混合性研究方法的疑點難點

⑴ 土石混合體滲透性能的正交試驗研究

周中¹ 傅鶴林¹ 劉寶琛¹ 譚捍華² 龍萬學² 羅強²

（1.中南大學土木建築學院 湖南 長沙 410075

2.貴州省交通規劃勘察設計研究院 貴州 貴陽 550001）

摘要 土石混合體作為土和石塊的介質耦合體，具有非均質性、非連續性及試樣的難以採集性等獨特的性質，從而給研究帶來極大的困難。土石混合體屬於典型的多孔介質，其滲透特性與顆粒的大小、孔隙比及顆粒形狀關系密切。本文採用室內正交實驗，利用自製的常水頭滲透儀，研究了礫石含量、孔隙比和顆粒形狀三個因素在不同水平下對土石混合體滲透系數的影響。通過正交試驗確定了三種因素對土石混合體滲透系數的影響順序及各因素的顯著性水平。提出了土石混合體滲透系數計算公式，並通過試驗結果驗證了計算公式的正確性，為土石混合體滲透系數的理論計算提供了一個簡明有用的計算工具。

關鍵詞 土石混合體 多孔介質 滲透性能 計算公式 正交試驗

土石混合體一般由作為骨料的礫石或塊石與作為充填料的粘土或砂組成，是介於土體與岩體之間的一種特殊的地質體，是土和石塊的介質耦合體^［1］。因為土石混合體具有物質組成的復雜性、結構分布的不規則性以及試樣的難以採集性等獨特的性質，從而給研究帶來極大的困難，目前人們對於它的研究仍處於探索之中^［2］。滲透與強度和變形特性，都是土力學中所要研究的主要力學性質，其在土木工程的各個領域中都有重要的作用^［3］。土石混合體屬於典型的非均質多孔介質^［4］，其滲透特性與顆粒的大小、顆粒組成、孔隙比及顆粒形狀關系密切。土的滲透系數可以通過室內試驗由達西定理計算得出，然而土石混合體的滲透系數卻難以確定，主要原因是：取樣困難；難以進行常規的滲透試驗；大尺度的滲透試驗不僅造價高准確性差，而且試驗結果離散度大，難以掌握其規律性。迄今為止，國內還沒有對土石混合體滲透性能進行研究的資料，現有研究成果局限於利用物理和數值模擬試驗對其變形和力學性質進行研究，而對滲透性還未涉及。因此，能夠求出土石混合體滲透系數的計算公式具有重要的理論意義和工程應用價值。

本文研究土石混合體中礫石含量、孔隙比（壓實度）和顆粒形狀三個因素在不同水平下對土石混合體的滲透系數的影響，找出三因素與土石混合體滲透系數之間的關系，並提出土石混合體滲透系數計算公式。

1 土石混合體滲透性能的正交試驗

1.1 正交試驗方案設計

在室內試驗中考慮礫石含量、孔隙比（壓實度）和顆粒形狀三個因素對土石混合體滲透系數的影響，就每種因素擬考慮3個水平。對於這種3因素3水平的試驗，如果考慮每一個因素的不同水平對基材的影響，則根據組合可得有3³組試驗，這對人力、物力與時間來說都是一種浪費，因此採用正交試驗設計來研究這一問題更為合理。本試驗所選取的正交表為L₉（3⁴），考慮試驗誤差的影響，但不考慮各因素間的交互作用（即假定他們之間相互沒有影響）。共需9組試驗，每組作平行試驗3次，共27次滲透試驗。本試驗中採用的因素與對應的水平數如表1所示，其中粗粒形狀分為球形體、六面體和三棱錐3個水平，分別由卵石、強風化石塊和新打碎的碎石來近似替代。

表1 正交試驗的因素水平

1.2 試樣的基本物理力學性質

試驗所取土樣為正在修建的上瑞高速公路貴州段晴隆隧道出口處典型性土石混合體，其天然狀態土的物理指標及顆粒級配曲線見表2和圖1。由圖1可知現場取回土樣的不均勻系數C_u為12.31，說明土樣中包含的粒徑級數較多，粗細粒徑之間差別較大，顆粒級配曲線的曲率系數C_c為1.59，級配優良。

表2 天然狀態土的基本物理指標

圖1 天然狀態土的顆粒級配曲線

1.3 大型滲透儀的研製

《土工試驗規程》（SL237—1999）規定粗粒土的室內滲透系數需由常水頭滲透儀測試，國內常用的常水頭滲透儀是70型滲透儀。70型滲透儀的筒身內徑為9.44cm，試驗材料的最大粒徑為2cm，規范^［5］要求筒身內徑應為最大粒徑的8～10倍，因此70型滲透儀的筒身內徑過小，有必要研製大尺寸的滲透儀。自製滲透儀的內徑和試樣高度至少應為最大顆粒粒徑的8倍，即至少應為16cm，另外，考慮到邊界效應，試樣的上下兩頭分別增加2cm，因此，自製滲透儀的內徑和試樣高分別取為16cm和20cm。考慮到土石混合體的滲透性較強，選取進排水管的口徑為2cm。自製的大型常水頭滲透儀的如圖2 和圖3所示。

圖2 常水頭滲透儀示意圖

數據單位為cm

圖3 自製滲透儀

2 試驗結果分析

2.1 試驗結果

按正交試驗表L₉（3⁴）的安排，共需作9組試驗，每組試驗作平行試驗3次，取3次測量的平均值，並乘以溫度校正系數

，即可求出每組試驗20℃時的滲透系數，滲透系數的測量結果見表3。

表3 滲透試驗測定結果

續表

2.2 試驗分析

運用正交試驗的直觀分析法和方差分析法，分析各因素對土石混合體滲透系數影響的主次順序，繪出因素水平影響趨勢圖，求出各因素的顯著性水平。

2.2.1 直觀分析

對試驗所得的土石混合體的滲透系數進行正交試驗的極差分析，並畫出各因素的水平影響趨勢圖。正交試驗的極差分析表見表4，3個因素與滲透系數的關系見圖4。

表4 極差分析表

圖4 各因素與滲透系數的關系

A—礫石含量；B—孔隙比；C—粗粒形狀

由正交試驗的極差分析表可以看出，對土石混合體滲透系數影響的主次順序為A→B→C，即礫石含量→孔隙比→顆粒形狀。由各因素與滲透系數的關系圖可以看出礫石含量越多滲透系數越大，孔隙比越大滲透系數越大，顆粒磨圓度越大滲透系數越小。在路基工程及大壩工程中，可以通過調節粗顆粒的含量、壓實度及顆粒形狀以獲得工程所需的滲透系數。

2.2.2 方差分析

為了確定因素各水平對應的試驗結果的差異是由因素水平不同引起的，還是由試驗誤差引起的，並對影響土石混合體滲透系數的各因素的顯著性水平給予精確的數量評估，需採用正交試驗的方差分析法對試驗數據進行分析，分析結果如表5所示。

表5 方差分析結果

方差分析結果表明：

（1）因素各水平對應的試驗結果的差異是由因素水平不同引起的，而不是由試驗誤差引起的；

（2）礫石含量對土石混合體滲透系數的影響高度顯著，孔隙比對土石混合體滲透系數的影響顯著，顆粒形狀土石混合體滲透系數的影響不顯著。

3 土石混合體滲透系數

3.1 滲透系數與礫石含量之間的關系

眾所周知，土石混合體的滲透系數與顆粒的大小及級配有關，本文選擇等效粒徑d₂₀和曲率系數C_c來表示土的顆粒大小和顆粒級配，原因是文獻［3］認為等效粒徑d₂₀比其他粒徑特徵系數更能准確地表示顆粒的大小，而與顆粒級配有關的系數是不均勻系數C_u和曲率系數C_c，不均勻系數C_u只反映土粒組成的離散程度，曲率系數C_c能在一定程度上反映顆粒組成曲線的特性，因而曲率系數C_c更適合於評價土的顆粒級配。不同礫石含量的顆粒級配曲線如圖5所示。由圖5可以求出各曲線的粒徑特徵系數，見表6。

圖5 試樣的顆粒級配曲線

表6 不同粗粒含量時的粒徑特徵

由圖6可知，其他條件相同時，土石混合體的滲透系數k與函數f（d₂₀，C_c）呈線性關系，其中

。

圖6 k₂₀-f（d₂₀，C_c）關系曲線

3.2 滲透系數與密實度之間的關系

由正交試驗的方差分析可知，孔隙率e對滲透系數的影響雖不如粗粒含量大，但也是很顯著的。在其他條件相同時，k與

呈線性關系，如圖7所示。

土石混合體

3.3 滲透系數與顆粒形狀之間的關系

狄凱爾與海阿特（Tikell and Hiatt）於1938年探討了顆粒的「稜角性」與「圓度」對滲透系數的影響，並指出顆粒的稜角性越大，滲透系數越大^［6］。由正交試驗分析表可知C_s1∶C_s2∶C_s3＝0.9∶1∶1.2，並且將試驗數據進行回歸分析，當形狀系數C_s1＝0.18，C_s2＝0.2，C_s3＝0.24時與試驗結果最為接近，此結論與卡門（Carmen）的研究成果^［7］相近。

3.4 土石混合體的滲透系數

由以上分析可知土石混合體的滲透系數與顆粒大小、顆粒級配、顆粒形狀及孔隙比有關，同時滲透流體對滲透性也有一定的影響，主要是受液體的動力粘滯度η的影響，大量研究成果表明滲透系數k 與g/η 成正比^{［3，4，7］}。因此，土石混合體的滲透系數計算公式為

土石混合體

式中：k為土石混合體的滲透系數，cm/s；C_s為顆粒的形狀系數，m^-3；d₂₀為等效粒徑，小於該粒徑的土重占總土重的20%，m；C_c為顆粒級配曲率系數，

；e為孔隙比；g為重力加速度，9.8 N；η 為液體的動力粘滯度，kPa · s（10^-6），η₂₀＝1.01×10^-6kPa·s。

由公式（1）計算出20℃時土石混合體的滲透系數k₂₀列於表7。與其他物理力學參數相比，土石混合體的滲透性變化范圍要大得多。同時，受宏觀構造和微觀結構復雜性的影響，其滲透性具有高度的不均勻性^［8］。為進一步驗證公式（1）的正確性，將實測值與由公式（1）得出的計算值進行對比分析，見圖8。由圖8可知由公式（1）計算出的滲透系數值與實測值基本吻合，9組試樣的平均相對誤差為21%，這對於離散性很強的土石混合體的滲透系數來說已經具有足夠的精確性。

表7 計算值與實測值對應關系

圖8 計算值與實測值關系

4 結論

（1）通過正交試驗獲取了礫石含量、孔隙比和顆粒形狀對土石混合體滲透系數影響的主次順序，並得出各因素的顯著性水平，工程設計中可以通過合理調整土石混合體的礫石含量、孔隙比（壓實度）和顆粒形狀，以達到控制其滲透能力的目的。

（2）土石混合體的滲透系數與等效粒徑d₂₀和曲率系數C_c組成的函數

成正比，並與孔隙比函數

成正比。

（3）提出了土石混合體滲透系數的計算公式，並通過試驗結果驗證了計算公式的正確性，為土石混合體滲透系數的定量預測提供了一個簡明有用的計算工具。

參考文獻

［1］油新華.土石混合體隨機結構模型及其應用研究.北方交通大學博士論文，2001：1～18

［2］油新華，湯勁松.土石混合體野外水平推剪試驗研究.岩石力學與工程學報，2002，21（10）：1537～1540，60～129

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［4］薛定諤A E.多孔介質中的滲流物理.北京：石油工業出版社，1984：141～173

［5］中華人民共和國水利部.土工試驗規程（SL237—1999）.北京：中國水利水電出版社，1999：114～120

［6］ Tickell FG，Hiatt WN.Effect of angularity of grains on porosity and permeability of unconsolidated sands.AAPG Bulletin，1938，22（9）：1272～1274

［7］黃文熙.土的工程性質.北京：水利電力出版社，1984：60～129

［8］邱賢德，閻宗嶺，劉立等.堆石體粒徑特徵對其滲透性的影響.岩土力學，2004，25（6）：950～954

⑵ 質量混合研究的缺點

成本更高，耗時更長。根據查詢質量混合研究相關資料得知，質量混合研究的缺點成本更高，耗時更長。混和方法研究就是研究者在同一研究中綜合調配或混合定量和質性研究的技術、方法、手段、概念或語言的研究類別。

⑶ 健康管理｜流行病學的基礎知識（4）常用的研究方法

（一）現況調查

現況調查屬於描述性流行病學研究方法之一。是指在某一人群中應用普查或抽樣調查的方法，收集特定時間內有關變數疾病或健康狀況的資，一描述目前疾病或健康狀況的分布，以及某因素與疾病的關聯。

描述性流行病學研究是指利用已有的資料或特殊調查的資料（包括實驗室檢查結果），描述疾病或健康狀況在不同時間，地點和人群中的分布特徵，為進一步開展分析流行病學研究，提供病因或流行因素的線索。

現況調查，從時間上說，是在特定時間點進行的，即在某一時點或在短時間內完成，這個時間點猶如一個斷面，故又稱之為橫斷面研究。

目的：

描述疾病或健康狀況的分布。

發現病因線索。

適用於疾病的二級預防。

評價疾病的防治效果。

疾病監測。等，其他。

方法有普查和抽樣調查兩種。

（二）隊列研究

探討疾病的病因是醫學研究的重要任務之一。而現況研究由於其因與果同時存在，所以其在病因研究中的作用有限。

而分析性流行病學，方法則更常用於驗證病因假設，最常見的兩類為隊列研究和病例對照研究。

對內研究也叫群組研究。是將特定的人群按其是否暴露於某因素或按不同暴露水平分為n個群組或隊列，追蹤觀察一定時間，比較兩組和各組發病率或死亡率的差異，以檢驗該因素與某疾病有無因果聯系及聯系強度大小的一種觀察性研究方法。

類型有

前瞻性隊列研究，研究對象的確定與分組有研究開始時是否暴露來決定研究結局需隨訪觀察一段時間才能得到。

歷史性隊列研究，研究工作跟現在開始，而研究對象是過去某個時間進入隊列的。

雙向性隊列研究，該方法是以上兩個方法的結合。根據歷史檔案確定暴露與否，隨訪至將來的某個時間確定結局，故又稱混合性隊列研究。

（三）病例對照研究

隊列研究的結果可靠，科學性強，然而耗時和花費比較大。病例對照研究，省時省力，故應用更為廣泛。

病例對照研究為選擇一組換鎖，研究疾病的患者與一組無此病的對照組，調查其發病前對某個因素的暴露狀況，比較兩組中暴露率和暴露水平的差異，以研究該疾病與這個因素的關系。

（四）實驗性研究

實驗性研究的基本性質是研究者在一定程度上掌握著實驗的條件，主動給予研究對象某種干預措施。所以又稱之為干預研究。

其主要研究類型有臨床試驗，現場試驗，社區試驗和類實驗等。

（五）診斷試驗的評價研究。

診斷試驗是對疾病進行診斷的試驗方法。

它包括各種實驗室檢查病史，體檢所獲得的臨床資料，x線超聲診斷等各種公認的診斷標准，並且利用這些資料和技術標准，對疾病和健康的狀況得出確切的結論。

（六）篩檢試驗的評價研究。

篩檢試驗通過快速的檢驗，檢查或其他措施，將可能有病，但表面上健康的人，同那些可能無病的人區分開來。

篩檢試驗不是診斷試驗，僅是一種初步檢查，對篩檢試驗陽性者或可疑陽性者必須進行進一步的確診，以便對確診患者採取必要的措施。

篩檢試驗或篩檢方法，應當簡單易行，敏感，廉價和有效，且要應用廣泛。

⑷ 大數據分析方法 定性研究還是定量研究

大數據分析方法：定性研究還是定量研究
大數據研究就是純學術方面的東西，對嗎？錯了！事實上，如果您企業僱用的大數據科學專家所持有的大數據項目理念與您打算在企業業務方面採用的戰略哲學不協調的話，您會讓自己陷入真正的麻煩。這可能聽起來多少有些誇張，然而，僅僅只有很少的企業的高管們在關注數據科學家們未來的研究方向，因為他們不認為在這方面還有什麼要考慮的。

相反，當您的企業在選擇數據科學專家來負責您企業的相關大數據創新戰略時，您必須確保您自己先要了解這些數據科學專家們是如何看待大數據項目的研究的。
最為經典的大數據研究方法被稱為定量研究。那些持定量研究理念的數據科學專家們被稱為管理科學界的實證主義者，他們堅持用統計數據來講述一個問題。他們往往從一個假設的命題開始，並逐步通過演繹推理來證明自己的假設。
換句話說，他們會從提出一個理念開始，然後逐步用數值分析的方法來驗證這一理念。例如，您可能有一種強烈的預感，您企業的產品將在愛好帆船運動項目的年輕男子市場有很好的市場前景。如果您將您的這一預感告訴一個實證主義者，他們會很樂意的採納這一假說，並試圖通過數據分析的方法來證明您的預測。
當您有一個明確的問題需要解決，並針對可能發生的狀況有足夠的理論支撐時，定量研究的確是一套很有效的方法。一旦定義了問題，需要針對問題的假設進行探索，數據科學專家將遵循這一眾所周知的定量研究的科學方法，用一系列的數據來支撐您的想法。
如果一切順利，您的預感將變成不只是一種預感，因為您有很好的統計數據作為支撐，以保證您的想法成為現實。這能夠幫助您建立良好的信心，不會選擇錯誤的戰略路徑。
另一方面是定性研究，有時將其稱為解釋學。持有這一研究理念的研究人員在開始研究問題時沒有預制的假設，而是使用歸納推理的方法，從部分到整體的進行觀察描述。而不象那些定量研究人員那樣通過控制實驗進行分析，而是通過問題存在的環境觀察和解釋現象。
您會在很多生物的研究看到這種定性研究的廣泛應用，研究人員通過營造接近物種棲息地的環境，試圖提取更深的見解，並力圖不打擾現有點生態系統。
當您對於您企業收集的相關數據信息所能夠揭示出什麼有價值的東西沒有任何想法時，定性數據科學專家就能派上用場了。例如，您可能已經收集了企業業務部門在過去五年的事務日誌，但您不知道這些信息裡面能否提煉出任何有價值的東西，進而轉換成信息產品。如果您將您的這一問題告訴一個解釋學主義者，他們會試圖探討您的數據，這樣您就可以更好地理解這些數據了。
他們不是要在您的數據信息中尋找什麼特別的東西，也肯定不是想證明什麼。他們只是想辦法幫助您更好地了解您的數據是什麼。
我認為對於定性分析必須採取非常謹慎的態度，因為其經常在企業戰略制定時被濫用。毋庸置疑，在您企業制定大數據發展策略時，定性分析有可能是非常重要的，您只需要了解如何正確使用它，而不至於白白投資了大量資金。
現在，有一種混合型的分析方案，將定性和定量研究方法結合起來。這有可能在您制定的大數據戰略時非常有幫助的。但是，也有人認為這並不是靈丹妙葯，大多數企業第一次嘗試這一方案是也發現其不是萬能的。
混合研究方法是新興的、同時也是復雜的，您不會希望因為採用了混合研究方法而讓您企業的大數據發展策略充斥著風險吧。此外，這種研究方法還沒有形成自己的研究體系，其只是兩種研究類型方式的結合。例如，針對一個問題，您可以從定性研究開始然後又轉向定量研究。
或者，你可以從定量研究的問題開始，並利用定性研究詳細說明結果。另外，你可以通過在橫向和縱向分別同時運用兩個方法。當然這種組合是相當復雜，耗費腦力的事情。
企業高管們所面臨的最大挑戰是企業的發展問題。當在研究企業發展戰略時遭遇到定性和定量研究之間的哲學差異，不管他們是否意識到這些差異，兩個陣營之間的文化差異是根深蒂固的。
實證主義者認為，數據具有客觀意義上的因果關系，將普遍適用於一個影響領域的應用。而解釋學主義者則認為數據有主觀意義，不適用。他們會向您進行描述解釋，但他們在發現的大多數的創新有關的應用程序方法存在問題。
把這兩個陣營混合在一起就像把健怡可樂和曼妥思薄荷糖混合一樣，如果您不能很好的控制企業內部的動態，激烈的辯論會使您的企業浪費大量的時間和精力。
結論
三種類型的研究方法，兩種類型的數據科學專家，以及一種制定您企業大數據的發展戰略。當您有一種強烈的預感，並有相關的數據線索支撐您的預感時，定量研究人員使您最佳的選擇；而但您沒有線索時，定性研究者則是比較好的選擇。而將這兩種研究人員結合在一起則會帶來無休止的爭論。混合研究方法似乎是一個合乎邏輯的妥協，但它實際上對於您想要解決研究的問題來說，是弊大於利的。
這就是為什麼我建議您在選擇讓相關的數據科學專家和花哨的軟體介入到您企業的大數據戰略之前務必要三思，並充分把控您企業的業務戰略的原因了。今天就花一些時間來重新考慮您企業的大數據戰略資源計劃吧。當壞的方案一旦上馬，想要臨時撤銷可不是件容易事兒。