河北平原地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)與黏性土參數(shù)相關(guān)性分析

侯迎彬 張曉霞

中國電建集團(tuán)河北省電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 河北 石家莊 050031

引言

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)（N值）在巖土工程勘測領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，但標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)并不能直接測定地基土的物理力學(xué)性質(zhì)，而是通過與其他原位測試手段或室內(nèi)試驗(yàn)成果進(jìn)行對(duì)比，建立關(guān)系式，積累地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，才能評(píng)定地基土的物理力學(xué)性質(zhì)，并且這一相關(guān)關(guān)系往往區(qū)域性較強(qiáng)，不同的區(qū)域，不同的沉積環(huán)境的地層，相關(guān)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式往往不同。本文嘗試找出標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)指標(biāo)N值與黏性土的物理力學(xué)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，并建立相關(guān)關(guān)系式，以對(duì)該地區(qū)后續(xù)相關(guān)勘察工作提供借鑒。

1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

1.1 工程地質(zhì)分區(qū)

本文中河北平原泛指位于河北行政區(qū)內(nèi)。依據(jù)成因、地層特點(diǎn)及地下水埋藏條件，將河北平原劃分為山前平原區(qū)（I區(qū)）和內(nèi)陸及濱海平原區(qū)（II區(qū)），兩區(qū)的分界線自南向北走向大致為清河-冀州-深州-安平-高陽-安新-永清-大廠-玉田-唐山-灤縣-撫寧。

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理

1.2.1 粗差剔除。受機(jī)械設(shè)備、操作方法、土樣采取及試驗(yàn)方法等一系列主客觀因素的影響，標(biāo)貫錘擊數(shù)（N值）及巖土參數(shù)的獲取，難免存在粗差，因此需要對(duì)N值及巖土參數(shù)進(jìn)行粗差及誤差剔除。本文采用2倍標(biāo)準(zhǔn)差剔除法對(duì)各項(xiàng)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，對(duì)離散性較大的粗差予以剔除。

1.2.2 巖土參數(shù)代表值。巖土參數(shù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)可按下式計(jì)算：

式中φm——巖土參數(shù)的平均值；

σf——巖土參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差；

δ——巖土參數(shù)的變異系數(shù)。

巖土參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算：

式中γs——巖土參數(shù)的平均值。

1.2.3 相關(guān)系數(shù)的確定。本文采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)來表征研究變量之間的線性相關(guān)程度，用R表示。可按下式計(jì)算：

式中——巖土參數(shù)X的平均值；

——巖土參數(shù)Y的平均值；

σX——巖土參數(shù)X的標(biāo)準(zhǔn)差；

σY——巖土參數(shù)Y的標(biāo)準(zhǔn)差；

Cov(X,Y)——巖土參數(shù)X、Y的協(xié)方差。

2 N值與巖土參數(shù)相關(guān)性分析

2.1 N值與抗剪切指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系

河北平原Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)內(nèi)黏性土黏聚力與標(biāo)貫擊數(shù)N值的關(guān)系曲線分別如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可知，在所統(tǒng)計(jì)的修正后的標(biāo)貫擊數(shù)（3≤N≤20）范圍內(nèi)，黏聚力c值與標(biāo)貫擊數(shù)N大致呈線性關(guān)系。

圖1 Ⅰ區(qū)黏聚力c與標(biāo)貫擊數(shù)N值關(guān)系曲線

圖2 Ⅱ區(qū)黏聚力c與標(biāo)貫擊數(shù)N值關(guān)系曲線

2.2 N值與壓縮指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系

河北平原Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)內(nèi)黏性土壓縮模量Es與標(biāo)貫擊數(shù)N值的關(guān)系曲線分別如圖3和圖4所示。

圖3 Ⅰ區(qū)壓縮模量Es與標(biāo)貫擊數(shù)N值關(guān)系曲線

圖4 Ⅱ區(qū)壓縮模量Es與標(biāo)貫擊數(shù)N值關(guān)系曲線

由圖3和圖4可知，在所統(tǒng)計(jì)的修正后的標(biāo)貫擊數(shù)（3≤N≤20）范圍內(nèi)，壓縮模量Es值隨標(biāo)貫擊數(shù)N的增大而增大，大致呈線性關(guān)系。

2.3 N值與承載力特征值的相關(guān)關(guān)系

河北平原I區(qū)和II區(qū)內(nèi)黏性土黏聚力與標(biāo)貫擊數(shù)N值得關(guān)系曲線分別如圖5和圖6所示。

圖5 Ⅰ區(qū)承載力特征值fak與標(biāo)貫擊數(shù)N值關(guān)系曲線

圖6 Ⅱ區(qū)承載力特征值fak與標(biāo)貫擊數(shù)N值關(guān)系曲線

由圖5和圖6可知，在所統(tǒng)計(jì)的修正后的標(biāo)貫擊數(shù)（3≤N≤20）范圍內(nèi)，承載力特征值fak與標(biāo)貫擊數(shù)N大致呈線性關(guān)系。

3 回歸方程的誤差分析

將所統(tǒng)計(jì)的標(biāo)貫擊數(shù)N值代入以上各參數(shù)的回歸方程，便可以得到由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的各土層參數(shù)估計(jì)值。然后與由試驗(yàn)得到的試驗(yàn)值相比較，其結(jié)果見表1和表2。

表1 Ⅰ區(qū)黏性土各參數(shù)統(tǒng)計(jì)誤差

表2 Ⅱ區(qū)黏性土各參數(shù)統(tǒng)計(jì)誤差

由表1可以看出，Ⅰ區(qū)內(nèi)黏性土的各參數(shù)用本文的回歸方程計(jì)算得到的估計(jì)值與試驗(yàn)值相比，黏聚力、壓縮模量及承載力特征值的誤差一般在12%以內(nèi)，相關(guān)關(guān)系擬合度較高；但內(nèi)摩擦角的誤差約20%，相關(guān)關(guān)系擬合度較低。Ⅱ區(qū)內(nèi)黏性土的各參數(shù)用本文的回歸方程計(jì)算得到的估計(jì)值與試驗(yàn)值相比，黏聚力、壓縮模量及承載力特征值的誤差一般在15%以內(nèi)，相關(guān)關(guān)系擬合度相對(duì)較高；但內(nèi)摩擦角的誤差約26%，相關(guān)關(guān)系擬合度較低。產(chǎn)生誤差的原因分析如下：

標(biāo)貫擊數(shù)N值反映的是某一點(diǎn)位處土層的軟硬程度，而各項(xiàng)巖土參數(shù)除與軟硬程度相關(guān)外，還受到其他因素的影響。

黏性土的分層準(zhǔn)確性精度不夠，實(shí)際工程中的地層劃分除巖性外還有地層的沉積環(huán)境、包含物、力學(xué)性能等，因此某一層可能包含有其他巖性的透鏡體或薄夾層，造成試驗(yàn)值偏差較大。

原狀土樣在采取、運(yùn)送及試驗(yàn)過程中存在一定程度的擾動(dòng)，使土工試驗(yàn)的試驗(yàn)值與真實(shí)值存在一定偏差，給經(jīng)驗(yàn)公式造成一定誤差。

統(tǒng)計(jì)所用土樣取自不同地點(diǎn)、不同深度，有一定的離散性，這也會(huì)造成一定的誤差[1]。

對(duì)標(biāo)貫擊數(shù)N值的修正僅考慮了桿長的影響，未考慮上覆土壓力和地下水的影響。

在分析過程中本文采用的是線性相關(guān)性分析方法，建立的回歸方程均為直線方程，未采用擬合精度更高的曲線擬合方法[2]。

4 結(jié)束語

本文依據(jù)工程地質(zhì)條件的差異，將河北平原分為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)，通過對(duì)各分區(qū)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)分析，分別建立了標(biāo)貫擊數(shù)N值與各區(qū)黏性土黏聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮模量及承載力特征值等參數(shù)的相關(guān)關(guān)系式[3]，為該地區(qū)相關(guān)巖土參數(shù)研究的資料積累，服務(wù)工程建設(shè)，提高生產(chǎn)效率具有良好的實(shí)際意義。