MAT LAB 在公路岩土工程勘察中的应用研究

引言：公路岩土工程勘察是保障公路建设安全与稳定的基础环节，其数据复杂多样、分析难度也比较大。传统勘察方法在数据处理、模型构建、预测分析等方面都有一定的局限性，难以满足现代公路工程的高精度要求。随着计算机技术发展，借助专业软件提升勘察水平逐渐成为趋势。在此背景下 MATLAB 作为强大的数学计算软件，具备丰富的函数库及可视化功能。目前，其在岩土工程领域的应用逐渐增多，但在公路岩土工程勘察方面仍需继续深入研究。

1 MATLAB 的技术特点

MATLAB 具有卓越的数值计算能力，可高效处理大规模矩阵运算和复杂数学模型求解，在处理公路岩土工程勘察中涉及的海量数据时，能快速得出精确结果，为后续分析提供可靠依据。其图形可视化功能也很强大，能将抽象的勘察数据转化为直观的二维、三维图形，如地质结构剖面图、岩土参数分布云图等，便于工程师洞察数据特征和内在规律[1]。工具箱集成也是MATLAB 的一大特点，涵盖了信号处理、图像处理、优化算法等多个领域，在公路岩土工程勘察中，可利用专门的工具箱进行数据处理、模型构建、模拟分析等。此外，MATLAB 也具有出色的跨平台兼容性，能在不同操作系统上稳定运行，方便勘察人员在不同设备间共享数据和程序，极大的提高了工作效率和协作便利性。

2 MATLAB 与岩土工程勘察的适配性

MATLAB 与岩土工程勘察高度适配，岩土工程勘察依赖大量数据反映地下地质情况，MATLAB的数据驱动特性能契合这一需求，轻松接纳来自钻探、物探、原位测试等多种途径的勘察数据，并挖掘数据潜在价值。在模型构建方面，岩土工程地质条件复杂多变，需要灵活的模型模拟。MATLAB 具备模型构建灵活性，可根据不同勘察场景及需求快速搭建数值模型，如边坡稳定性分析模型、地基沉降预测模型等，还能对模型参数进行便捷的调整与优化[2]。岩土工程勘察结果需要直观呈现，MATLAB 强大的可视化交互功能可将复杂的勘察数据和模型以直观的图形图像展示，工程师也能交互操作，从不同角度观察分析，深入理解地质结构及工程特性，为公路岩土工程设计施工提供科学依据。

3 MATLAB 在公路岩土工程勘察中的应用

3.1 勘察数据预处理与清洗

在数据预处理和清洗过程中，针对异常值识别可采用基于统计的方法，例如计算数据的均值和标准差，设定合理的阈值范围，超出该范围的数据判定为异常值。也可运用箱线图法，通过四分位数和四分位距确定异常值界限。在数据差值补全方面，如果数据存在缺失，MATLAB 也能提供多种插值算法。其中线性插值简单快捷，适用于数据变化相对平缓的情况。样条插值能保证插值函数的光滑性，使补全后的数据更符合实际变化趋势。克里金插值考虑了数据的空间相关性，在地质数据插值中效果良好。在多源数据融合中，先对不同来源的数据进行标准化处理，消除量纲和数量级差异。然后利用矩阵运算及数据分析功能，通过加权平均或主成分分析等方法，将各类数据融合为一个综合数据集，发挥不同数据源的优势，进而提高勘察数据的完整性与准确性。

3.2 三维地质建模与可视化

利用 MATLAB 实现三维地质建模与可视化，如开展地层界面重构，对勘察获取的钻孔数据进行插值处理，利用散点数据插值函数生成规则网格点上的地层高程数据。再依据地层间的拓扑关系，采用三角剖分方法构建地层界面的三角网格模型，精准呈现地层起伏状态。在地质体渲染优化方面，MATLAB 支持多种渲染方式，可通过设置材质属性模拟不同岩土体的质感，利用光照模型增强地质体的立体感和真实感。还能借助颜色映射，依据岩土参数对地质体进行着色，直观展示参数分布。在动态剖切分析过程中，用户可利用 MATLAB 的图形交互功能，自由定义剖切面位置与方向。计算剖切平面和地质体三角网格的交线，实时生成剖切面上的地质剖面图，动态观察不同位置的地质结构，进而为公路路线规划、地基处理等提供直观准确的地质信息。

3.3 岩土参数非线性拟合及预测

MATLAB 在公路岩土参数非线性拟合及预测方面能发挥关键的作用，例如在进行本构模型参数反演时，可先依据室内试验或现场测试获取岩土的应力、应变等数据。基于选定的本构模型，利用MATLAB 的非线性优化算法，通过不断调整模型参数，使模型计算结果与实测数据间的误差最小化，从而反演出准确的本构模型参数。针对空间变异性分析，借助地质统计学方法，在 MATLAB 中构建岩土参数的变异函数模型 [3]。计算不同位置岩土参数半方差，分析空间分布特征，再利用克里金插值法对未勘察区域的岩土参数进行估计，揭示参数的空间变化规律。对于多因素耦合预测，收集影响岩土参数的多种因素数据，运用 MATLAB 建立多元非线性回归模型，综合考虑各因素相互作用，实现对岩土参数的精准预测，进而为工程设计施工提供可靠依据。

3.4 边坡稳定性数值模拟

开展有限元网格划分，依据边坡几何形状及尺寸，在MATLAB中运算相关算法生成合适的网格。针对复杂边坡先划分为多个简单的几何区域，再利用相关函数对每个区域实行三角网格划分，确保网格精准贴合边坡边界。同时合理控制网格密度，在边坡关键部位适当加密网格，提高计算精度。在应力 - 应变场计算环节，基于所划分的网格输入岩土体的本构模型参数。发挥 MATLAB 强大的矩阵运算能力构建并求解有限元方程组，得到边坡内部各节点的应力与应变值，直观呈现边坡在自重、外力等作用下的应力- 应变分布状态。在安全系数迭代求解中，采用强度折减法，在 MATLAB 中编写迭代程序。逐步折减岩土体抗剪强度参数，重新计算边坡应力-应变场，直至边坡达到失稳状态。根据强度折减系数确定边坡安全系数，为稳定性评估提供依据。

4 结论

MATLAB 凭借强大的数值计算、灵活的模型构建、出色的可视化、丰富的工具箱等优势，与公路岩土工程勘察高度适配。在勘察过程中，其能高效完成数据预处理与清洗，精准构建并优化三维地质模型。可实现岩土参数的非线性拟合与多因素耦合预测，为工程设计提供可靠参数。还能通过有限元网格划分、应力- 应变场计算、安全系数迭代求解等对边坡稳定性进行数值模拟，进而为公路岩土工程勘察提供全面高效的技术支持。

参考文献：

[1] 尹振宇 ， 陈佳莹 ， 吴则祥 ， 等 . 基于 MATLABGUI 的本构模型模拟器开发 [J]. 岩土力学 ，2022，43（2）：524-532.

[2] 杨明 . 岩土工程中岩土勘察的方法及价值探讨 [J]. 中国住宅设施 ，2024，17（6）：130-132.

[3] 邢超 . 公路岩土工程勘察中 MATLAB 技术的应用 [J]. 交通科技与管理 ，2021，29（18）：199-200.

作者简介：

一作：胡成 （1998 年 7 月 ），男，汉族，湖北武汉，硕士研究生，

二作：夏红超

通讯作者：王向前