石家莊市及周邊土工參數空間特征分析

李海軍 尹紅云 張永輝 王 芳

(河北省水文工程地質勘查院 石家莊 050021)

石家莊市位于華北地塊的太行山隆起與河北平原拗陷的過渡帶上，除西部邊緣為基巖殘丘之外，其余地帶皆為沖、洪積平原。地勢平坦，覆蓋物巨厚，總地勢自西向東，自西北向東南傾斜，地面平均坡降1.5‰左右。屬于第四系全新統，以沖洪積地層為主，局部存在新近堆積黃土狀土，土層主要由黏土、粉質黏土、粉土、砂類土等組成，其中粉質黏土不論在面上還是在空間上，分布都最為廣泛。

本文通過對大量的土工試驗數據進行歸納分析和系統研究，旨在說明研究區域的巖土物理力學指標分布特征，揭示該地區土工參數間的相互關系，構建相應的參數模型。研究結果對于了解該區土質學特征，特別是在人類工程活動作用下的工程特性和產生的環境工程地質問題的認識有所幫助。

1 土層物理力學參數一般特征

依據石家莊市的地理特性，以石家莊市區為中心，輻射東、南、西、北四個方位，研究區域依次定為：鹿泉區(市西郊)、藁城區(市東郊)、正定區(市北郊)、欒城區(市南郊)和石家莊市區五個樣點。通過對大量的土工試驗成果數據進行篩選，確定0～60 m埋深的土層作為研究深度范圍，共計2114組土工試驗數據。

1.1 土質

研究區內的土質以粉土和粉質黏土為主，分別占樣品總數的49%和47%，黏土僅占4%。其中粉土主要分布在表層，深度范圍約為0～10 m，隨著深度的增加，土質逐漸轉為粉質黏土，在10～30 m出現粉土與粉質黏土互層，在30～50 m則以粉質黏土為主，50～60 m為粉質黏土與黏土互層。

1.2 孔隙比與壓縮性

研究區域的孔隙比數值范圍為0.399～1.230，平均值為0.699，土質孔隙比適中、偏低，說明土質相對比較密實。粉土、粉質黏土及黏土孔隙比分別介于0.399～1.095、0.434～1.206和0.583～1.230，均值分別為0.682、0.706、0.818。壓縮系數介于0.047～1.350之間，均值為0.247。90%以上的土層壓縮系數av1-2范圍為0.100～0.500，為中壓縮性土。

1.3 液限與塑限

所統計土工成果數據中，液限最大值為49.6%，最小值為19.6%，平均值29.4%。塑限數據范圍為32.0%～12.4%，平均值為19.0%。土層的液性指數范圍為-0.31～0.98，均值為0.22，按照《巖土工程勘察規范GB 50021-2001》硬度標準，堅硬土質占總土樣的14.29%，硬塑土質占42.86%，可塑土質占40.82%，軟塑土質2.03%，說明研究區域的土質主要以硬塑和可塑為主。

2 土層物理力學參數空間上分布特征

針對研究范圍內，五個樣點不同區域的土工試驗數據進行分類統計，說明不同研究區域土工參數空間上的分布特征。通過對比分析，統計結果如表1所示。

2.1 區域對比

研究區域作為新生界含水層，地勢自西北向東南傾斜，各項指標均呈現該變化規律。需要說明的是：一是壓縮系數，藁城地區最小。主要因為藁城位于沖、洪積平原的最底層，土粒結構骨架的穩定性較高，因此該地區巖土的抗壓性較強；二從粘聚力角度看，鹿泉區的粘聚力值最小。主要是因為西部山區邊緣，巖土中親水性礦物物含量較多，如蒙脫石、伊利石及高嶺石等含量較多時，遇水后發生脹縮促使巖土抗剪強度降低，內摩擦角值相對較大。

表1 不同區域土層物理指標統計數據表

2.2 深度對比

針對研究區域的土層，以每5 m一個深度范圍作為土層統計單元，通過將各單元的試驗參數值進行加權平均，以說明土層各深度范圍的力學指標與土層深度關系，分析結果如圖1所示。

石家莊及周邊均列屬于沖洪積平原地區，下游堆積形成洪積土層，顆粒在搬運過程中因分選作用而呈現隨離山越遠顆粒的粒徑越小，土粒間的結合水連接可能產生膠結連接或微弱的毛細連接，使土粒間的連結強度增強，土層的粘聚力增大。因此，研究區域內，土的比重、粘聚力、塑性指數均隨深度的增加而增加，液性指數、壓縮系數隨深度的增加而逐漸減小。

隨著深度的增加，內摩擦角在20度左右呈折線型震蕩。這主要是因為內摩擦角在巖土抗剪切過程中，受內摩擦力和內聚力共同支配的結果。在巖土顆粒較大時，剪切面上下部分土粒發生相互移動，首先必須克服咬合力，然后粒間的摩擦阻力才起主要作用，內摩擦角相對越大；而當細粒土顆粒細小時，巖土的位移主要受土粒間連結強度的影響，因此，在0～60 m深度范圍內，研究區域土層的內摩擦角基本處于平穩狀態。

3 土工參數相互關系分析

地層作為地質系統的基本結構單元，各項物理參數之間密不可分，相互影響，每一層巖土都是一個系統的結合體，土性、地質的特征是各項物理參數集體作用的綜合體現。因此，巖土參數間相關關系的研究是巖土力學研究的重要內容。然而，由于地質系統的空間異質性決定了勘察工作的復雜性，工程勘察不可能面面俱到，致使勘察結果缺乏整體、全面、系統的定性。因此，對各項土工參數進行相關性分析，并構建預測回歸模型，將一個已知隨機變量推演另一個未知變量，有利于減少工程地質勘探工作量和綜合工程地質測試工作。

圖1 物理力學指標與土層深度變化圖

利用SPSS軟件，通過對土層各項參數進行Pearson雙側相關性分析，以說明不同深度以及各項物理指標之間的相互關系(表2)。并綜合考慮各結構參數對巖土定性和力學指標的影響，選擇顯著性相關變量，構建回歸模型(表3)。

3.1 液塑限經驗模型

常規的液塑限試驗方法采用的是聯合測定法，其理論基礎是土的含水率W與錐體下沉深度h在雙對數標紙上具有直線關系。然而，相關研究表明聯合測定結果，具有一定的分散性，存在一定的誤差。相應的經驗模型能夠針對液塑限的測定值進行適時校正，從而提高試驗結果的準確度。

表2中，液限與塑限、液限與塑性指數間均呈極顯著相關，構建其間的一元回歸模型，結果如下：

塑性指數(IP)與液限(WL)關系式：

IP=0.491WL-3.879

塑限(WP)與液限(WL)關系式：

WP=0.509WL+3.879

3.2 力學指標回歸模型

巖土試驗空間方面的局限性，以及取樣過程中往往存在一定的誤差，使有些土工試驗結果不能客觀反映工程的實際情況。比如內聚力和內摩擦角作為細粒土的抗剪強度指標，通常采用室內直接剪切進行試驗，然而，直剪儀存在不能有效的控制排水、上下盒之間的縫隙造成剪應力和剪切面方法偏差等缺點。因此，針對石家莊市及周邊地區，通過構建各項力學指標與相關影響因子之間的回歸模型，用于土工試驗過程進行參考或校正。

表3中構建的多元線性回歸模型的判定系數R2均在0.900以上，說明預測模型代表性較強，精度較高。

4 結論

研究區內的土質以粉土和粉質黏土為主，粉土主要分布在表層，隨著深度的增加，土質逐漸變為粉質黏土。90%以上為中壓縮性土，以硬塑和可塑為主。

表2 各項物理指標相關分析

注：**. 在 0.01 水平(雙側)上極顯著相關；*. 在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。

表3 物理力學指標與影響因子回歸模型

注：/表示剔除的非顯著性相關因子

各項指標均呈現自西北向東南較明顯的變化規律。在土層深度上，比重、粘聚力、塑性指數隨深度的增加而增加，液性指數、壓縮系數隨深度的增加而逐漸減小。

通過對土工參數之間進行Pearson雙側相關性分析，不同深度土層的土工各項參數之間呈顯著相關水平。構建的參數回歸模型，模型代表性較強，精度較高，在該研究區域范圍內，具有一定的實際參考價值。

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