土體物理力學(xué)性質(zhì)相關(guān)性分析
——以云南省德宏州遮放盆地土體為例

繆宇，何茂源

(武警黃金第十支隊(duì)，昆明 650001)

土體不是一般土層的組合體，而是與工程建筑的穩(wěn)定性、變形程度有關(guān)的土層組合體。土體是由厚薄不等、性質(zhì)各異的若干土層，以特定的層序組合。土體的物理力學(xué)性質(zhì)對工程穩(wěn)定性、區(qū)域地質(zhì)評價(jià)起到重要的作用。2017年以來，武警黃金第十支隊(duì)在遮放盆地地區(qū)開展了1∶50 000土體剖面調(diào)查和區(qū)域土體點(diǎn)調(diào)查，取得了重要的成果。本文以德宏州遮放盆地土體為例，結(jié)合土體的物理性質(zhì)及其承載力的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)學(xué)和相關(guān)性分析，總結(jié)出一套土體各物理性質(zhì)及其力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性研究，期望對土體研究調(diào)查起到淺顯的實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

德宏州遮放鎮(zhèn)位于遮放盆地北西方向，行政劃分隸屬于德宏州芒市，區(qū)內(nèi)路網(wǎng)密集，測區(qū)陸路交通較為便利。杭瑞高速(G56)和國道(G320)呈北東向縱貫測區(qū),與省會昆明及周邊地區(qū)相通；省道(S320)從芒海鎮(zhèn)經(jīng)遮放鎮(zhèn)、勐約鄉(xiāng)至隴川縣城[1]。遮放盆地位于龍陵-瑞麗斷裂帶上[2]，區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，芒市河貫穿全區(qū)，南西方向龍江穿流而過。區(qū)內(nèi)主要出露有第四系沖擊層(圖1)，分布于遮放盆地中央，長軸方向與芒市河走向一致，北東-南西向展布，面積約70 km2。土體類型以粒度較細(xì)的粉質(zhì)黏土、粉土及細(xì)砂土為主；新近系芒棒組主要位于巖體與第四系土體中間過渡部位，地形上分布于遮放盆地外圍，面積58 km2，土體類型以粒度較粗的粗砂土及碎(卵)石為主[3-4](圖2)。

圖1 遮放盆地巖土體分布圖

遮放盆地土體主要位于盆地河谷區(qū)[5],土體類型主要為碎(卵)石(圖3-a)、中粗砂(圖3-b)、細(xì)砂(圖3-c)、粉土(圖3-d)、粉質(zhì)黏土(圖3-e)、黏土等。土體厚度普遍大于5 m，分布面積12 km2。粉質(zhì)黏土分布最為廣泛，主要分布于第四系沖擊層中，總面積約60 km2，占盆地河谷區(qū)總面積的46.9%，其平面分布特征是主要沿地形平緩的盆地河谷中心區(qū)域分布(見圖2)；分布次廣的是碎石土，總面積60.99 km2，占盆地河谷區(qū)總面積的40.37%，其平面分布特征是主要沿地形稍緩的盆地邊緣分布；粉土分布面積較小，主要沿地形稍陡的遮放盆地南側(cè)山坡腳分布；黏土主要沿盆山結(jié)合帶巖溶溝槽分布；細(xì)砂主要沿龍江河和芒市河兩岸淺表層及河心灘分布；中砂、粗砂主要淺埋于細(xì)砂之下；卵石主要沿龍江河底分布；淤泥主要沿常年積水的池塘零星分布。

圖2 遮放盆地土體類型分布圖

2 土工樣品采集分析及承載力試驗(yàn)方法

利用便攜式地基承載力檢測-存儲-采集儀對土體承載力進(jìn)行測試，測試位置與原狀土樣采坑位置一致，采用五點(diǎn)平均法計(jì)算該土體承載力等相關(guān)力學(xué)參數(shù)[6](圖4-a)。

研究區(qū)土工樣品的采集主要采取環(huán)刀法對原狀土樣進(jìn)行采集[7]，不銹鋼環(huán)刀尺寸(內(nèi)徑61.8 mm、高20 mm/40 mm)，在200 m2土體范圍內(nèi)均勻挖掘6個(gè)深約30 cm的采坑(圖4-b)，區(qū)域內(nèi)各采集一個(gè)環(huán)刀樣，對土體密度、比重、孔隙比、飽和度、液限和塑限、液限和塑限指數(shù)、壓縮系數(shù)和壓縮模量、垂直滲透系數(shù)等進(jìn)行分析測試；并用樣袋分別裝取2 kg擾動土樣，對土體顆粒百分比及含水率進(jìn)行測試[8-9]，周期不超過10 d。分析測試單位：國土資源部昆明礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心。土體物理性質(zhì)分析測試結(jié)果見表1。

3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

3.1 二元統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

遮放盆地土體承載力見表1，盆地內(nèi)粉質(zhì)黏土類分布最廣，因此在承載力試驗(yàn)個(gè)數(shù)中也較多，力試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用五點(diǎn)平均法進(jìn)行計(jì)算，并分別計(jì)算各類型土體平均承載力，進(jìn)行二元統(tǒng)計(jì)得出二元線性關(guān)系圖解(圖5)。根據(jù)線性關(guān)系圖解可以看出承載力隨著土體顆粒度、骨架顆粒含量、孔隙度的增長而降低，呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系；隨著粘粒含量的增加而增大，呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。因此土體的顆粒度大小、骨架顆粒含量、孔隙度、粘粒含量等是制約承載力大小的關(guān)鍵因素。但具體各土體物理參數(shù)間的相關(guān)性及其與承載力的關(guān)系而需進(jìn)一步進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)學(xué)的分析。

承載

(a)碎(卵)石；(b)中粗砂土(含貝殼類包含物)；(c)細(xì)砂土；(d)粉土；(e)粉質(zhì)黏土；(f)粉土與粉質(zhì)黏土垂直互層圖3 遮放盆地各類型土體宏觀照片

圖4 土體承載力試驗(yàn)及環(huán)刀法采原狀土樣照片

承載力/kPa粉質(zhì)黏土粉土淤泥細(xì)砂土中粗砂土1455.4298.8249.313177.12445.7219.1269.8117.686.13450.1423.4108.34403.2449.870.95414.9456.880.16269.8372.7113.97368.7219.872.28438.6219.29442.0161.110414.911284.312332.213275.914287.015325.016217.617287.4平均承載力/kPa359.57313.41259.5599.1481.60

圖5 遮放盆地各類型土體承載力線性關(guān)系圖

3.2 多元統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

3.2.1 相關(guān)性分析

對遮放盆地土體承載力特征及其各物理參數(shù)(表2)進(jìn)行處理，并分析其相關(guān)性，從相關(guān)系數(shù)(表3)可以看出[10]，土體力學(xué)性質(zhì)方面：承載力Fa與塑性指數(shù)Ip呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.614；其次為比重Gs，相關(guān)系數(shù)為0.215，表現(xiàn)為弱相關(guān)性。與液限指數(shù)IL及垂直滲透系數(shù)Kv呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.742、-0.674。

土體各物理性質(zhì)方面：首先孔隙度e0與含水率W具有明顯的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.647；同時(shí)含水率對土體液限WL、塑限Wp具明顯的決定性，相關(guān)系數(shù)分別為0.723、0.904。密度ρ與干密度ρd二者具明顯的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.88，但二者受孔隙度e0的制約，與孔隙度e0、ei呈明顯的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為-0.86、-0.96；同時(shí)密度ρ與干密度ρd與液限WL、塑限Wp呈明顯的負(fù)相關(guān)，即密度越大，液限和塑限值越??；與飽和度Sr呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.74。孔隙度e0是制約液限WL、塑限Wp的關(guān)鍵，孔隙度e0越大，則二者值越大，呈明顯的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.73、0.74；同時(shí)液限WL與塑限Wp之間也表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.92。但液限指數(shù)IL與塑性指數(shù)IP呈明顯的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.93，液限指數(shù)IL與垂直滲透系數(shù)Kv呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.98。壓縮模量Es1-2與壓縮系數(shù)a1-2呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.84。

3.2.2 R型聚類分析

對遮放土體各物理力學(xué)參數(shù)利用SPSS軟件進(jìn)行分析處理，并利用Pearson距離公式對各參數(shù)進(jìn)行R型聚類分析[11]，并繪制分析結(jié)果(圖6)：根據(jù)各物理力學(xué)參數(shù)R型聚類樹狀圖可以看出，當(dāng)距離系數(shù)小于5時(shí)，孔隙比e0與ei可歸為一類；液限WL、塑限Wp可歸為一類；密度ρ與干密度ρd可歸為一類；液限指數(shù)IL與垂直滲透系數(shù)Kv可歸為一類；上述為一類；上述物理力學(xué)參數(shù)具有較小的距離系數(shù)，表現(xiàn)為較明顯的正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)距離取10時(shí)，承載力Fa、塑性指數(shù)IP與比重Gs可歸為一類；孔隙比e0與ei、液限WL和塑限Wp、含水率W、壓縮系數(shù)a1-2可歸為二者皆有著極小的距離系數(shù)，表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性。當(dāng)距離取10時(shí)，孔隙比e0與ei、液限WL和塑限Wp、含水率W可歸為一類；承載力Fa、塑性指數(shù)IP可歸為一類；液限指數(shù)IL、垂直滲透系數(shù)Kv和飽和度Sr可歸為一類；密度ρ與干密度ρd可、液限指數(shù)IL與垂直滲透系數(shù)Kv、飽和度Sr可歸為一類；上述物理力學(xué)參數(shù)具有較中等的距離系數(shù)，一定程度上表現(xiàn)為中等程度的正相關(guān)性。

綜合以上取各距離系數(shù)進(jìn)行歸類的結(jié)果，取距離系數(shù)為20，將各土體物理力學(xué)參數(shù)分為兩類：第一類為與承載力Fa呈不同程度正相關(guān)關(guān)系的孔隙比e0與ei、液限WL和塑限Wp、含水率W、壓縮系數(shù)a1-2、塑性指數(shù)IP與比重Gs歸為第一類；第二類為與承載力Fa呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的密度ρ、干密度ρd、液限指數(shù)IL與垂直滲透系數(shù)Kv、飽和度Sr歸為第二類。

表2 遮放盆地土體各物理力學(xué)參數(shù)分析結(jié)果表

表3 遮放盆地土體各物理力學(xué)參數(shù)相關(guān)系數(shù)表

注：Fa：承載力；W：含水率；ρ：密度；ρd：干密度；Gs：比重；e0：孔隙比；Sr：飽和度；WL：液限；Wp：塑限；Ip：塑性指數(shù)；IL：液性指數(shù)；ei：200 kPa壓力下孔隙比；a2-3：壓縮系數(shù)；Es2-3：壓縮模量；Kv：垂直滲透系數(shù)

圖6 遮放盆地土體各物理力學(xué)參數(shù)R型聚類圖

3.3 因子分析

對遮放盆地土體各物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行因子分析[12]，通過kaiser標(biāo)準(zhǔn)化正交旋轉(zhuǎn)法構(gòu)成得分，提取出兩個(gè)具代表性的因子F1、F2(表4)。其中F1因子代表了與承載力Fa呈正相關(guān)或中等相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)組合，F(xiàn)2因子代表了與承載力Fa呈弱相關(guān)或負(fù)相關(guān)關(guān)系的物理力學(xué)參數(shù)。其中F1因子中得分較高的參數(shù)有含水率W、塑性指數(shù)Ip、孔隙比e0和ei、壓縮系數(shù)a2-3，得分皆大于0.5；得分為負(fù)的有密度ρ、干密度ρd、液性指數(shù)IL、壓縮模量Es2-3、垂直滲透系數(shù)Kv。F2因子中得分較高的參數(shù)有含水率W、飽和度Sr、液限指數(shù)IL、垂直滲透系數(shù)Kv，得分皆大于0.5；得分為負(fù)的有承載力Fa、干密度ρd、比重GS、塑性指數(shù)Ip、壓縮模量Es2-3。對比相關(guān)性分析與R型聚類分析結(jié)果，因子分析結(jié)果基本與上述二者一致，分析結(jié)果具有可靠性和代表性，并且與相關(guān)性分析與R性聚類分析相互印證。

4 結(jié)論

根據(jù)對遮放盆地各類型土體的野外實(shí)地調(diào)查，并對其物理力學(xué)性質(zhì)的測試，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對各物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

表4 標(biāo)準(zhǔn)化正交旋轉(zhuǎn)因子得分表

(1) 遮放盆地內(nèi)土體以第四系沖擊層及新近系芒棒組土層組成，受芒市河和龍江兩條水系控制，整體走向呈北東-南西向，土體主要位于盆地河谷區(qū)，土體類型以粉質(zhì)黏土為主，碎石土次之，粉土及砂土類分布較小。

(2) 各物理力學(xué)參考隨著土體顆粒度、骨架顆粒含量、孔隙度的增長而降低，呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系；隨著粘粒含量的增加而增大，呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。

(3) 基本確定了承載力Fa與塑性指數(shù)IP關(guān)系最為密切，與比重Gs次之；并根據(jù)與承載力的相關(guān)性將各物理力學(xué)參數(shù)分為與承載力呈正相關(guān)性的一類：孔隙比e0與ei、液限WL和塑限Wp、含水率W、壓縮系數(shù)a1-2；與承載力呈負(fù)相關(guān)性的一類：密度ρ、干密度ρd、液限指數(shù)IL與垂直滲透Kv、飽和度Sr。為以后野外的工作提供了實(shí)際的理論參考依據(jù)。