余燚,李某明,楊敬云,梁文焱

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長沙,410004;2.中交二公局第一工程有限公司,湖北 武漢,430056;3廣東利鴻源園林建設(shè)有限公司,廣東 梅州,514000)

作為分布在沿海、沿河地區(qū)的常見的不良地基土之一,軟土的物理力學(xué)性能具有顯著的地域差異和不確定關(guān)系[1]。同時,由于成因、結(jié)構(gòu)和形態(tài)等原因,導(dǎo)致不同種類軟土的各項(xiàng)土性指標(biāo)的相關(guān)性具有顯著差異[2]。結(jié)合已有的勘察資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,研究其物理力學(xué)指標(biāo)間的相互關(guān)系,建立相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式。能有效的降低類似工程土體參數(shù)獲取的費(fèi)用和時間、節(jié)約工程建設(shè)成本。因此,近年來一些學(xué)者們就工程實(shí)際中遇到的不同類型的軟土土性指標(biāo)做了一定的研究。陳曉平[3]等依據(jù)珠江三角洲軟土地區(qū)大量的土工試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過對其物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,指出各指標(biāo)間的分布規(guī)律,進(jìn)而得到珠三角地區(qū)軟土的工程特性。宋曉晨[4]結(jié)合盤錦、營口等地區(qū)的工程勘察實(shí)例中的軟土試驗(yàn)指標(biāo),探究了遼寧區(qū)域性軟土物理力學(xué)指標(biāo)的變異性和相關(guān)性。劉慧明[5]以基于福廈鐵路沿線百余組軟土勘察數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),研究福建東南沿海地區(qū)軟土工程特性并進(jìn)行了相應(yīng)土性指標(biāo)的回歸分析。閻長虹[6]等從成因,結(jié)構(gòu)組成和分布情況對比分析了連云港、南京、吳江、盱眙四地典型軟土的工程特性并建立了相應(yīng)的回歸方程。姜燕[7]等通過對廣州南沙區(qū)濱海相軟土和珠海橫琴新區(qū)軟土的相關(guān)力學(xué)特性的對比分析,研究了兩類軟土的含水率對其力學(xué)指標(biāo)作用效果的差異。鄭軼軼[8]等根據(jù)寧波1、2號線軌道交通工程的地質(zhì)勘察資料,研究了寧波地區(qū)軟土力學(xué)參數(shù)的分布規(guī)律和相關(guān)關(guān)系。由現(xiàn)有研究成果顯示,目前國內(nèi)對軟土的土性指標(biāo)的研究主要集中在沿海城市區(qū)域的三角洲相、濱海相軟土。但是由于軟土作為一種天然產(chǎn)物,區(qū)域特性強(qiáng)、種類多樣,導(dǎo)致其土性指標(biāo)的分布和相關(guān)關(guān)系各有特點(diǎn),已有研究成果難以在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。因此,研究軟土土性指標(biāo)相關(guān)規(guī)律,對于相應(yīng)區(qū)域工程具有實(shí)際意義。

本文利用spearman相關(guān)分析和回歸分析方法,以梅州地區(qū)沿河改造的水利及景觀工程的上百組河灘相軟土的物理力學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過指標(biāo)分布情況及變異性進(jìn)行分析,建立梅州地區(qū)河灘軟土的物理指標(biāo)—固結(jié)指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)公式。這些關(guān)系式來源于大量現(xiàn)有的工程勘察數(shù)據(jù),并且使用方便,較容易被接受。既可以為梅州地區(qū)河流岸灘開發(fā)及沿河建設(shè)提供了一定的借鑒作用,也可為河灘相軟土的研究提供參考。

1 梅州地區(qū)河灘軟土的物理力學(xué)指標(biāo)

梅州位于廣東東北部、閩粵贛3省交界,位于韓江流域梅江中游。地處嶺南山脈以南的山區(qū)區(qū)域,中心為梅江盆地。梅州地區(qū)軟土主要分布于丘間谷地及河流階地上,軟土類型以河灘沉積和沼澤沉積為主,屬于Qpd軟土層。

本文所用數(shù)據(jù)取自梅州地區(qū)沿河改造的水利及景觀工程項(xiàng)目中河灘相軟土的室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)的地勘土工室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,現(xiàn)場取土及室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)過程見圖1。取樣及試驗(yàn)以《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-1999)為標(biāo)準(zhǔn),取樣選用薄壁取土器,并使用快速靜力壓入法采集,取樣深度為1.1～17.3m;土工室內(nèi)試驗(yàn)包括,含水率試驗(yàn)、密度試驗(yàn)、比重試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)和界限含水試驗(yàn)等。

圖1 現(xiàn)場取土及室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

對研究數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,篩選和剔除其中的異常值,然后利用統(tǒng)計(jì)分析方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。詳見表1.選取的物理力學(xué)指標(biāo)包括:天然密度、含水率、土粒比重、孔隙比、液限、塑限、塑性指數(shù)、液性指數(shù)和土的固結(jié)指標(biāo)—壓縮系數(shù)和壓縮模量,以及土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)—(直剪)黏聚力和內(nèi)摩擦角。

參考《公路工程地質(zhì)勘查規(guī)范》(JTGC20-2011),得到該地區(qū)軟土物理力學(xué)指標(biāo)具有以下特征。

(1)含水率高。研究區(qū)內(nèi)軟土的含水率在54.5%～36.7%之間,統(tǒng)計(jì)均值為45.5%,大于《公路軟土地路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范基》中軟土的鑒別指準(zhǔn)值(>35%)。

(2)天然密度小,孔隙比大。研究區(qū)內(nèi)軟土的天然密度的變化范圍在1.69～1.86 g/cm3之間,平均值為1.76 g/cm3,孔隙比e在1.00～1.48之間,均值為1.25。由此可見地區(qū)軟土普遍的密度較小,孔隙比較大,對沉降影響較大。

(3)壓縮性大。壓縮性大,壓縮系數(shù)在0.7～1.1MPa-1之間,統(tǒng)計(jì)均值為0.91MPa-1,壓縮模量在1.9～3.5MPa,統(tǒng)計(jì)均值為2.64Mpa,屬于高壓縮性土。

(4)抗剪強(qiáng)度低。抗剪強(qiáng)度低,在直接快剪的試驗(yàn)條件下,該地區(qū)軟土凝聚力在1.4～3.8kPa之間,統(tǒng)計(jì)均值為2.6kPa,摩擦角的變化范圍為2.3°～3.5°。

表1 梅州地區(qū)河灘軟土的物理力學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

從該軟土物理力學(xué)指標(biāo)的變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)值得到,該軟土的天然密度、土粒比重、干密度、飽和度和塑性指數(shù)的變異系數(shù)都小于0.1,說明研究區(qū)內(nèi)軟土軟土的天然密度、土粒比重、干密度、飽和度和塑性指數(shù)等物理指標(biāo)的變異可能性較低,一定條件下可視為定值。通過概率方法計(jì)算梅州地區(qū)河灘軟土地基變形時,可不考慮該軟土這些物理指標(biāo)的變異性的影響。該軟土的其余物理指標(biāo)(含水率、孔隙比、液限、塑限)和壓縮指標(biāo)(壓縮系數(shù)、壓縮模量)變異系數(shù)大于0.1,對指標(biāo)取值已經(jīng)有較為明顯額影響。文中變異性參數(shù)的統(tǒng)計(jì)值可作為可靠性設(shè)計(jì)的參考值。

2 物理－固結(jié)指標(biāo)的相關(guān)性

土的固結(jié)指標(biāo)是反映土的工程特性的重要參數(shù)。針對不同地區(qū)的不同類型的軟土,將其物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行總結(jié)和分析,建立相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式,對于相關(guān)軟土規(guī)范修訂及相應(yīng)工程設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義[9]。

2.1 相關(guān)程度分析

土的固結(jié)性能很大程度上隨其物理指標(biāo)的變化有明顯的變化[10]。軟土作為典型的高壓縮性土,其固結(jié)指標(biāo)很大程度會受物理指標(biāo)控制作用。通過對本地區(qū)工程實(shí)測河灘軟土物理指標(biāo)與固結(jié)指標(biāo)進(jìn)行spearman相關(guān)分析,選擇與固結(jié)指標(biāo)相關(guān)性較大的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行擬合分析,探究物理指標(biāo)對固結(jié)指標(biāo)的影響作用,并在此基礎(chǔ)上建立固結(jié)指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)公式。

作為在水利工程中常用的相關(guān)程度的量化指標(biāo),spearman相關(guān)分析是通過兩列成對等級的各對等級數(shù)之差進(jìn)行計(jì)算[11]。其適用范圍廣且對數(shù)據(jù)條件要求沒有積差相關(guān)系數(shù)嚴(yán)格。作為非參數(shù)相關(guān)系數(shù),spearman相關(guān)系數(shù)并不要求數(shù)據(jù)源滿足正態(tài)分布,線性約束以及同方差等嚴(yán)格的假設(shè)條件,因此具有更廣泛的適用性。不論變量總體分布形態(tài)、樣本容量大小如何,均可用spearman相關(guān)分析進(jìn)行研究[12]。將梅州地區(qū)梅州地區(qū)河灘軟土物理指標(biāo)與固結(jié)指標(biāo)進(jìn)行spearman相關(guān)分析,結(jié)果見表2。

表2 梅州地區(qū)河灘軟土物理指標(biāo)與固結(jié)指標(biāo)的spearman相關(guān)系數(shù)

根據(jù)梅州地區(qū)河灘軟土物理物理指標(biāo)與固結(jié)指標(biāo)的spearman相關(guān)分析所得相關(guān)系數(shù)結(jié)果,其中相關(guān)程度最高的3項(xiàng)為天然密度,孔隙比,含水率。由此說明,該地區(qū)河灘軟土壓縮系數(shù)和壓縮模量受天然密度,含水率和孔隙比的影響最為明顯。同時也體現(xiàn)天然密度,含水率和孔隙比此3項(xiàng)指標(biāo)可以為該土固結(jié)指標(biāo)推算的經(jīng)驗(yàn)公式的參數(shù)之一。

2.2 擬合

根據(jù)梅州地區(qū)河灘軟土物理指標(biāo)與固結(jié)指標(biāo)的spearman相關(guān)分析結(jié)果,將固結(jié)指標(biāo)相關(guān)程度較高的物理指標(biāo)與相應(yīng)的固結(jié)指標(biāo)進(jìn)行一元線性擬合結(jié)果(見圖2和表3)。

根據(jù)該地區(qū)河灘軟土固結(jié)指標(biāo)與含水率等高相關(guān)程度的物理指標(biāo)進(jìn)行的一元線性擬合結(jié)果,回歸方程的顯著系數(shù)r皆小于0.8,說明簡單的單變量線性分析不能很好體現(xiàn)這些物理指標(biāo)對壓縮系數(shù)(av1-2)和壓縮模量(Es)的影響作用。

表3 固結(jié)指標(biāo)與物理指標(biāo)的一元線性擬合結(jié)果

圖2 固結(jié)指標(biāo)與物理指標(biāo)的一元線性擬合

由于軟土的固結(jié)受多種物理量共同作用,分析單一物理量的影響不能很好得到土的固結(jié)指標(biāo)變化。故選擇多個實(shí)際工程中易測且對固結(jié)指標(biāo)影響作用明顯的物理指標(biāo)。將其與固結(jié)指標(biāo)進(jìn)行多元擬合,得到對應(yīng)經(jīng)驗(yàn)公式。實(shí)際工程中,土的天然密度ρ和含水率ω測定較為簡便?，F(xiàn)將該河灘軟土固結(jié)指標(biāo)與含水率ω、天然密度ρ進(jìn)行多元擬合,多元擬合結(jié)果見表4及圖3。

表4 固結(jié)指標(biāo)的多元擬合結(jié)果

圖3 固結(jié)指標(biāo)與含水率和天然密度的多元擬合

通過分別建立固結(jié)指標(biāo)(壓縮系數(shù)av1-2和壓縮模量Es)與含水率ω、天然密度ρ的三維散點(diǎn)分布圖及將其進(jìn)行線性曲面擬合如圖所示。得到回歸方程,其相關(guān)系數(shù)r都大于0.96。說明通過該回歸方作為較好得推算出該地區(qū)河灘軟土的固結(jié)指標(biāo)。將該方程可以作為該地區(qū)河灘軟土固結(jié)指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)公式。

3 結(jié)論

結(jié)合梅州地區(qū)沿河改造的水利及景觀工程的河灘軟土的土工試驗(yàn)數(shù)據(jù),運(yùn)用spearman相關(guān)分析方法,對其固結(jié)指標(biāo)進(jìn)行分析,所得結(jié)論如下:(1)梅州地區(qū)河灘軟土整體工程特性差、承載力偏低,具體體現(xiàn)于含水率高,天然密度小、孔隙比大、壓縮性高和抗剪強(qiáng)度低等的工程特性;(2)在進(jìn)行基礎(chǔ)可靠度設(shè)計(jì)時,可將其天然密度、土粒比重、干密度、飽和度和塑性指數(shù)一定條件下可視為定值。由于力學(xué)指標(biāo)變異系數(shù)較大,宜將力學(xué)指標(biāo)(固結(jié)指標(biāo)、抗剪指標(biāo))作為隨機(jī)變量來進(jìn)行處理;(3)根據(jù)spearman相關(guān)分析結(jié)果顯示,該軟土的其含水率ω,天然密度ρ及孔隙比e與固結(jié)指標(biāo)(壓縮系數(shù)av1-2和壓縮模量Es)的相關(guān)程度較高,宜將ω、ρ、e可作為相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)公式的變量指標(biāo);(4)通過多元回歸分析,建立了該地區(qū)河灘軟土易測指標(biāo)含水率ω、天然密度ρ指標(biāo)與固結(jié)指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)公式?？蔀轭愃乒こ毯拖嚓P(guān)規(guī)范修訂提供參考。