聚類(lèi)算法在黏性土工程分類(lèi)中的應(yīng)用

1、    聚類(lèi)算法在黏性土工程分類(lèi)中的應(yīng)用    翟月 姜元杰 張傳軍摘 要：以青島市某建筑場(chǎng)區(qū)第四系上更新統(tǒng)洪沖積層粉質(zhì)黏土、黏土的室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，運(yùn)用k均值法、類(lèi)平均法和模糊c均值法3種聚類(lèi)分析方法，對(duì)場(chǎng)區(qū)土體進(jìn)行工程分類(lèi)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)，認(rèn)為聚類(lèi)算法能夠?yàn)楹侠硖岢鰩r土參數(shù)和進(jìn)行巖土工程評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：k均值法 類(lèi)平均法 模糊c均值法 工程分類(lèi)：tu753 ：a ：1674-098x（2018）02（a）-0044-02工程勘察實(shí)踐中，考慮到巖土體性質(zhì)極為多樣，對(duì)巖土體進(jìn)行合理的地質(zhì)分類(lèi)和工程分類(lèi)顯得尤為重要，其中工程

2、分類(lèi)應(yīng)在地質(zhì)分類(lèi)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，以便于進(jìn)行工程評(píng)價(jià)。作為研究分類(lèi)問(wèn)題的一種多元統(tǒng)計(jì)方法，聚類(lèi)分析的目的是把分類(lèi)對(duì)象按一定規(guī)則分成若干類(lèi)，同一類(lèi)的對(duì)象在某種意義上傾向于彼此相似，而在不同類(lèi)里的對(duì)象傾向于不相似1。聚類(lèi)所具有的知識(shí)發(fā)現(xiàn)能力，大大減少了巖土工程中數(shù)據(jù)挖掘的復(fù)雜性，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)有效性和利用性2。聚類(lèi)分析常用的距離有閔可夫斯基距離、蘭氏距離、馬哈拉諾比斯距離和斜交空間距離等，不同的距離公式的選擇是一個(gè)比較復(fù)雜且?guī)в幸欢ㄖ饔^性的問(wèn)題，應(yīng)根據(jù)研究對(duì)象的不同特點(diǎn)做出具體分折，同時(shí)兼顧樣本數(shù)據(jù)的預(yù)處理和實(shí)際應(yīng)用的意義3。1 聚類(lèi)分析系統(tǒng)聚類(lèi)的基本思想是：距離相近的樣品先聚成類(lèi)，距離相遠(yuǎn)的后聚成類(lèi)，過(guò)

3、程一直進(jìn)行下去，每個(gè)樣品總能聚到合適的類(lèi)中，如最短距離法、最長(zhǎng)距離法、類(lèi)平均法、重心法和離差平方和法等。由于類(lèi)平均法很好地利用了所有樣品之間的信息，比較適中，使空間不太濃縮也不太擴(kuò)張，被認(rèn)為是一種比較理想的方法。k均值聚類(lèi)法又稱(chēng)為快速聚類(lèi)法，與系統(tǒng)聚類(lèi)的主要區(qū)別在于非層次性遞推和從初始分類(lèi)開(kāi)始即不斷優(yōu)化的過(guò)程，由于易產(chǎn)生局部最優(yōu)而非全局最優(yōu)，聚類(lèi)結(jié)果在一定程度上依賴(lài)于初始凝聚點(diǎn)或初始分類(lèi)的選擇4。模糊聚類(lèi)算法是一種基于模糊集理論和函數(shù)最優(yōu)方法的聚類(lèi)算法，在分類(lèi)對(duì)象之間沒(méi)有明確界限的情況下，使用概率密度函數(shù)確定樣品的歸屬5。曲永玲、陳新民采用最短距離法聚類(lèi)數(shù)據(jù)，根據(jù)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)對(duì)土層分類(lèi)6。尋知

4、鋒、余繼峰以濟(jì)陽(yáng)坳陷中的某鉆井測(cè)井資料為例，結(jié)合層次聚類(lèi)和k-means聚類(lèi)分析，識(shí)別鉆井巖性7。覃震林結(jié)合地方工程實(shí)踐，以粘土液限、天然孔隙比、塑性指數(shù)、天然重度4個(gè)因素作為主要影響因素，采用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法對(duì)柳州市區(qū)河流沖積粘土與紅粘土的劃分進(jìn)行探討8。羅文柯、楊果林通3種模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法和現(xiàn)有分類(lèi)法標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)判對(duì)比，說(shuō)明多因子模糊數(shù)學(xué)判別膨脹土的科學(xué)性和合理性9。尹福成等建立基于最小隸屬度加權(quán)平均偏差法的模糊數(shù)學(xué)模型，證實(shí)其適用于河流沖積黏土的分類(lèi)評(píng)價(jià)10。2 實(shí)例應(yīng)用2.1 工程概況某建筑用地位于青島市李滄區(qū)天水路以南、淶水路以北，占地約4萬(wàn)m2。場(chǎng)區(qū)中部偏西北一側(cè)有沖溝橫貫東西發(fā)育

5、，造成該段地形起伏較大，整體由東北向西南傾斜。場(chǎng)地為侵蝕沖溝和剝蝕堆積緩坡，后經(jīng)人工回填改造。經(jīng)鉆探作業(yè)，揭露場(chǎng)區(qū)廣泛分布第四系上更新統(tǒng)洪沖積類(lèi)（q3al+pl）的粉質(zhì)黏土、黏土。該類(lèi)土主要特性為：黃褐褐黃色，可塑硬塑，韌性中等較高，塑性較好，具有中等壓縮性，干強(qiáng)度較高，切面較光滑較粗糙，見(jiàn)鐵錳氧化物和高嶺土條紋，含有較多風(fēng)化巖屑及粗礫砂，局部夾有塊徑310cm的風(fēng)化碎石。結(jié)合外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的記錄描述、原位測(cè)試和室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，該類(lèi)黏性土測(cè)試數(shù)值呈現(xiàn)一定離散性，性質(zhì)包含中軟土和中硬土兩類(lèi)。究其原因，黏性土微觀的顆粒海綿狀結(jié)構(gòu)，宏觀土體具有的層狀構(gòu)造、薄葉狀構(gòu)造，使其存在各向性質(zhì)差異。同時(shí)，場(chǎng)區(qū)地貌

6、為剝蝕堆積緩坡和侵蝕沖溝，黏性土在沉積形成過(guò)程中常受到各類(lèi)短暫的、不穩(wěn)定的外力作用，導(dǎo)致土體存在不均勻的物理力學(xué)性質(zhì)。2.2 聚類(lèi)分析工程擬建樓座欲采用筏板基礎(chǔ)形式，其車(chē)庫(kù)基底位置對(duì)應(yīng)的上述粉質(zhì)黏土、黏土，由于物理力學(xué)性質(zhì)等存在差異，將其進(jìn)行合理分類(lèi)是必須的。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該層土基本狀態(tài)的目力鑒別和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果，綜合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為將土體劃分為2類(lèi)可在滿足工程勘察要求的同時(shí)保留一定細(xì)部信息。利用室內(nèi)土工試驗(yàn)所得40個(gè)土樣試驗(yàn)結(jié)果，本文選取含水率、比重、天然密度、飽和度、塑性指數(shù)、液性指數(shù)、壓縮系數(shù)、凝聚力和摩擦角共9類(lèi)物理力學(xué)指標(biāo)，在對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行z-score標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，采用類(lèi)平均

7、法和k均值法對(duì)樣品進(jìn)行初分類(lèi)，結(jié)果如圖1、圖2、圖3所示。由結(jié)果易知樣品4-4、55-1和84-2的分類(lèi)結(jié)果存在差異，考慮到分類(lèi)對(duì)象之間沒(méi)有明確的界限，具有亦此亦彼的表現(xiàn)，本文采取模糊聚類(lèi)對(duì)存在差異的樣品進(jìn)行補(bǔ)充分析。補(bǔ)充選取臨近鉆孔的樣品數(shù)據(jù)后，利用matlab中的模糊邏輯函數(shù)再次聚類(lèi)，得到4-4、55-1和84-2同隸屬于1類(lèi)的結(jié)果，如表1所示。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)對(duì)土體狀態(tài)的目力鑒別、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和波速測(cè)試等，認(rèn)為場(chǎng)區(qū)聚類(lèi)分析的結(jié)果較好，能夠解決實(shí)際問(wèn)題。3 結(jié)語(yǔ)通過(guò)結(jié)合運(yùn)用k均值法、類(lèi)平均法和模糊c均值法3種聚類(lèi)分析方法，對(duì)場(chǎng)區(qū)土體進(jìn)行工程分類(lèi)。參考文獻(xiàn)1 李世峰，黃磊，劉昌平.幾種聚類(lèi)方法的比較

8、a.中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所.第八屆全國(guó)漢字識(shí)別學(xué)術(shù)會(huì)議論文集c.2004.2 薛祥，孫宏偉，沈?yàn)I，等.巖土工程中的數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)探討j.工程勘察，2007（10）：11-16，28.3 劉夫濤，張雷.多重系統(tǒng)聚類(lèi)挖掘算法及其實(shí)現(xiàn)j.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2000，36（10）：41-42.4 劉靖明，韓麗川，侯立文.基于粒子群的k均值聚類(lèi)算法j.系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2005，25（6）：54-58.5 劉蕊潔，張金波，劉銳.模糊c均值聚類(lèi)算法j.重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，22（2）.6 曲永玲，陳新民.聚類(lèi)分析法在土層劃分中的應(yīng)用j.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27（5）：85-88.7 尋知鋒，余繼峰.聚類(lèi)和判別分析在測(cè)井巖性識(shí)別中的應(yīng)用j.山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，27（5）：10-13.8 覃震林.模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法對(duì)粘土劃分的探討j.廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，15（2）：69-72.9 羅文柯，楊果林.模糊數(shù)學(xué)對(duì)湖南膨脹土分類(lèi)與判別實(shí)際工程應(yīng)用研究j.南華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，20（2）：12-16.10尹福成，范永存，馮祥永.模糊數(shù)學(xué)的改進(jìn)模型在粘土劃分中的應(yīng)用j.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，40（1）：115-118.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)2