中山港地區(qū)軟土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析

梁仕華, 戴　君

(廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

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中山港地區(qū)軟土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析

梁仕華, 戴君

(廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

摘要:以中山港地區(qū)軟土為主要研究對(duì)象，將現(xiàn)場(chǎng)收集、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和原位測(cè)試得到的一系列的物理、力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并將統(tǒng)計(jì)結(jié)果與南沙和整個(gè)珠三角地區(qū)的軟土進(jìn)行了對(duì)比分析.分析結(jié)果表明：雖然該地區(qū)軟土的含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)的變化范圍均要低于其他兩處，但其本身的抗剪強(qiáng)度低，力學(xué)特性仍較差.通過(guò)建立各項(xiàng)指標(biāo)間的線性和非線性回歸方程，研究其相關(guān)性程度，得知其孔隙比、含水率、干密度間的相關(guān)性最佳.通過(guò)分析中山港地區(qū)不同區(qū)域軟土的含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)、黏聚力4項(xiàng)土性指標(biāo)沿深度的變化規(guī)律，揭示了其區(qū)域性差異特性.研究結(jié)果可供該地區(qū)工程建設(shè)參考.

關(guān)鍵詞:軟土； 中山港地區(qū)； 物理力學(xué)指標(biāo)； 相關(guān)性程度； 縱向變化規(guī)律

珠江三角洲地區(qū)的軟土主要屬于濱海相沉積軟土，是在海陸相交錯(cuò)作用下，軟土層和砂層交錯(cuò)沉積形成的，土層內(nèi)多為尖滅或透鏡體，分選程度差，結(jié)構(gòu)疏松，軟土層一般較厚且不穩(wěn)定[1].本文研究的中山港地區(qū)位于珠江西口岸，屬珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)，其地貌單元為珠江三角洲海陸交互相沉積平原區(qū).該地區(qū)基巖上的土層主要包括填土層和第四系沖積層.第四系沖積層(Qmc、Qac)是由沖積層和海陸交互相沉積層組成的，該層廣泛分布著由淤泥、淤泥質(zhì)土組成的軟土，而軟土較差的物理力學(xué)特性使得該層在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)和施工中成為薄弱環(huán)節(jié)[2].此外，軟土具有很強(qiáng)的空間變異性，即使在同一區(qū)域的不同地方，軟土的土性指標(biāo)數(shù)據(jù)和工程特性也不盡相同，因此掌握中山港地區(qū)軟土的成因、分布、物理和力學(xué)特性對(duì)該地區(qū)的地基處理方案的選擇和工程建設(shè)具有至關(guān)重要的作用[3].

本文利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)中山港地區(qū)軟土的土性指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到各項(xiàng)指標(biāo)的范圍值、平均值、變異系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)值等，并建立合適的回歸方程，分別對(duì)淤泥和淤泥質(zhì)土的土性參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了分析，選擇不同區(qū)域軟土的主要物理力學(xué)指標(biāo)分析其縱向變化規(guī)律.分析結(jié)果為中山港地區(qū)軟土的研究和工程建設(shè)提供了一定的借鑒.

1物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)及相關(guān)性分析

1.1淤泥、淤泥質(zhì)土的物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)土性指標(biāo)特征的研究是巖土工程參數(shù)的取值和可靠度分析的基礎(chǔ)，也是確定地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)分項(xiàng)系數(shù)的主要技術(shù)參數(shù)之一[4-5].收集中山港地區(qū)152個(gè)原狀土，通過(guò)土工試驗(yàn)，得到其物理力學(xué)指標(biāo)(含水率ω、濕密度ρo、干密度ρd、比重Gs、孔隙比e、飽和度Sr、液限ωL、塑限ωp、塑性指數(shù)Ip、液性指數(shù)IL、壓縮系數(shù)a1-2、壓縮模量Es、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ等)數(shù)據(jù)，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果如表1和表2所示，試驗(yàn)結(jié)果表明中山港地區(qū)軟土主要具有以下特性.

(1) 含水量高、孔隙比大.

軟土的含水量在38.5%～74.3%之間，液限的變化范圍為34.2%～58.6%，含水率均接近或超過(guò)液限，這表明該地區(qū)軟土主要處于流塑狀態(tài).其中淤泥的含水率明顯高于液限，而淤泥質(zhì)土的含水率則與液限接近.軟土的孔隙比主要集中在1.2～1.6之間，其中淤泥的孔隙比在1.476～2.014之間，淤泥質(zhì)土的在1.057～1.496之間.

(2) 高壓縮性.

軟土的壓縮性高，其中壓縮系數(shù)a的變化范圍在0.6～1.96 MPa-1之間，壓縮模量Es在1.38～3.42 Mpa范圍內(nèi)，屬高壓縮性土.其中淤泥的壓縮系數(shù)在1.18～1.96 MPa-1范圍內(nèi)，淤泥質(zhì)土的在0.60～1.66 MPa-1之間.

表1　中山港地區(qū)淤泥物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

表2　中山港地區(qū)淤泥質(zhì)土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

(3) 低抗剪強(qiáng)度.

軟土的抗剪強(qiáng)度低，其中淤泥質(zhì)土的黏聚力在0.8～16.6 kPa之間，內(nèi)摩擦角在1.9°～15.3°之間，淤泥的黏聚力在1.0～5.9 kPa范圍內(nèi)，內(nèi)摩擦角在1.17°～7.5°之間.

軟土的工程性質(zhì)同生成環(huán)境及外界條件變化關(guān)系密切，同一區(qū)域因歷史變遷相近，軟土的工程性質(zhì)往往表現(xiàn)出一定的規(guī)律性[6].依據(jù)上述結(jié)論，將中山港地區(qū)軟土與廣州南沙地區(qū)、整個(gè)珠江三角地區(qū)軟土的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，參閱相關(guān)文獻(xiàn)[7-10]得出表3.

表3　南沙地區(qū)和珠江三角洲軟土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)表3可得，中山港地區(qū)軟土的含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)所處的變化范圍均比南沙地區(qū)的要小，黏聚力稍大，塑性指數(shù)相近，說(shuō)明二者黏粒含量相近，但中山港地區(qū)軟土的力學(xué)性質(zhì)稍好.在整個(gè)珠江三角洲地區(qū)，中山港地區(qū)的軟土含水率、孔隙比、液限、塑性指數(shù)、壓縮系數(shù)均處于較低的變化范圍內(nèi)，說(shuō)明中山港地區(qū)的軟土相對(duì)來(lái)說(shuō)變異性更小.

1.2淤泥、淤泥質(zhì)土的物理力學(xué)指標(biāo)相關(guān)性分析

軟土的土性參數(shù)間存在一定的相關(guān)關(guān)系，通過(guò)利用中山港地區(qū)152個(gè)原狀土數(shù)據(jù)，選擇式(1)～(5)所示的一元線性回歸方程和非線性回歸方程，以最小均方差為最佳擬合，對(duì)淤泥和淤泥質(zhì)土分別建立回歸方程，得到物理力學(xué)指標(biāo)間的相關(guān)性程度如表4、表5和圖1所示.

Y=ax+b,

(1)

Y=ax2+bx+c,

(2)

Y=aln(x)+b,

(3)

Y=aebx,

(4)

Y=axb.

(5)

表5　淤泥質(zhì)土物理力學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性

圖1　軟土物理力學(xué)指標(biāo)間相關(guān)曲線

分析表5、表6和圖1可得到以下結(jié)論:

(1) 軟土的含水率與孔隙比、干密度、液限均有顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在0.631～0.995之間，并且淤泥的含水率與干密度、孔隙比相關(guān)性甚好，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.9以上，其中淤泥的含水率與內(nèi)摩擦角也有一定的負(fù)相關(guān)性，這與陳文慶[11]所得的結(jié)論相近，即在一般情況下，用同一種試驗(yàn)方法，相同孔隙比的淤泥，含水率越大，內(nèi)摩擦角越小.

(2) 軟土的孔隙比與壓縮系數(shù)、液限、干密度均有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在0.586～0.996范圍內(nèi)，但淤泥的上述指標(biāo)間的相關(guān)性要明顯好于淤泥質(zhì)土的，其中淤泥的孔隙比與干密度間的相關(guān)性最佳，R值達(dá)到了0.996.此外，淤泥的孔隙比與內(nèi)摩擦角也有一定的相關(guān)性.

(3) 淤泥的內(nèi)摩擦角還與濕密度有關(guān)，濕密度越大，內(nèi)摩擦角越小.淤泥的液限和塑性指數(shù)，濕密度與壓縮系數(shù)也均有顯著的相關(guān)性，通常情況下，相同孔隙比的黏性土濕密度越大,壓縮系數(shù)越?。粷衩芏认嗤酿ば酝量紫侗仍酱?壓縮系數(shù)越小[12].對(duì)于淤泥質(zhì)土而言，除液限與塑性指數(shù)的相關(guān)性顯著外，上述其他參數(shù)的相關(guān)性均不佳，說(shuō)明該地區(qū)淤泥質(zhì)土受土性參數(shù)指標(biāo)影響的情況比較復(fù)雜，土性參數(shù)間的相關(guān)性也存在區(qū)域性差異.

2主要物理力學(xué)指標(biāo)隨土層深度的變化趨勢(shì)

通過(guò)對(duì)不同區(qū)域不同深度土層的物理力學(xué)指標(biāo)的分析，可以研究地基土工程地質(zhì)性質(zhì)的縱向及其空間的變化規(guī)律[13].在中山港地區(qū)7個(gè)不同鎮(zhèn)(區(qū))的工地上收集軟土的土樣，選取含水率ω、孔隙比e、壓縮系數(shù)a、黏聚力c進(jìn)行分析研究，分別得到不同區(qū)域的土性參數(shù)隨土層深度的變化情況，如圖2和圖3所示.

圖2　淤泥物理力學(xué)指標(biāo)隨深度變化

圖3　淤泥質(zhì)土物理力學(xué)指標(biāo)隨深度變化

從圖2中可以看出，不同區(qū)域淤泥的分布情況和土性指標(biāo)變化情況均不同，中山港地區(qū)淤泥土層的分布范圍大概在2～12 m之間，但由于開(kāi)發(fā)區(qū)地區(qū)緊鄰河道匯合處，因此該處淤泥土層較厚，最深處達(dá)到近15 m.從不同區(qū)域的土性指標(biāo)縱向變化曲線來(lái)看，上述區(qū)域大部分土層的含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)均隨土層深度的增加而減小，黏聚力則隨之增大，說(shuō)明這些區(qū)域的淤泥在沉積過(guò)程中，基本能得到正常的固結(jié)和壓密.但在中山城南地區(qū)，淤泥土層深度大致為9 m的范圍內(nèi)出現(xiàn)了薄弱層，其含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)均出現(xiàn)突增的情況，而黏聚力則驟減，說(shuō)明在此范圍內(nèi)軟土的工程特性較差，因此在施工中應(yīng)著重注意對(duì)該范圍土層的處理.

從圖3可以看出，中山港地區(qū)的淤泥質(zhì)土土層較厚，在3～30m范圍內(nèi)均有分布，但在某些區(qū)域內(nèi)土層分布并不連續(xù)，如東升鎮(zhèn)和民眾鎮(zhèn)的淤泥質(zhì)土土層之間又摻雜了其他土層，因此處理起來(lái)較為復(fù)雜.從不同區(qū)域的土性指標(biāo)縱向變化曲線來(lái)看，大部分區(qū)域的部分土層均能得到正常的固結(jié)和壓密，但在阜沙鎮(zhèn)、民眾鎮(zhèn)8～10m的土層范圍內(nèi)，東升鎮(zhèn)22～28m的土層范圍內(nèi)，均出現(xiàn)了土性指標(biāo)突變的情況，且變化規(guī)律與土層深度并無(wú)關(guān)系，說(shuō)明該范圍內(nèi)的淤泥質(zhì)土未能得到正常固結(jié)和壓密，工程力學(xué)特性差，對(duì)工程施工不利.

這一結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)[14-15]中描述的中山地區(qū)的地形地貌特征相吻合：中山地區(qū)的主要河道集中在西北部，河網(wǎng)密度自西向東逐漸增大，平原被其分割成許多塊體，因此在中山港的西部和北部也廣泛分布著較厚的軟土層，而中部以及東南部的軟土層相對(duì)較薄.

3結(jié)論

(1) 通過(guò)大量的室內(nèi)試驗(yàn)得到軟土的物理力學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)，研究結(jié)果顯示，中山港地區(qū)的軟土含水率高(38.5%～74.3%)、孔隙比大(1.057～2.014)、壓縮系數(shù)高(0.60～1.96)、抗剪強(qiáng)度低(0.8～16.6).

(2) 通過(guò)建立擬合度最佳的回歸方程得出：軟土的含水率、孔隙比、干密度之間有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均在0.7以上.此外，淤泥的孔隙比與干密度，濕密度與壓縮系數(shù)、內(nèi)摩擦角也有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在0.805～0.996之間；而淤泥質(zhì)土的液限與含水率、塑性指數(shù)也有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.806、0.829，但淤泥質(zhì)土的其他的土性參數(shù)間的相關(guān)性并不明顯，體現(xiàn)了土性的差異性.

(3) 選擇中山港地區(qū)不同區(qū)域軟土的含水率ω、孔隙比e、壓縮系數(shù)a、黏聚力c建立其隨土層深度的變化規(guī)律曲線，通過(guò)分析得出：中山港地區(qū)軟土土層較厚且分布不均，在0～30m范圍內(nèi)均有分布.該地區(qū)部分區(qū)域土層軟土的含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)均能隨土層深度的增加而減小，而黏聚力則隨之增大，但仍存在局部的軟弱夾層，工程特性差.分析結(jié)果為中山港地區(qū)地質(zhì)特性的研究和工程建設(shè)提供了參考依據(jù).

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A Statistical Analysis on Physical and Mechanical Indexes of Soft Soil in Zhongshan Port Area

Liang Shi-hua, Dai Jun

(School of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Abstract:This paper takes the soft soil in Zhongshan port area as the research object. Many physical and mechanical indexes obtained from the spot, laboratory test and in-situ test have been analyzed. The results, which are compared with the soft soil from Nansha and Pearl River Delta, indicate that the variation of the water content, void ratio, compressibility in here are lower than these in other places. But its mechanical characteristics are still poor because of its low bearing capacity. In order to understand the relationship between the indexes, the linear and nonlinear regression equations are established. This research shows that the correlations of void ratio, moisture content and dry density in this area are the best. By analyzing the water content, void ratio, compression coefficient and cohesive force in different places in Zhongshan port area to describe the longitudinal variation curve, the curve shows that the soil indicators of the longitudinal change rule have regional differences. The results can be used for reference in the engineering construction in this area.

Key words:soft soil; Zhongshan port area; physical and mechanical indexes; the degree of correlation; longitudinal change rule

收稿日期:2015- 09- 22

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(511788112);珠江科技新星專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2011J2200018);廣東省高等教育高層次人才項(xiàng)目(2050205)

作者簡(jiǎn)介:梁仕華(1976-)，男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)檐浕幚砑盎庸こ? E-mail:shihua_l@126.com

doi:10.3969/j.issn.1007- 7162.2016.03.015

中圖分類(lèi)號(hào):TU411

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1007-7162(2016)03- 0081- 07