石家庄市及周边土工参数空间特征分析

李海军 尹红云 张永辉 王 芳

(河北省水文工程地质勘查院 石家庄 050021)

石家庄市位于华北地块的太行山隆起与河北平原拗陷的过渡带上，除西部边缘为基岩残丘之外，其余地带皆为冲、洪积平原。地势平坦，覆盖物巨厚，总地势自西向东，自西北向东南倾斜，地面平均坡降1.5‰左右。属于第四系全新统，以冲洪积地层为主，局部存在新近堆积黄土状土，土层主要由黏土、粉质黏土、粉土、砂类土等组成，其中粉质黏土不论在面上还是在空间上，分布都最为广泛。

本文通过对大量的土工试验数据进行归纳分析和系统研究，旨在说明研究区域的岩土物理力学指标分布特征，揭示该地区土工参数间的相互关系，构建相应的参数模型。研究结果对于了解该区土质学特征，特别是在人类工程活动作用下的工程特性和产生的环境工程地质问题的认识有所帮助。

1 土层物理力学参数一般特征

依据石家庄市的地理特性，以石家庄市区为中心，辐射东、南、西、北四个方位，研究区域依次定为：鹿泉区(市西郊)、藁城区(市东郊)、正定区(市北郊)、栾城区(市南郊)和石家庄市区五个样点。通过对大量的土工试验成果数据进行筛选，确定0～60 m埋深的土层作为研究深度范围，共计2114组土工试验数据。

1.1 土质

研究区内的土质以粉土和粉质黏土为主，分别占样品总数的49%和47%，黏土仅占4%。其中粉土主要分布在表层，深度范围约为0～10 m，随着深度的增加，土质逐渐转为粉质黏土，在10～30 m出现粉土与粉质黏土互层，在30～50 m则以粉质黏土为主，50～60 m为粉质黏土与黏土互层。

1.2 孔隙比与压缩性

研究区域的孔隙比数值范围为0.399～1.230，平均值为0.699，土质孔隙比适中、偏低，说明土质相对比较密实。粉土、粉质黏土及黏土孔隙比分别介于0.399～1.095、0.434～1.206和0.583～1.230，均值分别为0.682、0.706、0.818。压缩系数介于0.047～1.350之间，均值为0.247。90%以上的土层压缩系数av1-2范围为0.100～0.500，为中压缩性土。

1.3 液限与塑限

所统计土工成果数据中，液限最大值为49.6%，最小值为19.6%，平均值29.4%。塑限数据范围为32.0%～12.4%，平均值为19.0%。土层的液性指数范围为-0.31～0.98，均值为0.22，按照《岩土工程勘察规范GB 50021-2001》硬度标准，坚硬土质占总土样的14.29%，硬塑土质占42.86%，可塑土质占40.82%，软塑土质2.03%，说明研究区域的土质主要以硬塑和可塑为主。

2 土层物理力学参数空间上分布特征

针对研究范围内，五个样点不同区域的土工试验数据进行分类统计，说明不同研究区域土工参数空间上的分布特征。通过对比分析，统计结果如表1所示。

2.1 区域对比

研究区域作为新生界含水层，地势自西北向东南倾斜，各项指标均呈现该变化规律。需要说明的是：一是压缩系数，藁城地区最小。主要因为藁城位于冲、洪积平原的最底层，土粒结构骨架的稳定性较高，因此该地区岩土的抗压性较强；二从粘聚力角度看，鹿泉区的粘聚力值最小。主要是因为西部山区边缘，岩土中亲水性矿物物含量较多，如蒙脱石、伊利石及高岭石等含量较多时，遇水后发生胀缩促使岩土抗剪强度降低，内摩擦角值相对较大。

表1 不同区域土层物理指标统计数据表

2.2 深度对比

针对研究区域的土层，以每5 m一个深度范围作为土层统计单元，通过将各单元的试验参数值进行加权平均，以说明土层各深度范围的力学指标与土层深度关系，分析结果如图1所示。

石家庄及周边均列属于冲洪积平原地区，下游堆积形成洪积土层，颗粒在搬运过程中因分选作用而呈现随离山越远颗粒的粒径越小，土粒间的结合水连接可能产生胶结连接或微弱的毛细连接，使土粒间的连结强度增强，土层的粘聚力增大。因此，研究区域内，土的比重、粘聚力、塑性指数均随深度的增加而增加，液性指数、压缩系数随深度的增加而逐渐减小。

随着深度的增加，内摩擦角在20度左右呈折线型震荡。这主要是因为内摩擦角在岩土抗剪切过程中，受内摩擦力和内聚力共同支配的结果。在岩土颗粒较大时，剪切面上下部分土粒发生相互移动，首先必须克服咬合力，然后粒间的摩擦阻力才起主要作用，内摩擦角相对越大；而当细粒土颗粒细小时，岩土的位移主要受土粒间连结强度的影响，因此，在0～60 m深度范围内，研究区域土层的内摩擦角基本处于平稳状态。

3 土工参数相互关系分析

地层作为地质系统的基本结构单元，各项物理参数之间密不可分，相互影响，每一层岩土都是一个系统的结合体，土性、地质的特征是各项物理参数集体作用的综合体现。因此，岩土参数间相关关系的研究是岩土力学研究的重要内容。然而，由于地质系统的空间异质性决定了勘察工作的复杂性，工程勘察不可能面面俱到，致使勘察结果缺乏整体、全面、系统的定性。因此，对各项土工参数进行相关性分析，并构建预测回归模型，将一个已知随机变量推演另一个未知变量，有利于减少工程地质勘探工作量和综合工程地质测试工作。

图1 物理力学指标与土层深度变化图

利用SPSS软件，通过对土层各项参数进行Pearson双侧相关性分析，以说明不同深度以及各项物理指标之间的相互关系(表2)。并综合考虑各结构参数对岩土定性和力学指标的影响，选择显著性相关变量，构建回归模型(表3)。

3.1 液塑限经验模型

常规的液塑限试验方法采用的是联合测定法，其理论基础是土的含水率W与锥体下沉深度h在双对数标纸上具有直线关系。然而，相关研究表明联合测定结果，具有一定的分散性，存在一定的误差。相应的经验模型能够针对液塑限的测定值进行适时校正，从而提高试验结果的准确度。

表2中，液限与塑限、液限与塑性指数间均呈极显著相关，构建其间的一元回归模型，结果如下：

塑性指数(IP)与液限(WL)关系式：

IP=0.491WL-3.879

塑限(WP)与液限(WL)关系式：

WP=0.509WL+3.879

3.2 力学指标回归模型

岩土试验空间方面的局限性，以及取样过程中往往存在一定的误差，使有些土工试验结果不能客观反映工程的实际情况。比如内聚力和内摩擦角作为细粒土的抗剪强度指标，通常采用室内直接剪切进行试验，然而，直剪仪存在不能有效的控制排水、上下盒之间的缝隙造成剪应力和剪切面方法偏差等缺点。因此，针对石家庄市及周边地区，通过构建各项力学指标与相关影响因子之间的回归模型，用于土工试验过程进行参考或校正。

表3中构建的多元线性回归模型的判定系数R2均在0.900以上，说明预测模型代表性较强，精度较高。

4 结论

研究区内的土质以粉土和粉质黏土为主，粉土主要分布在表层，随着深度的增加，土质逐渐变为粉质黏土。90%以上为中压缩性土，以硬塑和可塑为主。

表2 各项物理指标相关分析

注：**. 在 0.01 水平(双侧)上极显著相关；*. 在 0.05 水平(双侧)上显著相关。

表3 物理力学指标与影响因子回归模型

注：/表示剔除的非显著性相关因子

各项指标均呈现自西北向东南较明显的变化规律。在土层深度上，比重、粘聚力、塑性指数随深度的增加而增加，液性指数、压缩系数随深度的增加而逐渐减小。

通过对土工参数之间进行Pearson双侧相关性分析，不同深度土层的土工各项参数之间呈显著相关水平。构建的参数回归模型，模型代表性较强，精度较高，在该研究区域范围内，具有一定的实际参考价值。

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