石家莊市及周邊土工參數(shù)空間特征分析

李海軍 尹紅云 張永輝 王 芳

(河北省水文工程地質(zhì)勘查院 石家莊 050021)

石家莊市位于華北地塊的太行山隆起與河北平原拗陷的過渡帶上，除西部邊緣為基巖殘丘之外，其余地帶皆為沖、洪積平原。地勢(shì)平坦，覆蓋物巨厚，總地勢(shì)自西向東，自西北向東南傾斜，地面平均坡降1.5‰左右。屬于第四系全新統(tǒng)，以沖洪積地層為主，局部存在新近堆積黃土狀土，土層主要由黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、砂類土等組成，其中粉質(zhì)黏土不論在面上還是在空間上，分布都最為廣泛。

本文通過對(duì)大量的土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納分析和系統(tǒng)研究，旨在說明研究區(qū)域的巖土物理力學(xué)指標(biāo)分布特征，揭示該地區(qū)土工參數(shù)間的相互關(guān)系，構(gòu)建相應(yīng)的參數(shù)模型。研究結(jié)果對(duì)于了解該區(qū)土質(zhì)學(xué)特征，特別是在人類工程活動(dòng)作用下的工程特性和產(chǎn)生的環(huán)境工程地質(zhì)問題的認(rèn)識(shí)有所幫助。

1 土層物理力學(xué)參數(shù)一般特征

依據(jù)石家莊市的地理特性，以石家莊市區(qū)為中心，輻射東、南、西、北四個(gè)方位，研究區(qū)域依次定為：鹿泉區(qū)(市西郊)、藁城區(qū)(市東郊)、正定區(qū)(市北郊)、欒城區(qū)(市南郊)和石家莊市區(qū)五個(gè)樣點(diǎn)。通過對(duì)大量的土工試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，確定0～60 m埋深的土層作為研究深度范圍，共計(jì)2114組土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.1 土質(zhì)

研究區(qū)內(nèi)的土質(zhì)以粉土和粉質(zhì)黏土為主，分別占樣品總數(shù)的49%和47%，黏土僅占4%。其中粉土主要分布在表層，深度范圍約為0～10 m，隨著深度的增加，土質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)為粉質(zhì)黏土，在10～30 m出現(xiàn)粉土與粉質(zhì)黏土互層，在30～50 m則以粉質(zhì)黏土為主，50～60 m為粉質(zhì)黏土與黏土互層。

1.2 孔隙比與壓縮性

研究區(qū)域的孔隙比數(shù)值范圍為0.399～1.230，平均值為0.699，土質(zhì)孔隙比適中、偏低，說明土質(zhì)相對(duì)比較密實(shí)。粉土、粉質(zhì)黏土及黏土孔隙比分別介于0.399～1.095、0.434～1.206和0.583～1.230，均值分別為0.682、0.706、0.818。壓縮系數(shù)介于0.047～1.350之間，均值為0.247。90%以上的土層壓縮系數(shù)av1-2范圍為0.100～0.500，為中壓縮性土。

1.3 液限與塑限

所統(tǒng)計(jì)土工成果數(shù)據(jù)中，液限最大值為49.6%，最小值為19.6%，平均值29.4%。塑限數(shù)據(jù)范圍為32.0%～12.4%，平均值為19.0%。土層的液性指數(shù)范圍為-0.31～0.98，均值為0.22，按照《巖土工程勘察規(guī)范GB 50021-2001》硬度標(biāo)準(zhǔn)，堅(jiān)硬土質(zhì)占總土樣的14.29%，硬塑土質(zhì)占42.86%，可塑土質(zhì)占40.82%，軟塑土質(zhì)2.03%，說明研究區(qū)域的土質(zhì)主要以硬塑和可塑為主。

2 土層物理力學(xué)參數(shù)空間上分布特征

針對(duì)研究范圍內(nèi)，五個(gè)樣點(diǎn)不同區(qū)域的土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，說明不同研究區(qū)域土工參數(shù)空間上的分布特征。通過對(duì)比分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

2.1 區(qū)域?qū)Ρ?/h3>

研究區(qū)域作為新生界含水層，地勢(shì)自西北向東南傾斜，各項(xiàng)指標(biāo)均呈現(xiàn)該變化規(guī)律。需要說明的是：一是壓縮系數(shù)，藁城地區(qū)最小。主要因?yàn)檗怀俏挥跊_、洪積平原的最底層，土粒結(jié)構(gòu)骨架的穩(wěn)定性較高，因此該地區(qū)巖土的抗壓性較強(qiáng)；二從粘聚力角度看，鹿泉區(qū)的粘聚力值最小。主要是因?yàn)槲鞑可絽^(qū)邊緣，巖土中親水性礦物物含量較多，如蒙脫石、伊利石及高嶺石等含量較多時(shí)，遇水后發(fā)生脹縮促使巖土抗剪強(qiáng)度降低，內(nèi)摩擦角值相對(duì)較大。

表1 不同區(qū)域土層物理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表

2.2 深度對(duì)比

針對(duì)研究區(qū)域的土層，以每5 m一個(gè)深度范圍作為土層統(tǒng)計(jì)單元，通過將各單元的試驗(yàn)參數(shù)值進(jìn)行加權(quán)平均，以說明土層各深度范圍的力學(xué)指標(biāo)與土層深度關(guān)系，分析結(jié)果如圖1所示。

石家莊及周邊均列屬于沖洪積平原地區(qū)，下游堆積形成洪積土層，顆粒在搬運(yùn)過程中因分選作用而呈現(xiàn)隨離山越遠(yuǎn)顆粒的粒徑越小，土粒間的結(jié)合水連接可能產(chǎn)生膠結(jié)連接或微弱的毛細(xì)連接，使土粒間的連結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)，土層的粘聚力增大。因此，研究區(qū)域內(nèi)，土的比重、粘聚力、塑性指數(shù)均隨深度的增加而增加，液性指數(shù)、壓縮系數(shù)隨深度的增加而逐漸減小。

隨著深度的增加，內(nèi)摩擦角在20度左右呈折線型震蕩。這主要是因?yàn)閮?nèi)摩擦角在巖土抗剪切過程中，受內(nèi)摩擦力和內(nèi)聚力共同支配的結(jié)果。在巖土顆粒較大時(shí)，剪切面上下部分土粒發(fā)生相互移動(dòng)，首先必須克服咬合力，然后粒間的摩擦阻力才起主要作用，內(nèi)摩擦角相對(duì)越大；而當(dāng)細(xì)粒土顆粒細(xì)小時(shí)，巖土的位移主要受土粒間連結(jié)強(qiáng)度的影響，因此，在0～60 m深度范圍內(nèi)，研究區(qū)域土層的內(nèi)摩擦角基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。

3 土工參數(shù)相互關(guān)系分析

地層作為地質(zhì)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)單元，各項(xiàng)物理參數(shù)之間密不可分，相互影響，每一層巖土都是一個(gè)系統(tǒng)的結(jié)合體，土性、地質(zhì)的特征是各項(xiàng)物理參數(shù)集體作用的綜合體現(xiàn)。因此，巖土參數(shù)間相關(guān)關(guān)系的研究是巖土力學(xué)研究的重要內(nèi)容。然而，由于地質(zhì)系統(tǒng)的空間異質(zhì)性決定了勘察工作的復(fù)雜性，工程勘察不可能面面俱到，致使勘察結(jié)果缺乏整體、全面、系統(tǒng)的定性。因此，對(duì)各項(xiàng)土工參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，并構(gòu)建預(yù)測(cè)回歸模型，將一個(gè)已知隨機(jī)變量推演另一個(gè)未知變量，有利于減少工程地質(zhì)勘探工作量和綜合工程地質(zhì)測(cè)試工作。

圖1 物理力學(xué)指標(biāo)與土層深度變化圖

利用SPSS軟件，通過對(duì)土層各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行Pearson雙側(cè)相關(guān)性分析，以說明不同深度以及各項(xiàng)物理指標(biāo)之間的相互關(guān)系(表2)。并綜合考慮各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)巖土定性和力學(xué)指標(biāo)的影響，選擇顯著性相關(guān)變量，構(gòu)建回歸模型(表3)。

3.1 液塑限經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

常規(guī)的液塑限試驗(yàn)方法采用的是聯(lián)合測(cè)定法，其理論基礎(chǔ)是土的含水率W與錐體下沉深度h在雙對(duì)數(shù)標(biāo)紙上具有直線關(guān)系。然而，相關(guān)研究表明聯(lián)合測(cè)定結(jié)果，具有一定的分散性，存在一定的誤差。相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌蜥槍?duì)液塑限的測(cè)定值進(jìn)行適時(shí)校正，從而提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

表2中，液限與塑限、液限與塑性指數(shù)間均呈極顯著相關(guān)，構(gòu)建其間的一元回歸模型，結(jié)果如下：

塑性指數(shù)(IP)與液限(WL)關(guān)系式：

IP=0.491WL-3.879

塑限(WP)與液限(WL)關(guān)系式：

WP=0.509WL+3.879

3.2 力學(xué)指標(biāo)回歸模型

巖土試驗(yàn)空間方面的局限性，以及取樣過程中往往存在一定的誤差，使有些土工試驗(yàn)結(jié)果不能客觀反映工程的實(shí)際情況。比如內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角作為細(xì)粒土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，通常采用室內(nèi)直接剪切進(jìn)行試驗(yàn)，然而，直剪儀存在不能有效的控制排水、上下盒之間的縫隙造成剪應(yīng)力和剪切面方法偏差等缺點(diǎn)。因此，針對(duì)石家莊市及周邊地區(qū)，通過構(gòu)建各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)與相關(guān)影響因子之間的回歸模型，用于土工試驗(yàn)過程進(jìn)行參考或校正。

表3中構(gòu)建的多元線性回歸模型的判定系數(shù)R2均在0.900以上，說明預(yù)測(cè)模型代表性較強(qiáng)，精度較高。

4 結(jié)論

研究區(qū)內(nèi)的土質(zhì)以粉土和粉質(zhì)黏土為主，粉土主要分布在表層，隨著深度的增加，土質(zhì)逐漸變?yōu)榉圪|(zhì)黏土。90%以上為中壓縮性土，以硬塑和可塑為主。

表2 各項(xiàng)物理指標(biāo)相關(guān)分析

注：**. 在 0.01 水平(雙側(cè))上極顯著相關(guān)；*. 在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

表3 物理力學(xué)指標(biāo)與影響因子回歸模型

注：/表示剔除的非顯著性相關(guān)因子

各項(xiàng)指標(biāo)均呈現(xiàn)自西北向東南較明顯的變化規(guī)律。在土層深度上，比重、粘聚力、塑性指數(shù)隨深度的增加而增加，液性指數(shù)、壓縮系數(shù)隨深度的增加而逐漸減小。

通過對(duì)土工參數(shù)之間進(jìn)行Pearson雙側(cè)相關(guān)性分析，不同深度土層的土工各項(xiàng)參數(shù)之間呈顯著相關(guān)水平。構(gòu)建的參數(shù)回歸模型，模型代表性較強(qiáng)，精度較高，在該研究區(qū)域范圍內(nèi)，具有一定的實(shí)際參考價(jià)值。

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