利用CPT確定安徽省沿江丘陵平原黏性土層地基承載力的方法研究

趙華宏, 吳道祥, 葉 磊, 郭佳誠, 孟祥龍, 吳磊磊

(1.安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088; 2.公路交通節(jié)能與環(huán)保技術及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心,安徽 合肥 230088; 3.合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

地基承載力是巖土層重要的工程性質指標之一,是地基基礎設計所必須的參數。各類型工程的巖土工程勘察報告中都必須提供場地中受力范圍內各土層的地基承載力,因此一直以來,如何準確評價巖土層工程性質并提供適宜的地基承載力建議值是巖土工程勘察中非常重要的工作內容,也是相關專業(yè)研究人員和技術人員研究和關注的重點。

工程實踐中,確定地基承載力的方法主要有:① 載荷試驗法,利用載荷試驗確定地基承載力;② 原位測試法,利用載荷試驗以外的原位測試方法確定地基承載力,如靜力觸探(cone penetration test,CPT)、標準貫入試驗、圓錐動力觸探試驗等;③ 規(guī)范表格法,根據土層的某些物理性質指標查閱相關規(guī)范中的承載力表格確定地基承載力;④ 理論公式計算法,根據土層的抗剪強度指標通過理論公式計算確定土層的地基承載力;⑤ 地區(qū)經驗法,根據某一地區(qū)的工程經驗,對于物質組成、工程性質等相同或相近的土層,可以采取工程地質比擬法確定土層的地基承載力。

一般認為,載荷試驗確定地基承載力最為準確可靠,但其試驗周期長、成本高。在我國巖土工程行業(yè)中,隨著經濟社會的發(fā)展,大量的各類工程項目不斷建設和投入使用,全行業(yè)積累的工程勘察和設計的經驗已經比較豐富,一般工程項目建設中,基本不再需要通過載荷試驗來確定土層地基承載力了,往往是根據載荷試驗以外的其他原位測試、室內試驗等數據結合地區(qū)經驗綜合確定?，F行國家標準《建筑地基基礎設計規(guī)范》[1]在其條文說明中規(guī)定“勘察單位應根據試驗和地區(qū)經驗確定地基承載力等設計參數”,并明確說明可以利用CPT等原位測試方法結合地區(qū)經驗確定地基承載力。

CPT是工程最為常用的一種原位測試方法,具有測試連續(xù)、經濟快速、測試結果精度高且再現性好等優(yōu)點,兼具勘探和測試的雙重功能,在工程勘察中得到了廣泛應用[2]。CPT有單橋、雙橋及孔壓CPT等3種類型,其中單橋CPT是我國所獨有的,在國內得到了廣泛應用,工程技術人員在應用上積累了豐富的經驗,目前,安徽省工程勘察中最常用的也是單橋CPT,其測試值為比貫入阻力,用ps表示。

目前,對于如何利用CPT確定地基承載力的研究成果較豐富[3-14],但由于貫入機理尚不明確,只能通過建立特定地區(qū)或特定土類的經驗公式等應用于工程實踐。

安徽省沿江丘陵平原位于長江沿岸,為長江中下游平原的一部分,占安徽省總面積的18.5%;區(qū)內人口密集,區(qū)位優(yōu)勢明顯,工農業(yè)經濟和交通發(fā)達。研究區(qū)內河流階地地貌單元發(fā)育,地表普遍分布第四系松散覆蓋層,CPT在區(qū)內各類工程的巖土工程勘察中得到廣泛應用,相關數據和應用經驗均較豐富。一直以來,這些數據僅零散地保存于各個項目的勘察報告中,沒有得到深入的分析和利用;與此同時,廣大工程技術人員所積累的豐富的應用經驗也沒有得到充分的歸納總結。本文通過收集安徽沿江丘陵平原各地大量的巖土工程勘察報告,分析典型土層的工程特性,并對其CPT數據和承載力進行統(tǒng)計分析,建立該區(qū)利用CPT確定地基承載力的經驗公式,歸納總結該區(qū)長期以來積累的豐富的CPT應用經驗,以促進CPT的進一步發(fā)展和應用,提高工程勘察水平和效益,以及建設工程的質量和安全。

1 研究區(qū)地質概況

1.1 自然地理概況

安徽沿江丘陵平原地處安徽省南部,平均海拔20 m左右,包括蕪湖市、馬鞍山市、安慶市以及滁州市的部分地區(qū);該區(qū)屬北亞熱帶濕潤性季風氣候,四季分明,氣候溫和,多年平均降水量1 200～1 400 mm。

區(qū)內地表水系發(fā)育,屬于長江水系,長江自南西向北東穿流而過。

1.2 地質構造與地層

安徽沿江丘陵平原屬于揚子準地臺一級構造單元,下?lián)P子臺坳二級構造單元,其地臺基底為沿江地區(qū)的下?lián)P子式或過渡式[15]。根據文獻[16],該地區(qū)第四紀以來新構造運動主要以振蕩式差異升降運動為主。

研究區(qū)屬華南地層大區(qū)揚子地層區(qū)下?lián)P子地層分區(qū),發(fā)育的地層主要有第四系(Q)、白堊系(K)、侏羅系(J)、寒武系(∈)及震旦系(Z)等。區(qū)內第四系地層分布廣泛,巖性主要為第四系全新統(tǒng)淤泥質粉土、淤泥質粉質黏土、黏土、粉質黏土、粉土、砂土、卵礫石土等,厚度一般為50.0～75.0 m。

1.3 地貌分區(qū)與第四系地層

安徽沿江丘陵平原微地貌類型按照形態(tài)和成因可分為河漫灘、一級階地、二級階地及侵蝕殘丘[17]。

河漫灘微地貌單元廣泛發(fā)育,分布于長江兩側的大部分瀕江地段以及支流河道兩側,地表平坦,由近代江河泥砂沖淤而成。地表土層主要為可塑—軟塑狀粉質黏土、軟塑—流塑狀淤泥質粉質黏土夾粉土、粉細砂,其下為稍密—密實狀粉—粗砂夾粉土,底部為礫砂。

一級階地微地貌單元帶狀分布于長江東側,地表平坦,地面高程比河漫灘高1～2 m,一般低于洪水位。地表土層主要由全新世河泛黏性土及湖沼沉積的淤泥質黏性土組成,為較厚的黏性土層,底部局部分布中密狀粉細砂層。

二級階地微地貌單元也呈帶狀分布于長江東側,地表略有起伏,地面高程比河漫灘和一級階地高。二級階地一般由中晚更新世黃土狀黏性土堆積而成,下部一般下伏泥礫、砂礫或卵石層等。

侵蝕殘丘主要分布于長江東岸,并與構造線方向一致,向北東方向展布,主要由侏羅紀—白堊紀的火成巖 、石英砂巖等組成。

可見,區(qū)內地表大都有厚度不等、狀態(tài)各異的黏性土層分布,是該區(qū)主要的第四系土層[17-18],這也是CPT在該區(qū)得以廣泛應用的基礎。本文對區(qū)內普遍分布的黏性土ps值及其承載力特征值fak進行統(tǒng)計分析、擬合,建立兩者的經驗關系式,總結本區(qū)工程勘察經驗,便于今后工程應用,促進CPT的進一步發(fā)展。

2 CPT數據統(tǒng)計分析

2.1 數據來源與分布

分析數據源于安徽省內幾家大型勘察設計院,這些單位均具有數十年的工程經驗。通過對數據的整理統(tǒng)計,共取得可供分析研究的工程125項,基本涵蓋沿江丘陵平原區(qū)各市縣,如蕪湖市、廣德市、安慶市、池州市、馬鞍山市等,使得研究成果具有可靠性和廣泛性。

2.2 數據統(tǒng)計計算及統(tǒng)計學特性

2.2.1 數據統(tǒng)計計算方法

根據相關研究,在對ps進行統(tǒng)計計算時,應根據土質條件等選擇適宜的統(tǒng)計計算值[13-14,18]。各統(tǒng)計指標計算公式如下。

(1)

其中,psi為單孔中同一土層不同深度處ps值;n為單孔中同一土層參與統(tǒng)計的數據數量。

(2)

(3)

其中,hj為場地內第j個CPT孔中該土層的厚度。

(4)

其中,psmin為場地內該土層CPT單孔ps最小值。

2.2.2ps統(tǒng)計平均值和fak的統(tǒng)計學特征

ps統(tǒng)計平均值和fak的統(tǒng)計學特征見表1所列,如圖1所示。統(tǒng)計樣本數為212。

表1 研究區(qū)黏性土ps統(tǒng)計平均值和fak的統(tǒng)計學特征

由表1和圖1可知,3種統(tǒng)計平均值的分布、離散程度等都非常接近,并無明顯差異;fak變異系數明顯較小,且其分布直方圖顯示,其分布較為集中。

圖1 ps統(tǒng)計平均值和fak頻率分布直方圖

3 CPT確定fak的方法研究

3.1 ps和fak的相關性分析

相關性分析是指對2個或多個具備相關性的變量元素進行分析,從而衡量2個變量因素的相關密切程度。

本文運用SPSS軟件對安徽沿江丘陵平原區(qū)黏性土ps的3種統(tǒng)計平均值和fak進行了相關性分析,結果見表2所列。

表2 研究區(qū)黏性土ps統(tǒng)計平均值和fak相關性分析

3.2 ps和fak的回歸分析與公式

采用Origin軟件,繪制了研究區(qū)黏性土層ps3種統(tǒng)計平均值與fak的關系散點圖,根據散點圖特征,結合上述相關性分析,分別進行線性和非線性擬合,發(fā)現線性擬合和對數函數擬合的擬合度最高、效果最好,散點圖和擬合結果分別如圖2～圖4所示。

圖2 與fak的線性擬合曲線和對數函數擬合曲線

圖3 與fak的線性擬合曲線和對數函數擬合曲線

圖4 與fak的線性擬合曲線和對數擬合曲線

3.3 擬合回歸方程的檢驗及殘差分析

根據統(tǒng)計學理論,對于回歸方程的有效性,需要進行必要的檢驗,只有通過檢驗的回歸方程才有實際價值?；貧w方程檢驗主要有3種:

(1) 檢驗回歸系數顯著性的t檢驗。

(2) 檢驗回歸方程顯著性的F檢驗。

(3) 檢驗相關系數顯著性的r檢驗。

對于一元線性回歸方程,3種檢驗方法是等價的。

各擬合回歸方程顯著性檢驗匯總見表3所列。由表3可知,對于上述各種擬合,均有r>r0.05、F>F0.05及t>t0.05,sig為0,說明回歸效果顯著,具有95%置信度。

除了上述回歸方程檢驗外,殘差分析也是對回歸方程效果檢驗的重要方法,6種擬合回歸方程的殘差圖如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可知,3種線性擬合回歸方程的殘差圖的分布特征非常相似,3種對數函數擬合回歸方程殘差圖的分布特征也很相似;圖6中,各殘差圖中間部分數據點過多地集中在0線以下,而兩側則過多的數據點位于0線以上,而圖5中0線兩側數據點更為均勻、隨機,表明研究區(qū)黏性土ps的3種統(tǒng)計平均值與fak線性擬合回歸方程效果會更好。

由表3中D-W值可知,線性擬合回歸方程殘差的D-W值普遍大于對應的對數函數擬合回歸方程的D-W值,更接近于2,表明其殘差序列自相關性更弱,也說明線性回歸方程效果更好。

表3 回歸方程顯著性檢驗匯總

圖5 ps的3種統(tǒng)計平均值與fak的線性擬合回歸方程殘差

圖6 ps的3種統(tǒng)計平均值與fak的對數函數擬合回歸方程殘差

(5)

3.4 經驗公式的可靠性驗證

為驗證所得經驗公式(5)式的適用性和可靠性,對馬鞍山市某工程項目中黏土層的地基承載力采用6種方法予以確定,并與(5)式的計算結果進行對比。

擬建場地的②層黏土是基礎持力層,灰褐、褐黃色、棕黃色,夾灰白色;稍濕,硬塑狀態(tài),富含鐵錳氧化物、鐵錳結核;并含高嶺土條紋和團塊,局部富集;切面稍有光澤,韌性中等,干強度高,無搖振反應。其主要物理力學性質指標統(tǒng)計見表4所列。

表4 馬鞍山市某場地②層黏土主要物理力學性質指標統(tǒng)計結果

(1) 載荷試驗法。在場地中進行了3組平板載荷試驗,承壓板面積0.25 m2,試坑深度為1.6 m,極限荷載分別為600、540、600 kPa,根據極限荷載法確定的fak分別為300、270、300 kPa,極差不超過其平均值的30%,因此取此3組試驗的平均值fak1為該土層的fak,即該土層fak1=290 kPa。

(2) 理論公式法。按照文獻[1],利用抗剪強度指標計算得該土層fak。

(3) 規(guī)范表格法。按照文獻[19],利用土層孔隙比和液性指數查表確定該土層fak。

(4) 標準貫入試驗法。按照文獻[19],根據土層標準貫入試驗結果,確定該土層fak。

6種方法確定的fak及其偏離率見表5所列。

偏離率是指不同方法確定的fak相對于載荷試驗法所確定的承載力fak1的偏差,其值為(|fak-fak1|/fak1)×100%。

一般認為,載荷試驗所確定的地基承載力是最可靠的。從表5可以看出,本文經驗公式所確定的fak最接近載荷試驗結果,偏離率小于10%,且偏于安全,而其余4種方法的偏離率較大。由此可見,本文建立的經驗公式(5)式安全可靠,可用于工程實踐。

表5 馬鞍山市某場地② 層黏土采用6種方法確定的fak

4 結 論

(3) 對區(qū)內某場地的黏土層采用6種方法確定其承載力,發(fā)現與其他4種方法相比,本文經驗公式(5)式所確定的地基承載力最接近載荷試驗結果,且偏于安全,表明該經驗公式所確定的地基承載力安全可靠,該經驗公式可用于工程實踐。