土工實驗數(shù)據(jù)分析方法探討

余海龍（成都市勘察測繪研究院，四川 成都 610000）

土工實驗數(shù)據(jù)分析方法探討

余海龍
（成都市勘察測繪研究院，四川 成都 610000）

摘 要：本文主要針對土工實驗數(shù)據(jù)離散性的特點(diǎn)，以及巖土體內(nèi)部物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、強(qiáng)度特征、物理力學(xué)性質(zhì)、荷載條件等具有差異性，提升對土工實驗數(shù)據(jù)的評價。主要對造成土性參數(shù)實驗結(jié)果誤差性的原因開展了分析，并且對土工實驗數(shù)據(jù)的檢查及其異常點(diǎn)判別的原則開展了簡單探討，同時根據(jù)實驗數(shù)據(jù)提出了相關(guān)距離δ內(nèi)能夠樣本加權(quán)平均估計土的平均特性方法和最小樣本數(shù)的確定方法，詳細(xì)探究了土工數(shù)據(jù)的應(yīng)用狀況，最終達(dá)到提高土工實驗數(shù)據(jù)的科學(xué)性和可靠性的目的。

關(guān)鍵詞：土工實驗；數(shù)據(jù)分析；方法

在土工實驗過程中，其數(shù)據(jù)的可靠性和精確性直接影響整個施工方案的實施和選取，因此，為了提升巖土工程設(shè)計及其施工的合理性，必須要加強(qiáng)對實驗數(shù)據(jù)分析保障，然而影響土工實驗數(shù)據(jù)可靠性的因素主要取決于土樣本身和實驗兩個方面，實驗過程中，由于土體本身具有復(fù)雜性，土質(zhì)之間存在不同的物理學(xué)性質(zhì)以及含水量等，原狀土在采樣﹑運(yùn)輸以及存儲和制備樣品過程中，其擾動程度的因素，影響到土工實驗數(shù)據(jù)可靠性，出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差現(xiàn)象；另外實驗因素的影響：可能由于測量存在系統(tǒng)誤差，受到測量儀器本身或者是方法不同的影響，造成數(shù)據(jù)偏差問題，還有可能存在隨機(jī)誤差以及過失誤差，這些都會影響實驗數(shù)據(jù)的可靠性。因此，本文主要分析了土工實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果問題，詳細(xì)研究了總體實驗數(shù)據(jù)的檢查以及異常數(shù)據(jù)的分析和處理；最小樣本數(shù)問題以及土體性質(zhì)指標(biāo)問題，進(jìn)而達(dá)到提高土工實驗數(shù)據(jù)分析的可靠性，確保實驗數(shù)據(jù)精確無誤。

一﹑造成土性參數(shù)實驗結(jié)果誤差性的原因

筆者通過自身多年實踐工作經(jīng)驗，歸納并總結(jié)到造成土性參數(shù)實驗結(jié)果誤差性的原因，具體表現(xiàn)在兩個方面：一方面：由于土體性質(zhì)造成的。根據(jù)物理力學(xué)和力學(xué)性質(zhì)研究，從宏觀上土體被視為土層，但是由于土體本身具有不均性，再加上受到外界環(huán)境的影響，雨水沖擊﹑地下水位以及氣候變化等影響時，使得土體性質(zhì)的不均性更加明顯。另一方面：由于取樣儀器的型號不同，工作人員在實驗數(shù)據(jù)測量過程中，采用不同的取樣技術(shù)，不同的實驗設(shè)備以及不同的實驗方法等等，這些都會造成土工參數(shù)出現(xiàn)離散性。通常這些因素難以避免，因此在土工實驗數(shù)據(jù)分析中，必須要對土性參數(shù)做具體的規(guī)定，實驗測量得到的數(shù)據(jù)作為隨機(jī)變量進(jìn)行誤差處理，并且采用概率理論﹑數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法以及相關(guān)的誤差理論等，在了解了土性的分布狀況以及具體參數(shù)之后，對其實施有針對性的實驗，以便提高數(shù)據(jù)的可靠性和精確性。

二﹑分析總體實驗數(shù)據(jù)的檢查，異常分析及其處理

根據(jù)土體樣本的物力性質(zhì)及其力學(xué)性質(zhì)最終得到土工實驗數(shù)據(jù)的測量結(jié)果，整個實驗過程中，由于數(shù)據(jù)存在一定的誤差性，因此，必須要根據(jù)測量經(jīng)驗以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計原則，提高數(shù)據(jù)測量的精確性，具體從兩個方面分析：一方面，根據(jù)土的物力力學(xué)特性來判斷數(shù)據(jù)的不合理性。當(dāng)土體實驗數(shù)據(jù)中存在明顯不符合土的物理力學(xué)性質(zhì)范圍的點(diǎn)，可以直接對其舍棄，但是當(dāng)實驗中，大部分?jǐn)?shù)據(jù)在某個值域范圍波動時，可以根據(jù)一點(diǎn)或者是幾點(diǎn)值域之間的差異性，對異常點(diǎn)做剔除處理。另一方面，根據(jù)某一置信水平確定實驗數(shù)據(jù)的異常點(diǎn)。當(dāng)實驗測量數(shù)據(jù)比較多時，采用3σ法則，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)在 [ms-3σ，ms+3σ]之外的數(shù)據(jù)點(diǎn)時，其概率只有0.27%，此時就將這兩點(diǎn)作為實驗數(shù)據(jù)的異常點(diǎn)進(jìn)行處理，在分析數(shù)據(jù)異常原因的基礎(chǔ)上，不能機(jī)械地將 [ms-3σ， ms+3σ]之外的點(diǎn)全部剔除；另外當(dāng)實驗數(shù)據(jù)的某一個土樣參數(shù)位于 [ms-3σ， ms+3σ]之外時，表明數(shù)據(jù)誤差是由于實驗本身引起的，對數(shù)據(jù)予以剔除處理；當(dāng)實驗數(shù)據(jù)比較少時，一般以30作為判別數(shù)據(jù)多少的中介值，采用t分布的概率值來代替正太分布的概率值，根據(jù)t分布函數(shù)，確定出對應(yīng)此置信水平的實驗數(shù)據(jù)范圍：，其他點(diǎn)視為異常點(diǎn)，予以舍棄或者是剔除處理。

三﹑分析最小樣本數(shù)問題

整個土工實驗過程中，由于樣本數(shù)量過少，造成實驗數(shù)據(jù)結(jié)果不穩(wěn)定，然而影響樣本數(shù)的因素是：工程規(guī)模﹑實驗現(xiàn)場勘察條件以及工程測量的精度要求，針對土工實驗數(shù)據(jù)最小樣本數(shù)問題，主要從統(tǒng)計特征方面做了詳細(xì)探究。具體實驗中，為了提高數(shù)據(jù)的可靠性和精確性，以滿足統(tǒng)計要求的最小樣本數(shù)，因此，除了收集實驗資料以外，主要利用Bayes方法具體進(jìn)行。通常土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)符合正態(tài)分布，因此，采用Bayes法時，需要將實驗過程中，不同時間測量的數(shù)據(jù)有機(jī)地結(jié)合起來，最終得到一個比較可靠的數(shù)據(jù)，確保實驗結(jié)果科學(xué)﹑有效。該方法備廣泛應(yīng)用于大型工程設(shè)計指標(biāo)中，其最大的優(yōu)勢是，能夠精確處理不同觀測數(shù)據(jù)，并將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，同時根據(jù)不同實驗概率規(guī)律的信息，將其有機(jī)地結(jié)合起來，最終得出更可靠的數(shù)據(jù)分布，進(jìn)而增強(qiáng)土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)的合理性和可靠性。

四﹑分析關(guān)于土體性質(zhì)指標(biāo)的自相關(guān)性問題

土體實驗中，測量數(shù)據(jù)可能存在一定的相關(guān)性，一般根據(jù)數(shù)據(jù)之間的線性相關(guān)系數(shù)來了解土工實驗指標(biāo)，各個系數(shù)之間具有指數(shù)相關(guān)性，因此，可以采用相關(guān)距離δ來具體判斷。土工實驗中，在相關(guān)距離δ內(nèi)，土性指標(biāo)基本具有相關(guān)性，由于相關(guān)距離δ屬于未知變量，只有通過樣本測量最終得到。整個過程中，相關(guān)距離由遞推平均法測量得到，但是取樣間距△Z 對δ有一定的影響，當(dāng)取樣距離△Z不同時，δ也不同，通常△Z/δ越大，表明各抽樣點(diǎn)的土性間距較小，其抽樣的準(zhǔn)確性就越大，因此取樣距離盡可能地大于δ；當(dāng)△Z=δ時，表明土的相關(guān)距離比較合適。總之，根據(jù)工程具體測量精度要求，確定δ的范圍，并且要求測量人員結(jié)合自身經(jīng)驗對測量數(shù)據(jù)及其結(jié)果進(jìn)行處理，提高土工實驗數(shù)據(jù)的可靠性。總之，為了提高土工實驗數(shù)據(jù)的精確性，對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理十分有必要。利用多次測定值的算術(shù)平均值，計算出相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差以及變異系數(shù)，更加直觀的了解實際測定值對算術(shù)平均值的變化程度，有效識別算術(shù)平均值的可靠性，針對計算指標(biāo)進(jìn)行整理時，當(dāng)測定組數(shù)比較多時，按照特性指標(biāo)的方法確定并計算實驗結(jié)果；當(dāng)實驗數(shù)據(jù)比較少時，由于受到測定誤差﹑土體本身不均勻性以及測量設(shè)備等因素的影響，選擇標(biāo)準(zhǔn)差平均值。另外一個標(biāo)準(zhǔn)差的絕對值，對不同應(yīng)力條件下測得的某種指標(biāo)，必須要通過數(shù)據(jù)整理之后，采用圖解法或者是最小二乘方分析法，綜合確定土性指標(biāo)，為土工實驗提供更有效地數(shù)據(jù)保障，增強(qiáng)實驗的科學(xué)性和有效性。

結(jié)語

綜上所述，通過分析造成土性參數(shù)實驗結(jié)果誤差性的原因，并結(jié)合土工實驗數(shù)據(jù)可靠性因素和實驗本身因素兩個方面，利用物理力學(xué)特性判定實驗數(shù)據(jù)并對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，使得土工實驗數(shù)據(jù)更接近實際，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)測量誤差問題，同時為了滿足最小樣本數(shù)問題，利用Bayes方法確定出土的性質(zhì)指標(biāo)之后，為實驗數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)分析；另外了解了土體性質(zhì)指標(biāo)的自相關(guān)性問題，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性關(guān)系，盡可能地縮小抽樣數(shù)據(jù)之間的誤差，滿足土工實驗數(shù)據(jù)的精度要求。

參考文獻(xiàn)

[1]張慶華，李虎生，楊洪波.土工實驗數(shù)據(jù)整理和分析方法研究[J].中國地震局工程力學(xué)研究，2015（35）.

中圖分類號：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A