陽(yáng)江地區(qū)黏性土物理力學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析

胡亞晴，周小龍*，潘勝平，趙 勇，李元松

1.武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430074；

2.中鐵大橋局集團(tuán)第五工程有限公司，江西 九江 332001

風(fēng)能屬于清潔的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電潛力巨大，且沒(méi)有碳排放等環(huán)境成本，隨著陸上風(fēng)電資源可開(kāi)發(fā)量的逐漸減小，海上風(fēng)電成為各國(guó)大規(guī)模新能源轉(zhuǎn)型的重要方向。吸力桶基礎(chǔ)由于具有可重復(fù)利用、施工方便、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于海上風(fēng)力發(fā)電風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)中［1］。

吸力桶沉貫控制是風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工中的一大難題，而準(zhǔn)確確定沉貫阻力是吸力桶基礎(chǔ)安全施工的主要前提［2］。對(duì)于黏性土，美國(guó)工程設(shè)計(jì)規(guī)范API［3］指出吸力桶基礎(chǔ)沉貫阻力與土體的不排水抗剪強(qiáng)度和有效重度有關(guān)；挪威船級(jí)社DNV［4］推薦的計(jì)算公式表明吸力桶基礎(chǔ)沉貫阻力與土層錐尖阻力有關(guān)；國(guó)內(nèi)研究成果也表明，土層抗剪強(qiáng)度對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響較大［5-7］，同時(shí)王庚蓀等［8］、丁紅巖等［9］提出吸力桶負(fù)壓沉貫引起的滲流梯度，不僅改變土體滲透性，甚至改變了土體物理力學(xué)特性；文獻(xiàn)［10-11］表明含水率對(duì)樁側(cè)摩阻力影響較為顯著，且不同地區(qū)樁側(cè)摩阻力隨含水率變化發(fā)展規(guī)律不同。Shi 等［12］研究發(fā)現(xiàn)孔隙比、液性指數(shù)對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響較大。綜上，不同特性的土層，吸力桶基礎(chǔ)沉貫阻力考察土層物理力學(xué)指標(biāo)存在差異，即使對(duì)于同一類土，不同區(qū)域其工程力學(xué)特性也可能不一致［13-15］?？梢?jiàn)，吸力桶基礎(chǔ)的沉貫特性是研究所關(guān)注的焦點(diǎn)，由于地質(zhì)環(huán)境的差異，土體特性的地域離散性非常突出，若無(wú)針對(duì)特定地質(zhì)環(huán)境的吸力桶基礎(chǔ)沉貫特性的研究，就難以保證吸力桶的施工質(zhì)量與安全。

本文以廣東省陽(yáng)江市沙扒鎮(zhèn)某近海海上風(fēng)電項(xiàng)目為背景，以該工程區(qū)域內(nèi)第四系全新世沖海積物（Q4m+al）黏性土為研究對(duì)象，分析陽(yáng)江地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)黏性土土層特性，為特定地質(zhì)環(huán)境土體的吸力桶基礎(chǔ)沉貫特性分析提供參考。

1 黏性土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析

本文土體取土區(qū)域?yàn)閺V東省陽(yáng)江市陽(yáng)西縣沙扒鎮(zhèn)附近海域，海水深度約27 m，取土深度為21 m，以該區(qū)域55 個(gè)巖土工程勘察鉆孔資料為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)分析黏性土的物理力學(xué)指標(biāo)。選取的物理指標(biāo)有含水率w、有效重度γ′、孔隙比e、液限WL、塑限WP、液性指數(shù)IL及塑性指數(shù)IP；力學(xué)指標(biāo)有壓縮模量Es、直剪條件下黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。在取土深度范圍內(nèi)，有黏性土也有無(wú)黏性土，本文選取的數(shù)據(jù)均為黏性土的數(shù)據(jù)。該地區(qū)黏性土土層分布為：①1層為淤泥，①2層為淤泥質(zhì)黏土，①3、②2、②4、②6層均為黏土。

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)整理，得到該地區(qū)黏性土物理力學(xué)指標(biāo)分層統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表1 所示。

由表1 可知，陽(yáng)江地區(qū)黏性土具有以下特征：

表1 黏性土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics of physical and mechanical indexes of cohesive soils

（1）含水率、孔隙比高。含水率的平均值在31.7%～45.3%之間，標(biāo)準(zhǔn)差在3～4 之間，表明黏性土含水率較高且離散程度較大，親水礦物較多；孔隙比平均值在0.83～1.24 之間，說(shuō)明土體壓縮性偏高，即土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差；陽(yáng)江地區(qū)黏性土具有較高的含水率和孔隙比，對(duì)土體的變形特征和強(qiáng)度特征有影響。WL和WP均值分別介于36%～50.3%和17.5%～25.6%之間，IL和IP變化范圍分別為0.42～1.35 和10.5～22.0，其中淤泥土層狀態(tài)為流塑，淤泥質(zhì)黏土土層狀態(tài)為流塑到軟塑，黏土土層狀態(tài)為可塑。

（2）壓縮性較高。黏性土壓縮模量的變化范圍為2.00～5.06 MPa，屬于高壓縮性土，這也反映了該地區(qū)黏性土的孔隙比大。

（3）①1、①2、①3、②2、②4、②6層黏性土黏聚力平均值分別為7.6、17.9、28.4、46.3、48.1、46.4 kPa，內(nèi)摩擦角平均值分別為18.6°、8°、17.6°、17.7°、14.8°、11°。該地區(qū)黏性土與廣東省其他地區(qū)［16-18］黏性土相比力學(xué)特性較好，淤泥及淤泥質(zhì)黏土的抗剪強(qiáng)度較小，力學(xué)特性較差。

（4）物理指標(biāo)的變異系數(shù)小，離散程度小，說(shuō)明該地區(qū)黏性土的物理性質(zhì)較穩(wěn)定。力學(xué)指標(biāo)的變異系數(shù)大，離散程度大，說(shuō)明該地區(qū)黏性土的力學(xué)性質(zhì)不夠穩(wěn)定。從整體上來(lái)看，物理性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)參數(shù)的平均值具有一定的代表性，可以作為該地區(qū)工程應(yīng)用的參考依據(jù)。

2 黏性土物理力學(xué)指標(biāo)相關(guān)性分析

陽(yáng)江市黏性土的內(nèi)摩擦角較小，因此抗剪強(qiáng)度指標(biāo)近似采用黏聚力表征。該地區(qū)黏性土有效重度取水下浮重度。本文采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法研究黏聚力、有效重度與其他物理力學(xué)指標(biāo)間的關(guān)系以及它們的分布規(guī)律，據(jù)此分析吸力桶基礎(chǔ)沉貫阻力計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮的指標(biāo)，對(duì)工程實(shí)踐具有重要意義。

本文采用一元線性回歸法研究物理力學(xué)指標(biāo)間的關(guān)系，并確定最合適的關(guān)系式，作為檢驗(yàn)和預(yù)測(cè)指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。采用Pearson 相關(guān)系數(shù)對(duì)物理力學(xué)指標(biāo)之間的相關(guān)程度進(jìn)行評(píng)判，按照相關(guān)系數(shù)的大小，可將變量之間的相關(guān)程度分為以下幾種情況［19］：當(dāng)|R|≥0.8 時(shí)，為高度相關(guān)；0.5≤|R|＜0.8 時(shí)，為中度相關(guān)；0.3≤|R|＜0.5 時(shí)，為低度相關(guān)；|R|＜0.3 時(shí)，可視為不相關(guān)。

2.1 物理指標(biāo)之間的相關(guān)性分析

含水率和孔隙比與有效重度的擬合曲線分別如圖1（a）和圖1（b）所示。由圖1（a）可知，有效重度與含水率和孔隙比表現(xiàn)為高度負(fù)相關(guān)，擬合曲線精度較高。由《工程地質(zhì)手冊(cè)》［20］中浮重度的計(jì)算公式可知，浮重度與含水率、孔隙比成反比，與擬合結(jié)果一致。

圖1 有效重度與物理指標(biāo)的一元線性回歸分析曲線：（a）含水率，（b）孔隙比Fig.1 Univariate linear regression analysis curves between effective unit weight and physical indexes：（a）water content，（b）void ratio

采用同樣的方法對(duì)有效重度與其他物理指標(biāo)之間的關(guān)系進(jìn)行分析，分析結(jié)果列于表2 中。

表2 有效重度與物理指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果Tab.2 Results of correlation analysis between effective unit weight and physical indexes

由表2 可知，有效重度與液性指數(shù)IL之間表現(xiàn)為高度負(fù)相關(guān)，與液限WL、塑限WP和塑性指數(shù)IP之間表現(xiàn)為正相關(guān)，但相關(guān)性較低。

2.2 物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)之間的相關(guān)性分析

黏聚力與含水率的擬合曲線如圖2（a）所示，黏聚力隨含水率的增大呈現(xiàn)線性減小的趨勢(shì)。可見(jiàn)，對(duì)于黏性土，增大含水率，使其表面的結(jié)合水膜變厚且自由水增多，致使土顆粒間的結(jié)合力和摩擦力減小，潤(rùn)滑作用增強(qiáng)，從而削弱了土的黏聚力［21］。

黏聚力與孔隙比的擬合曲線如圖2（b）所示，隨著孔隙比的增大，黏聚力呈現(xiàn)減小趨勢(shì)?？紫侗确从沉送馏w的密實(shí)程度，孔隙比越大，土體越松散，土顆粒間距增大，土顆粒間的范德華力減小且結(jié)合水膜對(duì)土體的粘結(jié)作用被削弱，使得土的黏聚力減?。?2］。

圖2 黏聚力與物理指標(biāo)的一元線性回歸分析曲線：（a）含水率，（b）孔隙比Fig.2 Univariate linear regression analysis curves between cohesion and physical indexes：（a）water content，（b）void ratio

采用同樣的方法對(duì)陽(yáng)江地區(qū)黏性土黏聚力與其他物理指標(biāo)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，分析結(jié)果列于表3 中。

表3 黏聚力與物理力學(xué)指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果Tab.3 Results of correlation analysis between cohesion and physical and mechanical indexes

綜上可知，黏聚力c與液限WL、塑限WP、塑性指數(shù)IP及壓縮模量Es之間呈正相關(guān)，相關(guān)性不高。黏聚力c與含水率w、孔隙比e、液性指數(shù)IL之間呈負(fù)相關(guān)，與文獻(xiàn)［23-24］的成果一致。黏聚力隨含水率、孔隙比、液性指數(shù)的增加而減小，呈高度線性相關(guān)，擬合曲線精度高，可用于該地區(qū)黏性土物理力學(xué)指標(biāo)的估計(jì)和校驗(yàn)。

總體而言，對(duì)有效重度和黏聚力影響較大的物理指標(biāo)為含水量、孔隙比和液性指數(shù)。因此，在計(jì)算陽(yáng)江地區(qū)吸力桶基礎(chǔ)沉貫阻力時(shí)，不僅要重點(diǎn)研究有效重度及不排水抗剪強(qiáng)度，還需考慮含水率、孔隙比及液性指數(shù)等物理指標(biāo)的影響。

3 黏性土物理力學(xué)指標(biāo)隨土層分布深度的變化

本文采用回歸分析法分析物理力學(xué)指標(biāo)與土層分布深度（h）之間的關(guān)系，研究該地區(qū)黏性土沿土層分布深度方向的工程性質(zhì)。物理力學(xué)指標(biāo)隨土層分布深度的變化曲線如圖3 所示。

圖3 物理力學(xué)指標(biāo)與土層分布深度的回歸分析曲線：（a）含水率，（b）孔隙比，（c）有效重度，（d）黏聚力Fig.3 Regression analysis curves of physical and mechanical indexes and depth of soil layer distribution：（a）water content，（b）void ratio，（c）effective unit weight，（d）cohesion

含水率及孔隙比隨土層分布深度變化的曲線分別如圖3（a）和圖3（b）所示，孔隙比及含水率與土層分布深度之間的相關(guān)性較好，曲線擬合精度高，均大于0.9，可為工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。孔隙比及含水率隨土層分布深度的增加逐漸減小，且逐漸趨于穩(wěn)定。該地區(qū)土體的分布特征表現(xiàn)為：在土層分布深度小于8 m 時(shí)，絕大部分為黏性土層，隨著土層分布深度的繼續(xù)增加，無(wú)黏性土逐漸出現(xiàn)且占比越來(lái)越高。在0～8 m 范圍內(nèi)，含水率和孔隙比隨土層分布深度的增加逐漸減小，且遞減速度逐漸放緩，在8～21 m 范圍內(nèi)，隨著土層分布深度的增加，含水率和孔隙逐漸趨于穩(wěn)定。

有效重度隨土層分布深度的變化如圖3（c）所示，有效重度隨土層分布深度的增加呈現(xiàn)出先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。由圖1 可知，有效重度與含水率和孔隙比之間呈現(xiàn)較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，其與土層分布深度也表現(xiàn)出相似的性狀。在0～8 m 范圍內(nèi)，隨著土層分布深度的增加，含水率及孔隙比逐漸減小，因此，有效重度隨土層分布深度的增加逐漸增大，在8～21 m 范圍內(nèi)，隨著土層分布深度的增大，有效重度趨于穩(wěn)定。

黏性土黏聚力隨土層分布深度的變化曲線如圖3（d）所示，二者之間的相關(guān)系數(shù)R為0.928，為高度相關(guān)，擬合曲線精度為0.961，擬合效果好，可為工程提供參考依據(jù)。黏聚力隨土層分布深度呈臺(tái)階型增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速率先減小再增大。在0～8 m范圍內(nèi)，含水率與孔隙比對(duì)黏聚力的影響程度大，黏聚力隨土層分布深度的增加而增加；在8～17 m范圍內(nèi)，黏聚力隨土層分布深度增加趨于穩(wěn)定；在17～21 m 范圍內(nèi)，黏聚力再次隨土層分布深度的增加而增加。

由土體的物理力學(xué)指標(biāo)隨土層分布深度的變化曲線可知，陽(yáng)江地區(qū)黏性土的含水率、孔隙比均隨土層分布深度的增加而減小，黏聚力則隨土層分布深度的增加而增大，說(shuō)明黏性土在沉積過(guò)程中，固結(jié)和壓密正常，土體工程性質(zhì)較好。

4 結(jié)論

本文統(tǒng)計(jì)分析了陽(yáng)江地區(qū)黏性土物理力學(xué)指標(biāo)，采用回歸分析和相關(guān)性分析的方法對(duì)物理力學(xué)指標(biāo)之間及其與土層分布深度之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

（1）陽(yáng)江地區(qū)黏性土的特征為：含水率、孔隙比、液限、塑限、液性指數(shù)、塑性指數(shù)的值均較高，壓縮性較大。物理指標(biāo)的離散程度小于力學(xué)指標(biāo)。

（2）有效重度和黏聚力與含水率、孔隙比和液性指數(shù)呈負(fù)相關(guān)且相關(guān)性強(qiáng)，與液限、塑限和塑性指數(shù)、壓縮模量呈負(fù)相關(guān)且相關(guān)性弱。

（3）有效重度隨土層分布深度的增加呈現(xiàn)出先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。黏聚力與土層分布深度呈正相關(guān)，增長(zhǎng)趨勢(shì)為臺(tái)階型，且與土層分布深度呈高度相關(guān)性。

（4）在進(jìn)行吸力基礎(chǔ)桶沉貫阻力計(jì)算時(shí)，除考慮不排水抗剪強(qiáng)度和有效重度外，還應(yīng)考慮孔隙比、含水率及液性指數(shù)對(duì)阻力的影響。

由于收集到的數(shù)據(jù)有限，本文只討論了物理力學(xué)指標(biāo)之間的關(guān)系，物理力學(xué)指標(biāo)與原位試驗(yàn)結(jié)果、標(biāo)準(zhǔn)貫入值之間的關(guān)系未做討論，有待今后進(jìn)一步研究和分析。