遺傳規(guī)劃方法在孔內(nèi)剪切數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用★

劉 琳，孫延軍，王俊卿

(中核勘察設(shè)計(jì)研究有限公司,河南 鄭州 450000)

巖土體力學(xué)參數(shù)是十分重要的工程技術(shù)指標(biāo),在巖土工程勘察領(lǐng)域,如何獲取準(zhǔn)確的巖土體物理力學(xué)性質(zhì)相關(guān)參數(shù),是保證工程優(yōu)化設(shè)計(jì)、工程建設(shè)質(zhì)量、控制工程造價(jià)的關(guān)鍵因素。巖土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是表達(dá)巖土體力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù),對(duì)于工程建設(shè)具有十分重要的意義。目前,獲得巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的方法主要有室內(nèi)剪切試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)等,孔內(nèi)剪切試驗(yàn)作為原位測試的一種,在避免了巖土體的擾動(dòng)條件下可以直觀獲取巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)。R.L.HANDY等最早提出了原位剪切試驗(yàn)方法,制造了Lowa鉆孔剪切儀并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)[1-2];然而,在孔內(nèi)剪切試驗(yàn)的測試現(xiàn)場存在一定的制約因素,使得孔內(nèi)剪切試驗(yàn)的測試結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)存在一定程度的數(shù)據(jù)偏差問題,從而導(dǎo)致原位測試結(jié)果在工程應(yīng)用中可靠性不易保證。針對(duì)原位測試與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果偏差問題,國內(nèi)學(xué)者在前人研究的基礎(chǔ)上,對(duì)國內(nèi)剪切設(shè)備缺陷進(jìn)行了改進(jìn)研究,指出改進(jìn)后剪切設(shè)備獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)需要經(jīng)過有效地整理與分析后,才能更好的為工程實(shí)際提供支撐[3-6]。在巖土工程領(lǐng)域諸多問題可以納為優(yōu)化、預(yù)測、建模、綜合評(píng)判、聚類分析等問題[7],此類問題用常規(guī)的系統(tǒng)工程方法解決時(shí)具有局限性。針對(duì)常規(guī)方法的局限性,國內(nèi)學(xué)者將“遺傳規(guī)劃法”引入巖土工程領(lǐng)域,廣泛應(yīng)用于巖石流變模型的辨別、泥石流多因子融合預(yù)測、土體參數(shù)反演、深基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移預(yù)測、復(fù)雜地層中盾構(gòu)滾刀磨損壽命預(yù)測、儲(chǔ)層巖石靜態(tài)模量預(yù)測等,并取得了較好預(yù)測結(jié)果[8-13]。

遺傳規(guī)劃法是用層次性的語言表達(dá)問題,在解決人工機(jī)器學(xué)習(xí)、控制及分子生物學(xué)等領(lǐng)域問題效果尤其顯著[14]。為了更方便快捷地獲取抗剪強(qiáng)度指標(biāo),本文在總結(jié)已有測試方法的基礎(chǔ)上,通過以室內(nèi)剪切試驗(yàn)測試方法為基礎(chǔ)改進(jìn)的孔內(nèi)剪切設(shè)備獲得巖土體的原位測試數(shù)據(jù),將遺傳規(guī)劃的方法推廣應(yīng)用于孔內(nèi)剪切設(shè)備實(shí)測數(shù)據(jù)的分析,尋找影響因素間的內(nèi)在聯(lián)系,彌補(bǔ)了孔內(nèi)剪切原位測試的不足,為孔內(nèi)剪切設(shè)備的進(jìn)一步完善提供參考,同時(shí)為孔內(nèi)剪切原位測試結(jié)果數(shù)據(jù)分析提供一條新的途徑。

1 孔內(nèi)剪切原理及設(shè)備組成

1.1 孔內(nèi)剪切試驗(yàn)原理

孔內(nèi)剪切試驗(yàn)是基于現(xiàn)場原位鉆孔,將剪切刀頭放置在鉆孔內(nèi)測試深度處進(jìn)行現(xiàn)場剪切測試。其試驗(yàn)原理及工作過程與室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)較為相似,均將遞增的法向應(yīng)力施加在測試土體上的同時(shí),通過設(shè)備提供剪切力直至土體發(fā)生剪切破壞[15]。

剪切刀頭上的齒間距、齒高相對(duì)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(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力隨橫向距離的變化可忽略不計(jì),法向應(yīng)力的方向與徑向應(yīng)力方向一致。將剪切刀頭刺入土體,在指定法向應(yīng)力下發(fā)生土體剪切破壞,從而獲得土體的剪應(yīng)力,利用摩爾-庫侖強(qiáng)度理論得到抗剪強(qiáng)度參數(shù)。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(yīng)力與相對(duì)應(yīng)的正應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,得到黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。

1.2 孔內(nèi)剪切設(shè)備組成

根據(jù)摩爾-庫侖強(qiáng)度理論結(jié)合孔內(nèi)剪切試驗(yàn)原理,孔內(nèi)剪切設(shè)備由剪切探頭、上拔力提供裝置、法向力提供裝置、連接構(gòu)件、傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置構(gòu)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(shù)值輸出端,可獲取上拔力值?？變?nèi)剪切設(shè)備組成見圖2。

整個(gè)設(shè)備體積較小、重量輕、占地面積小,各部分構(gòu)件在現(xiàn)場進(jìn)行組裝、拆卸、不需要能源供應(yīng),攜帶方便、適應(yīng)性強(qiáng)。

2 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

在鄭州西部某項(xiàng)目現(xiàn)場開展孔內(nèi)剪切測試,選擇ZK01號(hào)鉆孔,測試深度分別設(shè)置在2 m,4 m,6 m,地層主要為第四紀(jì)粉質(zhì)黏土。鉆探時(shí),在所測深度附近處取樣用于室內(nèi)試驗(yàn),室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

鉆探結(jié)束后開展孔內(nèi)剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)前查看鉆孔情況,對(duì)孔洞情況進(jìn)行初判,主要查看因素有:孔壁完整程度、孔內(nèi)水位情況、孔壁泥漿附著情況,綜合評(píng)定該孔能夠進(jìn)行孔內(nèi)剪切試驗(yàn)。使用法向力提供裝置對(duì)氣缸活塞進(jìn)行加壓,使得氣缸張開推動(dòng)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(jié)后,均勻搖動(dòng)手輪提拉剪切探頭。每秒搖動(dòng)首輪1圈～2圈,保證手輪勻速搖動(dòng),搖動(dòng)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(shù),由于該讀數(shù)器記錄的是質(zhì)量,需換算為重量。當(dāng)剪切試驗(yàn)發(fā)生終止條件后卸掉氣壓,將剪切探頭清潔后放回孔內(nèi)同一深度,依次增大正應(yīng)力工況,重復(fù)上述測試步驟,取得多組測試數(shù)據(jù)。

將顯示器上的讀數(shù)進(jìn)行曲線擬合,得到峰值并換算成剪力,根據(jù)剪切刀頭尺寸計(jì)算得到剪切面積,將最大剪應(yīng)力與對(duì)應(yīng)法向應(yīng)力的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,得到黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。

ZK01號(hào)孔中測試深度為2 m,4 m,6 m的情況下,顯示器數(shù)值隨手輪轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)系曲線以及由此結(jié)果擬合得到的抗剪強(qiáng)度分布如圖3—圖8所示。

在試驗(yàn)中,不同工況下法向應(yīng)力增加,手輪轉(zhuǎn)動(dòng)相同圈數(shù)的情況下,顯示器數(shù)值隨法向應(yīng)力的增加而增加;在同一工況下,顯示器數(shù)值隨轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的增加而增大直至達(dá)到峰值出現(xiàn)回落,本試驗(yàn)中各孔處孔內(nèi)剪切手輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)與顯示器數(shù)值關(guān)系曲線均呈現(xiàn)同樣趨勢,可用于確定抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。通過將各工況數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,能得到相關(guān)性較強(qiáng)的抗剪強(qiáng)度線,其線性相關(guān)性和摩爾-庫侖強(qiáng)度線高度吻合,得到各測試深度處土的黏聚力及內(nèi)摩擦角?？變?nèi)剪切試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比見表2。

表2 孔內(nèi)剪切試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從表2可以看出孔內(nèi)剪切試驗(yàn)的實(shí)測黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ值比室內(nèi)試驗(yàn)測得的數(shù)值均有偏小的趨勢,且難以用簡單、直觀的倍數(shù)或常數(shù)關(guān)系來表達(dá)。為防止數(shù)據(jù)采集量少及區(qū)域差異性對(duì)測試結(jié)果造成的片面性影響,在平頂山市、開封市等地區(qū)的粉質(zhì)黏土層中也做了同樣的孔內(nèi)剪切試驗(yàn),其現(xiàn)場測試結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果仍然存在差異,因此,數(shù)據(jù)差異的存在并非偶然現(xiàn)象。目前,國內(nèi)外主要采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)對(duì)現(xiàn)場測試結(jié)果進(jìn)行修正,而經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的取值不易確定。因此需要綜合考慮現(xiàn)場因素,進(jìn)一步分析,采用遺傳規(guī)劃的方法尋找現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果之間的相互聯(lián)系。

3 遺傳規(guī)劃方法建模與分析

3.1 遺傳規(guī)劃基本原理及步驟

J.R.Koza基于自然選擇原理于20世紀(jì)90年代初創(chuàng)造性地提出了遺傳規(guī)劃方法,該方法是一種與領(lǐng)域無關(guān)的、機(jī)械地搜索程序空間的方法,同時(shí)融合了數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、生物等學(xué)科的綜合性技術(shù),通過對(duì)問題進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理,給出一種進(jìn)化函數(shù),通過某些操作,進(jìn)行循環(huán)迭代,將那些“最適合”的解保留下來,所謂問題的解[16]。

遺傳規(guī)劃的搜索空間由多個(gè)計(jì)算機(jī)程序構(gòu)成,根據(jù)適應(yīng)度的大小通過復(fù)制、交換、突變等過程找到最優(yōu)解,而對(duì)于基本參數(shù)如何設(shè)定,是人們在不斷探索、實(shí)踐中尋找的有利于算法收斂的數(shù)值,在實(shí)際應(yīng)用中還需要根據(jù)具體情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

3.2 自變量選取

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

3.3 遺傳規(guī)劃建模及數(shù)據(jù)分析

本次建模模型中所用基本參數(shù)見表3,訓(xùn)練樣本取自本次現(xiàn)場測試中粉質(zhì)黏土層的實(shí)測數(shù)據(jù),見表4。

表3 遺傳規(guī)劃的基本參數(shù)

表4 遺傳規(guī)劃訓(xùn)練樣本

共取粉質(zhì)黏土層測試數(shù)據(jù)18組作為遺傳規(guī)劃建模樣本,隨機(jī)抽取4 m,6 m處兩個(gè)樣本為驗(yàn)證樣本,即為表4中序號(hào)為19,20的兩組數(shù)據(jù),采用1號(hào)—18號(hào)樣本參與遺傳規(guī)劃建模。代入MATLAB自編程序得出運(yùn)行結(jié)果,黏聚力及內(nèi)摩擦角回歸結(jié)果的樹形表達(dá)式見圖9,圖10。

運(yùn)用得出的表達(dá)式進(jìn)行樣本驗(yàn)算,得到計(jì)算結(jié)果對(duì)照表見表5,表6。

表5 黏聚力樣本計(jì)算對(duì)照結(jié)果

表6 內(nèi)摩擦角樣本計(jì)算對(duì)照結(jié)果

從表5,表6所給的對(duì)比結(jié)果可見:模型預(yù)測值與試驗(yàn)結(jié)果基本一致,相對(duì)誤差在±5%之內(nèi),能夠滿足實(shí)際工程的精度要求。因此,遺傳規(guī)劃方法可以用來建立現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果之間的函數(shù)關(guān)系,并可根據(jù)實(shí)測資料進(jìn)行抗剪強(qiáng)度參數(shù)的估計(jì)。

4 結(jié)論

通過對(duì)本文的孔內(nèi)剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及建立的遺傳規(guī)劃模型,可以得出:

1)造成孔內(nèi)剪切試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)黏聚力數(shù)值偏差的影響因素有測試深度、圈數(shù)、法向力、重量值、含水率及液限;造成孔內(nèi)剪切試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)內(nèi)摩擦角數(shù)值偏差的影響因素有測試深度、圈數(shù)、法向力、重量值、含水率。

2)利用影響因素建立了孔內(nèi)剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)與室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的遺傳規(guī)劃模型,確定了實(shí)測影響因素與室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)間的復(fù)雜非線性關(guān)系;孔內(nèi)剪切數(shù)據(jù)可以通過建立的遺傳規(guī)劃模型對(duì)巖土體原始應(yīng)力狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行估值,誤差值在±5%之內(nèi)。

3)在孔內(nèi)剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的函數(shù)形式較為復(fù)雜且規(guī)律性較差,遺傳規(guī)劃方法可以在給定的函數(shù)空間搜索特定的目標(biāo)函數(shù),實(shí)現(xiàn)目標(biāo)值的高精度擬合,從而應(yīng)用于工程實(shí)踐,為巖土工程原位測試數(shù)據(jù)分析提供了一條新的途徑。