梅州地區河灘軟土固結指標相關性分析

余燚,李某明,楊敬云,梁文焱

(1.中南林業科技大學 土木工程學院,湖南 長沙,410004;2.中交二公局第一工程有限公司,湖北 武漢,430056;3廣東利鴻源園林建設有限公司,廣東 梅州,514000)

作為分布在沿海、沿河地區的常見的不良地基土之一,軟土的物理力學性能具有顯著的地域差異和不確定關系[1]。同時,由于成因、結構和形態等原因,導致不同種類軟土的各項土性指標的相關性具有顯著差異[2]。結合已有的勘察資料進行統計分析,研究其物理力學指標間的相互關系,建立相應的經驗公式。能有效的降低類似工程土體參數獲取的費用和時間、節約工程建設成本。因此,近年來一些學者們就工程實際中遇到的不同類型的軟土土性指標做了一定的研究。陳曉平[3]等依據珠江三角洲軟土地區大量的土工試驗數據,通過對其物理力學指標進行統計分析,指出各指標間的分布規律,進而得到珠三角地區軟土的工程特性。宋曉晨[4]結合盤錦、營口等地區的工程勘察實例中的軟土試驗指標,探究了遼寧區域性軟土物理力學指標的變異性和相關性。劉慧明[5]以基于福廈鐵路沿線百余組軟土勘察數據為基礎,研究福建東南沿海地區軟土工程特性并進行了相應土性指標的回歸分析。閻長虹[6]等從成因,結構組成和分布情況對比分析了連云港、南京、吳江、盱眙四地典型軟土的工程特性并建立了相應的回歸方程。姜燕[7]等通過對廣州南沙區濱海相軟土和珠海橫琴新區軟土的相關力學特性的對比分析,研究了兩類軟土的含水率對其力學指標作用效果的差異。鄭軼軼[8]等根據寧波1、2號線軌道交通工程的地質勘察資料,研究了寧波地區軟土力學參數的分布規律和相關關系。由現有研究成果顯示,目前國內對軟土的土性指標的研究主要集中在沿海城市區域的三角洲相、濱海相軟土。但是由于軟土作為一種天然產物,區域特性強、種類多樣,導致其土性指標的分布和相關關系各有特點,已有研究成果難以在全國范圍內推廣應用。因此,研究軟土土性指標相關規律,對于相應區域工程具有實際意義。

本文利用spearman相關分析和回歸分析方法,以梅州地區沿河改造的水利及景觀工程的上百組河灘相軟土的物理力學指標數據為基礎,通過指標分布情況及變異性進行分析,建立梅州地區河灘軟土的物理指標—固結指標的經驗公式。這些關系式來源于大量現有的工程勘察數據,并且使用方便,較容易被接受。既可以為梅州地區河流岸灘開發及沿河建設提供了一定的借鑒作用,也可為河灘相軟土的研究提供參考。

1 梅州地區河灘軟土的物理力學指標

梅州位于廣東東北部、閩粵贛3省交界,位于韓江流域梅江中游。地處嶺南山脈以南的山區區域,中心為梅江盆地。梅州地區軟土主要分布于丘間谷地及河流階地上,軟土類型以河灘沉積和沼澤沉積為主,屬于Qpd軟土層。

本文所用數據取自梅州地區沿河改造的水利及景觀工程項目中河灘相軟土的室內土工實驗的地勘土工室內試驗結果,現場取土及室內土工實驗過程見圖1。取樣及試驗以《土工試驗方法標準》(GB/T50123-1999)為標準,取樣選用薄壁取土器,并使用快速靜力壓入法采集,取樣深度為1.1～17.3m;土工室內試驗包括,含水率試驗、密度試驗、比重試驗、固結試驗、直剪試驗和界限含水試驗等。

圖1 現場取土及室內土工實驗過程

1.1 試驗數據結果

對研究數據進行匯總,篩選和剔除其中的異常值,然后利用統計分析方法對數據進行統計分析。詳見表1.選取的物理力學指標包括:天然密度、含水率、土粒比重、孔隙比、液限、塑限、塑性指數、液性指數和土的固結指標—壓縮系數和壓縮模量,以及土的抗剪強度指標—(直剪)黏聚力和內摩擦角。

參考《公路工程地質勘查規范》(JTGC20-2011),得到該地區軟土物理力學指標具有以下特征。

(1)含水率高。研究區內軟土的含水率在54.5%～36.7%之間,統計均值為45.5%,大于《公路軟土地路堤設計與施工技術規范基》中軟土的鑒別指準值(>35%)。

(2)天然密度小,孔隙比大。研究區內軟土的天然密度的變化范圍在1.69～1.86 g/cm3之間,平均值為1.76 g/cm3,孔隙比e在1.00～1.48之間,均值為1.25。由此可見地區軟土普遍的密度較小,孔隙比較大,對沉降影響較大。

(3)壓縮性大。壓縮性大,壓縮系數在0.7～1.1MPa-1之間,統計均值為0.91MPa-1,壓縮模量在1.9～3.5MPa,統計均值為2.64Mpa,屬于高壓縮性土。

(4)抗剪強度低。抗剪強度低,在直接快剪的試驗條件下,該地區軟土凝聚力在1.4～3.8kPa之間,統計均值為2.6kPa,摩擦角的變化范圍為2.3°～3.5°。

表1 梅州地區河灘軟土的物理力學指標的統計分析結果

從該軟土物理力學指標的變異系數統計值得到,該軟土的天然密度、土粒比重、干密度、飽和度和塑性指數的變異系數都小于0.1,說明研究區內軟土軟土的天然密度、土粒比重、干密度、飽和度和塑性指數等物理指標的變異可能性較低,一定條件下可視為定值。通過概率方法計算梅州地區河灘軟土地基變形時,可不考慮該軟土這些物理指標的變異性的影響。該軟土的其余物理指標(含水率、孔隙比、液限、塑限)和壓縮指標(壓縮系數、壓縮模量)變異系數大于0.1,對指標取值已經有較為明顯額影響。文中變異性參數的統計值可作為可靠性設計的參考值。

2 物理－固結指標的相關性

土的固結指標是反映土的工程特性的重要參數。針對不同地區的不同類型的軟土,將其物理力學指標進行總結和分析,建立相應的經驗公式,對于相關軟土規范修訂及相應工程設計具有實際意義[9]。

2.1 相關程度分析

土的固結性能很大程度上隨其物理指標的變化有明顯的變化[10]。軟土作為典型的高壓縮性土,其固結指標很大程度會受物理指標控制作用。通過對本地區工程實測河灘軟土物理指標與固結指標進行spearman相關分析,選擇與固結指標相關性較大的物理力學指標進行擬合分析,探究物理指標對固結指標的影響作用,并在此基礎上建立固結指標的經驗公式。

作為在水利工程中常用的相關程度的量化指標,spearman相關分析是通過兩列成對等級的各對等級數之差進行計算[11]。其適用范圍廣且對數據條件要求沒有積差相關系數嚴格。作為非參數相關系數,spearman相關系數并不要求數據源滿足正態分布,線性約束以及同方差等嚴格的假設條件,因此具有更廣泛的適用性。不論變量總體分布形態、樣本容量大小如何,均可用spearman相關分析進行研究[12]。將梅州地區梅州地區河灘軟土物理指標與固結指標進行spearman相關分析,結果見表2。

表2 梅州地區河灘軟土物理指標與固結指標的spearman相關系數

根據梅州地區河灘軟土物理物理指標與固結指標的spearman相關分析所得相關系數結果,其中相關程度最高的3項為天然密度,孔隙比,含水率。由此說明,該地區河灘軟土壓縮系數和壓縮模量受天然密度,含水率和孔隙比的影響最為明顯。同時也體現天然密度,含水率和孔隙比此3項指標可以為該土固結指標推算的經驗公式的參數之一。

2.2 擬合

根據梅州地區河灘軟土物理指標與固結指標的spearman相關分析結果,將固結指標相關程度較高的物理指標與相應的固結指標進行一元線性擬合結果(見圖2和表3)。

根據該地區河灘軟土固結指標與含水率等高相關程度的物理指標進行的一元線性擬合結果,回歸方程的顯著系數r皆小于0.8,說明簡單的單變量線性分析不能很好體現這些物理指標對壓縮系數(av1-2)和壓縮模量(Es)的影響作用。

表3 固結指標與物理指標的一元線性擬合結果

圖2 固結指標與物理指標的一元線性擬合

由于軟土的固結受多種物理量共同作用,分析單一物理量的影響不能很好得到土的固結指標變化。故選擇多個實際工程中易測且對固結指標影響作用明顯的物理指標。將其與固結指標進行多元擬合,得到對應經驗公式。實際工程中,土的天然密度ρ和含水率ω測定較為簡便。現將該河灘軟土固結指標與含水率ω、天然密度ρ進行多元擬合,多元擬合結果見表4及圖3。

表4 固結指標的多元擬合結果

圖3 固結指標與含水率和天然密度的多元擬合

通過分別建立固結指標(壓縮系數av1-2和壓縮模量Es)與含水率ω、天然密度ρ的三維散點分布圖及將其進行線性曲面擬合如圖所示。得到回歸方程,其相關系數r都大于0.96。說明通過該回歸方作為較好得推算出該地區河灘軟土的固結指標。將該方程可以作為該地區河灘軟土固結指標的經驗公式。

3 結論

結合梅州地區沿河改造的水利及景觀工程的河灘軟土的土工試驗數據,運用spearman相關分析方法,對其固結指標進行分析,所得結論如下:(1)梅州地區河灘軟土整體工程特性差、承載力偏低,具體體現于含水率高,天然密度小、孔隙比大、壓縮性高和抗剪強度低等的工程特性;(2)在進行基礎可靠度設計時,可將其天然密度、土粒比重、干密度、飽和度和塑性指數一定條件下可視為定值。由于力學指標變異系數較大,宜將力學指標(固結指標、抗剪指標)作為隨機變量來進行處理;(3)根據spearman相關分析結果顯示,該軟土的其含水率ω,天然密度ρ及孔隙比e與固結指標(壓縮系數av1-2和壓縮模量Es)的相關程度較高,宜將ω、ρ、e可作為相應經驗公式的變量指標;(4)通過多元回歸分析,建立了該地區河灘軟土易測指標含水率ω、天然密度ρ指標與固結指標的經驗公式。可為類似工程和相關規范修訂提供參考。