北京粉質(zhì)粘土層土性參數(shù)概率特性

卜凡杰 李小勇

摘要：北京地區(qū)的主要土層為粉質(zhì)粘土，文章根據(jù)北京地鐵8號(hào)線(xiàn)等工程的勘察資料，對(duì)北京地區(qū)的粉質(zhì)粘土層土性參數(shù)概率特性進(jìn)行了分析研究，歸納總結(jié)了土性參數(shù)的變異性及其概率分布模型，并得出了部分物理力學(xué)性能的經(jīng)驗(yàn)公式以供工程參考。

關(guān)鍵詞：粉質(zhì)粘土；土性參數(shù)；變異系數(shù)；概率模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TU442 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2012）03-0157-02

可靠性理論始創(chuàng)于第二次世界大戰(zhàn)期間，在戰(zhàn)后才得到了完善與發(fā)展，并且在許多工程領(lǐng)域內(nèi)得到了應(yīng)用，取得了顯著的成效。20世紀(jì)70年代后期，我國(guó)的巖土工程方面的可靠性研究才剛剛開(kāi)始，但是發(fā)展速度快，本文主要研究的是北京地區(qū)的粉質(zhì)粘土層的參數(shù)性質(zhì)，并進(jìn)行相應(yīng)的分析比較統(tǒng)計(jì)，得出適用于工程實(shí)際的參考經(jīng)驗(yàn)公式。

一、土層形成歷史和野外地質(zhì)特征

北京地區(qū)位于華北平原北部邊緣，北部、西部為山區(qū)，屬于燕山和太行山余脈，大地構(gòu)造位置處于新華夏、陰山緯向和祁呂～賀蘭山字型東翼三個(gè)構(gòu)造體系的交匯部位，新華夏系第二沉降帶與第三隆起帶之間。其中新華夏構(gòu)造體系活動(dòng)性強(qiáng)，控制著北京地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的基本格局、地貌基本形態(tài)和地震活動(dòng)。第四紀(jì)以來(lái)，新華夏構(gòu)造體系仍在繼續(xù)活動(dòng)，是主要發(fā)震的地震構(gòu)造體系。北京新華夏構(gòu)造體系處于太行隆起帶與華北沉降帶交匯部位的北端，活動(dòng)斷裂較為發(fā)育，其中北東向和北西向斷裂是構(gòu)成北京地區(qū)構(gòu)造格局的兩組主要斷裂，控制著北京山區(qū)和平原第四紀(jì)的構(gòu)造輪廓。北西向斷裂活動(dòng)幅度較大，對(duì)沉積物的分布有明顯的控制作用。

在第三紀(jì)，北京平原已形成“兩隆一凹”的構(gòu)造格局。以八寶山—高麗營(yíng)斷裂和南苑—通縣斷裂為界，北京平原劃分為京西隆起、北京凹陷和大興隆起三個(gè)構(gòu)造單元。

第四紀(jì)以來(lái)，新構(gòu)造格局由“兩隆一凹”變?yōu)椤皟砂家宦　?。原“北京凹陷”隆起，與大興隆起形成一個(gè)塊體，沿著良鄉(xiāng)—順義斷裂向南傾斜。原“京西隆起”因北京西山抬升和八寶山斷裂以南地塊隆起，形成了凹陷區(qū)，以北東向與北西向斷裂為界線(xiàn)。

北京地區(qū)的土層特點(diǎn)是：大部分地區(qū)土層均勻分布，個(gè)別地區(qū)有雜質(zhì)夾層。通過(guò)工程資料統(tǒng)計(jì)總結(jié)，得出了北京地區(qū)野外地質(zhì)特征是：土層主要是第四紀(jì)沉積土，地下水位適中，上層雜填土呈褐黃色，稍濕，土質(zhì)成分為粉土及粘性土；粉土，褐黃色，稍濕，土質(zhì)不均，局部夾粉質(zhì)粘土薄層，偶見(jiàn)灰色條紋；主要土層為粉質(zhì)粘土，黃褐色，可塑，含云母片氧化鐵，偶見(jiàn)有機(jī)質(zhì)，土質(zhì)不均，局部分布粉土薄層；砂礫土，褐黃色部分黃褐色，稍濕，密實(shí)，顆粒成份主要為石英、長(zhǎng)石，含云母片，偶見(jiàn)圓礫及個(gè)別卵石。

二、土性參數(shù)變異性

經(jīng)過(guò)大自然的地質(zhì)構(gòu)造變遷，巖土的土層土性也表現(xiàn)出了很大的差異性。土層土性參數(shù)的變異性原因主要包含兩個(gè)方面：一是土體本身的原因，主要是土體本身的不均勻性。二是取土技術(shù)上的原因。取土方式方法，土體的運(yùn)輸、儲(chǔ)存，試驗(yàn)設(shè)備及技術(shù)方法的差別。

我們引用變異系數(shù)來(lái)表示土層土性參數(shù)的變異性，它既能反映出實(shí)驗(yàn)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，也能反映出所抽取土樣的特征特性的變異，能夠?qū)τ谒芯康耐列詤?shù)整體水平有一個(gè)綜合良好的反映。

根據(jù)北京地鐵8號(hào)線(xiàn)工程場(chǎng)地的巖土工程勘察和實(shí)驗(yàn)資料，對(duì)北京地區(qū)第四紀(jì)沉積土中粉質(zhì)粘土的天然含水量w，天然密度ρ，塑性指數(shù)IP，孔隙比e等4個(gè)物理指標(biāo)和內(nèi)摩擦角ψq、、粘聚力Cq、壓縮指數(shù)Cc、壓縮系數(shù)α1-2等4個(gè)力學(xué)指標(biāo)的均值范圍及變異系數(shù)范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出下列兩個(gè)統(tǒng)計(jì)表格：

通過(guò)以上的統(tǒng)計(jì)分析，可以歸納總結(jié)以下幾個(gè)結(jié)論：

1．在北京地區(qū)，土層各項(xiàng)物理指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)的均值范圍變化較小。這表示北京土層整體均勻分布，在北京地區(qū)工程勘察設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)局部區(qū)域粉質(zhì)粘土層的分析研究，推廣并指導(dǎo)全北京市范圍內(nèi)的巖土工程勘察設(shè)計(jì)，研究很具有代表性和可行性。

2．對(duì)比分析上列表中的變異系數(shù)范圍的變化趨勢(shì)可知，上層粉質(zhì)粘土層土性參數(shù)變異性較大，其主要影響因素是：土體表層直接受天氣氣候條件的影響、地下水位的變化影響、人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)影響等。

3．北京地區(qū)的“兩凹一隆”地區(qū)的土性參數(shù)的變異系數(shù)變化規(guī)律范圍值基本一致。

4．順義凹陷地帶的土性參數(shù)的變異系數(shù)比其他兩個(gè)地帶的變異系數(shù)大，這主要是因?yàn)轫樍x凹陷是北京西山抬升和八寶山斷裂以南地塊隆起所致。

5．因?yàn)橥翆拥拿芏鹊淖儺愊禂?shù)很小，所以在用概率方法計(jì)算變形和穩(wěn)定時(shí)，不需要考慮密度和重度的影響。而天然含水量、孔隙比的變異性比較明顯，所以在土層分析和研究中一般要考慮。

6．壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)的變異系數(shù)范圍值較大，所以在估計(jì)建筑物的沉降量時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的偶然誤差，因此在進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)時(shí)，應(yīng)該考慮壓縮指數(shù)和壓縮系數(shù)的變異系數(shù)對(duì)工程的影響。

三、設(shè)計(jì)參數(shù)的概率分布模型

在對(duì)巖土工程的估測(cè)失效概率、可靠性分析時(shí)，為了更深入地對(duì)土體設(shè)計(jì)參數(shù)概率分布進(jìn)行研究，本文引用了大家能夠直觀了解的正態(tài)分布模型，另外正態(tài)分布模型也易于用數(shù)學(xué)公式處理數(shù)據(jù)。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和研究證明，巖土中的土體設(shè)計(jì)參數(shù)概率分布不是所有都屬于正態(tài)分布的。即便k2檢驗(yàn)說(shuō)明正態(tài)分布與經(jīng)驗(yàn)分布沒(méi)有較大的差異，但是他們的分布范圍是不同的。設(shè)計(jì)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)分布一般是在有限的范圍內(nèi)，不會(huì)得到負(fù)值，但正態(tài)分布一般是在-∞～+∞的范圍內(nèi)。

β分布表示的是土體的一定范圍內(nèi)的分布，而且對(duì)于很多的設(shè)計(jì)參數(shù)都適應(yīng)。本文的研究結(jié)果表明：用β分布對(duì)土層的壓縮模量、直剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行分析是很理想的。研究結(jié)果表3：

四、物理力學(xué)指標(biāo)間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系

在巖土工程中，經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)土性參數(shù)的設(shè)計(jì)和分析應(yīng)用比較廣泛，而且能夠定量地描述若干土性指標(biāo)間的關(guān)系，也可以用來(lái)估測(cè)土層的設(shè)計(jì)參數(shù)。在分析土體的力學(xué)指標(biāo)和物理指標(biāo)的相關(guān)性時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的土體結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同的參數(shù)選取，例如飽和粉質(zhì)粘土中的土體孔隙中含有的水分是影響其力學(xué)指標(biāo)的主要因素；對(duì)于不連續(xù)的介質(zhì)來(lái)說(shuō)，孔隙率的大小是影響其物理指標(biāo)的主要因素。即當(dāng)土體處于完全飽和狀態(tài)，顆粒的比重G是個(gè)常數(shù)時(shí)，e和w具有線(xiàn)性相關(guān)性，服從e=wG的關(guān)系。

五、結(jié)論

該文系統(tǒng)地介紹了土體物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)間的相關(guān)性，歸納總結(jié)了其變異性規(guī)律，并得出了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，通過(guò)回歸性分析和相關(guān)性分析的檢驗(yàn)，說(shuō)明了得出的經(jīng)驗(yàn)公式具有一定的實(shí)際使用價(jià)值，對(duì)工程勘察、場(chǎng)地選址的可行性研究具有一定的參考價(jià)值。但是，土的各種特性與土的形成歷史、礦物成分、顆粒組成等因素有關(guān)，該文中經(jīng)驗(yàn)關(guān)系只是北京地區(qū)一些勘察資料的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，因此可推廣到北京部分地區(qū)使用，其他地區(qū)可借此作為參考。

參考文獻(xiàn)

[1]高大釗．土力學(xué)可靠性原理[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1989.

[2]李小勇．太原粉質(zhì)粘土工程性質(zhì)指標(biāo)的概率統(tǒng)計(jì)特征

[D]．太原理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，1999.

[3]李小勇．土工參數(shù)空間概率特性及軟粘土地基固結(jié)概率分析[D]．浙江大學(xué)博士學(xué)位論文，2001.

[4]李小勇．太原粉質(zhì)粘土工程性質(zhì)指標(biāo)概率特征的分析和研究[J]．太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，（3）.

（責(zé)任編輯：文森）