4. 蠕变试验数据处理与预处理

岩石蠕变试验往往持续数天到数月，采集系统以固定采样间隔记录轴向应变、环向应变、荷载、温度与位移等通道。原始数据在进入参数识别之前，必须先完成清洗、异常值剔除、平滑与加载阶段识别四类预处理。这一步做得好不好，直接决定后续等时曲线簇、稳态蠕变速率与长期强度外推是否可信。本节按“先看数据长什么样、再逐步处理、最后切出可用于识别的有效段”的顺序展开，并给出可复现的操作方法与示例参数。

一、先明确数据对象与坐标约定

典型蠕变试验原始记录为多通道时间序列，采样间隔常见 1 s～60 s，单级加载历时数小时至数十小时。约定如下，全文与图示保持一致：时间 t 以该级荷载施加时刻为零点，单位 h；轴向应变 ε 以压缩为正，单位 10⁻⁶（με）；应力 σ 以压为正，单位 MPa。加载阶段指从荷载开始上升至目标值并稳定的过程，蠕变阶段指荷载稳定后应变随时间发展的过程。若试验采用分级加载，则每一级都需独立识别加载段与蠕变段。

原始数据常见问题包括：传感器零点漂移、电磁干扰引起的单点尖峰、加载瞬间的采样丢帧、温度波动导致的应变基线漂移，以及停机重启造成的重复时间戳。预处理的目标不是“把曲线修漂亮”，而是保留真实的蠕变物理信息，只去掉非物理的干扰。

二、数据清洗：统一时间基准与通道对齐

清洗的第一步是时间轴处理。检查时间戳是否单调递增，剔除重复记录，对丢帧造成的间隔异常（例如正常间隔 10 s 却出现 300 s 空档）单独标记而不是直接插值填补。第二步是通道对齐：荷载、轴向应变、温度往往来自不同采集卡，存在毫秒级到秒级的时延，可用加载瞬间荷载跃升点与应变响应起点做互相关对齐，偏移量一般不超过 2～3 个采样点。

第三步是单位与符号统一，把位移换算为应变时需用标距长度，例如标距 100 mm、位移 0.05 mm 对应 500 με。第四步是基线校正：用加载前 5～10 min 的静置段均值作为零点，扣除初始偏置；对长时间试验，可用温度通道做线性回归补偿，形式为 ε_corr = ε − k·(T − T₀)，其中 k 由静置段温漂与应变漂移的比值估计，示例中若温升 0.5 ℃ 引起 8 με 漂移，则 k ≈ 16 με/℃。

三、异常值剔除：判据要可解释、可追溯

异常值分两类：单点尖峰与整段失真。单点尖峰可用一阶差分判据识别：若某点与前一点的应变差超过相邻正常段差分的 6～8 倍中位绝对偏差（MAD），判为可疑点。示例：某级试验正常段差分中位数 0.4 με/点，MAD 为 0.15，则阈值约 0.4 + 8×0.15 ≈ 1.6 με/点，超过者标记。整段失真（如传感器脱落、荷载突降）则用物理约束判断：荷载偏离目标值超过 ±2%、应变出现负向跳变或长时间平台，应整段剔除而非修补。

剔除后不建议直接线性插值填补长空档，短空档（≤3 个采样点）可线性插值，长空档应保留为缺失标记，避免平滑算法在缺口处产生虚假趋势。所有被剔除点的位置、判据与处理方式应记录在预处理日志中，保证可追溯。

四、应变-时间曲线平滑：保形优先于光滑

蠕变曲线在加载瞬间有陡升段，在稳态阶段近似线性，平滑时必须保形，不能把加载陡升抹平。推荐做法：先分段，再对蠕变段使用 Savitzky-Golay 滤波，窗口取 11～31 点、多项式阶数 2～3 阶，可在抑制噪声的同时保留曲率；对加载段不使用平滑或仅用 3～5 点滑动平均。若数据噪声较大，可先做 5 点中值滤波去尖峰，再做 SG 平滑。平滑后应检查稳态段斜率变化是否小于原始斜率的 10%，若变化过大说明窗口过宽。

五、加载阶段识别：切出真正可用的蠕变段

加载阶段识别的核心是找到荷载稳定点 t₀。工程上常用两条判据联合判断：一是荷载通道连续 N 个采样点（示例 N=10）相对目标值的偏差小于 ±1%；二是应变速率在随后 1 min 内下降到加载峰值速率的 5% 以下。满足两条判据的最早时刻即为 t₀，t₀ 之后的数据进入蠕变段。对分级加载，每级重复该过程，并记录每级的 σ、t₀ 与持续时间。

识别后还需做一次“段质量检查”：蠕变段首端 10 min 内不应出现应变回落（回落说明荷载未真正稳定），末端若接近下一级加载则应截断。示例中某级目标荷载 30 MPa，加载历时约 40 s，t₀ 定在 0.02 h 附近，蠕变段取 0.02～24 h，共约 8600 个采样点，平滑窗口取 21 点，稳态段拟合斜率为 1.8 με/h，该值即可作为该级应力下的稳态蠕变速率输入参数识别。

完成上述四步后，得到的是“时间基准统一、异常点可追溯、曲线保形、段边界明确”的蠕变段数据集。它既是后续等时曲线簇与稳态速率提取的输入，也是长期强度外推时判断数据可信度的依据。预处理阶段留下的每一个标记，都应在参数识别结果的不确定度分析中被再次审视。