巖土參數(shù)分析中出現(xiàn)的高變異系數(shù)的原因分析及應(yīng)對方法

巖土參數(shù)分析中出現(xiàn)的高變異系數(shù)的原因分析及應(yīng)對方法易少鳳在巖土參數(shù)的處理過程中，常會遇到高變異系數(shù)及修正系數(shù)過大或過小的問題，針對這一問題，本文分析了變異系數(shù)的特性并提出了正確的處理方法。【關(guān)鍵詞】巖土參數(shù)變異系數(shù)修正系數(shù)^刖言在工程勘察中，很重要的一環(huán)就是對測試或試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由于實(shí)際地質(zhì)條件的復(fù)雜，勘察施工對原狀樣的擾動(dòng)以及巖土試驗(yàn)條件與取值的不同，造成即使是土質(zhì)均勻的同一地層的巖土參數(shù)也存在一定的差異。因此，必須對雜亂的原始巖土測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理以獲得準(zhǔn)確的、反映實(shí)際地質(zhì)狀況的巖土參數(shù)。關(guān)于巖土參數(shù)的諸多分析方法如求指標(biāo)平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、修正系數(shù)等，各種巖土規(guī)范對此均有詳細(xì)說明，在此不想對其再作贅言。筆者在在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)經(jīng)常會遇到一個(gè)頭痛的問題，有些地層的液性指數(shù)指標(biāo)的變異系數(shù)常常超過1甚至更大，這樣計(jì)算出的修正系數(shù)就非常大，但實(shí)際上通過現(xiàn)場判別、鉆探感覺及標(biāo)貫等判別其土層的塑性狀態(tài)差別不會這么大，這顯然是某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題。本文僅以《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001)[1]為例，對在實(shí)際參數(shù)分析中所遇到的令人困惑的變異系數(shù)高或很高問題進(jìn)行了剖析，弄清了原因(事實(shí)上，對其他地方規(guī)范也存在類似的問題），并提出了獲得準(zhǔn)確標(biāo)準(zhǔn)值的處理方法，為獲取準(zhǔn)確的巖土參數(shù)提供保證。2.出現(xiàn)高或很高變異系數(shù)的原因分析我們知道標(biāo)準(zhǔn)差可以作為衡量參數(shù)離散性的尺度，但由于它是有量綱的指標(biāo)，因此不同巖土參數(shù)的離散性不能用標(biāo)準(zhǔn)差來比較，為進(jìn)行比較而引入變異系數(shù)0,變異系數(shù)是一個(gè)無量綱系數(shù)，使用上比較方便，在國際上也是一個(gè)通用的指標(biāo)，許多學(xué)者都致力于變異系數(shù)的研究，但目前對變異系數(shù)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚存在許多不完善之處，因此在進(jìn)行變異性評價(jià)時(shí)應(yīng)具體分析對待。本文針對常見的兩種出現(xiàn)高變異系數(shù)的原因進(jìn)行分析。2.1由于平均值Qm較小引起的高變異系數(shù)在參數(shù)分析中，我們有時(shí)發(fā)現(xiàn)參與統(tǒng)計(jì)的原始參數(shù)準(zhǔn)確可靠，均滿足Qm-3of<9<9m+3o「且樣本數(shù)滿足統(tǒng)計(jì)要求，僅由于平均值Qm較小而引起很高的變異系數(shù)，這一問題曾使許多勘察工作者大惑不解，不知此時(shí)該如何提供參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值。為解決此問題，我們先分析變異系數(shù)的特性。在巖土參數(shù)整理時(shí)，我們通常假定原始參數(shù)的分布符合平均值為Qm的t分布規(guī)律［2］。對于同一參數(shù)不同地層，由于其獲取途徑相同且土質(zhì)都較均勻，因此應(yīng)服從基本相同的分布曲線，即標(biāo)準(zhǔn)差of基本相同，只是其分布區(qū)間的中心有所不同。筆者對此做了幾個(gè)試驗(yàn)，以模擬土層液性指數(shù)來隨機(jī)生成幾組數(shù)據(jù)，如表1,表1中的統(tǒng)計(jì)方法采用的是《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021-2001）中規(guī)定的方法。試驗(yàn)一：表1中a列為計(jì)算機(jī)隨機(jī)生成的一組位于1.0~1.5之間的數(shù)組，相當(dāng)于淤泥質(zhì)土的液性指數(shù)；b列為隨機(jī)生成的一組位于0.25~0.75的數(shù)組，相當(dāng)于可塑狀態(tài)粘性土的液性指數(shù)；c列為一組位于-0.25~0.25的數(shù)組，相當(dāng)于硬塑?堅(jiān)硬狀態(tài)的粘性土的液性指數(shù)。abcwiwwIIi11.500.410.0730.40p17.0517.84p13.350.0621.230.54-0.2134.0015.8216.8018.180.0531.380.310.1430.1717.6818.0512.500.0341.310.640.1531.4616.0419.4315.420.2251.270.290.2033.7816.1618.0317.630.1161.370.650.0834.5816.9119.2317.670.1371.290.75-0.1232.9318.2815.7014.65-0.1881.380.380.1330.3115.4119.8214.900.3091.060.530.0434.8019.3217.9815.49-0.09101.270.430.1834.8416.5517.4718.290.05111.450.270.0333.2917.6318.3115.660.04121.460.25-0.0733.2116.8516.1316.37-0.04131.140.39-0.2534.5515.4915.3619.06-0.01141.270.38-0.2430.1517.0618.6713.090.12151.120.31-0.0632.7117.5416.9215.17-0.04161.030.64-0.0833.3216.1317.0017.190.05171.140.460.1733.3115.5217.9317.790.14181.200.350.0332.5917.4316.4815.16-0.06191.460.270.1431.8315.7815.5316.05-0.02201.320.350.0533.9219.1016.5714.82-0.17統(tǒng)計(jì)數(shù)組2020202020202020最大值1.500.750.2034.8419.3219.8219.060.30最小值1.030.25-0.2530.1515.4115.3612.50-0.18平均值1.280.430.0232.8116.8917.4615.920.03標(biāo)準(zhǔn)差0.140.150.141.581.151.291.830.12變異系數(shù)0.110.348.050.050.070.070.123.37修正系數(shù)1.041.134.161.021.031.031.052.33標(biāo)準(zhǔn)值1.340.490.0733.4317.3417.9716.640.08從表1中可以發(fā)現(xiàn)，同樣位于區(qū)間寬度為0.5的三組隨機(jī)數(shù)組，a的平均值最大，變異系數(shù)最小，。的平均值最小，變異系數(shù)最大。由變異系數(shù)計(jì)算出的修正系數(shù)自然也出現(xiàn)大的變化。如果單純以變異系數(shù)去判別離散性的話，那c的離散性最大，但其實(shí)他們的區(qū)間寬度是相同的，其標(biāo)準(zhǔn)差也基本相同。在按照規(guī)范規(guī)定公式0=。f/9m計(jì)算變異系數(shù)時(shí)，因其標(biāo)準(zhǔn)差Jf基本相同，因此變異系數(shù)5與平均值Qm為雙曲線變化關(guān)系，9m越小或?yàn)樨?fù)值時(shí)，則0越大或?yàn)樨?fù)值，反之，當(dāng)參數(shù)的pm越大，則其0越小。這樣就出現(xiàn)土質(zhì)均勻的不同地層的同一參數(shù)，由于其參數(shù)分布區(qū)間的不同而出現(xiàn)不同的變異性，進(jìn)而造成參數(shù)修正系數(shù)的不同，當(dāng)分布區(qū)間越靠近零，這種現(xiàn)象越突出。這就是變異系數(shù)的特性。此時(shí)如仍然套用規(guī)范中規(guī)定的變異系數(shù)及修正系數(shù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價(jià)或修正，則必然產(chǎn)生'厚此薄彼”的結(jié)果。那么，當(dāng)出現(xiàn)由于參數(shù)平均值較小而引起的變異系數(shù)高或很高，進(jìn)而造成修正系數(shù)不滿足規(guī)范評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)該如何處理呢？規(guī)范中未予說明。新版《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021-2001）條文說明14.2.3中是這樣說的“變異系數(shù)反映了巖土指標(biāo)固有的變異性特征，對于同一個(gè)指標(biāo)，不同的取樣方法和試驗(yàn)方法得到的變異系數(shù)可能相差會比較大”。筆者覺得取樣方法和試驗(yàn)方法的影響固然重要，那是保證原狀土樣盡量少地受擾動(dòng)，但是最重要的是該計(jì)算方法的適用范圍并不是所有的指標(biāo)都適用，例如對表一c列指標(biāo)就不適用。為探索適用于液性指數(shù)統(tǒng)計(jì)的方法，筆者又做了一個(gè)試驗(yàn)。試驗(yàn)二：3l列相當(dāng)于液限含水量，3p列相當(dāng)于塑限含水量，3列相當(dāng)于天然含水量，所以\相當(dāng)于塑性指數(shù)，IL相當(dāng)于液性指數(shù)。筆者所取的這三組數(shù)據(jù)是根據(jù)其相關(guān)性利用計(jì)算機(jī)隨機(jī)采取的數(shù)據(jù)，能夠模擬硬塑~堅(jiān)硬狀態(tài)粘性土的狀態(tài)。由表一可以看出，三個(gè)直接指標(biāo)及一個(gè)間接指標(biāo)Ip的離散性都比較小，而IL計(jì)算出來的變異系數(shù)較大，如果按變異系數(shù)去判斷其離散性，這組數(shù)據(jù)離散程度相當(dāng)嚴(yán)重。這樣判斷顯然不合理。因液性指數(shù)不是直接土工試驗(yàn)測試出的數(shù)據(jù)，而是通過其他指標(biāo)計(jì)算出來的指標(biāo)，屬于間接指標(biāo)，筆者這樣理解：試圖通過對直接指標(biāo)統(tǒng)計(jì)后取標(biāo)準(zhǔn)值，利用其標(biāo)準(zhǔn)值通過以下公式計(jì)算出間接指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值，并試圖證明其合理性。①一①P直接根據(jù)公式①計(jì)算的IL=0.04,比平均值大，偏于安全。這里3L3p3三指標(biāo)均采取的是有利組合。_1+(1.704+4.678)5n2在工程中保證提供的巖土參數(shù)準(zhǔn)確、安全是我們的基本原則。因此在計(jì)算3l、3p、3三指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，為取最不利組合，公式②中“土”3取有利組合“+”，3L取不利組合"-”，3p取平均值。根據(jù)表一數(shù)據(jù)，計(jì)算出IL=0.07,較平均值大，且較以上方法大，這樣偏于安全。由以上分析得出結(jié)論:（1）當(dāng)平均值3m為0或負(fù)值時(shí)，此時(shí)變異系數(shù)不存在，無法利用規(guī)范中的公式求取標(biāo)準(zhǔn)值，此時(shí)可利用指標(biāo)的計(jì)算方法采用二次計(jì)算取用標(biāo)準(zhǔn)值；（2）二次計(jì)算方法需對各一次指標(biāo)采用最不利組合。2.2由于地層不均勻?qū)е伦儺愊禂?shù)很高對于非均勻地層如交互層等，由于其巖土參數(shù)的分布根本不符合t分布，將其化為一層可能只是出于使用上的方便，因此按規(guī)范規(guī)定方法得出的巖土參數(shù)僅供參考，根本不必考慮變異系數(shù)高或低的問題。3.結(jié)論通過上面的分析我們可以得出如下結(jié)論，對于參數(shù)變異性高或很高的情況下，要得到準(zhǔn)確的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，首先要了解造成變異系數(shù)高或很高的原因：（1）在保證參數(shù)可靠性和樣本數(shù)滿足統(tǒng)計(jì)要求的前提下，如由于平均值過小而引起的變異系數(shù)高或很高、修正系數(shù)很大或很小，可以不必拘泥于規(guī)范中的所規(guī)定的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，而直接指標(biāo)的二次計(jì)算得出參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值；（2）間接指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值二次計(jì)算時(shí)，其各參數(shù)均需按