張 婉 陳佳玫

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”是亞太、歐洲經(jīng)濟(jì)圈的紐帶，具有巨大的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿?，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來(lái)越多國(guó)際合作項(xiàng)目在這一區(qū)域落戶，助力我國(guó)西部大開發(fā)。但是在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，也面臨很多挑戰(zhàn)。我國(guó)的西北省區(qū)如新疆、甘肅，西南省區(qū)云南、西藏都在這一區(qū)域中，據(jù)研究表明這些地區(qū)黃土的占比非常高，在這些區(qū)域進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)經(jīng)常會(huì)使用黃土作為填筑材料，但是黃土在遇水后，容易造成濕陷，從而導(dǎo)致建筑、橋梁發(fā)生垮塌事故，給國(guó)家、社會(huì)及個(gè)人造成人身安全隱患及財(cái)產(chǎn)損失。黃土濕陷性問(wèn)題的研究不僅是一個(gè)科學(xué)問(wèn)題，還具有重要的工程價(jià)值。最近幾十年，黃土濕陷性研究一直是一個(gè)研究熱點(diǎn)，但是造成黃土濕陷的原因非常復(fù)雜，雖然科研人員已經(jīng)取得了一些成果，但是還有很多問(wèn)題沒(méi)有研究清楚。因此，本文針對(duì)黃土濕陷形成機(jī)制和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行綜述，期望能有助于這一領(lǐng)域的快速發(fā)展。

1 黃土濕陷形成機(jī)制及理論的研究

造成黃土濕陷的因素有很多，總體來(lái)說(shuō)有內(nèi)外因之分。在外因方面，國(guó)內(nèi)外研究人員主要從黃土的形成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行研究，并提出了毛細(xì)管、溶鹽、水膜楔入及欠壓密等假說(shuō)和理論。其中，毛細(xì)管假說(shuō)認(rèn)為黃土增濕后，破壞了土?！傲Ｐ跄Y(jié)構(gòu)，從而容易發(fā)生濕陷；溶鹽假說(shuō)包括“可溶鹽的溶解”和“易溶鹽的溶解”兩部分，雖然二者觀點(diǎn)不同，但都認(rèn)為鹽的溶解導(dǎo)致黃土結(jié)構(gòu)的破壞，進(jìn)而導(dǎo)致濕陷的發(fā)生。在進(jìn)一步研究中，很多學(xué)者研究了在含水率變化時(shí)，黃土物化性質(zhì)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化：其中，機(jī)械工業(yè)部勘察研究院的張煒、張?zhí)K民（1995）在西安東郊進(jìn)行濕陷性試驗(yàn)，量化了在含水率變化后，黃土的強(qiáng)度、變形及結(jié)構(gòu)特性的變化，闡述了黃土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[1]；在二十世紀(jì)九十年代，曾國(guó)紅等（1997）對(duì)山西太原化工廠及潞城水泥廠附近的原狀黃土進(jìn)行采集，并采用滴管均勻地將水滴在土樣表面，以達(dá)到對(duì)土樣初始含水量的精確控制，利用此方法，他們進(jìn)行了大量不同黃土濕陷試驗(yàn)，研究改變黃土含水率及加荷變形時(shí)黃土的濕陷程度，得到了以含水率為自變量的黃土地基總變形公式[2]；張愛(ài)軍、邢義川（2000）在進(jìn)行增濕濕陷和孔隙水壓力試驗(yàn)的時(shí)候，針對(duì)測(cè)量黃土濕陷性常用方法的缺陷，提出采用計(jì)算機(jī)模擬的方法，對(duì)黃土在增濕過(guò)程的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了模擬，提出密度和本構(gòu)關(guān)系的變化是造成地基濕陷形變的重要原因[3]；西安理工大學(xué)的謝定義（2001）提出黃土相較于其他類型的土，具有更強(qiáng)水敏性，當(dāng)含水率提高后，黃土的增濕強(qiáng)度增量會(huì)顯著增加，更易造成濕陷形變[4]；瑞安市水利局李敏、馬登科（2005）在陜西多個(gè)地區(qū)進(jìn)行的黃土濕陷試驗(yàn)中，對(duì)黃土施加不同的壓力，并研究了當(dāng)壓力變化時(shí)，黃土的物化指標(biāo)如含水率、干密度與黃土濕陷系數(shù)的函數(shù)關(guān)系，該函數(shù)關(guān)系的確定對(duì)初步評(píng)價(jià)黃土的濕陷性具有重要指導(dǎo)作用[5]。在內(nèi)因方面，研究人員主要從黃土的空間結(jié)構(gòu)力學(xué)角度對(duì)黃土濕陷性進(jìn)行研究：南京建筑工程學(xué)院勘察系高國(guó)瑞（1980）運(yùn)用電鏡觀察不同的黃土顯微結(jié)構(gòu)，并采用結(jié)構(gòu)理論對(duì)黃土濕陷問(wèn)題進(jìn)行了解釋，進(jìn)而得到了黃土結(jié)構(gòu)與濕陷性的相關(guān)性[6]；趙景波、陳云（1994）基于大量濕陷試驗(yàn)研究了不同黃土濕陷等級(jí)（非濕陷、弱濕陷、中等濕陷、強(qiáng)濕陷及極強(qiáng)濕陷）黃土的粒間孔隙類型和孔隙結(jié)合方法，并觀察濕陷前后宏觀和微觀空隙的變化，從宏觀和微觀上對(duì)黃土孔隙與黃土濕陷的相關(guān)性進(jìn)行了分析[7]；謝定義（1999）回顧了研究人員針對(duì)不同類型黃土的力學(xué)特性進(jìn)行了總結(jié)，提出通過(guò)空間體系結(jié)構(gòu)研究黃土的非均質(zhì)性和各向異性，從力學(xué)的角度研究了黃土結(jié)構(gòu)對(duì)濕陷性的影響；太原理工大學(xué)王梅等（2001）對(duì)不同深度的山西王曲黃土進(jìn)行采集，在進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合高精度掃描電鏡對(duì)黃土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，結(jié)果表明架空孔隙的尺寸與黃土濕陷性密切相關(guān)。

2 黃土濕陷性的檢測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了評(píng)價(jià)黃土的濕陷性，通常采用室內(nèi)壓縮和原位浸水等試驗(yàn)來(lái)測(cè)定濕陷系數(shù)及濕陷起始?jí)毫Φ戎笜?biāo)，試驗(yàn)儀器通常采用三聯(lián)固結(jié)儀（圖1）。在確定濕陷系數(shù)過(guò)程中，通常需要對(duì)工地現(xiàn)場(chǎng)范圍內(nèi)不同深度黃土進(jìn)行采集，然后采用單線或雙線法測(cè)定，試驗(yàn)過(guò)程繁瑣，耗時(shí)耗力，且由于試樣的不均勻性，試驗(yàn)設(shè)備精度及試驗(yàn)人員的技術(shù)水平，使得測(cè)試結(jié)果的精度有限。為了節(jié)省人力物力，研究人員對(duì)黃土濕陷系數(shù)與主要物性指標(biāo)的關(guān)系進(jìn)行研究，期望通過(guò)穩(wěn)定且容易測(cè)得的物性指標(biāo)，推算黃土的濕陷系數(shù)。相較于濕陷系數(shù)，濕陷起始?jí)毫Φ挠?jì)算更加繁瑣，經(jīng)常需要從浸水壓縮試驗(yàn)中繪制的濕陷系數(shù)與壓力的關(guān)系曲線上求出濕陷系數(shù)等于0.015時(shí)的壓力值。

圖1 三聯(lián)固結(jié)儀

3 黃土濕陷性機(jī)器學(xué)習(xí)的研究方法

機(jī)器學(xué)習(xí)可以從歷史數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)未知樣本的預(yù)測(cè)。其中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（圖2）已經(jīng)在圖像處理、自動(dòng)駕駛及水文預(yù)報(bào)等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。雖然這些研究對(duì)象與黃土濕陷性研究差異很大，但是當(dāng)我們對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取后，后續(xù)的建模過(guò)程都大同小異。在構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型過(guò)程中，首先需要對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集，因?yàn)闆](méi)有足夠的數(shù)據(jù)，建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型也就無(wú)從談起。在搜集到足夠的樣本數(shù)據(jù)后，需要根據(jù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)選擇合適的模型，例如當(dāng)我們已知一些數(shù)據(jù)樣本，同時(shí)也知道這些樣本分別屬于兩類，我們的目標(biāo)是要將樣本數(shù)據(jù)分為兩類，針對(duì)這類問(wèn)題我們采用監(jiān)督學(xué)習(xí)方法；而如果我們的目標(biāo)是預(yù)測(cè)樣本數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽值，那么我們就需要采用回歸方法進(jìn)行建模。在確定了機(jī)器學(xué)習(xí)模型后，我們需要進(jìn)一步將樣本數(shù)據(jù)及標(biāo)簽數(shù)據(jù)集劃分成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和測(cè)試數(shù)據(jù)集，一般訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和測(cè)試數(shù)據(jù)集的比例是2：8。為了防止模型偏向絕對(duì)值大的特征因子，在輸入機(jī)器學(xué)習(xí)模型前，需要對(duì)全體特征因子進(jìn)行放縮，通常將其放縮到（-1，1）的范圍內(nèi)，從而避免模型的偏向性。在模型訓(xùn)練過(guò)程中，當(dāng)訓(xùn)練次數(shù)達(dá)到最大值或者模型輸出誤差小于給定閾值值，模型訓(xùn)練完畢。為了進(jìn)一步測(cè)試模型的性能，通?？梢圆捎梦逭劢徊骝?yàn)證和留一法進(jìn)行模型評(píng)估。

圖2 多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

4 黃土濕陷性的工程實(shí)踐及研究

在黃土濕陷性研究過(guò)程中，西安理工大學(xué)邵生俊等（2013）在西安地鐵四號(hào)線及寶雞——蘭州高鐵隧道黃土濕陷試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)液限、塑限、塑限指數(shù)、含水率、干重度、孔隙比及飽和度等指標(biāo)進(jìn)行了采集，為了進(jìn)一步確定影響黃土濕陷性的關(guān)鍵因素，其針對(duì)上述黃土的物性指標(biāo)與濕陷性參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)性分析，得出了含水率、液限及孔隙比是影響黃土濕陷性的關(guān)鍵因素，并在此基礎(chǔ)上建立了物性指標(biāo)——濕陷性多元回歸相關(guān)性模型，為解決不同物性指標(biāo)之間的多重相關(guān)性對(duì)黃土濕陷分析的干擾做出了重要貢獻(xiàn)[8]；陳佳玫（2016）對(duì)伊犁黃土的濕陷性進(jìn)行了研究，對(duì)黃土試樣的不同物化指標(biāo)（液限、塑限、塑性指標(biāo)、含水率、飽和度、干密度及孔隙比）進(jìn)行了采集，并分析了不同物性指標(biāo)之間的相關(guān)性，其中，塑性指數(shù)與液限、塑限的相關(guān)系數(shù)分別為0.955 和0.518，表明塑性指標(biāo)與液限具有很強(qiáng)的相關(guān)性，且與塑限有一定相關(guān)性，為此采用塑性指標(biāo)進(jìn)行代表；含水率與飽和度的相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.942，表明含水率與飽和度具有很強(qiáng)的相關(guān)性，因此采用含水率進(jìn)行代表；在此基礎(chǔ)上，建立了基于塑性指標(biāo)、含水率及干密度等指標(biāo)的黃土濕陷起始?jí)毫Φ腂P 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，輸入節(jié)點(diǎn)為3 個(gè)，激活函數(shù)選擇Sigmoid，為了驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的通用性，采用陜西彬縣黃土濕陷試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明所有樣本的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值誤差均小于10%，說(shuō)明預(yù)測(cè)模型可以較為精確地預(yù)測(cè)了陜西彬縣黃土濕陷起始?jí)毫?，此外，其還提供了網(wǎng)絡(luò)模型的權(quán)重和閾值，為后續(xù)研究人員提供一定參考[9]；中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司詹紅志和林劍鋒（2020）在定西到臨洮黃土濕陷性試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)含水率、干密度、飽和度、孔隙比、液限、塑限、塑限指標(biāo)及壓縮系數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行采集，通過(guò)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，含水率、孔隙比、塑性指標(biāo)及壓縮系數(shù)是影響黃土濕陷性的關(guān)鍵指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，建立了基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的黃土濕陷性預(yù)測(cè)模型，為了加快訓(xùn)練速度選擇logsig 對(duì)數(shù)函數(shù)作為激活函數(shù)，在經(jīng)過(guò)上萬(wàn)次訓(xùn)練后，模型訓(xùn)練完畢并可以在訓(xùn)練數(shù)據(jù)集上實(shí)現(xiàn)R＝0.94537,為了進(jìn)一步測(cè)試預(yù)測(cè)模型的性能，對(duì)7 組預(yù)測(cè)樣本進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明預(yù)測(cè)誤差絕對(duì)值在2%-25.8%之間，實(shí)現(xiàn)了一定的預(yù)測(cè)精度[10]。但是，從上述研究中，我們發(fā)現(xiàn)在確定影響黃土濕陷性的關(guān)鍵指標(biāo)過(guò)程中，不同研究人員往往存在著不同觀點(diǎn)，從上述研究中可以看出，塑性指標(biāo)、含水率是影響黃土濕陷性的關(guān)鍵因素已經(jīng)達(dá)成了一定共識(shí)，但對(duì)于其他物性指標(biāo)，不同研究人員得到的結(jié)論卻差異很大，有的認(rèn)為干密度是關(guān)鍵因素之一，有的卻認(rèn)為孔隙比和壓縮系數(shù)是關(guān)鍵因素。造成這一現(xiàn)象的可能原因是不同地區(qū)黃土力學(xué)特性不同；在建模過(guò)程，在激活函數(shù)選擇過(guò)程中，有的科研人員選擇Sigmod 函數(shù)，而有些科研人員為了加快訓(xùn)練速度，選擇logsig 函數(shù)，但是卻使得模型訓(xùn)練次數(shù)更多；這些差異導(dǎo)致最終建立的預(yù)測(cè)模型差別很大，難以在實(shí)際中推廣使用，為此，采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法研究黃土濕陷性還處于理論研究階段，還亟待廣大科研人員進(jìn)行深入的研究。

5 結(jié)束語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，機(jī)器學(xué)習(xí)模型不僅可以減少耗時(shí)且花費(fèi)巨大的試驗(yàn)，還使大范圍檢測(cè)成為可能，是未來(lái)黃土濕陷性分析的一種重要方法。但是目前研究中采用的數(shù)據(jù)集還不夠大，且使用的模型多為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)使得其容易陷入局部最優(yōu)解的問(wèn)題。因此，建模數(shù)據(jù)有限和模型的局限性造成了黃土濕陷性的預(yù)測(cè)精度還有待提高。隨著黃土濕陷試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，為建立更加精確的機(jī)器學(xué)習(xí)模型奠定了基礎(chǔ)，使得基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測(cè)黃土濕陷性必將成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。