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  • 學位論文

應用集群分析於多孔圓錐貫入試驗資料重建土層

3D CPT-based Stratification Reconstruction Using Cluster Analysis

指導教授 : 卿建業

摘要


圓錐貫入試驗(Cone Penetration Test with Pore Pressure Measurement, CPTu)為近年常用的現地試驗方法。目的為測定土壤力學性質、得到地底分層情況。具體而言,資料在處理上需轉換為土壤行為指數c I (Robertson 1990),其值越小,力學行為越接近砂土;反之,值越大,接近黏土。而圓錐貫入試驗由地表垂直打入地底,根據上述分類沙、黏土層之剖面圖。 實務上,工程師根據土壤力學性質決定土壤層面,而層面區分不同種類之土層單元。Ching et al. (2015) 應用Wavelet Transform Modulus Maxima (WTMM)發展了單孔圓錐貫入試驗土壤分層演算法。此演算法抓出c I 變化劇烈但隨即趨於平緩的深度,判斷為土壤層面。其結果與工程師的直觀相似,並具有快速、客觀等優點。 土層於空間上為連續分布。單孔分層法得到一土層單元於深度連續分布資訊。將位置鄰近的多孔圓錐貫入試驗資料一起比對,有足夠的信心認為一土層單元或土壤層面在不同的孔,換句話說,不同位置上亦為連續分布。而建立多孔圓錐貫入試驗土層分群即是本研究的目標。本研究嘗試提出一套集群分析(cluster analysis)演算法,應用集群分析於多個單孔分層法的結果,得到基地整體土層的分群。因為目前無前人做過相同的研究,沒有文獻可供參考和比較。 本研究選擇凝聚式階層法(agglomerative hierarchical)。其原理為將資料點一步步凝聚成群,在每一步間可以加上強限制式,於此問題為被分為同一個集群的土層單元其平均Ic 一定要相近(這裡設定差距不可大於0.45)。此外土層單元具有上下關係,於不同孔位不得交叉。然而此條件與強限制式不同,必須加在集群分析之前。動態時間扭曲是音訊處理上常用的方法,可解決此問題。操作上將一個孔的土層單元對另一個孔的土層單元做依序的對應,此對應即無交叉。只將對應的土層單元視為凝聚式階層法可進行凝聚的資料對,避免土層交叉。 以上可視為文獻回顧的部分。凝聚式階層法的成敗關鍵在於凝聚順序直接影響了集群分析的品質,凝聚順序若無法反映資料整體的特性將會有不好的集群結果,稱為短視(myopic)。常見的凝聚順序由相似性參數決定。本研究應用多次蒙地卡羅模擬(Monte Carlo Simulation)搭配整數相似性決定,避開了挑選相似性參數的困難,並擁有傾向成員數較多的集群結果的優點。於研究中,集群分析先應用於孔,再應用於屬於同一個孔集群的土壤層面和單元,得到土層單元分群結果。在此順序下,能確保土層單元分群優先進行於相似的孔,符合人眼直覺,減少誤判。 另外,於音訊處理上常用的動態時間扭曲亦為一仰賴相似性參數的方法,同樣具有挑選參數的困難。本研究將決定兩孔對應之土層單元視為土壤層面的組合問題,僅使用深度一個參數,蒙地卡羅模擬(Monte Carlo Simulation),最佳化找到無交叉之一孔土壤層面和另一孔土壤層面的對應關係。因為較另一個領域的方法論更貼近問題本身,可以避免不合理的結果產生。

並列摘要


Cone Penetration Test with Pore Pressure Measurement(CPTu) is one of the most popular in-situ test recently. Soil engineering properties can be determined and subsurface stratification can be assessed from the CPTu data. In more details, CPTu data is transformed into soil type variable, Ic. The corresponding soil type classification is available. (Robertson 1990) Ching et al. (2015) proposed a single sounding CPTu stratification algorithm using Wavelet Transform Modulus Maxima (WTMM). It can capture the depth of which Ic changes dramatically relative to that of the nearby depth, and this depth is regarded as the soil boundary surface. Because of the fact that soil layer unit or soil boundary surface is in 3-dimensional form, the multiple sounding CPTu data with WTMM results should contain the information of 3D soil stratification, giving the motivation of this study. This study tries to reconstruct 3D stratification using cluster analysis and is based on WTMM results. Agglomerative hierarchical clustering is used. Additional constraints, Monte Carlo Simulation, Optimization are added to make this algorithm more suitable for the stratification problem.

參考文獻


1. Ching, J., Wang, J.S., Juang, C.H., Ku, C.S. (2015). Cone penetration test (CPT)-based stratigraphic profiling using the wavelet transform modulus maxima method. Canadian Geotechnical Journal, 52(12): 1993–2007.
4. Jain, A. K. (2010). Data clustering: 50 years beyond K-means. Pattern recognition letters, 31(8), 651-666.
6. Ku, C.S., Juang, C.H., Ou, C.Y. (2010). Reliability of CPT Ic as an index for mechanical behaviour classification of soils. Géotechnique, 60(11), 861-875.
7. Robertson, P. K. (1990). Soil classification using the cone penetration test. Canadian Geotechnical Journal, 27(1), 151–158.
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延伸閱讀