基于文獻計量學的近20年國內非飽和土研究綜合分析

汪 青,陳光富,張國棟,劉藝梁

(1.三峽大學情報科學技術研究所,湖北宜昌 443002； 2.三峽庫區地質災害教育部重點實驗室(三峽大學),湖北宜昌 443002； 3.長江三峽滑坡國家野外科學觀測研究站,湖北宜昌 443002)

引言

包承綱等[1]指出： “世界上大部分國家(地區)都曾經或現正在遭遇非飽和特殊土帶來的工程危害”。非飽和土在自然界中廣泛存在,其特性研究在實際工程中的應用前景廣闊。我國處于高速發展時期,建設工程中遇到的非飽和土問題屢見不鮮,很多學者孜孜不倦地植根理論、實驗或工程實際探索非飽和土的復雜特性。近20多年,計算機等技術的發展,土力學、熱力學及土壤物理學等學科的融合,促使科學研究手段不斷更新,越來越多的新技術和新方法引入到非飽和土研究領域,使得我國非飽和土領域研究異?；钴S,科研成果顯著。然而研究成果數量的劇增,導致對信息的有效提取、組織等逐漸成為一道難題。通常,研究領域知識結構梳理一般由該領域內權威專家進行,這種專家性梳理會耗費大量時間精力且可能帶有較強主觀偏見性。本文嘗試結合文獻計量學理論和借助知識可視化研究方法,開展此梳理工作。

文獻計量學以文獻集為研究對象,采用統計學的計量方法,通過對文獻知識單元的情報分析,來評價某學科領域研究發展現狀及水平[2]。知識可視化指對知識單元進行圖像化描述,其中主要方式之一為知識圖譜,它具有清晰、直觀展示研究領域的網絡結構等優點。近年來該理論和方法被廣泛應用于圖書情報與檔案管理、管理科學與工程等領域,并正在向工程技術領域擴散[3]。如朱記偉等[4]利用可視化工具CiteSpace軟件,梳理2008年～2016年間發表的國內外建筑信息模型文獻；陳薈竹等[5]、譚清月等[6]基于CiteSpace軟件分別對泥石流災害風險研究領域、我國生態系統服務領域近30年來的研究動態進行了綜合分析。

本文試圖采用該方法和理論,結合CiteSpace信息可視化和知識圖譜等技術,充分挖掘和描繪非飽和土研究領域的知識單元(期刊、作者、機構、關鍵詞)間相關關系,梳理、分析近20年國內文獻非飽和土研究現狀,為科研人員開展相關研究工作提供參考。

1 數據和工具介紹

1.1 數據來源

本研究的數據來源于中國知網(CNKI)期刊庫和博碩士論文庫,此兩類型數據可以較準確地反映某一學科的研究成果和前沿。在高級檢索頁面,期刊來源類別選擇核心期刊,發表年限為1998年至今,檢索字段選擇“主題”,檢索詞為“非飽和土”,進行精確檢索。對目錄、會議、訪談、征稿通知等無效數據進行篩選后,剩余期刊論文1 140條,博碩論文425條,共獲取1 565條有效數據。檢索時間為2018年7月25日。

1.2 分析工具

采用的軟件為信息計量及可視化工具CiteSpace和文獻管理軟件NoteExpress。NoteExpress具有統計功能,主要用于期刊頻次統計。CiteSpace為計量和分析科學文獻數據的信息可視化軟件,是美國Drexel大學陳超美教授基于知識單元離散與重組、社會網絡分析的結構洞等理論開發[7]。其易于捕獲文獻知識單元(如作者、機構、關鍵詞、引文等)間共現矩陣,并以可視化圖像直觀地展現出來,增強人們對抽象信息的認知,進而了解研究領域在一定時期的研究主題與動向。

1.3 數據處理

從CNKI導出refworks文獻格式,在軟件CiteSpace5.1. R8中實現數據集格式轉化和導入分析。參數設置中,研究時長跨度為20年即1998年～2018年,每2年為一時間分區；按分析需求,節點類型分別選擇Author(作者)、institution(機構)、keyword(關鍵詞),再調諧共現次數閥值、顯示頻次閥值等參數,生成相應的作者合作圖譜、機構合作圖譜和關鍵詞共現圖譜。先期試運行,完成刪除無具體含義(如土力學等)的節點、合并含義相近(如飽和度與含水率等)節點關鍵詞等進一步數據清洗。

在最終生成的圖譜中,每個節點代表相應作者/機構/關鍵詞,節點大小反映節點頻次多少,節點采用的是“引文年輪”的表現方式,時間結構則通過節點年輪體現,年代越近色調越暖,一個年輪厚度和相應時間分區節點出現頻次成正比。高中介中心性節點為紫環外環,且中介中心性越高,代表該節點在網絡中處于樞紐中心位置,影響其他節點信息傳遞。網絡節點的重要性由頻次大小、中介中心性高低等指標綜合決定。

2 “非飽和土”領域文獻統計分析

2.1 文獻產出時間分布

研究領域的文獻數量變化情況是衡量研究進展的重要指標。以年份為橫坐標,發文量為縱坐標,基于搜集整理的知網數據集,直觀呈現國內非飽和土研究發文量隨年代變化趨勢。由圖1文獻的年份分布情況可見,國內以“非飽和土”為主題的研究文獻始于1965年,俞培基等[8]在《水利學報》發表的論文“非飽和土的水-氣形態及其與力學性質的關系”根據土中的孔隙水-氣形態,把非飽和土歸納為3種基本系統,并通過試驗給出了相鄰兩系統之間的臨界飽和度約值,開啟了我國非飽和土研究的歷程。但隨后幾十年相關研究的數量一直很少,人們的研究重點仍是飽和土和干土。直至1992年,我國第一次非飽和土理論與實踐學術研討會于當年3月在北京召開之后,關于非飽和土的研究逐年大幅度增加,尤其是2000年以后(此時國際非飽和土會議已連續召開兩屆),國內關于非飽和土的研究呈現高速發展的態勢。2001年后知網博碩士論文庫開始出現非飽和土領域論文,來自西安理工大學、四川大學等高校。2007年之后總發文量整體呈波動增長,但該領域的研究產出成果每年仍處于較高位運行時期,并在2017年達到頂峰(由于此次研究論文數據收集時間為2018年07月25日,因此,關于2018年的數據并不完整)。整個研究歷程表明我國學者對于非飽和土領域的關注度在不斷上升。本文確定本次研究的文獻時間區間為1998年～2018年,篩選核心期刊文獻基本能夠代表我國這一領域的發展歷程和研究現狀,對該領域研究成果進行梳理，可以對非飽和土領域的進一步深入探討與研究提供參考,具有現實意義。

圖1 非飽和土領域年文獻量

2.2 載文期刊分析

借助NoteExpress文獻管理軟件對篩選的1 140篇核心期刊成果進行期刊文獻統計分析。1 140篇期刊文獻發表在169種期刊上。表1為近20年來我國非飽和土領域載文數量前8位期刊,該類期刊對“非飽和土”主題論文成果接受率相對較高,且刊載了近20年非飽和土領域一半的成果,說明非飽和領域發文期刊比較集中。其中前4名期刊《巖土力學》(236篇)、《巖土工程學報》(154篇)、《巖石力學與工程學報》(62篇)、《水利學報》(30篇),均為EI來源期刊,可見非飽和土領域的相關論文成果總體質量較高。

表1 我國非飽和土領域載文數量前8位期刊

注明：核心期刊指(北京大學《中文核心期刊要目總覽》2014年版,CSCD指2017年～2018年版,EI指2018年5月最新版,檢索時間為2018年7月25日。

2.3 作者分析

2.3.1 高影響力作者

通過統計分析發現,1 140篇核心期刊論文在知網中累計被引頻次為22 187次。合并同名第一作者,1 140篇期刊文獻第一作者共569人,第一作者平均被引頻次38.9次,被引中位數為12次。按“被引頻次”進行排序,列出被引頻次200次及以上高被引作者。如表2所示。被引頻次200次及以上高被引作者的累計被引頻次為8 669次,占總被引頻次的39.1%,可以判斷他們是我國非飽和土領域的高影響力作者,其研究成果對我國的非飽和土研究產生了廣泛且持續的影響。

表2 近20年非飽和土領域第一作者被引頻次統計(被引頻次200次及以上)

2.3.2 作者合作分析

作者共現分析能夠展現出研究領域的作者學術場和作者活躍度[9]。應用CiteSpace對上述1140條文獻記錄進行作者共現分析(CiteSpace統計方法不分論文作者排名,只統計出現頻次和共現關系)。從圖2可知：①作者分布。經過CiteSpace的節點閥值設置,圖2顯示的節點為發文8篇以上作者,顯示了非飽和土領域主要作者群,具體高產作者見表3；②學術團隊。在作者自然聚類中,可見幾個明顯聚類即學術合作團隊,如陳正漢團隊、趙成剛團隊、孫德安團隊、韋昌富團隊、劉奉銀團隊、欒茂田團隊、趙均海團隊(排名不分先后)等,他們對近20年非飽和土領域論文數量貢獻顯著；③作者活躍度。通過節點顏色結構和節點連線顏色可判斷節點作者活躍度,如圖2中欒茂田、徐永福、殷宗澤等作者節點及其相關連線都為冷色系表示其不再活躍,他們的成果主要形成在2013年之前。結合上述表2高被引作者可知他們在早期為非飽和土理論和工程應用研究做出了較大貢獻；趙均海、張常光等作者節點成果主要形成在中后期2010年之后；陳正漢、趙成剛、孫德安、韋昌富等作者節點在非飽和土領域各個時段斷均有論文,研究的持續性較好。③樞紐節點作者。中介中心性較大(不小于0.1)的紫環節點為孫德安、徐永福等作者,從信息傳輸角度來看,這些作者對作者合作網絡傳輸影響較高。

圖2 非飽和土領域近20年作者合作知識圖譜

表3 1998年～2018年非飽和土領域發文頻次前12位作者

2.4 機構分析

圖3 1998年～2018年非飽和土領域機構合作圖譜

CiteSpace生成的機構合作圖譜,用以展示國內非飽和土領域各機構之間的合作情況和研究實力。篩選整理將該研究領域的二級機構合并到所在一級機構,調諧至顯示發文頻次18次以上機構節點,生成的機構合作圖譜見圖3,發文頻次和中介中心性較高的機構見表4。圖3和表4顯示高頻機構節點大多為紫環節點(中介中心性不小于0.1的節點),表明產量較高機構間相互合作緊密,影響著整個非飽和土研究領域的信息傳遞,它們相互形成一個集中、暢通的學術合作交流場,在我國非飽和土研究領域具有權威和引領作用。如圖3中的中國科學院體系龐大,下屬研究所眾多,它廣泛關注了非飽和土領域的科學問題,成果豐富,實力強勁。且通過其節點連線數量和強度可知,與它合作超過2次的連線機構有21所,其中合作較多機構有大連理工大學(8次)、華北水利水電大學(6次)、北京交通大學(6次)等；北京交通大學該領域成果數量居第二位,與他合作超過2次的連線機構有8所,其中合作較多的機構桂林理工大學(9次)、中國科學院(6次)等。

表4 1998年～2018年非飽和土領域發文頻次和中介中心性較高機構

3 “非飽和土”領域研究主題分析

根據情報學中的齊夫最省力原則可知,關鍵詞是文章研究主題的濃縮,關鍵詞的頻次分布和詞間共現關系能反映該學科總體研究內容的結構特征及發展方向[10]。為了可視化近20年非飽和土領域研究內容特征、研究主題分布及研究熱點等問題。在CiteSpace中將節點類型設為關鍵詞,以Top50為閾值,運行并調諧至顯示發文頻次6次以上的關鍵詞(圖4),節點數量259個,連線數量822條。其中節點“基質吸力”頻次最高,近20年出現頻次近190次,且中介中心性最大,是因為基質吸力是影響非飽和土特性的關鍵因素,有關非飽和土的研究基本都緊密地依賴于基質吸力而展開[11]。圖4通過1 140篇核心期刊論文集的關鍵詞(6次以上)共現聚類大致形成4個既相對獨立又互相關聯的聚類圈,基本代表了過去20年間該領域的熱點主題,本文將其簡化歸類為4個研究主題： “土水特征曲線研究”、“強度特性研究”、“本構模型研究”及“工程應用研究”。

3.1 土水特征曲線研究

圖4中土水特征曲線相關聚類中高中介中心性及高頻關鍵詞為土水特征曲線、吸力、飽和度(含水率、含水量等關鍵詞的合并)等。高頻關鍵詞基本反映了土水特征曲線關注的主要內容即土水特征曲線的繪制、總吸力或基質吸力的測量、土水特征曲線的滯回等問題。其中“吸力”和“基質吸力”中介中心性很高,可見吸力變化的復雜性和測試難度是非飽和土領域研究的難點和關鍵,近20年許多學者對其進行了大量研究[12-14]。如改進測量儀器或方法,針對具有不同影響因素(礦物成分、孔隙結構、應力路徑、應力狀態等)的土體進行土水特征曲線測試對比試驗,如劉艷華等[15]對土水特征曲線的性質和影響因素進行了定性分析,在分析的基礎上進行一些對比試驗；汪東林等[16]采用常規壓力板儀和GDS非飽和土三軸儀等對重塑非飽和黏土的土水特征曲線及其影響因素的研究；章峻豪等[17]探討應力狀態和應力路徑對非飽和土廣義土水特征曲線的影響；李順群等[18]探究了軸平移技術對土水特征曲線試驗誤差的影響。土水特征曲線數學模型研究中如徐永福等[19]提出了土水特征曲線的分形模型、戚國慶等[20]提出多項式冪函數模型；陳輝等[21]建立了一個能描述不考慮土骨架變形的土水特征曲線動態模型。這一系列模型理論的建立,對探索改進土水特征曲線的數學模型有一定指導意義。近年,土水滯回特性相關研究也取得了顯著的進展。劉艷等[22]以熱力學為基礎,利用邊界面理論建立了土水特征曲線的滯后模型；黎澄生等[23]借鑒非飽和滲流統計模型,建立了滯后模型。

圖4 1998年～2018年非飽和土領域關鍵詞共現圖譜

非飽和土土水特征曲線的深入研究豐富了非飽和土強度的計算方法,對預測非飽和土的工程力學性質有重要意義,一直是非飽和土領域重點研究內容之一。鑒于現行土水特征曲線測試費時昂貴、使用條件苛刻,土水特征曲線測試新方法、新儀器及模擬模型開發亟待深入研究。

3.2 強度特性研究

對非飽和土的強度特性研究,相關高頻關鍵詞為：基質吸力、抗剪強度、吸力、三軸實驗、有效應力、干密度等,涉及的研究內容為強度特性理論研究、試驗儀器方法研究等。非飽和土強度理論的研究是非飽和土力學的核心問題。在理論研究方面,徐永福等[24]提出非飽和土結構強度的概念,從膨脹土的結構模型導出結構強度公式；盧肇鈞[25]綜合論述了應力、應變和加荷速率對抗剪強度的影響,吸力和膨脹力與吸附強度的關系等抗剪強度研究中的重要問題；黃義等[26]考慮土孔隙內收縮膜對剪切強度的影響,得出了非飽和土的土水特征曲線方程和結構強度公式；張常光等[27]考慮基質吸力的不同分布,得到非飽和土主動土壓力和被動土壓力統一解,導出一種新的非飽和土強度公式；傅鑫暉等[28]對非飽和紅黏土的強度特性進行研究,探討了其隨含水率變化的影響機制；陳正漢[29]給出了各向異性多孔介質的有效應力理論公式等。在實驗方法上,國內一些學者針對不同種類土(如非飽和原狀黃土、膨脹土、非飽和粉質黏土)、控制含水率等不同因素等,改進實驗儀器和方法,對抗剪強度特性展開了大量試驗研究。如楊慶等[30]進行了大量的膨脹力試驗和抗剪強度試驗,以確定膨脹土的膨脹力與吸附強度的相關關系；申春妮等[31]控制含水率、干密度、吸力進行了一系列的直剪試驗,研究了重塑非飽和土的抗剪強度特性；邵玉嫻等[32]在室內試驗的基礎上,研究了溫度對南京地區非飽和下蜀土重塑土抗剪強度的影響。改進實驗儀器的如：蔡國慶等[33]基于對非飽和土靜三軸儀進行改造,研制了一種溫控非飽和土三軸試驗裝置；李劍等[34]為研究溫度對非飽和土水力、力學和聲學性質的影響,自主研發一套帶有彎曲元和精密體變量測的溫控式三軸儀；付宏淵等[35]介紹了多種國內外非飽和土強度測試的新方法和儀器,如新型彈性波測試儀配合普通非飽和三軸儀測得土體彈性波速變化規律等。

目前,非飽和土抗剪強度多是基于土水特征曲線進行計算,如何根據土的類型、結構、含水狀態、應力狀態等因素準確確定土水特征曲線和抗剪強度計算參數需深入研究?！皽亍钡耐了卣髑€顯示：同一基質吸力對應著兩個不同的含水量；同一含水量對應著兩個不同的基質吸力,因而對應著兩個不同的抗剪強度。這兩個抗剪強度值差別有多大、怎么取算,需要通過實驗研究進一步探討。

3.3 本構模型研究

圖4通過聚類發現該類研究主題的高頻關鍵詞有：本構模型、基質吸力、抗剪強度、飽和度、溫度效應、數值模擬、有效應力、微觀結構等。土體本構關系是數值模擬的基礎,考慮不同因素(基質吸力、飽和度、溫度等)可以建立不同的本構模型。沈珠江[36]把損傷力學應用于土體,提出了彈塑性損傷模型、雙屈服面損傷模型、非線性損傷力學模型等。陳正漢等[37]建立土的非線性固結模型和彈塑性固結模型。武文華等[38]建立非飽和土的熱-水力-力學本構模型,模型中特別考慮了溫度對于非飽和土的水力-力學性質的影響。殷宗澤等[39]認為非飽和土本構關系研究應從兩方面深入：一是建立應力-應變-吸力關系；二是建立應力-飽和度-應變關系。金旭等[40]在復合體損傷理論的基礎上,得出了適用于非飽和原狀土的彈塑性損傷本構模型。劉艷等[41]基于連續介質土力學的本構模型框架,考慮氣相壓力變化對土體變形的影響,建立了三軸應力狀態下的非飽和土本構模型。蔡國慶等[42-43]在已有的非飽和土水-力耦合模型基礎上,建立考慮溫度影響的熱-水-力耦合作用下非飽和土彈塑性本構模型,以及各向等壓狀態下考慮微觀結構的非飽和土水-力耦合本構模型。

非飽和土性質復雜、多變,近年土障、垃圾填埋、核廢料貯藏等工程實踐問題不斷推出,結構性模型、多因素耦合模型(水-力耦合、熱-水-力耦合、熱-水-力-化學耦合等)更具工程意義是研究的難點和熱點。現實的土體都具有結構性,結構性直接關系著土體力學性能,建立結構性本構模型的建模思想發展前景廣闊。

3.4 工程應用研究

圖4工程應用主題涉及的高頻關鍵詞有：降雨入滲、滑坡、邊坡、有限元、穩定性、滲流等。反映非飽和土力學理論在工程實踐應用中,主要解決的是深基坑、填方不均勻沉降和高邊坡的失穩等工程問題[44]。相關成果如姚攀峰等[45]將非飽和土壓力相關理論應用在北京地鐵13號線東直門站的基坑支護工程中,取得良好成效；張在明等[46]根據飽和-非飽和土的滲流分析結果,采取合理的結構措施,確保了國家大劇院工程的抗浮穩定性；黃雪峰等[47]對原狀黃土土壓力研究的結果應用于西寧火車站綜合改造工程,經濟效益明顯；陳正漢[48]用非飽和土的非線性本構模型和固結理論進行數值模擬,解決了小浪底大壩變形穩定問題；李永樂等[49-50]利用飽和-非飽和土滲流理論,對黃河大堤加固進行了系統研究,為黃河大堤的加固和治理提供了科學依據；張建文[51]等對非飽和土的水土特性及固結壓縮特性進行研究,結合地基沉降現場測試結果,深入分析各類加固工法下非飽和土地基的沉降規律,驗算得出強夯、換填和短水泥攪拌樁加固非飽和土地基完全滿足高速鐵路路基沉降控制要求。非飽和土理論在指導實際工程中取得了一些成效,但由于其復雜性,還未能在工程實際中廣泛應用[39,52]。

非飽和土領域研究已成體系,國內學者做了大量研究工作。但目前對非飽和土的應力狀態與傳力機理仍不夠了解、對其與環境有關的變化仍難以預估,基礎理論研究還比較薄弱。在應用現有非飽和土研究成果解決實際工程問題時,追求經濟效益,仍需承擔較大的責任與風險。對非飽和土的研究需建立在應用背景下,于工程實踐中不斷深化。

4 主要結論

本文基于文獻計量學的理論和方法,重點結合CiteSpace信息可視化工具,圍繞“非飽和土”這一主題詞,主要梳理了國內期刊文獻1998年～2018年近20年非飽和土研究現狀并做了分析。

(1)文獻產出和載文期刊分析。近20年非飽和土研究領域充滿活力,總體發文呈快速增長(1998年～2006年)和波動起伏(2007年～2018年)兩個顯著階段,且近5年該領域每年的研究產出成果仍處于較高位；載文期刊分析發現,近20年領域核心成果發表在169種期刊上,其中前8位刊載了半數成果,前4位均為歷年EI來源刊,可見非飽和土領域發文期刊比較集中且成果整體質量較高。

(2)作者分析。作者分析采用高影響力和高產量兩個維度進行展現。高影響力作者(即高被引第一作者)為陳正漢、徐永福、包承綱、龔壁衛、湯連生、沈珠江等；高產量作者分析中,采用作者合作知識圖譜進行呈現,結果顯示近20年陳正漢、趙成剛、韋昌富、孫德安等作者發文較多且研究較連續。

(3)機構分析。近20年國內期刊中高產且研究實力較強的機構為中國科學院、北京交通大學、河海大學等,且以上機構間互相合作緊密,它們形成一個集中、暢通的合作學術交流網絡,影響著整個非飽和土研究領域的信息傳遞,它們在我國非飽和土研究領域起著引領作用。

(4)研究主題分析。采用關鍵詞共現技術,得到非飽和土領域高頻和高中介中心性的關鍵詞有“土水特征曲線”、“基質吸力”、“抗剪強度”等,它們是近20年非飽和土領域的熱點且影響著領域研究的深入；從關鍵詞聚類及發展特點看,近20年非飽和土領域概分為“土水特征曲線研究”、“強度特性研究”、“本構模型研究”及“工程應用研究”四個主題,文內對各研究主題結合高頻關鍵詞及刊發文章進行了分析討論。