阜康市天山地區(qū)土的土工試驗(yàn)及成果的綜合分析

成建軍 申開(kāi)禮

摘要：以阜康市天山地區(qū)第四系全新統(tǒng)沖、洪積層（Q4al+pl）及第四系上更新統(tǒng)沖、洪積層（Q3al+pl）粉土層為研究對(duì)象，收集大量土試樣樣本，分析其物理指標(biāo)、力學(xué)指標(biāo)，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)、回歸分析等統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)知識(shí)，繪制了物理指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)的關(guān)系圖，總結(jié)了一些規(guī)律性的結(jié)論，為土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的一些異常現(xiàn)象做出分析判斷，確保工程建設(shè)的質(zhì)量和安全。

關(guān)鍵詞：土工試驗(yàn)；力學(xué)指標(biāo)；物理指標(biāo)；成果分析

Soil test and comprehensive analysis of results in Tianshan area of Fukang City

Cheng Jian-jun， Shen Kai-li

Geologic Party No.216，CNNC Wulumuqi 830011

Abstract：Taking Quaternary Holocene alluvial， diluvial （Q4al+pl） and Quaternary Upper Pleistocene alluvial and diluvial （Q3al+pl） silt layers in Tianshan area of fukang city as research objects， a large number of soil sample samples were collected and their physical and mechanical indexes were analyzed. Through mathematical statistics， regression analysis and other statistical related knowledge， the relationship diagram between physical indexes and mechanical indexes was drawn， some regular conclusions were summarized， and some abnormal phenomena in geotechnical test data were analyzed and judged to ensure the quality and safety of engineering construction.

Keywords： Mechanical index of geotechnical test； Physical indicators； Results analysis

近年來(lái)，市場(chǎng)工程任務(wù)繁重，時(shí)間較緊張，土工試驗(yàn)室大多忙于試驗(yàn)進(jìn)度，且試驗(yàn)室缺少必要的專業(yè)技術(shù)人員，很少對(duì)工程進(jìn)行分析總結(jié)，不利于實(shí)驗(yàn)室技術(shù)水平的提高。土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為工程勘察報(bào)告的重要依據(jù)，也是工程建設(shè)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，土工試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確與否，直接影響著工程質(zhì)量和使用安全，當(dāng)然，由于土體自身存在的復(fù)雜性，在試驗(yàn)中，經(jīng)常出現(xiàn)一些異常數(shù)據(jù)，這就需要本著實(shí)事求是的態(tài)度，將土的物理、力學(xué)性質(zhì)緊密結(jié)合，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，查明異常原因，為工程建設(shè)提供準(zhǔn)確的試驗(yàn)成果。文章通過(guò)分析阜康市天山地區(qū)工程地質(zhì)條件，收集相關(guān)的土工試驗(yàn)成果，綜合分析，輔以數(shù)理統(tǒng)計(jì)，從中找出規(guī)律性，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

1.地區(qū)工程地質(zhì)條件

地區(qū)出露地層主要有第四系全新統(tǒng)沖、洪積層（Q4al+pl）、第四系上更新統(tǒng)沖、洪積層（Q3al+pl）。

1.1第四系全新統(tǒng)沖、洪積層（Q4al+pl）

①11粉土：褐黃色，稍密，稍濕，土質(zhì)不均，局部黏粒含量較高，搖震反應(yīng)中等，該層區(qū)內(nèi)分布較為廣泛，層厚0.8m～ 7.8m，天然孔隙比e=0.906～1.306，平均值為1.045。

②12粉土：褐黃色，中密，稍濕，土質(zhì)不均，局部黏粒含量較高，搖震反應(yīng)中等，該層區(qū)內(nèi)分布較為廣泛，層厚約1.1～11.6m，天然孔隙比e=0.756～0.899，平均值為0.813。

③13粉土：褐黃色，密實(shí)，稍濕，土質(zhì)不均，局部黏粒含量較高，局部含薄層粉砂，搖震反應(yīng)緩慢，該層區(qū)內(nèi)分布較為廣泛，層厚約1.5m～8.4m，天然孔隙比e=0.544～0.737，平均值為0.649。

1.2第四系上更新統(tǒng)沖、洪積層（Q3al+pl）

①21粉土：褐黃色，密實(shí)，稍濕。土質(zhì)不均，局部砂質(zhì)成分含量較高，切面粗糙，搖震反應(yīng)中等，該層僅個(gè)別鉆孔有揭示，呈透鏡體狀分布于卵石層間，揭示層厚1.0m～1.80m。

②22卵石：山前沖、洪積及河床相沖、洪積形成，雜色，稍密，稍濕，卵粒含量約占50%～68%，余為砂類土及黏性土充填。礫石母巖成分以花崗巖、安山巖、砂巖等硬質(zhì)巖為主，磨圓度較好、分選性較差，偶夾漂石，粒徑一般20～90mm，約占50%～60%，最大粒徑210mm。

③23卵石：山前沖、洪積及河床相沖、洪積形成，雜色，中密，稍濕～潮濕，礫石含量約占52%～71%，余為砂類土及黏性土充填。礫石母巖成分以花崗巖、安山巖、砂巖等硬質(zhì)巖為主，磨圓度較好、分選性較差，偶夾漂石，粒徑一般20mm～90mm，約占50%～60%，最大粒徑220mm，該層分布較為廣泛，層厚約1.8m～7.0m，局部夾薄層砂類土、粘性土。

2.土試樣力學(xué)指標(biāo)樣本數(shù)據(jù)采集

土的物理、力學(xué)性質(zhì)相對(duì)于建筑工程來(lái)說(shuō)，是比較復(fù)雜的，土的組成物質(zhì)性質(zhì)、相對(duì)含量以及土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造等各種因素，必然在土的輕重、松密、干濕、軟硬等一系列物理性質(zhì)和狀態(tài)上有不同反映，反過(guò)來(lái)，土的物理性質(zhì)又在一定程度上決定它的力學(xué)性質(zhì)，所以，物理性質(zhì)是土的最基本的工程特性。

文章以阜康市天山地區(qū)第四系全新統(tǒng)沖、洪積層（Q4al+pl）及第四系上更新統(tǒng)沖、洪積層（Q3al+pl）粉土層為研究對(duì)象，經(jīng)多年試驗(yàn)累計(jì)，收集土試樣樣本106個(gè)，分析其物理、力學(xué)指標(biāo)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)知識(shí)，從各個(gè)指標(biāo)中間找出相關(guān)性特征，為后續(xù)判斷土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性提供依據(jù)。

3.土的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)和成果分析

3.1固結(jié)試驗(yàn)

土的壓縮性是土的變形隨時(shí)間不斷增長(zhǎng)的特性，土的壓縮性包含沉降量及固結(jié)過(guò)程兩方面的內(nèi)容。

在實(shí)際工程中，往往采取土樣，室內(nèi)進(jìn)行飽和土試樣在側(cè)限的條件下加壓的壓縮固結(jié)試驗(yàn)，將試樣在側(cè)限和容許軸向排水的容器中逐漸增加壓力，測(cè)定試樣變形或孔隙比與壓力的關(guān)系以及變形與時(shí)間的關(guān)系，以此計(jì)算土的單位沉降量、壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)、壓縮模量、固結(jié)系數(shù)及原狀土的前期固結(jié)壓力等，用于評(píng)價(jià)建筑物的沉降量，作為設(shè)計(jì)的控制依據(jù)。影響固結(jié)試驗(yàn)成果準(zhǔn)確性的因素很多，如，開(kāi)土描述中，圖樣描述為軟塑，而固結(jié)試驗(yàn)測(cè)出的壓縮模量較大，這就需要檢查各個(gè)環(huán)節(jié)，找出錯(cuò)誤原因，及時(shí)采取補(bǔ)救措施。

3.2剪切試驗(yàn)

剪切試驗(yàn)的原理是根據(jù)庫(kù)侖定律，土的內(nèi)摩擦力與剪切面上的法向壓力成正比，將同一種土制備成幾個(gè)土樣，分別在不同的法向壓力下，沿固定的剪切面直接施加水平剪力，得其剪壞時(shí)剪應(yīng)力，即為抗剪強(qiáng)度，然后根據(jù)剪切定律確定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ和內(nèi)粘聚力c。

土的抗剪強(qiáng)度是土體抵抗剪切破壞的極限能力，是土體重要的力學(xué)性質(zhì)之一。在工程實(shí)踐中，用到抗剪強(qiáng)度有三類：第一類是土坡的穩(wěn)定性；第二類是支擋結(jié)構(gòu)，如擋土墻、地下結(jié)構(gòu)等的周圍土體，由于他的強(qiáng)度不足導(dǎo)致土體破壞，造成對(duì)墻體過(guò)大的側(cè)向土壓力，以致可能發(fā)生工程構(gòu)筑物滑動(dòng)、傾覆等事故；第三類是土作為建筑物地基的承載力問(wèn)題，因土的抗剪強(qiáng)度不足，從而導(dǎo)致局剪切破壞，地基變形過(guò)大等。因此，土的抗剪強(qiáng)度在工程上具有重要意義。抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法有多種，在實(shí)驗(yàn)室常用的是直接剪切試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)方法有十字板剪切試驗(yàn)、大型直接剪切試驗(yàn)等，相對(duì)來(lái)說(shuō)，室內(nèi)的試驗(yàn)的規(guī)律性要比現(xiàn)場(chǎng)的好得多，雖然如此，試驗(yàn)結(jié)果有時(shí)也與理論數(shù)據(jù)存在較大的差距，這時(shí)候，就需要通過(guò)各個(gè)指標(biāo)間的規(guī)律性來(lái)初步判斷數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，避免因人為等因素產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)。

3.3土的力學(xué)指標(biāo)之間的成果分析

土的壓縮模量與抗剪強(qiáng)度有著一定的關(guān)系。土的壓縮性越高，壓縮模量越小，則它的抗剪強(qiáng)度越小，反之，土的壓縮性越低，壓縮模量越大，抗剪強(qiáng)度越大。利用這種關(guān)系，可以直觀判斷壓縮模量結(jié)果與抗剪強(qiáng)度結(jié)果是否準(zhǔn)確。

4.土的物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)的綜合分析

土的物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)緊密相連，一般土的物理性質(zhì)決定土的力學(xué)性質(zhì)，經(jīng)多年的土工試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，阜康市天山地區(qū)粉土層的物理性質(zhì)指標(biāo)與力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)之間具有如下規(guī)律性。

4.1阜康市天山地區(qū)粉土層壓縮模量與天然含水率的關(guān)系

圖1-圖3顯示壓縮模量與天然含水率之間存在比較好的規(guī)律性：無(wú)論軸向壓力在那個(gè)區(qū)間段，隨著天然含水率的增大，壓縮模量都呈現(xiàn)相應(yīng)增加的變化規(guī)律。

4.2阜康市天山地區(qū)粉土層壓縮模量與液限的關(guān)系

土的液限可以間接反映土壓縮性的高低，從圖4可以發(fā)現(xiàn)，壓縮模量隨著液限的增大而降低的一種變化規(guī)律。

4.3阜康市天山地區(qū)粉土層壓縮模量與液限的關(guān)系

圖5中可以發(fā)現(xiàn)，粉土的壓縮模量隨著天然密度的增大而增大的一種變化規(guī)律。

4.4阜康市天山地區(qū)粉土層抗剪強(qiáng)度與天然含水率的關(guān)系

（1）土的黏聚力與含水率的關(guān)系。在剪切實(shí)驗(yàn)中，實(shí)測(cè)值與理論值有時(shí)會(huì)存在很多差距，例如，砂土的抗剪強(qiáng)度c值理論為0，而實(shí)際的剪切試驗(yàn)中的值往往不為0，這屬于正常現(xiàn)象，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中，測(cè)得的抗剪強(qiáng)度c不完全是代表黏聚力，同理內(nèi)摩擦角φ也不完全代表土的內(nèi)摩擦力。兩指標(biāo)相互包含，都代表抗剪強(qiáng)度的一部分。而影響試驗(yàn)結(jié)果的因素很多，其中含水率為重要影響因素。一般對(duì)于粉土層來(lái)說(shuō)，天然含水率越大，其抗剪強(qiáng)度越低；反之，天然含水率越小，其抗剪強(qiáng)度越高。

從圖6、圖7中可以發(fā)現(xiàn)，阜康市天山地區(qū)粉土層黏聚力與天然含水率之間存在一定規(guī)律性：土的黏聚力隨含水率增大而降低；土的內(nèi)摩擦角隨含水率增大而降低。

（2）土的孔隙比與黏聚力的關(guān)系。從圖8中可以看出，土的黏聚力與孔隙比具有一定的規(guī)律性：黏聚力隨著孔隙比的增大而增大。

5.結(jié)論

文章通過(guò)對(duì)阜康市天山地區(qū)主要地層─粉土的多年物理力學(xué)試驗(yàn)成果指標(biāo)的綜合分析，繪制了物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)的關(guān)系圖，總結(jié)了一些規(guī)律性的認(rèn)知和結(jié)論，利用各指標(biāo)之間的規(guī)律性，可以很好地解決試驗(yàn)中因人為操作失誤等出現(xiàn)的試驗(yàn)成果異常現(xiàn)象，還原土試樣準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，對(duì)于土工試驗(yàn)成果分析具有重要指導(dǎo)意義。

土的物理指標(biāo)以天然含水率w、天然密度ρ、液限wL、孔隙比e為典型對(duì)象，力學(xué)指標(biāo)以壓縮模量Es、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ為典型對(duì)象，繪制關(guān)系圖：壓縮模量─天然含水率（Es─w）、壓縮模量─液限（Es─wL）、壓縮模量─天然密度（Es─ρ）、黏聚力─天然含水率（c─w）、黏聚力─孔隙比（c─e）、內(nèi)摩擦角─天然含水率（φ─w），通過(guò)綜合分析，物理、力學(xué)兩者指標(biāo)相關(guān)性較為顯著。

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