老黏性土地基承載力的可拓學(xué)綜合評(píng)測方法

孫廣利，閻大偉

吉林建筑大學(xué) 測繪與勘查工程學(xué)院,長春 130118

0 引言

老黏性土為老沉積土,系指第四紀(jì)晚更新世及其以前沉積的黏性土,廣泛分布于吉林省境內(nèi),是長春地區(qū)的典型地層,也是大部分有地下室建筑物基礎(chǔ)的主要持力層[1].老黏性土的地質(zhì)成因以沖洪積為主,構(gòu)成了長春微波狀臺(tái)地的主體部分,宏觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為較緊密塊狀結(jié)構(gòu)和粒狀結(jié)構(gòu),微觀結(jié)構(gòu)為緊密絮狀;老黏性土為超固結(jié)土,不具有濕陷性,含水量較小,可塑偏硬～堅(jiān)硬狀態(tài),中等偏低壓縮性,物理力學(xué)性質(zhì)較好[2].目前,確定老黏性土地基承載力采用的方法主要有兩種:一是根據(jù)土的室內(nèi)土工試驗(yàn)測得的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)孔隙比、液性指數(shù)查經(jīng)驗(yàn)表求得;二是根據(jù)原位測試得到的靜力觸探指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)指標(biāo),利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到.但以上方法也存在一些缺點(diǎn)或需要改進(jìn)的地方,如載荷試驗(yàn)投入較大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力等.老黏性土地基承載力與試驗(yàn)方法、試驗(yàn)人員素質(zhì)、土體的巖土工程性質(zhì)等多種因素相關(guān),從而影響其準(zhǔn)確性和可靠性.綜合考慮,本文根據(jù)可拓學(xué)綜合評(píng)測方法,建立老黏性土地基承載力綜合評(píng)測模型,再結(jié)合現(xiàn)場載荷試驗(yàn)驗(yàn)證,得出一種較適用的老黏性土地基承載力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn).

1 可拓學(xué)體系

環(huán)古至今,人類歷史的發(fā)展過程就是人們通過冥思苦想解決矛盾問題的過程.而隨著各行各業(yè)信息化的發(fā)展,可拓學(xué)提出了利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)矛盾問題智能化處理的方法[3-6].基于可拓學(xué)的綜合評(píng)測方法逐漸應(yīng)用在巖土工程和地質(zhì)工程中[7],其在理論上較嚴(yán)謹(jǐn),計(jì)算簡單,待測樣本數(shù)量不受限制,預(yù)測精度較好,不僅可以定性分析多個(gè)影響因素,還能夠定量計(jì)算.

2 老黏性土地區(qū)地基承載力的可拓評(píng)測模型

2.1 老黏性土地基承載力的影響因素及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)選擇

本文中選取天然含水率ω、質(zhì)量密度ρ、壓縮模量ES1-2、孔隙比e、液性指數(shù)IL、錐尖阻力qc等6項(xiàng)影響因素,并簡記為c1,c2,c3,c4,c5,c6.根據(jù)相關(guān)規(guī)范和手冊(cè)[8-9],將老黏性土地基承載力分為5級(jí)，分別為很好、好、一般、較差、差,分別以P1,P2,P3,P4,P5表示,并建立綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)如表1所示.

表1 老黏性土地基承載力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation criteria for bearing capacity of old cohesive soil foundation

2.2 確定經(jīng)典物元

可拓學(xué)中通過事物、特征、特征對(duì)應(yīng)的量值構(gòu)成的物元作為描述事物的基本元素,物元R的三要素:名稱、特征、量值分別由P,c,X表示如下:

R=(P,c,X)

Xij=(aij,bij),(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)時(shí),經(jīng)典域物元的物元矩陣可表示為:

式中,Xi1,Xi2,…,Xin,分別為c1,c2,…cn,的取值范圍.

根據(jù)表1,構(gòu)造出老黏性土地基承載力經(jīng)典物元:

2.3 確定節(jié)域物元

令N為老黏性土地區(qū)地基承載力評(píng)價(jià)整體,XN1,XN2,…,XNn,為c1,c2,…,cn的取值范圍,則節(jié)域物元的物元矩陣可表示為:

根據(jù)表1建立的節(jié)域物元如下式:

2.4 確定待測物元

根據(jù)表2確定待測物元.

表2 試驗(yàn)點(diǎn)土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 2 Physical and mechanical property index of soil at the test points

續(xù)表2

2.5 計(jì)算待測物元的關(guān)聯(lián)度

第t個(gè)待測物元的第j個(gè)因素關(guān)于地基承載力評(píng)價(jià)等級(jí)i的關(guān)聯(lián)函數(shù)由下式求得:

式中,

(t=1,2,…,5)

由此關(guān)聯(lián)函數(shù)可計(jì)算出待測樣本關(guān)于地基承載力評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度,記為矩陣Ks1,Ks2,Ks3,Ks4,Ks5,列舉Ks1,Ks3,Ks5如下式:

計(jì)算舉例如:

同理可計(jì)算:

K3(x11)=-0.090

K4(x11)=-0.393

K5(x11)=-0.545

同理可得Rs1中其他因素c2,c3,c4,c5,c6的關(guān)聯(lián)函數(shù)值即:

同理可得:

2.6 確定待測樣本對(duì)各類別的權(quán)系數(shù)

待測樣本的影響因子xtj的權(quán)重分配系數(shù)λij,按下式計(jì)算:

顯然有:

計(jì)算每個(gè)類別中對(duì)應(yīng)的各因子的權(quán)系數(shù)λij,便可得到λs1,λs2,λs3,λs4,λs5,列舉λs1,λs3,λs5如下式:

計(jì)算舉例:

同理可得到其他權(quán)系數(shù),故有:

2.7 老黏性土地基承載力等級(jí)判定

判定待測樣本Ns1對(duì)某類別Pi的關(guān)聯(lián)度,由下式計(jì)算：

如待測樣本Ns1對(duì)地基承載力等級(jí)的關(guān)聯(lián)度為:

K(Ns1)=[K1(Ns1),K2(Ns1),K3(Ns1),K4(Ns1),K5(Ns1)]

其中:

同理可計(jì)算K2(NS1),K3(NS1),K4(NS1),K5(NS1).則有:

K(Ns1)=[-0.252,0.001,0.070,-0.285,-0.451]

K(Ns3)=[-0.327,-0.028,-0.006,-0.148,-0.417]

K(Ns5)=[-0.206,-0.019,-0.078,-0.224,-0.444]

由最大關(guān)聯(lián)原則Ki=maxKi(Ns),即可得到老黏性土的各待測樣本的地基承載力的評(píng)測等級(jí).

以Ns1為例,根據(jù)地基承載力關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果,由最大關(guān)聯(lián)原則可得:

K3(Ns1)=maxKi(Ns1)

所以,待測樣本Ns1的地基承載力等級(jí)為3級(jí).其他待測樣本評(píng)價(jià)等級(jí)同理,整理后如表3所示.

表3 老黏性土待測樣本地基承載力可拓學(xué)綜合評(píng)價(jià)的預(yù)測結(jié)果Table 3 Predicted results of extenics comprehensive evaluation of foundation bearing capacity of old clay soil samples to be tested

3 原位試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證各待測樣本應(yīng)用可拓學(xué)綜合評(píng)測方法所得到的評(píng)價(jià)等級(jí)的準(zhǔn)確性,對(duì)各取樣點(diǎn)采用平板載荷試驗(yàn)進(jìn)行原位試驗(yàn),所得到的承載力見表4.

表4 老黏性土取樣點(diǎn)的平板載荷試驗(yàn)承載力Table 4 Bearing capacity of plate load test at sampling points of old clay soil

對(duì)比表3與表4中數(shù)值可以看出,承載力特征值的分布規(guī)律與評(píng)價(jià)等級(jí)較為一致,由此可得評(píng)價(jià)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的老黏性土地基承載力的大致范圍:等級(jí)1、等級(jí)2≥450 kPa；等級(jí)3為350 kPa～450 kPa；等級(jí)4、等級(jí)5≤350 kPa.

4 結(jié)論與展望

本文通過可拓學(xué)綜合評(píng)測方法,考慮了長春老黏性土的6項(xiàng)主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo),建立了老黏性土地基承載力可拓評(píng)測模型,并對(duì)其進(jìn)行了綜合分析評(píng)價(jià),得到主要結(jié)論如下:

(1) 評(píng)價(jià)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的老黏性土地基承載力的大致范圍: 等級(jí)1、等級(jí)2≥450 kPa；等級(jí)3為350 kPa～450 kPa；等級(jí)4、等級(jí)5≤350 kPa.此老黏性土地基承載力分級(jí)也為其他地區(qū)老黏性土地基承載力的等級(jí)確定提供借鑒.

(2) 評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分仍需依賴大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),希望今后應(yīng)更多地開展此項(xiàng)工作,以積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn),使之更加完善.