靜力觸探估算安徽省淮北平原黏性土物理力學(xué)指標(biāo)方法研究

吳道祥, 郭佳誠, 葉 磊, 趙華宏, 吳磊磊

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

巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)是巖土工程分析評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)，實(shí)際工程中主要利用室內(nèi)土工試驗(yàn)確定,但是存在2個(gè)主要問題:① 取樣和制樣過程中出現(xiàn)無法克服的擾動(dòng)問題;② 取樣點(diǎn)之間土性的變化因取樣和試驗(yàn)數(shù)量有限而無法確定。另外,大型建設(shè)工程集中大量取樣后,室內(nèi)土工試驗(yàn)往往因試驗(yàn)周期長(zhǎng)而無法及時(shí)提交數(shù)據(jù),導(dǎo)致勘察工作效率難以提高。

靜力觸探(cone penetration test,CPT)是工程上最常用的一種原位測(cè)試方法,兼具勘探和測(cè)試的雙重作用,在巖土工程勘察中得到廣泛應(yīng)用[1]。CPT無需取樣,測(cè)試連續(xù),精度高、再現(xiàn)性好,效率高,可以連續(xù)獲取土層垂直方向上物理力學(xué)性質(zhì)的變化,能有效避免上述問題。因此,利用CPT測(cè)試值快速、準(zhǔn)確地確定土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)是CPT的一個(gè)非常重要的應(yīng)用。

由于CPT貫入機(jī)理尚不明確,不同區(qū)域、不同類型土體的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及工程性質(zhì)各不相同,目前還只能建立特定地區(qū)或特定土類的經(jīng)驗(yàn)公式。文獻(xiàn)[2-8]研究表明,CPT在不同地區(qū)土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)估算上具有很好的應(yīng)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)外的一些規(guī)范和手冊(cè)中也納入了利用CPT數(shù)據(jù)估算土層物理力學(xué)指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)公式[9-13]。

安徽省淮北平原為華北平原南緣的一部分,位于安徽省北部,南以淮河為界,東、西、北分別與江蘇、河南及山東接壤,包括淮北、宿州、亳州、阜陽以及淮南和蚌埠部分地區(qū),呈典型的堆積性地貌景觀,占安徽省總面積的26.6%。研究區(qū)屬淮河流域,區(qū)內(nèi)河流較為發(fā)育,由于黃河和淮河的泛濫和沉積,第四系分布廣泛、厚度大,以黏性土、粉土和砂為主,多以過渡形式存在[14]。由于地表普遍分布厚層黏性土、粉土及砂土等土層,適于CPT應(yīng)用,CPT技術(shù)在研究區(qū)得到廣泛應(yīng)用,積累了大量的數(shù)據(jù)和資料,但這些數(shù)據(jù)和資料一直沒有得到深入分析及有效的歸納總結(jié)和利用。本文收集研究區(qū)大量的巖土工程勘察資料,對(duì)其主要土層之一的黏性土層的CPT和室內(nèi)土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,建立CPT測(cè)試值與土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系公式,以促進(jìn)CPT的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用,提高勘察效率和效益。

1 靜力觸探數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

1.1 數(shù)據(jù)來源與分布

本文收集的工程勘察資料都來源于安徽省內(nèi)的幾家大型勘察設(shè)計(jì)單位,數(shù)據(jù)資料可靠。經(jīng)整理,共取得可供分析研究的工程225項(xiàng),分布在阜陽市、亳州市、淮北市等地各區(qū)縣,涵蓋整個(gè)淮北平原區(qū),確保研究成果具有較好的代表性和地區(qū)適用性。

1.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算及統(tǒng)計(jì)學(xué)特性

1.2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法

1.2.2ps值與常用指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征

研究區(qū)黏性土ps值、常用物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征見表1所列,如圖1所示。

由表1、圖1可知:

圖1 研究區(qū)黏性土ps值、常用物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)頻率分布直方圖

表1 研究區(qū)黏性土ps值、常用物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征

(1)ps值3種統(tǒng)計(jì)平均值均呈正偏態(tài)分布,其頻率分布、離散程度等都非常接近,變異系數(shù)均為0.39,表明它們的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征無顯著差異。

(2)wL、wP和IP等近似呈正態(tài)分布,其他指標(biāo)均為偏態(tài)分布。

(3)IL、φ、c、a和Es等指標(biāo)的分布較為均勻,值域范圍大,變異系數(shù)較大,而其他指標(biāo)變異系數(shù)均小于或等于0.10,值域范圍小。

(4)a的取值范圍為0.15～0.60 MPa-1,平均值為0.23 MPa-1;Es的取值范圍為3.00～12.50 MPa,平均值為8.14 MPa;該結(jié)果表明研究區(qū)黏性土大部分為中等壓縮性土。

(5)c取值范圍為11.00～76.70 kPa,平均值為54.52 kPa;φ取值范圍為4.00°～19.11°,平均值為12.92°。

上述結(jié)果表明研究區(qū)黏性土總體上強(qiáng)度較高、壓縮性較低,工程性質(zhì)較好,有利于工程建設(shè)。

2 CPT估算物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)方法

2.1 ps值與常用指標(biāo)間的相關(guān)性分析

通過對(duì)2個(gè)或多個(gè)具有相關(guān)性的變量元素進(jìn)行相關(guān)性分析,可以得到變量之間的相關(guān)密切程度。本文運(yùn)用SPSS軟件對(duì)ps值3種統(tǒng)計(jì)平均值和常用物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果見表2所列。

表2 研究區(qū)黏性土ps值3種統(tǒng)計(jì)平均值與常用物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果

2.2 ps值與常用指標(biāo)間的回歸分析

表3 研究區(qū)黏性土ps值2種統(tǒng)計(jì)平均值與常用物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的擬合方程

從表3、圖2可以看出:

(1)ps值3種統(tǒng)計(jì)平均值與IL、φ、c、a和Es等指標(biāo)的擬合效果較好,擬合優(yōu)度R2均在0.60以上,與其余指標(biāo)的擬合效果相對(duì)較差,R2大多小于0.60。這與數(shù)據(jù)的分布特征有關(guān)。統(tǒng)計(jì)學(xué)特征分析表明,IL、φ、c、a和Es等指標(biāo)的值域分布范圍較廣,變異系數(shù)較大,與ps值3種統(tǒng)計(jì)平均值的分布特征相似,而其余指標(biāo)的值域分布范圍相對(duì)較小,變異系數(shù)較小,與ps值3種統(tǒng)計(jì)平均值分布特征的差異更大。

2.3 擬合回歸方程的檢驗(yàn)

表與常用物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)回歸方程顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

由表5可知,對(duì)各指標(biāo)的擬合均有r>r0.05、F>F0.05、|t|>t0.025,顯著性為0,說明回歸效果顯著,具有95%置信度,通過了可靠性檢驗(yàn)。

2.4 經(jīng)驗(yàn)公式與相關(guān)規(guī)范對(duì)比

圖3 本文公式與鐵路規(guī)程公式擬合曲線對(duì)比

從圖3可以看出,當(dāng)ps<2.0 MPa時(shí),本文公式與鐵路規(guī)程公式所繪制的曲線非常接近,且均位于散點(diǎn)圖區(qū)域內(nèi),都能夠較準(zhǔn)確地確定淮北平原區(qū)黏性土Es;當(dāng)ps>2.0 MPa后,兩者所繪制的曲線開始出現(xiàn)明顯差異,且ps值越大,差別越大;當(dāng)ps>3.0 MPa后,鐵路規(guī)程公式擬合曲線甚至超出ps與Es關(guān)系散點(diǎn)圖區(qū)域,已完全不再適于確定淮北平原黏性土Es指標(biāo),而本文公式擬合曲線始終位于關(guān)系散點(diǎn)圖的中間區(qū)域,顯示出良好的預(yù)測(cè)效果。由此可見,鐵路規(guī)程相關(guān)規(guī)定僅在ps<2.0 MPa時(shí)較為適用,ps>2.0 MPa后不宜采用,而本文確定的經(jīng)驗(yàn)公式則具有較好的地區(qū)應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié) 論

(1)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,比貫入阻力ps值的3種統(tǒng)計(jì)平均值均為正偏態(tài)分布,其分布、離散程度都非常接近,并無顯著差異。

(2)淮北平原黏性土各常用物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征各異。液限、塑限和塑性指數(shù)等指標(biāo)近似呈正態(tài)分布,其他指標(biāo)為偏態(tài)分布;分布特征的差異導(dǎo)致各物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)與ps值3種統(tǒng)計(jì)平均值的相關(guān)性差異明顯;液限、塑限和塑性指數(shù)等指標(biāo)與ps值3種統(tǒng)計(jì)平均值的相關(guān)程度極弱,其余常用指標(biāo)則與之高度相關(guān);其中,最小平均值與各指標(biāo)的相關(guān)性總體上相對(duì)更高。

(3)對(duì)ps值3種統(tǒng)計(jì)平均值與各常用物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行線性和非線性回歸分析,結(jié)果表明,受數(shù)據(jù)相關(guān)性影響,液限、塑限、塑性指數(shù)等指標(biāo)與ps值3種統(tǒng)計(jì)平均值的擬合效果差,擬合優(yōu)度極低,而其他各主要指標(biāo)與ps值3種統(tǒng)計(jì)平均值可統(tǒng)一采用y=a+b/x的函數(shù)形式進(jìn)行擬合,且擬合優(yōu)度均較高,擬合效果均為良好。