（岩土工程专业论文）岩土力学参数数据库的开发与取值研究.pdf

摘要 岩土力学参数的合理取值是岩土力学研究中最困挠研究人员的瓶颈问题，目前岩土 力学研究中许多理论、计算方法研究已经比较完善。如饱和土固结理论、边坡稳定分析 方法等，落后于实际的只是岩土力学参数的确定。不少工程的计算结果与实际有相当的 差别，就在于参数确定不那么符合实践。对岩土力学参数的取值研究是一项最基础也是 最有实际意义的工作。 已往大量工程的试验数据，大都散落在各大工程单位，设计院和科研部门的档案室 内，无法进行统一的管理和分析，没有充分发挥作用。本文从岩土力学参数研究的现状 出发，提出并建立了岩土力学参数数据库，利用现代信息技术对收集、整理的试验资 料进行管理和分析，形成集查询、分析、决策于一体的岩土力学参数信息系统，为今后 的工程服务。 在数据库中大量数据的支持下，对岩土力学参数的取值方法进行了研究。首先针对 岩石样本的力学参数的离散性中既包含随机不确定性，又包含有模糊不确定性的特点， 着重讨论了随机一模糊处理方法在岩石力学指标统计分析中的应用，并对计算中的一些 关键问题，如迭代精度、隶属函数的取值进行了较深入的研究，从而为该方法在实践工 程中的应用奠定了基础。并结合实际工程，对采用该法选取岩体抗剪参数c 、厂值的结 果同其他方法进行了对比研究：考虑将岩石力学参数应用于岩体工程时，必须考虑岩石 与岩体之间的差异，对参数进行工程处理，以使得对岩体工程所做的稳定性分析结果更 接近于现场实际情况。本文着重介绍几种基于室内岩块试验及现场工程地质调查资料， 对岩体力学参数进行工程处理的方法，并结合黄麦岭磷矿采场边坡的工程实例进行了验 证，取得了较满意的结果；通过对数据库中相关数据的分析，初步建立了岩体力学参数 与岩体尺寸之间的经验关系式；在岩体风化程度研究中特提出两个新的量化指标弹模弱 化系数k 。和内聚力弱化系数k 。，并总结了四类二十项评价风化程度的因素，采用模糊 综合评判的方法对岩体的风化程度进行评价，取得较好的结果：对土性参数的统计方法 和概型分布规律进行了研究。 最后根据前人已有和本次研究的成果。提出建立岩士力学参数信息系统，对系统的 功能模块进行了设计，并对网络查询系统进行了设计，为今后实现资源共享提供技术支 持。 关键词：岩土力学参数数据库系统 随机一模糊理论模糊综合评判 岩土力学参数信息系统资源共享 尺寸效应 r e s e a r c ho fr o c ka n ds o i lm e c h a n i c sp a r a m e t e r sd a t a b a s ea n d c ：h o i c eo fp a r a m e t e r s l i u c h t m ( g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y ：b a is h i w e i w u h a ni n s t i t u t eo f r o c k s o i lm e c h a n i c s ，c h i n e s e a c a d e m y o f s c i e n c e ，p r c h i n a a b s t i r a c th o wt od e c i d et h er o c ka n ds o i lm e c h a n i cp a r a m e t e r si so n eo ft h em o s t p u z z l e dq u e s t i o n sf o rg e o m e c h a n i e a lr e s e a r c h e r s n o w a d a y sm a n yt h e o f i e si ng e o m e c h a n i c a i r e s e a r c h ，s u c ha ss a t u r a t e ds o i lc o n s o l i d a t i o nt h e o r ya n ds l o p es t a b i l i t ya n a l y t i em e t h o d ，a r e p e r f e c t 1 1 1 ed i f f e r e n c eb e t w e e nc a l c u l a t i o nr e s u l ta n dp r a c t i c a lr e s u l ti sb e c a u s eo fm e k a n ds o i l m e c h a n i c sp a r a m e t e r s t h er e s e a r c ha b o u th o wt od e c i d et h er o c ka n ds o i lm e c h a n i c sp a r a m e t e r s i st h em o s tb a s i ca n d i m p o r t a n t w o r k m o s to f t e s td a t aa r ed e p o s i t e di np r o j e c tu n i t 、d e s i g ni n s t i t u t e 、s c i e n t i f i cr e s e a r c ha c a d e m y sa r c h i v e sw i t h o u ta d m i n i s t r a t i o na n d a n a l y s i s a c c o r d i n g t ot h ef a c to f t h et e s td a t a ，t h i st h e s i sp u t f o r w a r da n da s t a b l i s h e sr o c ka n ds o l lm e c h a n i cp a r a m e t e rd a t a b a s e ，u s i n gm o d e i t li n f o r m s t i o n t e c h n o l o g y ，w e c a ne s t a b l i s hr o c ka n ds o i lm e c h a n i c p a r a m e t e ri n f o r m a t i o ns y s t e m ，w h i c h h a v e i n q u i r e 、a n a l y s i sa n dd e c i s i o nf u n c t i o n ，a n d s e r v ef u t u r ep r o j e c t s b a s e do nt h em a s sd a t u mi nd a t a b a s e ，t h em e t h o d so fc h o o s i n gr o c ka n ds o i lm e c h a n i c p a r a m e t e rh a v eb e e nm s c a r e h e d f i r s t l y , t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o no fr a n d o m - f u z z y m e t h o dt os t a t i s t i c a n a l y s i so fm e c h a n i c a l 脚e t e r so fr o c ks a m p l e s s o m ec o m p u t a t i o n q u e s t i o n s ，s u c ha ss u b o r d i n a t ef u n c t i o n s c h o i c ea r es t u d i e dd e 印l y1 sp a p e rd i s c u s s e st h e m e t h o do fs e l e c t i n gt h es h e a rp a r a m e t e r so fr o c km a 筠t h ef o r m u l a eo fn u m e r i c a lc h a m c t e r i s t i t s o fc a n d ，a r ed e r i v e d n er e s u l to fc o m p a r i s o na n da n a l y s i sp r o v et h a tt h er a n d o m f u z z y m e t h o di sm o r er e a l i s t i ca n d a p p r o p r i a t e s e c o n d l y , t h i sp a p e rp r e s e n t s s e v e r a l e n g i n e e r i n g t r e a t m e n tm e t h o d sf o rm e c h a n i c sp a r a m e t e r so fr o c km a s sb a s e do nt h et e s ts a m p l e sa n dt h e i n v e s t i g a t i o no fe n g i n a e r i n gg e o l o g ya n dh y d m g e o l o g ya n dg i v eap r a c t i c a le x a m p l e t h er e s u l t s s h o wt h em e t h o d sa r er e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ed a t ai nt h ed a t a b a s e ， t h i sp a p e rp r e s e n t sar u d i m e n t a lf o r m u l aa b o u ts c a l ee f f e c to fr o c k t h i sp a p e rs u g g e s t st w on e w c o e f f i c i e n t s 伯l a s t i c i t ym o d u l u ss o f tc o e f f i c i e n t 、c o h e s i o ns o f tc o e f f i c i e n t ) t h a te s t a b l i s ht h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r sa n d t h ed e g r e eo f w e a t h e r i n gr o c k t h em a j o r f a c t o r sa f f e c t i n gt h ed e g r e eo f w e a t h e r i n gr o c ka r ed e f i n e da n dt h ef u z z ym a t h e m a t i c sm e t h o di s u s e dt oe v a l u a t et h e w e a t h e r i n gd e g r e e t h ee v a l u a t i o n r e s u l t ss h o wf u z z yc o m p r e h e n s i v e a s s e s s m e n ti ss u i t a b l ea n de f f e c t i v e f i n a l l yt h es t a t i s t i c a la n a l y s i sm e t h o d sa b o u tp h y s i c a la n d m e c h a n i c a li n d e x e so f s o i la r ed i s c u s s e di np a p e r a c c o r d i n g t ot h ea c h i e v e m e n t so f p r e v i o u sr e s e a r c h ，t h i st h e s i sp u tf o r w a r dt h er o c ka n ds o i l m e c h a n i cp a r a m e t e ri n f o r m a t i o ns y s t e m 限s m p i s ) a n dd e s i g nt h ef u n c t i o nm o d u l e ，t h ei n t e m e t i n q u i r es y s t e m h a sb e e n d e s i g n e da l s o ，w h i c h c a n p r o v i d e t e c h n i c a ls u p p o r tf o rr e s o u r c es h a r e k e y w o r d s ：r o c ka n ds o i lm e c h a n i c sp a r a m e t e r s p a r a m e t e ri n f o r m a t i o ns y s t e m ) r e s o u r c es h a r e ， a s s e s s m e n t ，s c a l ee f f e c t i i d a t a b a s es y s t e m ，r o c ka n ds o i lm e c h a n i c s r a n d o m f u z z yt h e o r y , f u z z yc o m p r e h e n s i v e 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 岩土工程是把岩体和土体作为建设环境、建筑材料和建筑物组成部分，进而研究其合 理利用、整治、改造的综合性应用学科，也是一门理论与实践性很强的新兴学科。它是由 岩土工程勘察、设计、施工、治理、监测、环保评定等组成的一个完整技术体系。现代岩 土工程的业务范围很广，主要有基础工程、地基处理工程、土石方工程、地下工程( 隧道、 洞室) 、土结构物、地质病害处理、环境地质工程、地震地质等等，凡是与岩土、地质有关 的建设工程都是其服务对象。这些业务涉及到国民经济的各个领域，如城建市政、交通运 输、道路桥梁、能源电力、农林水利、港1 2 1 码头、内河航运以及国防建设。可以说，只要 有建筑就离不开岩土工程n 对岩土力学性质的研究起源于工程建设的需要一是为了解决地基或边坡等工程中的 岩土体的强度问题；二是为了估计其变形问题。因此研究主要在于两个方面，一方面是研 究岩体受载过程中的变形、破坏过程和强度，即岩土体的应力应变关系、破坏机理和破 坏准则等，另一方面是研究反映岩土体力学特性的材料常数，即变形模量、泊松比、粘聚 力和内摩擦角等，这些参数将为工程建设中的设计和旌工提供重要的依据。 随着城市岩土工程、水利水电、道路桥梁、地质灾害防治等工程活动的开展与深入， 已积累了大量的工程岩土资料。这些资料能够积累工程经验，对后续工程的设计施工提供 指导和借鉴，以提高工作效率。特别是在城市规划、城市商层建筑、大型水利水电工程活 动中，往往需要大量的岩土工程资料，为建设者进行风险分析、做出宏观决策提供依据， 进而指导施工。而落后的人工档案管理对于越来越多的资料将无能为力，且无法完全体现 出工程资料的价值。因此，这些工程资料和数据作为岩土工程的一种资源，迫切需要加以 开发、利用。正是在这种背景下提出建立岩土力学参数数据库系统。 1 2 信息管理系统的发展现状和趋势 1 2 1 、信息管理技术的起源与发展 管理信息系统( m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m s ，m i s ) 的概念起源很早。早在2 0 世 纪3 0 年代，柏德就写书强调了决策在组织管理中的作用。但直到2 0 世纪8 0 年代，管理 岩土力学参数效据库的开发与取值研究 信息系统的创始人，明尼苏达大学卡尔森管理学院的著名教授高登戴维斯( g o r d o nb d a v i s ) 才给出管理信息系统一个较完整的定义：“它是一个利用计算机硬件和软件，运用 分析、计划、控制和决策模型，进行数据库管理的用户一机器系统，它能为企业或组织的 运行、管理和决策提供信息支持。”【“2 】 当今的时代是一个伟大的变革时代，从工业化到信息化，从工业经济到知识经济，是 世纪之交社会变革最根本的体现。信息与知识是现代社会中创造社会财富的最重要的源 泉。信息资源成了现代社会生活的战略资源。信息管理及信息资源的开发和利用，已成为 现代管理的主要支柱。 1 2 2 、岩土工程中的信息管理技术：i “3 j 自从管理信息系统产生的那一天起，人们就着手将其应用到岩土工程中来，结合一些 具体岩土工程项目，基于m s 开发了许多管理信息系统。在欧美一些发达国家已有不少这 方面的成功经验，国内北京、武汉、哈尔滨、广州、中山等城市岩土工程、工程地质信息 系统的研制也取得了相当的成功。 我国正处在水利水电工程开发的高峰时期，已修建堤坝约8 3 万座，其中大中型水库 大坝就占3 1 0 0 多座，这些大中型水利水电工程规模大，投资多，从而也产生了海量的岩 土工程数据。为了管理这些数据，人们开发了许多大大小小的工程地质信息系统、监测信 息系统等。从总体上来说，这些信息系统的核心是数据管理软件和应用软件，主要由数据 库管理信息检索、信息统计分析与评价和成果输出等几个基本的功能模块组成。这些系统 的建设为我国水利水电信息化起到了很大推动作用。 在数据库管理软件平台的选择上，大中型水利水电工程、城市规划、大型隧道桥梁工 程等一般采用o r a c l e 、s y b a s e 、i n f o m i x 、a c c e s s 以及s 0 ls e r v e r 等几大类，其中以o r a c l e 和s y h a s e 数据库在我国应用最广。在一般城市岩土工程和小型水利水电工程中，目前常 用的数据库管理系统有 b a s e 、f o x b a s e 和f o r p r o 等，而f o x p r o 为用户级数据库系统， 目前采用较多。这些信息管理系统在增强工程信息管理技术，提高工程建设效率等方面发 挥了重要作用。但是这些信息系统往往注重工程档案、岩土工程原始数据和工程现场监测 数据的数据库建设，对信息处理和深加工的功能不强，一般仅进行简单的信息检索、统计 分析、结果输出。有的信息系统建立了专家系统和辅助决策系统，但总体说来还很不完善。 而且，专门针对岩土力学参数建立的数据库系统国内尚未出现。 蔓= 兰堕堡 1 3 岩土力学参数数据库的研究背景和意义 】3 。1 、岩土工程研究的一般思路 ( 1 ) 边界条件和初始条件的确定 根据工程的具体情况：圈定研究范围，确定边界几何关系并不困难，但确定初始应力 状态是一个较为复杂的过程，应力测量已形成成熟的技术，对于工程涉及近地表几百米范 围应力测量已有较多的测试成果，应力场拟合技术也能满足工程研究的需求，结合地质力 学分析和工程经验类比，能够比较可靠的确定应力边界条件。 ( 2 ) 岩土力学特性参数的测试和选用 岩土工程研究的核心是工程的变形特性和稳定性评估，因此力学参数的研究涉及到变 形特性( 如e 、u ) 和强度特性( 如c 、审) 两个方面，试验方法多种多样，设备仪器种类 繁多，但实测资料因方法不同，数据离散性极大，如何根椐实测资料选取工程设计参数， 是一项极其困难的工作。 ( 3 ) 模型识别和本构方程的研究 岩土体是一种在漫长地质历史中形成的复杂介质，由于成份不同成因不同，而形成了 不同于任何人工材料的独特性质，反映理想条件下理想材料( 均匀、连续、各向同性等) 的力学特性的物理方程不能如实地描述岩土介质的特性，因此形成数十种岩土本构方程， 以土为例，有弹性非线性模型、弹塑性模型、双曲线模型、修正剑桥模型、我国学者提出 的椭圆一抛物双屈服面模型、南水模型等。每种模型都能反映某些岩土的基本属性但又有 使用的局限性。 ( 4 ) 分析方法的选择 研究人员进行了大量的研究工作，尤其是近年来伴随着计算机技术的飞速发展，数值 分析方法有了长足的进步，有某些领域的研究已臼臻成熟。 以土坡稳定分析为例，自从费论纽斯提出圆弧滑动法以来，已经出现了数十种土坡稳 定分析的方法，包括极限平衡的方法、极限分析的方法、有限元法等。其中摩根斯坦的方 法、陈祖煜修正的方法以及简布方法，都较完善得出理了力的平衡关系，且可考虑任何形 状滑面。孙君实【4 】从极限分析和模糊极值理论建立了稳定分析方法，其计算结果与摩根斯 坦的结果也很接近l5 1 。不少研究表明，满足总体平缀几个条件的方法，其计算结果都比较 接近，误差不超过5 。 量圭尘堂茎鍪墼堡壁箜堑垄兰墨望堕篓 1 3 2 、岩土力学研究中的两大瓶颈问题 ( 1 ) 本构方程 虽然已经进哥亍了大量的研究，建立了针对各类各种状态岩土介质的数十个本构方程， 它们在各自设定的条件范围有一定的实用性。但岩土体的最大特点在于地质介质的非均 匀、非连续和非线性，以往的研究般说来是以均匀、连续介质理想材料为对象，在经典 力学理论基础上展开讨论。针对真实岩土材料本构方程的研究，由于问题的复杂性仍然是 岩土力学研究和岩土工程分析的滩点之一。 ( 2 ) 力学参数不能准确测定 本构方程不同岩土工程数值分析测算的变形值般不会相差一倍，而采用不同方法 获得的力学参数相差一个数量级甚至更大，由此导致工程变形测算相差一个数量级的现象 时有发生。即因参数取值不当产生后果远大于本构模型选择不当产生的后果，更远远大于 计算方法不同对岩体稳定性分析推断的后果。 力学参数的合理取值是岩土力学研究中最困扰研究人员的瓶颈问题。 1 3 3 、影响力学参数合理取值的若干因素 ( 1 ) 地质介质复杂性的必然反映 岩土介质是一种自然产物，在漫长的地质历史过程中，由于各种岩石组成矿物不同， 成岩过程不同，经受的地质构造运动和地质营力作用不同，形成的岩体形形色色，千差万 别，力学性质非常复杂，力学参数测试数据的离散性，有其必然的内在因素。 ( 2 ) 采用不同的试验方法、不同试验仪器获得的结果不同 经过长期的努力形成了多种多样的岩士力学特性测试方法，但每种方法也是定的理 论确定基础上推算出来的，如直剪和三轴试验都能得到强度参数c 、圣。但采用不同的试 验方法，得到结果也不相同。 ( 3 ) 风化程度不同、采样扰动不同测试结果各异 试验取样的代表性问题是十分重要的，同类岩性风化程度不同力学特性迥异。从绝对 意义讲，自然界不存在工程性质完全相同的岩土体。目前测试技术有了很大发展，但仍有 许多缺陷。以土体为例，土的强度既可通过原位试验测定，也可以在实验室内通过剪切试 验测定。原位试验的特点是简捷、快速、并大体上在原位应力和条件下进行，缺点是边界 条件无法精确确定和控制，这给试验结果的解释带来了困难。室内试验的主要优点是边界 4 第一章绪论 条件比较明确，且容易控制，但采取土样时将不可避免的引起应力释放和土的结构扰动。 试验结果的可靠性首先取决于取样的质量，如果土样业已剧烈扰动，那么精细的试验将失 去意义，因为再精细的试验也不能补偿土样扰动的影响。其次，试验条件原则上应与现场 条件相一致，但是鉴于现场条件的复杂性，根据现有的测试仪器要做到完全模拟现场条件 仍存在技术上的困难。强度测试仪器和试验方法的多样性本身就表明迄今还没有一种万能 的仪器能满足现场可能遇到的一切条件( 5 1 。另外，试验的不均一、试验误差、甚至整理资 料的方法都将影响试验的结果。由此看来，根据目前的知识水平，现有的试验方法的测试 结果不可能十分准确。 ( 4 ) 尺度效应的影响 随着试件尺寸的增加，反映岩体客观特性的力学参数值迅速降低，从标准试件( 伊5 0 x 1 0 0 ) 到现场试验( 1 0 0 0 m m 尺度) 参数测试结果相差可到一个量级。 根据反分析计算，工程岩体代表性单元体( r e v ) 一般约1 0 米尺度，由此推算的参数 又比现场试验数据小，有时可差到3 5 倍，可见尺寸效应是合理选择反映岩土客观力学特 性的关键【6 l 。 1 3 4 、日前确定岩土力学参数的一般方法 在工程实践中岩土力学参数的研究主要从三个方面开展：岩土力学的方法、试验方法、 反演分析，技术路线如图1 1 所示。 ( 1 ) b a r t o n 理论 巴顿7 1 ( b a r t o n ，1 9 7 3 ) 提出用下式计算结构面的剪切强度： r = o t g j r c l o g ( 塑1 7 m m ， i 式中：j r c 为粗糙度系数； j c s 为结构面壁的抗压强度，可用回弹仪测定； 为结构面的基本摩擦角； a 为法向应力。 岩石节理的抗剪强度受表面粗糙程度的控制，因此，抗剪强度与描述节理面粗糙程度 的统计量相关的概念引起学术界的广泛关注。 由b a r t o n 等人提出的节理面表面粗糙系数( j r c ) 在岩石力学及工程界影响至深，并 被国际岩石力学会( i s r m ) 推荐和采纳。 岩土力学参数数据痒的开发与取值研究 事实上，j r c 是一个反映节理粗糙度对抗剪强度影响的参数，但是由于天然岩石节理 面具有强烈的随机性和复杂性，j r c 值难以准确估计，而且据金属摩擦学的研究i s ：表面 粗糙度与摩擦力( 对于节理为抗剪强度) 之间不是一种能用初等函数表达的简单关系。它 涉及微分方程( 雷诺方程、去掉惯性项的n s 方程等) 及随机边界条件。近年来，大量的 研究主要集中在建立节理面粗糙程度的描述及其与j r c 的相关关系上。这些研究是基于 b a r t o n 公式或是沿用b a r t o n 公式的思路。 ( 2 ) h o c k 和b r o w n 建议方法 由于原位岩体强度试验费用高昂而周期长，一般情况下难于普遍采用，h o c k 和b r o w n ( 1 9 8 0 ) 根据岩体形态方面的理论和实践经验，提出了岩块和岩体破坏时的判据为： i t l = 叮3 + 掰口，仃，十s 仃； ( 1 2 ) 式中：吒，吒分别为破坏时最大、最小主应力； t 为岩块的单轴抗压强度； m ，s 为岩石性质及其结构特征有关的系数，可根据b i e n i a w s k i 提出的分类标准所获得 的评分值r m r 来推算。 根据该式可以推出摩尔一库仑强度准则的c 和妒值。 ( 3 ) 反演分析 基于现场位移量测信息为数值分析提供实用的“计算参数”的反分析方法，从7 0 年 代开始发展至今己不再是单纯确定“计算参数”，而且是作为工程预测分析的一部分，有 着良好的应用前景。 反分析的基本思想最先由k a v a n g h ( 1 9 7 3 ) 、g i o d a 和m a i e r ( 1 9 8 0 ) 等人提出， s a k u r a i ( 1 9 8 3 ) 首次给出了均匀地应力与岩体弹性模量的有限元反分析数值解。近几十年 来，国内外许多研究者做了大量研究与应用工作，并发展了弹塑性、粘弹性、粘弹塑性等 非线性反分析：在确实性反分析的基础上发展了灰色系统、模糊数学等非确定性反分析； 在有限元法反分析的基础上发展了边界元、离散元、半解析元等反分析法。 当前反分析方法中存在的问题大致有3 类【9 一o l ： ( a ) 反分析所采用的模型大都很简单，如均质各项同性岩体，均匀初始地应力场， 竖向应力为自重应力等。这些简化假定同多数工程实际不符，而岩体中通常都存在的节理、 裂隙、软弱夹层等不连续面在大多数反分析中都未能予以考虑，这就使得反分析所得的参 数只是一种“等效参数”或“综合参数”。它的意义也仅限于利用这种模型( 即所得参数) 6 第一章绪论 进行同一工程的后续计算与数值分析，而不能将反分析结果同试验结果进行比较，更不能 与另一不同地质构造、不同介质力学模型、不同地层应力场的工程进行比较。 ( b ) 反分析的目的大都是为了确定所谓的“正确的计算参数”，体现在反分析的内容 上大都是反分析岩体变形参数和地应力。更有意义的反分析在于将反分析的成果用于对该 工程或同等条件工程的安全性与经济合理性的评价和预测。这就要求不仅反分析地应力与 岩体变形参数，还要反分析岩体强度参数与支护参数，而这一方面的研究少见报道。 ( c ) 当前的反分析手段与方法难以考虑施工步序、施工方法对实际岩体位移与应力的 影响。在边坡与洞室工程中，具体的开挖步序与支护方案对实测位移有直接影响，反分析 中如果不考虑这些直接因素的影响，则反分析已无任何实际意义可言。模拟实际工程开挖 过程与支护方法的仿真反分析是今后研究的重点。 图1 一l 节理岩体抗剪强度综合评定 1 3 5 、岩土力学参数研究现状 标准岩样试体试验规范统一，测试数据较多，但一般不能用于岩土工程研究；岩体力 学特性现场试验成本高，周期长，成果珍贵，2 0 世纪6 0 一8 0 年代曾获得一批重要成果，以 后逐潮减少。反分析计算可获得岩体力学宏观特性的综合值，2 0 世纪9 0 年代有较迅速的 7 岩土力学参数数据库的开发与取值研究 发展，并获得若干重要成果。但反分析对于多因素非线性情况无法保证解答的唯一性，因 此反演过程及其最终取值同专家的经验密切相关。 大量的实验资料，完成了针对具体工程项目的研究设计需求之后被分散地搁置在各地 区，各部门，各类工程的科技档案之中，只有少量的数据被收集整理，如7 0 年代出版的 岩石力学性质手册( l a m a r d 等编著，1 9 7 8 年版) ，9 0 年代水利电力出版社出版的岩 石力学参数手册等。 1 1 1 大量的珍贵资料被闲置，形成资源的浪费。 1 3 6 、建立岩土力学参数数据库的意义 在实际工程中，由于经费、时间和场地条件的限制，不可能对每个工程都进行现场试 验研究，而室内试验又很难反映现场的真实情况。此外，已往大量的工程试验数据，大都 散落在各工程单位、设计院和科研部门的档案室内，无法进行统一的管理和分析，没有充 分发挥作用。将这些已往的试验数据收集起来，建立岩土力学参数数据库，有效地利用已 往的数据，为今后的工程服务，实现资源共享，将是一个十分有意义的研究课题。 岩土力学参数数据库的建立将极大地推动岩土工程数字化的进程，使得以往工程实践 中积累的珍贵资料重新焕发活力。今后我们在进行岩土工程设计中，可以通过岩土力学参 数信息系统，输入工程岩体的名称、风化程度和工程的地质情况等，系统将直接从数据库 中查询到与该工程类似的岩土力学参数，并通过多种方法进行取值的分析，对力学参数进 行综合分析、评估和决策，最后可以得出设计中应采用的较合理的参数取值范围，为设计 和计算提供参考依据。这将大大加快工程的进度并节约大量用于试验的经费以及人力。同 时，数据库中收集的大量数据也为岩土力学研究工作提供了大量祥实可靠的数据及工程背 景，例如为神经网络模型研究提供学习样本、为参数的概型分布模型研究提供统计样本等 等，将极大地方便研究工作者。 计算机技术的飞速发展，为建立数据库提供了技术支撑，信息网络技术的突飞猛进为 数据收集、分类、处理和传播提供了现实可能性，为盘活已有数据并不断完善动态管理， 实现资源共享创造了光明的前景。 1 4 论文研究思路和主要内容 现代岩土工程的总体发展趋势是规模越来越大，涉及的问题越来越复杂。目前岩土力 学研究中许多理论研究已经比较完善，如饱和土的固结理论、边坡的稳定分析方法，无论 8 第一章绪论 在机理上，还是在各种类型实际问题的应用上，都已经不存在障碍。随着电算技术的发展， 数值计算方法也迅速发展起来。数值解有若干方法，其中有限元法最为优越f 嘲，自1 9 6 6 年首次用于土坝非线性应力变形分析以来，已迅速应用于岩土力学的各个领域，包括桩基 础、复合地基、挡土结构、地下结构、固结问题、流变问题、动力问题、膨胀土的变形、 黄土湿陷等。 目前落后于实际的只是岩土力学参数的确定。不少工程的计算结果与实际有相当的差 别，就在于参数确定不那么符合实践。因此，对岩土体力学参数的研究是岩土工程中最基 本、也是最重要的课题。如何将新兴的信息技术和岩土力学理论及作用机理有机地结合起 来，对数据库中的数据进行加工、处理，更好地服务于岩土工程，是一个值得探讨和研究 的问题。这也是本论文进行研究的基本出发点和着眼点。 论文的基本研究思路是：在数据库中收集的大量数据的支持下，结合具体工程中的应 用，首先对岩土力学参数取值中的几个重要问题进行研究，其中包括：岩土力学参数的随 机一模糊处理方法、力学参数的工程处理方法和尺寸效应的研究、引入力学参数因素对岩 体风化程度进行多因素的综合评判研究、土性参数的统计方法和规律的研究，并编制相应 的计算程序。在这些研究的基础上，结合数据库提出并建立岩土力学参数信息系统，将信 息处理技术同数据库中的数据与参数处理的方法结合起来，形成一个集查询、管理和处理 数据等为一体的软件系统。 论文主要内容如下： 第一章绪论。介绍了管理信息系统的发展趋势和在岩土工程中的应用，对岩土力学 研究中的两大瓶颈问题迸行了分析，针对目前岩土力学参数研究的现状，提出了建立岩土 力学参数数据库的研究思路和主要内容。 第二章数据库系统相关领域的理论基础与研究进展。介绍了数据库研究的理论基础， 其中包括数据管理层次、数据模型和数据库结构，提出了岩士力学参数数据的关系模型 ( e r 模型) ，并对数据库发展中的最新成果( 数据仓库、数据挖掘技术) 作了些简单介绍。 第三章岩土力学参数数据库框架的构建。首先概述了数据库管理系统的功能和几种 常用的数据库系统，着重介绍了m i c r o s o f ta c c e s s 软件的功能和特点；对岩土力学参数 数据库框架的构建进行了详细的描述。 第四章岩体力学参数随机模糊处理法的研究，本章着重讨论了随机一模糊处理方法 在岩体力学指标统计分析中的应用，对计算中的迭代精度，方法进入较深入的研究，并结 9 岩土力学参数数据库的开发与取值研究 合实际工程，对采用该法选取岩体抗剪参数c 、f 值的结果同其它方法进行了对比研究。 第五章岩体力学参数的确定和尺寸效应的研究，介绍了几种基于室内岩块试验及现 场工程地质调查资料，对岩体力学参数进行工程处理的方法，并通过对数据库数据的分析， 建立了岩体力学参数与岩体尺寸之间的经验关系式。 第六章岩石风化程度的综合评价研究，通过引入弹模弱化系数如和内聚力弱化系数 l ( c ，建立岩石力学参数与风化程度之间的定量联系；并总结出四类2 0 项评价因子，对岩石 的风化程度进行二级模糊综合评判。 第七章土体力学参数的统计研究，本章首先介绍了土工数据的预处理方法和c 、f 的 线性与非线性回归方法，并对土体的力学参数的统计方法和概型检验进行研究，最后通过 统计实例得出其统计规律。 第八章建立岩士力学参数信息系统的思考，本章在总结以上章节的研究成果和其它 前人研究成果的基础上，提出建立岩土力学参数信息系统，并对系统的网络体系结构、数 据库及功能模块的设计进行了描述。 第九章结论与展望。给出了论文的几个主要结论，并指出了今后需要进一步研究的 几个问题。 1 0 第二章数据库系统相关壤鼍的曩论基础与研究进展 第二章数据库系统相关领域的理论基础与研究进展 2 1 数据管理的层次 2 1 1 、信息与数据 信息是事物之间相互联系、相互作用的状态的描述。在信息处理中，信息载体上反映 信息内容且可被接收者( 人或机器) 识别的物理符号称为数据，数据的意义并不限于数字 和文字，声音、图像、充电信号、电流的大小、磁场的强弱变化等均是数据的不同形式。 数据是信息的具体表现形式，因此，它更加形象、具体。数据的效用在于它反映信息的内 容并可为接收者识别。 2 1 2 、数据组织的层次 管理信息系统中，信息量大，面广，来源也多种多样，表示这些信息的数据也就十分 复杂。如何将这些结构复杂的数据合理的组织起来，有效地加以管理，以满足信息加工处 理的需要，是管理信息系统中的一个至关重要的问题，它直接影响到一个管理信息系统生 命力的强弱。 像其他许多系统，如军队、学校、工厂的组织方法一样，数据的组织也采用“分层” 的思想来进行。在以计算机为主要手段的信息处理中，数据的组织一般分为数据项、记录、 文件和数据库四个层次。 1 数据项 数据项是具有确定逻辑意义( 即可描述信息内容) 的数据的最小单位。它是不可再分 的数据单位。一般数据项用于说明事物的某方面的性质。例如，有关某岩石强度参数的数 据，其中“岩石名称”是一个数据项，它说明了某类岩石，并可与其它类岩石相区别。同 样，“单轴抗压强度”、“风化程度”、“内聚力”、“压缩模量”等也都成为一个数据项，表示 了该岩石某一方面的特性。 2 纪录 纪录是具有一定关系的数据项的一个有序集合。将描述某事物有关性质的数据项按一 定的方式组织起来就形成了纪录。记录常用于说明一个客观存在的事物( 或事物之间的联 系) 。如将上述岩石力学参数的有关数据排列在一起就可形成该岩石力学参数纪录( “单轴 抗压强度”、“风化程度”、“内聚力”、“压缩模量”等) 。在纪录中当某个或某几个数据项的 值被确定时，这条纪录就被唯一确定了，此时称这个或者几个数据项的联合为关键字，即 1 l 岩士力学参数数据库的开发与取值研究 关键字是能唯一标识一条纪录的数据项的集合。 3 文件 文件是同类纪录的有序集合。例如将某岩石的全部试验数据按代号顺序排列下来就形 成了该类岩石力学参数文件( 见表2 - 1 ) 一妻2 - 1 一 春睡 某岩石力学参数文件 单黼压糙懒 数黼 强度晒)( c o a )( 22 1 7 96 1 02 5 0 0 61 5 95 9 7 59 0 0 2 31 1 05 9 3 92 1 2 0 3 4 51 7 52 8 05 0 0 4 5 66 8 43 41 3 0 撅1煳4 4 数据库 。 。 数据库是存储起来的相关数据的集合。相关数据无论其纪录类别是否相同，均可存储 在一起形成一个数据的有机整体。因此数据库可以描述更加复杂的信息结构，可以充分的 反映客观事物之间的相互关系。数据库是目前数据组织的最高形式，也是应用最广泛的数 据组织的管理方法与技术。 在数据库中，数据具有良好的组织结构，由一种公用的方法进行管理，即采用数据库 管理系统( d a t ab a s em a n a g e m e n ts y s t e m ，简称d b m s ) 。因此数据可供多个用户调用，在 很大程度上体现了数据与应用程序及用户间的独立性，实现了数据资源的共享，并且数据 的冗余小，可靠性高，安全性好。所以数据库为信息处理提供了一种良好的数据组织形式。 数据库中的数据与应用程序及用户之间的关系可简示于图2 一l i 用户或应用程序li 数 据 、 库 l 用户或应用程序2i 管 数 l 理 据 系 库 l 用户或应用程序n 统 ( d b m s ) 笙二至墼塑壁墨竺塑茎塑苎塑墨堡茎壁兰里壅堂堡 2 2 信息模型与数据模型 2 2 1 、客观描述的层次 在管理信息系统中，要对大量的数据进行处理，首先就要弄清楚现实世界中事物及事 物间的联系是怎样的，然后再逐步分析、变换、得到系统可以处理的形式。因此对客观世 界的认识、描述是一个逐步的过程、有层次之分，它们可以分为三个层次： 1 现实世界 它是客观存在的事物及其相互联系，客观存在的事物分为“对象”和“性质”两个方 面，同时事物之间有广泛的联系。 2 信息世界 它是客观存在的现实世界在人们头脑中的反映。人们对客观世界经过一定的认识过 程，进入到信息世界形成关于客观事物及其相互联系的信息模型，在信息模型中，客观对 象用实体表示，而客观对象的性质用属性表示。 3 数据世界 对信息世界中的有关信息经过加工、编码、格式化等具体处理，便进入数据世界中的 数据即能代表和体现信息模型，同时又向机器世界前进了一步，便于用机器来进行处理。 在这里，每一实体用纪录表示，相应于实体的属性用数据项( 或称字段) 来表示，现实世 界中的事物及其联系就用数据模型来表示。三个领域间的关系可用图2 2 表示 现实世界信息世界数据世界 图2 - 2 客观描述的层次 由此可以看出，客观世界及其联系是信息之源，是组织和管理数据的出发点，同时也 是使用数据库的归宿。信息模型和数据模型是对客观世界的两级抽象描述。在数据管理中， 岩土力学参数数据库的开发与取值研究 核心是数据模型，但为了弄清数据模型就必须首先充分认识客观世界，形成信息模型。否 则，数据库就会失去存在的意义 2 2 2 、信息模型 1 信息模型的要素 信息模型的主要要素是实体( e n t i t y ) ，任何客观存在的事物均可以是实体。另一个 要素是属性( a t t r i b u t e ) ，属性是实体的某一方面的性质或特性。另一个重要要素是联系 ( r e l a t i o n s h i p ) ，联系是指客观存在的事物之间的相互联系，通常是指实体集与实体集 之间的关系。 2 两个实体集之间相互联系的方式 两个实体集之间的联系是信息模型中最基本的联系，这种联系可分为三种方式：一对 一、一对多、和多对多联系，许多实体集之间的复杂联系，可由这三种方式组合而成。 利用信息模型来描述现实世界实际是对现实世界进行抽象。找出其中实体集、实体的 属性、实体集内部和外部的联系，这也是信息系统中数据库设计的第一步。p s c h e n 于1 9 7 9 年提出建立信息模型的一种方法：实体一联系方法( e n t i t y r e l a t i o n s h i pa p p r o a c h ) ， 简称e r 方法，应用此法建立的信息模型也就称为e r 模型。 图2 3 就是岩土力学参数取值联系e - r 图。在进行取值时，应指明实验方法的类别， 如室内试验、原位测试、反分析等，