崇明地區粉質黏土物理力學指標的線性分析

孫 松,陳 城,李 坤,王建東,司光輝

(淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223005)

巖土物理力學參數是分析和評價場地工程地質條件的重要指標[1]，巖土計算成果的可靠性，在很大程度上取決于這些參數的準確測定和合理選擇[2]，因此加強巖土體物理力學參數的研究不容忽視。

崇明區位于上海市北部，地處長江入海口，主要由崇明、長興、橫沙3島組成，其中崇明島作為中國的第三大島，是典型的河口沖積島[3]。島上遍布著埋深較淺的粉質黏土層，是工程建設中淺基礎、市政建設等地基處理的主要土層[4]。根據研究區內多處鉆孔中粉質黏土樣品的土工試驗結果，以及分析已有的地基土物性資料，發現粉質黏土的物理力學參數間存在一定的相關性。對此，本文將圍繞該地區粉質黏土的液性指數，著重探討其與天然含水量、孔隙比、天然密度、壓縮模量、壓縮系數之間的關系，以幫助解決生產實踐中遇到的問題。

1 巖土物理力學參數

液性指數是判斷黏性土狀態的一類物理指標，即為表示天然含水率與界限含水率的相對關系。液性指數小于0的土為堅硬狀態，液性指數在0～1之間的土為塑性狀態，液性指數大于1的土為流塑狀態[5]，崇明地區粉質黏土的液性指數主要集中在0.4～1.0之間。

天然狀態下，土中孔隙所含水的質量與土顆粒質量的比值即為天然含水率[6]，它是反映土的濕度的一個重要指標。孔隙比是用來評價土的密實程度，即為土中孔隙的體積與土顆粒體積的比值。天然密度是指在天然狀態下單位體積土的質量，它綜合體現土的結構特征和物質組成。壓縮模量是判斷土的壓縮性和計算地基壓縮變形量的重要指標之一，而壓縮系數是描述土體壓縮性大小的物理量。

2 研究區土層概況

在研究區內共收集50個取土鉆孔，結合項目勘察報告和野外鉆孔揭示來看，該區第四系地層主要由素填土、粉質黏土、淤泥質粉質黏土、砂質粉土、粉砂等組成。這里以向化鎮鉆孔揭示的土層分布為例，見表1。

表1 向化鎮鉆孔揭示的土層情況Tab.1 Soil condition revealed by drilling in Xianghua Town

本文對這些鉆孔中的粉質黏土進行取樣，并開展土工試驗，獲取粉質黏土的液性指數、天然含水量、孔隙比、天然密度、壓縮模量、壓縮系數的一般參數值，為后續的相關性分析提供數據支撐。

3 相關性分析

本文通過統計分析該50個粉質黏土樣品的土工試驗數據，總結得出崇明地區一系列粉質黏土物理力學參數間的相關關系。同時，結合前人的相關研究成果，通過對比分析來提高參數相關性分析的可靠性。

3.1 天然含水率與液性指數的相關關系

天然含水率的高低主要取決于土的類型、埋藏深度及其周圍環境，同時它還影響土的強度。經統計發現，崇明地區粉質黏土的天然含水率值集中在30%～35%之間，得出的液性指數與天然含水率之間存在的函數關系式為IL=0.056 9w-1.108 1，相關系數為0.962 2，為正相關線性關系(圖1)。通過對比上海[7]、蘇通大橋[8]以及江陰[9]等地區液性指數-天然含水率關系曲線(圖2)發現，崇明關系曲線介于蘇通大橋與江陰之間，當天然含水率處在35%左右時，與江陰關系曲線發生相交。上海與崇明在地理位置上雖相近，但由于具體采樣地點不同，它們的關系曲線存在差異，兩者間錯開一定的距離，總的來說4個地區的關系曲線走勢大體一致。

圖1 液性指數-天然含水率參數投點Fig.1 Liquidity index versus natural water content parameter point

圖2 崇明與其他地區液性指數-天然含水率關系曲線對比Fig.2 Comparison of relationship curves between liquidity index versus natural water content in Chongming and other regions

3.2 孔隙比與液性指數的相關關系

通過土工試驗數據的投圖結果來看(圖3)，崇明地區粉質黏土孔隙比集中在0.8～1.0之間，得出的液性指數與孔隙比之間存在的函數關系式為IL=2.004 4e-1.066，相關系數為0.952 4，亦為正相關線性關系。由圖4可以看出，蘇通大橋[8]粉質黏土液性指數-孔隙比關系曲線與崇明地區的近乎平行，且曲線相距較近，這說明上述兩個地區土的密實程度相近。

圖3 液性指數-孔隙比參數投點Fig.3 Liquidity index versus void ration parameter point

圖4 崇明與其他地區液性指數-孔隙比關系曲線對比Fig.4 Comparison of relationship curves between liquidity index versus void ration in Chongming and other regions

3.3 天然密度與液性指數的相關關系

天然密度主要取決于土顆粒密度、土中孔隙體積以及土中水的質量。見圖5。

圖5 液性指數-天然密度參數投點Fig.5 Liquidity index versus natural desity parameter point

據圖5可知，崇明地區粉質黏土的天然密度集中在1.80～1.95 g/cm3之間，液性指數與天然密度之間存在的函數關系式為IL=7.898 2-3.760 5γ，相關系數為0.9236，為負相關線性關系。上海[7]、蘇通大橋[8]及崇明3地的液性指數-天然密度關系曲線見圖6，圖6中3條關系曲線相距較近，且近乎平行，這反映出這3個地區粉質黏土的結構特征和物質組成較為相似。

圖6 崇明與其他地區液性指數-天然密度關系曲線對比Fig.6 Comparison of relationship curves between liquidity index versus natural desity in Chongming and other regions

3.4 壓縮模量與液性指數的相關關系

土的壓縮模量越小，則土的壓縮性越高，這說明土越軟，土的液性指數越大；反之則土的壓縮性越低，土便越硬，土的液性指數就越小。從圖7中曲線的變化趨勢可看出它們之間的關系，結合統計得出液性指數與壓縮模量之間存在的函數關系式為IL=1.335 3-0.109 1ES，相關系數為0.872 2，為負相關線性關系。蘇通大橋[8]與崇明地區的液性指數-壓縮模量關系曲線(圖8)存在明顯差異，崇明地區為線性反比函數式，而蘇通大橋為指數函數式，但兩者的變化范圍及趨勢大體相同。

圖7 液性指數-壓縮模量參數投點Fig.7 Liquidity index versus modulus of compressibility parameter point

3.5 壓縮系數與液性指數的相關關系

土的壓縮系數越大，則表明土的壓縮性越高，液性指數越大，這也反映出壓縮系數與壓縮模量之間存在著反比關系。由圖9可以看出，液性指數與壓縮系數之間存在的函數關系式為IL=1.409 3a1-2+0.237 3，相關系數為0.906 6，為正相關線性關系。由圖10中可見，崇明地區粉質黏土的液性指數-壓縮系數關系曲線介于蘇通大橋[8]和江陰[9]之間，其與上海[7]的間距較大，但兩者近乎平行，關系曲線總體上均呈現出上升趨勢。

圖8 崇明與其他地區液性指數-壓縮模量關系曲線對比Fig.8 Comparison of relationship curves between liquidity index versus modulus of compressibility in Chongming and other regions

圖9 液性指數-壓縮系數參數投點Fig.9 Liquidity index versus coefficient of compressibilty parameter point

圖10 崇明與其他地區液性指數-壓縮系數關系曲線對比Fig.10 Comparison of relationship curves between liquidity index versus coefficient of compressibility in Chongming and other regions

4 結 論

1) 崇明地區粉質黏土的液性指數與天然含水率、孔隙比、天然密度、壓縮模量、壓縮系數呈現較好的線性相關關系，相關系數介于0.872 2～0.962 2之間。

2) 崇明地區粉質黏土的液性指數與天然含水率、孔隙比、壓縮系數之間呈現正相關線性關系，液性指數與天然密度和壓縮模量之間呈現負相關線性關系。

3) 對比崇明地區與其他地區粉質黏土的液性指數及其物理力學參數的相關性，它們之間具有較高的相似度，這可以為研究長江下游地區類似場地粉質黏土相關指標提供借鑒。