嘉興地區黏性土的物理性質研究★

殷旭峰 劉 芳 鄧厚華 俞仙芳 吳錦躍 韋 政

(嘉興學院，浙江 嘉興 314000)

0 引言

土是尚未固結成巖的松軟堆積物，由巖石經歷物理、化學、生物風化等作用所生成，物理狀態多變，力學性質復雜。不同地區的同類土質差別較大；即使是同一地區相同土層，其工程性質差異也有可能較大。因此了解黏性土的工程性質本質顯得尤為重要，可以解決施工中的許多難題，預防工程地質災害的發生。

目前國內外有較多學者使用回歸的方法研究黏性土物理力學指標間的相關性。如Kang等[1]研究了非飽和土塑性指數與抗剪強度指標間的相關性。夏銀飛等[2]收集了珠江三角洲地區原狀軟土的物理力學指標數據，對指標的變化范圍、變異性、指標間的相互關系和各指標的統計分布規律進行了深入研究。馬廣楠等[3]科學運用統計原理，對湖北武漢地區大量粉質粘土土性參數進行整理研究。王建等[4]利用數理統計原理，對河南嵩山地區的粉質粘土參數進行整理，得到重要的相應經驗公式并計算出了各指標的相關性及變異系數大小。

嘉興地區場地屬于長江三角洲太湖平原南緣，上海濱海平原西緣，場地地貌類型屬于沖海積平原，一般具有高含水率、大孔隙、低強度、高壓縮性、低滲透性等特點。本文土樣正是取自于嘉興市南湖區，通過對嘉興地區粘土實測數據進行分析，對粘土的物性指標之間、物性指標與力學指標間進行相關性分析，得到相應的經驗公式和相關系數R，研究成果可為嘉興地區未來設計建造建筑工程時提供理論依據。

1 嘉興地區黏性土的物理力學特性

本文土樣取土區域為嘉興科技城復興苑安置房小區，共取40個鉆孔土樣，取離地面8.5 m～4.5 m深度的粘土層進行室內土工試驗，獲得黏性土基本物理力學數據指標，對數據間的相關性進行系統的分析，得到嘉興地區黏性土的物理力學特點。統計結果如表1～表3所示。

由統計結果可知，嘉興地區黏性土具有如下特點：

1)天然含水率較高，孔隙比較大，飽和度較高。取土區域內黏性土的含水率平均值達25.6%，最大值為27.0%。孔隙比平均值達0.756，最大值為0.794。飽和度平均值為92.9%，最大值為94.7%。

表1 黏性土物理性質指標統計

表2 黏性土直剪條件下抗剪強度指標統計

表3 黏性土固結條件下物理指標統計

2)液限較高，液性指數、塑性指數較大。黏性土液限平均值達38.8%，最大值達39.6%。液性指數平均值達0.29，最大值達0.33，處于可塑狀態。塑性指數平均值達18.6，最大值為19.6。

3)抗剪強度低，直剪試驗下得到的粘聚力平均值為42.8 kPa，最小值為41.0 kPa。內摩擦角平均值為18.5°，最小值為17.6°。

4)壓縮性高，壓縮模量平均值為6.91 MPa，最小值為6.33 MPa。

由表1～表3的統計結果可知，黏性土物性指標標準值普遍較低。而強度指標的標準值較大，尤其是直剪條件下粘聚力的標準值，達到了42.5 kPa。

2 物理力學指標的分析

掌握黏性土的工程特性對于人們在設計和建造各種建筑工程時具有重大意義，因此對黏性土的各項物性力學指標進行分析，以得到黏性土的工程特性變化規律顯得十分重要。本文采用數理統計中的多項式、對數、冪函數、指數等回歸方法對指標間的相關性進行擬合，得到擬合關系式以及相關系數R。

2.1 物性指標間的相關性

黏性土各個物理量之間具有相關性，本文將給出以含水率為自變量的物理性質指標之間的相關性，結果分析建立的經驗關系表如表4所示。

表4 含水率與其他物性指標間的相關統計

由表4的統計結果可知，嘉興地區黏性土的含水率與其他物性指標之間的相關性較好，相關系數都在0.95以上。嘉興地區黏性土的塑性指數較高，意味著黏性土處于可塑態的含水量變化范圍大，表明土能吸附結合水越多，因此兩者相關性較好，相關系數達0.992 9。表4中的回歸方程可用于嘉興地區黏性土物性參數的預測和檢驗。

2.2 物性指標與變形指標間的相關性

將含水率、孔隙比、密度作為自變量，壓縮模量及壓縮系數作為應變量，進行擬合。圖1，圖2為含水率與變形指標相關關系擬合的結果。

由圖1，圖2可知，壓縮系數隨含水率的增加而線性增大，壓縮模量隨含水率的增加呈冪指數減小。猜測其原因是，土體壓縮發生變形，其中的空隙水被排除。

將含水率、孔隙比和密度等物性指標與變形指標間的相關性進行擬合，擬合結果見表5。

表5 物性指標與變形指標間的相關性統計

由表5的結果可知，含水率、孔隙比和密度與變形指標間的相關性較好，相關系數R都在0.9以上。其中孔隙比與變形指標間的相關性最好，相關系數R在0.97以上。

2.3 物性指標與強度指標間的相關性

繼續將含水率、孔隙比和密度作為自變量，將它們與抗剪強度指標進行擬合，分析它們之間的相關性以得出相應的結論。抗剪強度指標來源于直剪試驗。下面將給出含水率與直剪試驗得到的抗剪強度指標相關關系擬合結果，如圖3，圖4所示。

由圖3，圖4的統計結果可知，含水率與粘聚力和內摩擦角呈負相關關系，推測其原因是水分起到了潤滑作用，使內摩擦角減小，同時隨著含水率的增加，黏性土的粘聚力減小。

將含水率、孔隙比和密度等物性指標與抗剪強度指標進行擬合，擬合結果見表6。

表6 物性指標與抗剪強度指標間的相關性統計

由表6可知，直剪強度試驗下的抗剪強度指標與含水率和孔隙比呈負相關關系，而與密度呈正相關關系。根據相關系數R的大小得到密度與抗剪強度指標的相關性較低，相關系數R最低為0.893 2，其中孔隙比與抗剪強度指標的相關性最好，相關系數R均在0.958以上。

3 結語

依據在嘉興科技城復興苑安置房小區工程取的多個鉆孔土樣，通過室內土工試驗，得到了嘉興地區黏性土的物性力學指標，以及物性指標間的相關性、物性指標與變形指標的相關性和物性指標與抗剪強度指標的相關性，通過分析研究，得出以下結論:

1)嘉興地區黏性土含水率較高，飽和度和孔隙比較大，液限較高，液性指數、塑性指數較大；抗剪強度低，壓縮性高。

2)物性指標間的相關性較好，以及物性指標與變形指標和抗剪強度指標間的相關性也較好，說明嘉興地區黏性土的含水率、孔隙比等物性指標對黏性土的變形、強度特性影響較大。

3)嘉興地區軟土的工程地質較差，所以在設計和建造建筑物前要掌握它的工程特性，采取一定的防護措施，有效降低對建筑物的危害，保證建筑物的安全。