選,保留幾種主要因素進行遺傳規劃建模。通過對孔內剪切設備測試原理及測試過程的分析,以及前人研究的物理指標及抗剪強度的關系[17],確定與黏聚力測定相關的因素主要有:測試深度、圈數、法向力、重量值、含水率及液限;與內摩擦角測定相關的主要因素有:測試深度、圈數、法向力、重量值及含水率。

3.3 遺傳規劃建模及數據分析

本次建模模型中所用基本參數見表3,訓練樣本取自本次現場測試中粉質黏土層的實測數據,見表4。

表3 遺傳規劃的基本參數

表4 遺傳規劃訓練樣本

共取粉質黏土層測試數據18組作為遺傳規劃建模樣本,隨機抽取4 m,6 m處兩個樣本為驗證樣本,即為表4中序號為19,20的兩組數據,采用1號—18號樣本參與遺傳規劃建模。代入MATLAB自編程序得出運行結果,黏聚力及內摩擦角回歸結果的樹形表達式見圖9,圖10。

運用得出的表達式進行樣本驗算,得到計算結果對照表見表5,表6。

表5 黏聚力樣本計算對照結果

表6 內摩擦角樣本計算對照結果

從表5,表6所給的對比結果可見:模型預測值與試驗結果基本一致,相對誤差在±5%之內,能夠滿足實際工程的精度要求。因此,遺傳規劃方法可以用來建立現場測試與室內試驗結果之間的函數關系,并可根據實測資料進行抗剪強度參數的估計。

4 結論

通過對本文的孔內剪切試驗數據分析及建立的遺傳規劃模型,可以得出:

1)造成孔內剪切試驗與室內試驗黏聚力數值偏差的影響因素有測試深度、圈數、法向力、重量值、含水率及液限;造成孔內剪切試驗與室內試驗內摩擦角數值偏差的影響因素有測試深度、圈數、法向力、重量值、含水率。

2)利用影響因素建立了孔內剪切試驗數據與室內試驗數據的遺傳規劃模型,確定了實測影響因素與室內直接剪切試驗間的復雜非線性關系;孔內剪切數據可以通過建立的遺傳規劃模型對巖土體原始應力狀態下的抗剪強度指標進行估值,誤差值在±5%之內。

3)在孔內剪切試驗數據中的函數形式較為復雜且規律性較差,遺傳規劃方法可以在給定的函數空間搜索特定的目標函數,實現目標值的高精度擬合,從而應用于工程實踐,為巖土工程原位測試數據分析提供了一條新的途徑。