靜力觸探估算安徽省淮北平原黏性土物理力學指標方法研究

吳道祥, 郭佳誠, 葉 磊, 趙華宏, 吳磊磊

(1.合肥工業大學 資源與環境工程學院,安徽 合肥 230009; 2.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088; 3.公路交通節能與環保技術及裝備交通運輸行業研發中心,安徽 合肥 230088)

巖土體物理力學性質指標是巖土工程分析評價和設計計算的基礎，實際工程中主要利用室內土工試驗確定,但是存在2個主要問題:① 取樣和制樣過程中出現無法克服的擾動問題;② 取樣點之間土性的變化因取樣和試驗數量有限而無法確定。另外,大型建設工程集中大量取樣后,室內土工試驗往往因試驗周期長而無法及時提交數據,導致勘察工作效率難以提高。

靜力觸探(cone penetration test,CPT)是工程上最常用的一種原位測試方法,兼具勘探和測試的雙重作用,在巖土工程勘察中得到廣泛應用[1]。CPT無需取樣,測試連續,精度高、再現性好,效率高,可以連續獲取土層垂直方向上物理力學性質的變化,能有效避免上述問題。因此,利用CPT測試值快速、準確地確定土體物理力學性質指標是CPT的一個非常重要的應用。

由于CPT貫入機理尚不明確,不同區域、不同類型土體的物質組成、結構構造及工程性質各不相同,目前還只能建立特定地區或特定土類的經驗公式。文獻[2-8]研究表明,CPT在不同地區土層物理力學性質指標估算上具有很好的應用價值。國內外的一些規范和手冊中也納入了利用CPT數據估算土層物理力學指標的經驗公式[9-13]。

安徽省淮北平原為華北平原南緣的一部分,位于安徽省北部,南以淮河為界,東、西、北分別與江蘇、河南及山東接壤,包括淮北、宿州、亳州、阜陽以及淮南和蚌埠部分地區,呈典型的堆積性地貌景觀,占安徽省總面積的26.6%。研究區屬淮河流域,區內河流較為發育,由于黃河和淮河的泛濫和沉積,第四系分布廣泛、厚度大,以黏性土、粉土和砂為主,多以過渡形式存在[14]。由于地表普遍分布厚層黏性土、粉土及砂土等土層,適于CPT應用,CPT技術在研究區得到廣泛應用,積累了大量的數據和資料,但這些數據和資料一直沒有得到深入分析及有效的歸納總結和利用。本文收集研究區大量的巖土工程勘察資料,對其主要土層之一的黏性土層的CPT和室內土工試驗數據進行統計分析,建立CPT測試值與土體物理力學性質指標之間的經驗關系公式,以促進CPT的進一步發展和應用,提高勘察效率和效益。

1 靜力觸探數據統計分析

1.1 數據來源與分布

本文收集的工程勘察資料都來源于安徽省內的幾家大型勘察設計單位,數據資料可靠。經整理,共取得可供分析研究的工程225項,分布在阜陽市、亳州市、淮北市等地各區縣,涵蓋整個淮北平原區,確保研究成果具有較好的代表性和地區適用性。

1.2 數據統計計算及統計學特性

1.2.1 數據統計計算方法

1.2.2ps值與常用指標的統計學特征

研究區黏性土ps值、常用物理力學性質指標的統計學特征見表1所列,如圖1所示。

由表1、圖1可知:

圖1 研究區黏性土ps值、常用物理力學性質指標頻率分布直方圖

表1 研究區黏性土ps值、常用物理力學性質指標的統計學特征

(1)ps值3種統計平均值均呈正偏態分布,其頻率分布、離散程度等都非常接近,變異系數均為0.39,表明它們的統計學特征無顯著差異。

(2)wL、wP和IP等近似呈正態分布,其他指標均為偏態分布。

(3)IL、φ、c、a和Es等指標的分布較為均勻,值域范圍大,變異系數較大,而其他指標變異系數均小于或等于0.10,值域范圍小。

(4)a的取值范圍為0.15～0.60 MPa-1,平均值為0.23 MPa-1;Es的取值范圍為3.00～12.50 MPa,平均值為8.14 MPa;該結果表明研究區黏性土大部分為中等壓縮性土。

(5)c取值范圍為11.00～76.70 kPa,平均值為54.52 kPa;φ取值范圍為4.00°～19.11°,平均值為12.92°。

上述結果表明研究區黏性土總體上強度較高、壓縮性較低,工程性質較好,有利于工程建設。

2 CPT估算物理力學性質指標方法

2.1 ps值與常用指標間的相關性分析

通過對2個或多個具有相關性的變量元素進行相關性分析,可以得到變量之間的相關密切程度。本文運用SPSS軟件對ps值3種統計平均值和常用物理力學性質指標進行相關性分析,結果見表2所列。

表2 研究區黏性土ps值3種統計平均值與常用物理力學性質指標相關性分析結果

2.2 ps值與常用指標間的回歸分析

表3 研究區黏性土ps值2種統計平均值與常用物理力學性質指標的擬合方程

從表3、圖2可以看出:

(1)ps值3種統計平均值與IL、φ、c、a和Es等指標的擬合效果較好,擬合優度R2均在0.60以上,與其余指標的擬合效果相對較差,R2大多小于0.60。這與數據的分布特征有關。統計學特征分析表明,IL、φ、c、a和Es等指標的值域分布范圍較廣,變異系數較大,與ps值3種統計平均值的分布特征相似,而其余指標的值域分布范圍相對較小,變異系數較小,與ps值3種統計平均值分布特征的差異更大。

2.3 擬合回歸方程的檢驗

表與常用物理力學性質指標回歸方程顯著性檢驗結果

由表5可知,對各指標的擬合均有r>r0.05、F>F0.05、|t|>t0.025,顯著性為0,說明回歸效果顯著,具有95%置信度,通過了可靠性檢驗。

2.4 經驗公式與相關規范對比

圖3 本文公式與鐵路規程公式擬合曲線對比

從圖3可以看出,當ps<2.0 MPa時,本文公式與鐵路規程公式所繪制的曲線非常接近,且均位于散點圖區域內,都能夠較準確地確定淮北平原區黏性土Es;當ps>2.0 MPa后,兩者所繪制的曲線開始出現明顯差異,且ps值越大,差別越大;當ps>3.0 MPa后,鐵路規程公式擬合曲線甚至超出ps與Es關系散點圖區域,已完全不再適于確定淮北平原黏性土Es指標,而本文公式擬合曲線始終位于關系散點圖的中間區域,顯示出良好的預測效果。由此可見,鐵路規程相關規定僅在ps<2.0 MPa時較為適用,ps>2.0 MPa后不宜采用,而本文確定的經驗公式則具有較好的地區應用價值。

3 結 論

(1)統計結果表明,比貫入阻力ps值的3種統計平均值均為正偏態分布,其分布、離散程度都非常接近,并無顯著差異。

(2)淮北平原黏性土各常用物理力學性質指標的統計學特征各異。液限、塑限和塑性指數等指標近似呈正態分布,其他指標為偏態分布;分布特征的差異導致各物理力學性質指標與ps值3種統計平均值的相關性差異明顯;液限、塑限和塑性指數等指標與ps值3種統計平均值的相關程度極弱,其余常用指標則與之高度相關;其中,最小平均值與各指標的相關性總體上相對更高。

(3)對ps值3種統計平均值與各常用物理力學性質指標進行線性和非線性回歸分析,結果表明,受數據相關性影響,液限、塑限、塑性指數等指標與ps值3種統計平均值的擬合效果差,擬合優度極低,而其他各主要指標與ps值3種統計平均值可統一采用y=a+b/x的函數形式進行擬合,且擬合優度均較高,擬合效果均為良好。