云南遮放盆地粉質(zhì)黏土物理力學(xué)指標(biāo)相關(guān)性分析

涂春霖，尹林虎，顧亞

(中國地質(zhì)調(diào)查局昆明自然資源綜合調(diào)查中心，云南 昆明 650100)

0 引言

軟土地基是建筑和工程活動中經(jīng)常面對的課題，地基土體的物理與力學(xué)指標(biāo)是進(jìn)行土體強(qiáng)度計算和基礎(chǔ)設(shè)計的必要參數(shù)和重要依據(jù)（張衛(wèi)紅，2009；劉勇鍵等，2010；胡家亮等，2019；呂超，2020）。由于沉積環(huán)境、地形地貌、氣候條件等差異，不同地區(qū)粉質(zhì)黏土的物理力學(xué)性質(zhì)也各不相同（劉湘元等，2012；徐奮強(qiáng)和曹云，2012；武朝軍，2016；王文韜，2019）。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)活動的展開，關(guān)于地基土物理力學(xué)指標(biāo)的研究得到了廣泛的關(guān)注，張先偉等（2011）、王濟(jì)生等（2012）、唐軍平等（2018）分別對湛江、大連、佛山等地軟土物理力學(xué)指標(biāo)及其相關(guān)性進(jìn)行了分析，建立了不同地區(qū)軟土各物理力學(xué)參數(shù)之間的經(jīng)驗公式，取得了較為顯著的成果。

本文以遮放地區(qū)粉質(zhì)黏土為研究對象，在實地調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用本次項目工作中采集的粉質(zhì)黏土土工試驗結(jié)果，對土層的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)研究，總結(jié)了遮放地區(qū)粉質(zhì)黏土的物理力學(xué)特征，統(tǒng)計分析各指標(biāo)的變異性和相關(guān)性，對一些重要指標(biāo)進(jìn)行一元線性回歸，建立不同指標(biāo)間的擬合方程，為該區(qū)工程設(shè)計和建設(shè)活動提供一定參考。

1 樣品采集與分析

遮放盆地地處德宏州芒市西南部，為云南著名的“貢米之鄉(xiāng)”，區(qū)域上位于龍陵-瑞麗斷裂帶上，為滇西典型的新生代小型山間盆地之一（賀根文，2013），出露地層為新近系芒棒組（N2m）和第四系（Qhal），其中第四系分布在芒市河及龍江兩岸一、二級階地上，主要為沖積形成的粉質(zhì)黏土、粉土等，局部夾碎石土和砂土，以粉質(zhì)黏土發(fā)育最為廣泛，為區(qū)內(nèi)的主要持力層。

研究區(qū)粉質(zhì)黏土分布于芒市河及龍江兩岸，面積53.2 km2，土體厚度主要為5～10 m，一般不超過20 m。本試驗土樣取自鉆孔和天然露頭，共采集62組樣品，取樣深度一般0～5 m，最深不超過10 m，采樣位置見圖1。鉆孔內(nèi)土樣用土樣盒采取，天然露頭土樣用環(huán)刀采取，樣品送自然資源部昆明礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心進(jìn)行分析，基本代表了區(qū)內(nèi)粉質(zhì)黏土特征。

圖1 遮放盆地土體分布及采樣位置圖

2 粉質(zhì)黏土物理力學(xué)特征

根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計理論和《工程地質(zhì)手冊》相關(guān)規(guī)定（常士驃和張?zhí)K民，2006），對粉質(zhì)黏土物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計分析，重點關(guān)注最小值、最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等統(tǒng)計值（闕金聲等，2007；蔣建平和羅國煜，2007），結(jié)果見表1。

表1 遮放盆地粉質(zhì)黏土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果

從表中可知，該區(qū)粉質(zhì)黏土具有以下特征：

（1）遮放盆地粉質(zhì)黏土天然含水率W較高，分布范圍在17.4%～50.7%之間，平均31.09%，變異系數(shù)0.25，濕度一般為濕-很濕；液限WL范圍28.9%～56%，平均39.55%，變異系數(shù)0.19；液性指數(shù)IL分布范圍0.05～0.91，平均0.43，變異系數(shù)達(dá)到0.45，表明各地粉質(zhì)黏土的天然狀態(tài)差別較大，總體以可塑為主，局部為軟塑和硬塑狀態(tài)。

（2）區(qū)內(nèi)粉質(zhì)黏土壓縮性中等，壓縮系數(shù)a1-2范圍0.18～0.81 MPa-1，平均0.37 MPa-1，變異系數(shù)0.34；壓縮模量Es1-2范圍2.81～9.15 MPa，變異系數(shù)0.29；根據(jù)規(guī)范規(guī)定（0.1 MPa-1

（3）區(qū)內(nèi)粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度略高，粘聚力c范圍13.5～38.9 kPa，平均27.97 kPa，變異系數(shù)0.24；內(nèi)摩擦角Φ范圍5.4°～24.9°，平均15.53°，變異系數(shù)0.29，變異系數(shù)相對較大。

從粉質(zhì)黏土物理力學(xué)指標(biāo)的變異系數(shù)統(tǒng)計值可知：該區(qū)粉質(zhì)黏土的天然密度ρ、干密度ρd、比重Gs、飽和度Sr、塑性指數(shù)IP變異系數(shù)較小，基本小于0.1，在工程建設(shè)中可將這幾個物理指標(biāo)看作常量（孫峰，2016）；其他物理指標(biāo)（含水率W、孔隙比eo、液限WL、塑限WP）變異系數(shù)在0.2～0.3，變化也不是太大，可根據(jù)需要進(jìn)行取舍?？傮w來說，力學(xué)指標(biāo)變異系數(shù)相對較大，在0.3左右，在工作中應(yīng)作為變量處理。值得注意的是，液性指數(shù)IL變異系數(shù)較大，達(dá)到0.45，表明該區(qū)粉質(zhì)黏土液性指數(shù)IL具有一定的離散性，主要受不同地區(qū)土體天然狀態(tài)的影響，需重點加以注意。

3 粉質(zhì)黏土物理力學(xué)指標(biāo)相關(guān)性分析

對區(qū)內(nèi)粉質(zhì)黏土各物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)（表2），從表中可以看出，在各物理指標(biāo)之間，天然含水率W與干密度ρd、孔隙比eo、液限WL、塑限WP相關(guān)性較高，孔隙比eo與天然密度ρ、干密度ρd、液限WL、塑限WP相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)均在0.8以上；液限WL和塑限WP的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.99。在力學(xué)指標(biāo)方面，液性指數(shù)IL與壓縮系數(shù)a1-2、壓縮模量Es1-2、粘聚力c、內(nèi)摩擦角Φ相關(guān)性均較高，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.9以上；各力學(xué)指標(biāo)間也具有良好的相關(guān)性。在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，采用一元線性回歸模型（周暉和李勇，2015），對各物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行回歸分析，并得到不同指標(biāo)間的擬合方程（表3～4）。

表2 遮放盆地粉質(zhì)黏土物理力學(xué)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表

3.1 物理指標(biāo)間的相關(guān)性

土的天然孔隙比和含水量被認(rèn)為是影響軟土性能的主要宏觀指標(biāo)（夏銀飛等，2008）。將區(qū)內(nèi)天然含水率W、孔隙比eo與其他物理指標(biāo)進(jìn)行一元線性回歸分析，得到相應(yīng)的擬合方程和相關(guān)系數(shù)。由表3和圖2可知，W-eo、W-WL、W-Wp具有良好的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)約0.8左右，均呈正相關(guān)關(guān)系，即隨著含水率的增加，孔隙比、液限、塑限均隨著增大。孔隙比eo與干密度ρd呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.96，即干密度ρd隨著孔隙比eo的增大而減小，這與粉質(zhì)黏土的實際情況是相符的。需要注意的是，含水率W和孔隙比eo與液性指數(shù)IL、塑性指數(shù)IP相關(guān)性均較小，相關(guān)系數(shù)0.22～0.36之間。另外，液限WL與塑限WP具有高度的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)0.98以上，而液性指數(shù)IL、塑性指數(shù)IP之間基本不相關(guān)，相關(guān)系數(shù)小于0.1。

圖2 遮放盆地粉質(zhì)黏土典型物理力學(xué)指標(biāo)擬合關(guān)系曲線

表3 物理指標(biāo)間的相關(guān)性統(tǒng)計表

3.2 物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)間的相關(guān)性

建立土的力學(xué)指標(biāo)和物理指標(biāo)之間的經(jīng)驗關(guān)系，在工程上具有重要的現(xiàn)實意義（蔣建平和羅國煜，2007）。由表4和圖2可知，液性指數(shù)IL與壓縮系數(shù)a1-2呈正相關(guān)關(guān)系，與壓縮模量Es1-2、內(nèi)摩擦角Φ呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.839、0.936、0.851，均高度相關(guān)，與粘聚力c呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)0.69，即隨著粉質(zhì)黏土液限指數(shù)IL的增加，其壓縮系數(shù)增大，壓縮模量和內(nèi)摩擦角、粘聚力均呈減小的趨勢，反映了該區(qū)粉質(zhì)黏土的天然狀態(tài)與其力學(xué)性質(zhì)高度相關(guān)，在需要時可根據(jù)液性指數(shù)IL估算出各力學(xué)指標(biāo)的大小。

表4 物理力學(xué)指標(biāo)間的相關(guān)性統(tǒng)計表

天然含水率W和孔隙比eo與各力學(xué)指標(biāo)相關(guān)性均較低，與粘聚力c 相關(guān)性最小，甚至不到0.2，說明該區(qū)粉質(zhì)黏土力學(xué)性質(zhì)受到多種因素的綜合影響。另外，各力學(xué)指標(biāo)之間均具有一定的線性相關(guān)關(guān)系，尤其壓縮模量Es1-2與壓縮系數(shù)a1-2、內(nèi)摩擦角Φ高度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.85。值得注意的是，粘聚力c 與其他物理力學(xué)指標(biāo)相關(guān)性均不高，與液性指數(shù)IL相關(guān)性也僅0.69，在工作中應(yīng)作為變量處理。

4 結(jié)論

（1）遮放盆地粉質(zhì)黏土分布廣泛，為區(qū)內(nèi)主要的持力層，具有天然含水率較高、壓縮性中等、抗剪強(qiáng)度略高的特征。

（2）該區(qū)粉質(zhì)黏土物理指標(biāo)變異性相對較小，其中天然密度ρ、干密度ρd、比重Gs、飽和度Sr、塑性指數(shù)IP可作為常量；力學(xué)指標(biāo)變異系數(shù)相對較大。該區(qū)粉質(zhì)黏土液性指數(shù)IL具有一定的離散性，變異系數(shù)達(dá)0.45，表明在不同地區(qū)土的天然狀態(tài)差別較大。

（3）通過相關(guān)性分析和一元線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)WP-WL、ρd-eo高度相關(guān)，天然含水率W與孔隙比eo、液限WL、塑限Wp也具有良好的線性相關(guān)關(guān)系，液性指數(shù)IL、塑性指數(shù)IP之間基本不相關(guān)。

（4）液性指數(shù)IL與壓縮系數(shù)a1-2、壓縮模量Es1-2、內(nèi)摩擦角Φ均高度相關(guān)，可根據(jù)需要用液性指數(shù)IL估算各力學(xué)指標(biāo)的大小，各力學(xué)指標(biāo)之間均具有一定的線性相關(guān)關(guān)系，但粘聚力c與其他物理力學(xué)指標(biāo)相關(guān)性均不高。