摘 要：由于巖土材料固有的天然成因，其基本物理力學特性表現出不同程度的空間變異性。基于有限的檢測數據很難對巖土材料的整體物理力學特征進行描述，而特征參數取值的差異對巖土工程穩定狀態的判別和相關工程設計結果的影響不可忽略。基于該問題，提出對一定空間范圍內的特定巖(土)性材料性質整體特性進行描述的巖土材料基因特征的概念，給出基因特征的定義及其基本屬性，提出運用大數據理論對大量實際工程中檢測到的巖土材料參數數據進行統計分析并尋找其基因特征的思路。研發了巖土材料基因特征大數據管理及分析軟件系統，實現了對巖土材料大數據實施收集、傳輸、分類、篩選、管理和統計分析的功能，并結合在重慶地區收集到的7萬余條典型巖土材料數據，對該地區的典型巖土材料基因特征進行分析，得到相應的基因圖譜。
關鍵詞：巖土材料;基因特征;大數據;統計分析;貝葉斯估計
隨著科學技術的不斷發展，巖土力學的各種計算理論和分析模型已日臻完善，計算方法和分析手段也多種多樣，許多先進的理論和方法已成功運用到實際工程中，為解決巖土工程實際問題提供了有力的理論基礎和技術支撐，極大地推動和促進了巖土工程學科和工程實踐的發展[1-2]。然而，一個十分關鍵的因素仍制約著一些先進巖土力學理論在實際工程中的應用，阻礙了巖土工程的快速發展，這個因素就是對巖土材料基本物理力學特征的認識，具體而言就是對巖土材料基本物理力學參數的正確確定。任何巖土力學理論和方法的應用都必須建立在對巖土材料基本物理力學參數的正確認識和準確識別之上，否則，任何先進的理論和精確的計算，其結果都會出現失真或謬誤，從而使理論研究和數值計算的結果變得毫無意義[3]。而由于巖土材料自身固有的特殊成因，其物理力學性質表現出較為顯著的空間隨機變異性和不確定性，加之巖土工程問題涉及的空間區域往往比較大，正確評價一定區域不同巖(土)性材料的物理力學特征、獲取一定空間區域范圍內巖土材料真實可靠的物理力學參數是一項十分重要但又相當困難的工作。
目前，工程界常用的做法是，在工程勘查過程中獲取幾個試驗點巖土材料樣本的試驗值，經過簡單的統計分析后，提出反映該巖土材料整體性質的物理力學參數，并用于指導工程設計。由于試驗樣本的局限性，這種方法存在較大的缺陷和不足，使得人們對所獲取的參數的真實性、可靠性和代表性表示懷疑。因此，勘查設計人員出于保守的設計觀念及本能的自我保護意識，對測得的強度參數會進行不同程度的折減，然后再提供給工程設計或評估使用。折減的目的是人為考慮巖土材料參數的變異性和參數測試過程中可能帶來的誤差，這樣的做法顯然具有極大的主觀隨意性，缺乏必要的科學依據。材料參數是工程設計的基礎和核心，參數選擇的不合理會增加工程事故的風險或增加工程建設的投資，對工程項目的安全性和經濟性帶來不利影響。由此可見，對巖土材料的基本物理力學特征進行研究非常必要。
很多高等院校和科研機構都有先進的巖土材料基本力學特性研究設備，也有很多專家在利用這些設備從事巖土材料基本物理力學特征的研究，研究也很深入，并取得了很多成果[3-18]。但由于受到試驗樣本數量的限制，其研究結果是否具有對某種巖土材料整體區域特征的代表性和普適性依然有待進一步確認，同時，也缺乏相應的對比驗證，這是有關巖土材料參數特征“點估計”和“區域估計”之間的關系問題。“點估計”的結果對局部小區域特征的揭示效果十分明顯，但巖土體具有比較顯著的空間變異性，“點估計”與“區域估計”結果之間有區別，特別是在“點估計”樣本數量偏少的情況下，差別更明顯，不可完全取而代之。
根據巖土材料物理力學特征固有的空間變異性和不確定性特征，結合巖土材料在不同區域的地質成因和構造條件，提出“巖土材料基因特征”的概念，用以描述巖土材料在一定區域上的基本物理力學特征，旨在運用數據統計的方法尋找一定空間區域范圍內特定巖土材料群組(巖土材料巖性類別)的共性——基本物理力學特征，建立相應的巖土材料基本參數數據庫，運用大數據分析方法對其進行基因特征識別和提取，并根據不斷補充的測試數據對數據庫進行補充完善，逐步修正其基因特征，使之對基因特征的描述逐步趨于準確，并反過來指導參數取值，為巖土力學理論應用和巖土工程設計提供可靠的基礎數據。
1 巖土材料基因特征的概念
“基因”一詞源于生物學，是指存在于生物種群內部具有遺傳因子的基礎物質。基因的作用體現在兩個方面，一是傳遞遺傳信息，二是決定生物的行為特征和健康狀況。每一個生物都具有自己的基因特征，而每一個生物種群也具有該種群共有的基因共性(如人類、魚類、鳥類、爬行動物以及各種植物種群等)，這些基因共性對研究該種群的生物衍變和個性特征具有重要意義。
同理，盡管巖土介質為非生物類物質，但也具有內部微觀材料及其組織結構特征，微觀細顆粒和其他介質經過數以億年的物理化學作用，形成了今天的巖土材料。特定的材料物質組分，特定的結構方式，特定的溫度、壓力等生成環境影響因素賦予了該巖土材料群組特定的基因特性，并以特定的物理力學特征表現出來。盡管從工程建設的角度探求巖土材料基因的遺傳特性意義不大，但從研究一定區域范圍內相同巖土材料群組表現出來的物理力學特征上講，巖土材料基因特征的研究不僅具有重要的理論意義，而且具有重要的工程適用價值。
巖土材料基因特征的定義可以表述為：在一定空間區域內，同一巖土材料群組所具有的共性基本物理力學特征。基于該定義，巖土材料基因特征應該具備如下屬性：
1)區域性：由于受到巖土材料成因的影響，只有在基本相同的條件下形成的同一類巖土材料才具備相同或類似的基因特質;不同地區的巖土材料，由于其成因條件不同，表現出來的基因特征也有較大區別，由此決定了基因特征的區域性(圖1)。
2)群組性：不同巖(土)性的巖土材料由于微觀組分材料不同，結構方式不同，生成環境不同，具有不同的基因特征，因此，在對其進行研究時必須加以區分，不能相互混淆(圖2)。
3)趨同性：同一區域相同群組的基因特征是指其具有代表性的共性或趨同特征，是一種統計概念，不排除在個別點上樣本指標表現出細小差異。因此，基因特征的識別或檢測必須要有足夠數量的樣本數據為基礎，通過統計分析得出具有代表性的共性特征指標。
需要特別指出的是，巖土材料基本物理力學參數試驗是巖土基因檢測的基本方法，但每一個試驗結果本身不能作為該群組基因特征描述的唯一指標，巖土材料基因特征和基本物理力學參數試驗結果之間是群體與個體、一般性與特殊性的關系，只有通過對大量個體結果的統計分析，才能找到群體的共性化特征。
2 巖土材料基因特征研究的作用和意義
學者們已經對巖土材料基本物理力學特性進行了大量的研究，也取得了豐富的成果。但是，這些研究成果大多表現為對某一個特定工程的某一種特定巖土材料的某一個特定參數指標的研究，如強度指標、變形指標、滲透指標或時效性指標等，缺乏系統性和規范性，特別是研究結果只是針對特定空間點上的樣本開展，結果缺乏在相關群組或空間區域上的參考價值和推廣應用意義，也制約了這些研究結果價值的進一步體現。而巖土材料基因特征的概念則從廣義上涵蓋了巖土材料的各種基本內在屬性特征，從描述上更加統一和規范，更重要的是這一概念不僅包含而且拓展了傳統巖土材料基本物理力學性質研究的內涵，是一種基于傳統試驗研究結果基礎之上的宏觀統計結果，體現的是一定區域內相同群組巖土材料的宏觀性質特征。
點上獲取的試驗數據既是區域統計的數據源，又是對既有基因特征統計結果的修訂和補充信息;而既有的基因特征又可以對每一次檢測所得的數據進行校驗和比較，一些奇異數據的出現促使人們去分析查找原因，避免檢測試驗過程中出現人為錯誤或系統誤差，保證數據的可靠性和真實性。巖土材料基因特征研究的意義在于，目前還不能非常準確地定量描述一定區域范圍內巖土材料的基本物理力學性質的整體特征，僅僅通過有限的幾個點上測得的數據去表征一個區域的巖土材料特性未免有失偏頗，有盲人摸象的感覺。因此，基于特定條件下相關大數據統計分析得到的結果從概率的角度上講有可能比具體試驗得到的某些數據更可靠，也更能代表巖土材料的區域物理力學特性。由于巖土材料均為天然形成，與混凝土、鋼材等人工合成材料不同，其測試數據變異性相對較大，點上測得的數據對區域的代表性顯得相對較低，這就使得基于區域統計分析的巖土材料基因特征的研究意義變得十分重要。
巖土材料基因特征的研究可以全面系統地對不同空間區域內不同巖(土)性群組的基本基因進行分析，建立相應的基因數據庫，繪制相應的基因圖譜，從而系統全面地分析各種基因元素對巖土材料物理力學特征的影響，分析這種影響的敏感性和相關性，根據分析結果，結合工程實際，需要對這些基因元素進行改良和干擾，提高這些巖土材料在某些方面的性能，以滿足工程建設的需要，可以把這項工作稱為巖土材料基因改良或轉變。實際上，目前工程中廣泛使用的地基處理中的各種物理化學加固技術以及生物巖土材料的研究都可以歸結為對巖土材料基因特征的改良和轉變。
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