岩土工程勘察中岩土参数统计取值的分析

苏 彦

(天津市市政工程设计研究院)

1 引言

岩土参数统计分析与取值是岩土工程勘察内业工作的重要的一个环节，是对原位测试和室内试验的数据进行分析和处理，提供设计和施工所需要的参数，其是岩土工程勘察分析评价的重要依据。在一般工程的勘察中，抗剪强度和液性指数是最重要的岩土参数之一。但由于取样的扰动、试验条件的不同以及土层的不均匀等，会导致其按照规范规定的方法进行统计时，计算得到的变异系数较大，会让别人产生分层不合理、土层不均匀等错觉。

2 抗剪强度指标的统计

岩土的抗剪强度指标是十分重要的设计参数，广泛地应用于边坡和地基的稳定计算、土压力计算和地基承载力计算。抗剪强度指标的取值对工程的安全与经济起控制性的作用，历来受到岩土工程界的重视，各种技术标准对抗剪强度指标的统计分析作了许多规定，提出了各种不完全相同的方法。

抗剪强度指标包括黏聚力c和内摩擦角，是摩尔-库伦强度包络线的两个参数，由同一试验求得。如对n组土样，每组切取4个试样，每个试样在不同的周围压力σ(三轴试验)或不同的竖直压力p(直剪试验)下剪切至破坏，得到相应的抗剪强度τ。

在一般进行统计分析时，是对每组4个试样的抗剪强度值用作图法或统计的方法求得每组的黏聚力c和内摩擦角，然后分别对n个黏聚力c和n个内摩擦角数据计算平均值和标准差。

采用上述计算方法进行统计分析时，黏聚力c的变异系数一般会比内摩擦角的变异系数大很多，但是根据天津市地方标准《岩土工程技术规范》规定，黏聚力c的变异系数应小于0.3，内摩擦角的变异系数应小于0.2，但在实际统计中，特别是在粉质黏土或混砂粉质黏土层中，由于土样局部粉粒或砂粒的存在，经常出现的情况是，黏聚力c和内摩擦角这两个指标中有一个指标的变异系数能够满足天津地方规范的要求，但另一个指标的变异系数会超出很多，由于黏聚力c和内摩擦角为同一试验所得，故需要对同一组的两个数据同时进行剔除，通常需要剔除大量的数据才能同时使两个指标同时能满足要求，很多不属于异常范围的数据也会被剔除掉，同时导致统计子样大量减少，这样统计得到的标准值无疑已经缺少了大量的统计子样保证，同时对于所做的大量剪力试验也是一种无形中的浪费。

在抗剪强度试验中，实测的误差反映在画强度包络线时，有些点偏离太大，可能是因为试验密度有差异，或剪切面上夹砂，就应剔除这些试验点，一旦给出了c和的数值，在分别统计c和时发现某些指标的离散性比较大，这时再剔除指标就不应该了，同时，客观上c和的变异性本来就是不一样的，黏聚力c的变异性远大于内摩擦角，此时更不能再采用上述的数据处理原则来剔除统计结果的数据。

鉴于此笔者推荐另一种计算方法，此种计算方法是先将相同应力条件下的抗剪强度值τ求平均值和标准值。

然后再用作图法分别画出其平均值和标准值的的摩尔-库伦包络线，求得黏聚力c和内摩擦角的平均值和标准值。

由于相同应力条件下的抗剪强度值τ为试验所得直接指标，而黏聚力c和内摩擦角为通过计算所得间接指标，通过对直接指标的统计无疑比对间接指标的统计更合理，并经过多个场地试验数据的对比分析，采用后者的统计方法进行统计，其异常数据数量明显小于前者，这无疑给统计指标提供了足够的字样保证。

3 液性指数指标的统计

在土样常规物理性指标的统计时，经常遇到的情况是，大多数物理性指标的变异系数均较小，但液性指数指标的变异系数却较大，但是通过现场编录的反映，其土层是均匀的，并且其原始参数准确可靠，且样本数均满足统计要求。仔细分析其原因，发现仅仅是由于其液性指数的平均值较小而产生很高的变异系数，为解决此问题，我们先分析变异系数的特性，见表1所示。

在表1中A列为流塑状黏性土的土的液性指数;B列为可塑状黏性土的液性指数;C列为硬塑～坚硬状态的黏性土的液性指数。对于这三组数据，其数值变化区间都是0.5，但流塑状黏性土的平均值最大，变异系数最小，硬塑～坚硬状态的黏性土的平均值最小，变异系数最大，且修正系数自然也出现大的变化。如果按照我们常规的统计方法，以变异系数的大小来判别土层的不均匀性，那么硬塑～坚硬状态的黏性土是不均匀的，把其划分为一层是不合理的，但事实情况是硬塑～坚硬状态的黏性土是非常均匀的。

表1 土层物理性指标统计表

仔细分析以上的试验，便发现问题在于变异系数的特性上，根据规范规定的公式，变异系数，如果平均值越小或为负值时，则越大或为负值，反之，当平均值越大，则其越小。这样就很容易出现，即使是非常均匀的一层土，只是由于其参数的分布区间在0的附近，会导致其变异系数非常大。

因此常规的统计方法对硬塑～坚硬状态的黏性土液性指数的统计是不适用的，应该采用二次统计方法。见表1中所示，土层液限、塑限、含水量、塑性指数的变异系数都很小，而由以上指标计算的液性指数的变异系数却很大，这显然是不合理的，应该先对直接指标统计后取标准值，然后在对标准值通过公式，计算的标准值，如表1中计算所示的标准值为0.08，比采用常规方法的标准值0.05要大，其在工程中应用时是偏安全的。

4 结语

我们在工程勘察中面对的岩土体是本身就是很不均匀的天然材料，而取样方法、试验方法及其他外界因素的影响，导致了土工试验的结果往往会比较离散，如何处理和运用数据就非常重要。我们不能怨天尤人，既然我们所面临的天然材料，比人工材料复杂的多，那么我们就应该采取积极的态度，学习和掌握随机数学的基本概念和实用的数据处理方法去处理岩土工程的数据，从中总结规律性的认识以指导工程实践。

[1]岩土工程勘察规范(GB 50021-2001)[S］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

[2]工程地质手册(第四版)[M］.中国建筑工业出版社，2007.