軟土物理力學(xué)參數(shù)的關(guān)聯(lián)性分析

石漢生，姬 靜

（廣東省建筑設(shè)計研究院 廣州 510010）

0 前言

軟土土性參數(shù)是軟基處理設(shè)計依據(jù)，軟土土性參數(shù)具有很強的地域特征和顯著的不確定性，但軟土土性參數(shù)之間具有很強的相關(guān)性，通過建立軟土土性參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，佐證軟土土性參數(shù)試驗值的確定方法和判別軟土土性參數(shù)的可信度。當(dāng)前，國內(nèi)對軟土土性指標(biāo)的分析主要集中在長江三角洲、珠江三角洲等少量典型軟土地區(qū)。

金鑫等人［1］對鹽靖高速公路鹽城北的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件進行了分析評價，對沿線砂土液化特性進行了詳細(xì)分析，統(tǒng)計了軟土代表性物理力學(xué)指標(biāo)之間的相互關(guān)系。張繼周等人［2］基于江蘇中部某高速公路工程地質(zhì)勘察所提供的大量室內(nèi)試驗測試數(shù)據(jù)，運用隨機場理論，將土層剖面模擬為隨機場而非傳統(tǒng)意義上的隨機變量，提出了基于隨機場理論、考慮空間趨勢分量的土性參數(shù)變異性統(tǒng)計方法，系統(tǒng)地統(tǒng)計分析了蘇中腹地湖相軟土土性參數(shù)的變異特性，對比了實驗室物理性質(zhì)指標(biāo)參數(shù)、變形參數(shù)和強度參數(shù)變異性特征。尹利華等人［3］將天津軟土作為一個獨立的統(tǒng)計單元體，研究了該地區(qū)軟土物理力學(xué)指標(biāo)的變化范圍、變異性、指標(biāo)間的相互關(guān)系和各指標(biāo)的概率分布模型，得到了天津軟土物理指標(biāo)與壓縮指標(biāo)、強度指標(biāo)間的統(tǒng)計關(guān)系經(jīng)驗公式以及土性指標(biāo)的概率分布模型，并分析了直剪試驗、三軸試驗、十字板剪切試驗3 種不同方法抗剪強度試驗結(jié)果的相互關(guān)系，提出了利用隨機因子分析法對試驗方法不確定性進行概率評定。陳延猛［4］對廣東地區(qū)原狀軟土的物理力學(xué)指標(biāo)相互關(guān)系進行了研究。闕金聲［5］分析了廣州大學(xué)城軟土的物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計值，獲得了大學(xué)城軟土的工程地質(zhì)特性。夏銀飛［6］對珠江三角洲原狀軟土的物理力學(xué)指標(biāo)的變化范圍、變異性、指標(biāo)間的相互關(guān)系和各指標(biāo)的統(tǒng)計分布規(guī)律進行了研究。阮波、陳曉平等人［7，8］根據(jù)在珠江三角洲內(nèi)收集到的近千個軟土土樣的試驗成果，對其基本物理、力學(xué)指標(biāo)進行了統(tǒng)計和分析，根據(jù)實測資料和室內(nèi)試驗成果，分折了軟土的非線性特征和蠕變特征。范明橋和盛金寶［9］在研究分析確定適合的φ、c 統(tǒng)計方法后，對土的φ、c 相關(guān)特性進行了研究，以土坡滑動穩(wěn)定計算為例，說明了如何考慮這種相關(guān)性以及相關(guān)性對土工可靠度的影響。

針對長江漫灘沉積軟土的物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計研究成果少，本文以江蘇某典型長江漫灘沉積軟土為研究對象，統(tǒng)計分析了軟土物理力學(xué)參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系，得到了軟土物理力學(xué)參數(shù)相關(guān)指標(biāo)間的經(jīng)驗公式，為軟土地區(qū)工程土工參數(shù)的取值提供了依據(jù)和參考。

1 地質(zhì)條件

1.1 工程地質(zhì)

試驗場地地形為沖積漫灘相地貌單元，地形較平坦，鉆孔地面高程在2.50～3.97 m，河流兩岸局部稍有起伏，土性較均勻，場地內(nèi)工程地質(zhì)條件相似。主要由粉、細(xì)砂組成，東部淤泥質(zhì)粉質(zhì)亞粘土夾層較厚，工程地質(zhì)性質(zhì)一般。地層主要為第四紀(jì)全新世沖擊相沉積物，土層以軟～流塑粉質(zhì)土和中密～密實的砂性土為主，表層分布有一層素填土，厚度為0.50～6.40 m。

場地內(nèi)連續(xù)分布有薄～中厚層狀軟土，軟土以淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，局部夾淤泥，普遍混粉砂和夾少量貝殼。軟土地層主要：②1B淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層：灰色，夾少量粉土，含有機質(zhì)，夾少量腐木碎屑，流塑狀態(tài)，高孔隙比，高壓縮性，低強度；②1粉土夾粉砂層：灰黃色，中密～密實，夾少量粉砂，含少量貝殼殘骸，不勻質(zhì)，局部淤泥，中壓縮性，中低強度。

場地深20 m 內(nèi)以淺②1粉土夾粉砂、②2粉砂夾粉土和②3粉細(xì)砂為砂性土。本區(qū)位于華北地震區(qū)東南部長江中下游-南黃海地震帶范圍內(nèi)，所在地區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度。按Ⅶ度設(shè)防時：②1～②2層局部為可液化土，液化指數(shù)為2.04～4.52，綜合判斷為輕微液化場地。其中，②1層為粉土夾粉砂，中壓縮性，中低強度，場地內(nèi)連續(xù)分布，層頂埋深1.60～10.15 m，層厚約3.45～9.45 m；②2層為粉砂夾粉土，飽和，中密，夾少量粉土及細(xì)砂，場地內(nèi)連續(xù)分布，層頂埋深5.40～16.55 m，層厚約6.50～12.45 m，土層具有輕微的液化潛勢。

1.2 水文地質(zhì)

場地受北高南低的地勢控制，河水流向自北向南流經(jīng)場地，對場地的地下水頭起控制作用。區(qū)內(nèi)河流雨季是淮河入江通道，在旱季靠抽提芒稻河水供灌溉之用。

在工程影響深度內(nèi)，地下水主要為孔隙潛水，勘探期間穩(wěn)定水位埋深0.50～1.40 m，水位變化受區(qū)內(nèi)河水、長江水及季節(jié)影響，年變幅約1.50 m，汛期（7～9月）水位較高，枯水期（1～3月）水位較低。砂性土層屬于弱～強滲透水層，地下水對混凝土無腐蝕性。

2 土性參數(shù)分析

土的力學(xué)性質(zhì)由相關(guān)的物理力學(xué)指標(biāo)衡量。與工程有關(guān)的主要力學(xué)指標(biāo)有孔隙比、含水量、強度、壓縮性、滲透性等。軟土的主要特征為高孔隙比、高含水量、高壓縮性、低強度和低滲透性。由于軟土的這些特性，造成軟土強度不足，修建于軟土上的建筑物的后期沉降變形較大。因此，當(dāng)天然含水量接近或大于液限，孔隙比大于1.0，壓縮模量小于4 000 kPa，標(biāo)貫擊數(shù)小于2，靜力觸探貫入阻力小于700 kPa，不排水強度小于25 kPa 時，即可認(rèn)定為軟土。

2.1天然孔隙比與天然含水量的關(guān)系

飽和軟土的天然孔隙比與天然含水量是軟土的基本參數(shù)，根據(jù)大量的土工測試結(jié)果，軟土的天然孔隙比e 與天然含水量w 統(tǒng)計于圖1中，其相關(guān)關(guān)系為：

圖1為不同土質(zhì)的統(tǒng)計關(guān)系。

圖1天然孔隙比與天然含水量的相關(guān)關(guān)系Fig.1 Relationship between Natural Void Ratio and Natural Water Content

2.2天然孔隙比與壓縮系數(shù)的關(guān)系

天然孔隙比與壓縮系數(shù)存在相關(guān)關(guān)系。一般來說，孔隙比越大，壓縮性越強，土的工程性質(zhì)越差。如圖2所示，軟土的天然孔隙比與壓縮系數(shù)成指數(shù)關(guān)系，其相關(guān)關(guān)系為：

式中：α1-2是土的壓縮系數(shù)（MPa-1）；e 是孔隙比。擬合結(jié)果在95%置信區(qū)間。從圖2中可以看出：淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的壓縮性最大，而后依次為粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)砂和粉砂，粗砂的壓縮性最小。

圖2 壓縮系數(shù)與孔隙比的相關(guān)關(guān)系Fig.2 Relationship between Compression Coefficient and Void Ratio

2.3 塑性指數(shù)與液限的關(guān)系

塑性指數(shù)反映了土體中儲存結(jié)合水的能力，塑性指數(shù)越大，土中存儲結(jié)合水的能力越強，與土顆粒的礦物成分、粒徑等影響因素有關(guān)。液限表示土的稠度狀態(tài)。當(dāng)土中含水量超過液限時，土失去可塑性而呈流動狀態(tài)。因此，土的塑性指數(shù)與液限相互關(guān)聯(lián)。如圖3所示，塑性指數(shù)和液限存在線性相關(guān)關(guān)系：

2.4 塑性指數(shù)與粒徑＜0.002mm的顆粒含量關(guān)系

細(xì)顆粒土的性質(zhì)不僅與顆粒粒徑和級配有關(guān)，與土體本身結(jié)構(gòu)、礦物成分等都有關(guān)系。因此，土的黏粒含量是一個重要的影響因素。當(dāng)黏粒含量發(fā)生變化時，土的物理力學(xué)性質(zhì)也會發(fā)生變化，相應(yīng)的表現(xiàn)為塑性指數(shù)變化。當(dāng)黏粒含量增多時，塑性指數(shù)相應(yīng)增大，土處于可塑狀態(tài)的含水量范圍越大。塑性指數(shù)是衡量土體中結(jié)合水含量的物理量，當(dāng)土中能夠含有的結(jié)合水越多時，塑性指數(shù)越大。該能力與土顆粒粒徑、土顆粒礦物質(zhì)種類含量密切相關(guān)。土的塑性指數(shù)與粒徑＜0.002 mm 的顆粒含量關(guān)系如圖4所示，塑性指數(shù)與黏粒含量存在著明顯的線性關(guān)系：

圖3 土的塑性指數(shù)與液限的相關(guān)關(guān)系Fig.3 Relationship between Plastic Index and Liquid Limit

式中：P0.002為粒徑＜0.002 mm 的顆粒含量。圖4中的系數(shù)0.55＜0.75，表明土是非活性的。

圖4 塑性指數(shù)與黏粒含量的相關(guān)關(guān)系Fig.4 Correlation of Plastic Index to the Content of Clay Particles

2.5 強度指標(biāo)與含水量的關(guān)系

土的剪切強度參數(shù)，即粘聚力和內(nèi)摩擦角可以根據(jù)直剪試驗得到。土的粘聚力與含水量的關(guān)系如圖5所示，隨著含水量w 的增加，粘聚力c 減小，c 與w 呈線性關(guān)系。當(dāng)土中含水量逐步增大，土中的自由水含量隨之增大，會引起毛細(xì)水壓力減小，從而導(dǎo)致土的粘聚力迅速降低。利用最小二乘法對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到粘聚力與含水量的相關(guān)關(guān)系：

式中：c 為土的粘聚力；w 為土的含水量；a、b 分別為直線的斜率和截距（見表1）。細(xì)砂的粘聚力與含水量無明顯的相關(guān)關(guān)系，基本不變。

圖6表示了土的內(nèi)摩擦角與含水量的相關(guān)關(guān)系。從圖6可看出：在含水量小于液限的情況下，內(nèi)摩擦角與含水量之間無明顯的相關(guān)關(guān)系，基本不變；當(dāng)含水量大于液限時，內(nèi)摩擦角隨含水量增加迅速減小。

圖5 粘聚力與含水量的關(guān)系Fig.5 Correlation of Cohesion to Water Content

表1 參數(shù)a和b及R2的值Tab.1 Parameters a and b and the Value of R2

圖6 內(nèi)摩擦角與含水量的關(guān)系Fig.6 Correlation of Internal Friction Angle and Water Content

3 結(jié)論

通過對軟土的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)的統(tǒng)計分析，得出如下結(jié)論：

⑴軟土的天然孔隙比與天然含水量，天然孔隙比與壓縮系數(shù)之間存在很好的相關(guān)性。

⑵塑性指數(shù)與液限，塑性指數(shù)與粒徑＜0.002 mm的顆粒含量之間存在很好的線性正相關(guān)關(guān)系。

⑶除細(xì)砂外，土的粘聚力與天然含水量之間呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，內(nèi)摩擦角基本與天然含水量無關(guān)，只有含水量大于液限后，內(nèi)摩擦角迅速減小。