基于靜力觸探估算粉土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的方法

吳道祥, 郭佳誠, 葉 磊, 趙華宏, 吳磊磊

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088;3.公路交通節(jié)能與環(huán)保技術(shù)及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心,安徽 合肥 230088)

巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)是巖土工程分析評價和設(shè)計計算的基礎(chǔ),室內(nèi)土工試驗是獲取巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的基本方法之一,但由于試驗周期、取樣擾動及數(shù)量限制等問題,工程中很多時候也需要一些其他快速、有效的確定方法,特別是對于粉土等取樣和制樣難度較大的土層,更是如此。靜力觸探(cone penetration test,CPT)作為一種使用最廣泛的原位測試方法,具有測試連續(xù)、快速、精度高等特點,在工程中常被用于確定土體各類性質(zhì)參數(shù)和指標(biāo)[1-2]。利用CPT確定土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的可靠性和適用性得到了廣泛的認(rèn)可,在很多規(guī)范、手冊中都列有相關(guān)規(guī)定[3-7]。

粉土工程性質(zhì)介于砂土和黏性土之間,具有黏聚力低、成型質(zhì)量差、滲透性好、保水性差等特點[8]。研究人員對不同地區(qū)粉土的工程性質(zhì)做了大量的研究工作。文獻(xiàn)[9]對江蘇徐宿地區(qū)粉土進(jìn)行研究,提出加固方法;文獻(xiàn)[10]對上海大量工程數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計,分析淺層粉土滲透性與各項土體參數(shù)的關(guān)系;文獻(xiàn)[11]對昆明盆地粉土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析,探討區(qū)域性粉土的特性及工程應(yīng)用;文獻(xiàn)[12]對比研究黃河沖積粉土不同密實度、含水率對粉土力學(xué)性質(zhì)的影響;文獻(xiàn)[13]在部分排水條件下對丹麥北部地區(qū)粉土進(jìn)行CPT試驗,探討測試成果與相對密度等指標(biāo)的關(guān)系;文獻(xiàn)[14]利用CPT研究排水條件對不同細(xì)粒含量液化土層的工程性質(zhì)和液化潛力的影響。上述研究結(jié)果表明,不同地區(qū)的粉土具有區(qū)域性特點,利用CPT對區(qū)域性粉土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析和確定具有重要的研究意義和工程應(yīng)用價值。

安徽省淮北平原位于安徽省最北端,包括亳州市、淮北市、阜陽市、宿州市以及淮南市和蚌埠市部分地區(qū)。淮北平原是黃河、淮河泛濫作用形成的沖積平原,地勢平坦開闊,由豐厚的第四紀(jì)堆積物組成,呈典型的堆積性地貌景觀,僅分布少量低山、丘陵[15-17];地表普遍分布厚層黏性土、粉土及砂土等土層,CPT在該區(qū)得到普遍應(yīng)用,積累了大量的數(shù)據(jù)和豐富的經(jīng)驗。粉土在該區(qū)分布廣泛,厚度和埋藏深度不一,狀態(tài)和性質(zhì)變化也較大,是該區(qū)主要第四系土層之一。本文收集整理安徽省淮北平原200余份工程勘察資料,對收集的研究區(qū)粉土CPT和室內(nèi)土工試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和回歸擬合,建立兩者之間的經(jīng)驗公式,以期提高勘察效益、為該區(qū)工程建設(shè)提供參考。

1 靜力觸探數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

1.1 數(shù)據(jù)來源與分布

本文收集的工程資料來源于安徽省內(nèi)幾家大型勘察設(shè)計單位,數(shù)據(jù)資料可靠。經(jīng)整理,共取得可供分析研究的工程200余項,分布在阜陽、亳州、淮北等淮北平原各區(qū)縣,涵蓋整個安徽淮北平原地區(qū),確保研究成果具有較好的代表性和地區(qū)適用性。

1.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算及統(tǒng)計學(xué)特性

1.2.1 異常數(shù)據(jù)剔除

采用文獻(xiàn)[18]的方法剔除異常數(shù)據(jù):將比貫入阻力ps值由小到大以1 MPa為區(qū)間劃分為若干個區(qū)段,每個區(qū)段內(nèi)土體的狀態(tài)和工程性質(zhì)較為接近,對各分段測試值進(jìn)行頻數(shù)分析,設(shè)置95%的置信區(qū)間,剔除超出此置信區(qū)間的數(shù)據(jù)。實際操作表明,該處理方法能有效提高擬合效果。

1.2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算方法

1.2.3 ps值與常用指標(biāo)的統(tǒng)計學(xué)特征

研究區(qū)粉土ps值及其常用物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的統(tǒng)計學(xué)特征見表1所列,如圖1所示。

1) 安徽淮北平原粉土ps值的3種統(tǒng)計平均值均呈正偏態(tài)分布,其頻率分布、離散程度等都非常接近,變異系數(shù)為0.44～0.47,表明其統(tǒng)計學(xué)特征無顯著差異。

2) 從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看,研究區(qū)粉土的w在19.50%～29.50%之間,平均值為24.334%,絕大部分介于20%～30%之間,濕度狀態(tài)為“濕”;含水率w、液限wL、塑限wP等含水性指標(biāo)的分布均較為集中,其中,w、wL近似呈正態(tài)分布。

3) 研究區(qū)粉土孔隙比e介于0.62～0.84之間,平均值為0.691,絕大部分小于0.75,密實度為“密實”。粉土與黏性土的物質(zhì)成分及工程性質(zhì)差異較大,密實度對其工程性質(zhì)的影響較大,從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看,研究區(qū)粉土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ和壓縮模量Es等,它們的分布主要集中在較大值區(qū)間,呈典型的負(fù)偏態(tài)分布,如c介于(20,26] kPa的占比超過80%,而介于(10,20] kPa占比則僅為15%左右。

表1 研究區(qū)粉土ps值、常用物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的統(tǒng)計學(xué)特征

圖1 研究區(qū)粉土ps值、常用物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)頻率分布直方圖

壓縮系數(shù)a與Es存在倒數(shù)關(guān)系,其分布主要集中在小值區(qū)間,在0.10～0.14 MPa-1的占比超過70%,呈典型正偏態(tài)分布;與密實度高度相關(guān)的另一個物理性質(zhì)指標(biāo)γ也呈現(xiàn)類似規(guī)律,在(19.2,20.2] kN/m3的占比超過80%,而在(18.2,19.2] kN/m3的占比不到20%,呈正偏態(tài)分布。

2 CPT估算物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)方法研究

2.1 ps值與常用指標(biāo)間的相關(guān)性分析

在對兩變量進(jìn)行回歸擬合、建立經(jīng)驗公式之前,需要衡量和評價兩變量之間是否具有相關(guān)性及相關(guān)程度。本文通過SPSS軟件對淮北平原粉土ps值3種統(tǒng)計平均值與常用物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性進(jìn)行分析,結(jié)果見表2所列。

1) 研究區(qū)粉土ps值3種統(tǒng)計平均值與各含水狀態(tài)指標(biāo),如w、wL、wP、IL和IP等的Pearson相關(guān)系數(shù)|r|均較小,相關(guān)性弱。

2) 研究區(qū)粉土ps值3種統(tǒng)計平均值與e、γ等物理性質(zhì)指標(biāo),以及c、φ、a和Es等力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)|r|都較大,均大于0.600,且與這些指標(biāo)的顯著性P均為0,表明ps值3種統(tǒng)計平均值與這些物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)呈高度相關(guān)。

表2 研究區(qū)粉土ps值3種統(tǒng)計平均值與常用物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果

2.2 ps值與常用指標(biāo)間的回歸分析

本文繪制研究區(qū)粉土ps值3種統(tǒng)計平均值和常用物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系散點圖,并根據(jù)2.1節(jié)相關(guān)性分析結(jié)果和散點圖特征,逐一進(jìn)行一元線性、非線性回歸分析。對比后發(fā)現(xiàn),研究區(qū)粉土ps值3種統(tǒng)計平均值與各物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)之間可統(tǒng)一采用函數(shù)y=a+b/x的形式進(jìn)行擬合,效果良好,也便于工程應(yīng)用;回歸擬合結(jié)果見表3所列,如圖2所示。

從2.1節(jié)分析可以看出,研究區(qū)粉土ps統(tǒng)計平均值與各含水狀態(tài)指標(biāo)的相關(guān)程度極弱,而回歸擬合結(jié)果也顯示它們的擬合優(yōu)度極低,擬合效果差,因此表3、圖2中沒有給出相應(yīng)的擬合結(jié)果。

圖2 研究區(qū)粉土與常用物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)關(guān)系散點圖和擬合曲線

2.3 擬合回歸方程的檢驗

表與常用物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)回歸方程顯著性檢驗結(jié)果

3 結(jié) 論

本文經(jīng)統(tǒng)計分析、計算及擬合,建立根據(jù)CPT的ps值確定安徽淮北平原粉土常用物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的經(jīng)驗公式,得到結(jié)論如下:

1) 研究區(qū)粉土ps值3種統(tǒng)計平均值均為正偏態(tài)分布,其分布、離散程度等無顯著差異。

2) 研究區(qū)粉土絕大部分屬“密實”狀態(tài),重度和各力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的分布主要集中在較大值區(qū)間,呈負(fù)偏態(tài)分布,而孔隙比和壓縮系數(shù)的分布主要集中在較小值區(qū)間,呈正偏態(tài)分布。