梅州地区河滩软土固结指标相关性分析

余燚,李某明,杨敬云,梁文焱

(1.中南林业科技大学 土木工程学院,湖南 长沙,410004;2.中交二公局第一工程有限公司,湖北 武汉,430056;3广东利鸿源园林建设有限公司,广东 梅州,514000)

作为分布在沿海、沿河地区的常见的不良地基土之一,软土的物理力学性能具有显著的地域差异和不确定关系[1]。同时,由于成因、结构和形态等原因,导致不同种类软土的各项土性指标的相关性具有显著差异[2]。结合已有的勘察资料进行统计分析,研究其物理力学指标间的相互关系,建立相应的经验公式。能有效的降低类似工程土体参数获取的费用和时间、节约工程建设成本。因此,近年来一些学者们就工程实际中遇到的不同类型的软土土性指标做了一定的研究。陈晓平[3]等依据珠江三角洲软土地区大量的土工试验数据,通过对其物理力学指标进行统计分析,指出各指标间的分布规律,进而得到珠三角地区软土的工程特性。宋晓晨[4]结合盘锦、营口等地区的工程勘察实例中的软土试验指标,探究了辽宁区域性软土物理力学指标的变异性和相关性。刘慧明[5]以基于福厦铁路沿线百余组软土勘察数据为基础,研究福建东南沿海地区软土工程特性并进行了相应土性指标的回归分析。阎长虹[6]等从成因,结构组成和分布情况对比分析了连云港、南京、吴江、盱眙四地典型软土的工程特性并建立了相应的回归方程。姜燕[7]等通过对广州南沙区滨海相软土和珠海横琴新区软土的相关力学特性的对比分析,研究了两类软土的含水率对其力学指标作用效果的差异。郑轶轶[8]等根据宁波1、2号线轨道交通工程的地质勘察资料,研究了宁波地区软土力学参数的分布规律和相关关系。由现有研究成果显示,目前国内对软土的土性指标的研究主要集中在沿海城市区域的三角洲相、滨海相软土。但是由于软土作为一种天然产物,区域特性强、种类多样,导致其土性指标的分布和相关关系各有特点,已有研究成果难以在全国范围内推广应用。因此,研究软土土性指标相关规律,对于相应区域工程具有实际意义。

本文利用spearman相关分析和回归分析方法,以梅州地区沿河改造的水利及景观工程的上百组河滩相软土的物理力学指标数据为基础,通过指标分布情况及变异性进行分析,建立梅州地区河滩软土的物理指标—固结指标的经验公式。这些关系式来源于大量现有的工程勘察数据,并且使用方便,较容易被接受。既可以为梅州地区河流岸滩开发及沿河建设提供了一定的借鉴作用,也可为河滩相软土的研究提供参考。

1 梅州地区河滩软土的物理力学指标

梅州位于广东东北部、闽粤赣3省交界,位于韩江流域梅江中游。地处岭南山脉以南的山区区域,中心为梅江盆地。梅州地区软土主要分布于丘间谷地及河流阶地上,软土类型以河滩沉积和沼泽沉积为主,属于Qpd软土层。

本文所用数据取自梅州地区沿河改造的水利及景观工程项目中河滩相软土的室内土工实验的地勘土工室内试验结果,现场取土及室内土工实验过程见图1。取样及试验以《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)为标准,取样选用薄壁取土器,并使用快速静力压入法采集,取样深度为1.1～17.3m;土工室内试验包括,含水率试验、密度试验、比重试验、固结试验、直剪试验和界限含水试验等。

图1 现场取土及室内土工实验过程

1.1 试验数据结果

对研究数据进行汇总,筛选和剔除其中的异常值,然后利用统计分析方法对数据进行统计分析。详见表1.选取的物理力学指标包括:天然密度、含水率、土粒比重、孔隙比、液限、塑限、塑性指数、液性指数和土的固结指标—压缩系数和压缩模量,以及土的抗剪强度指标—(直剪)黏聚力和内摩擦角。

参考《公路工程地质勘查规范》(JTGC20-2011),得到该地区软土物理力学指标具有以下特征。

(1)含水率高。研究区内软土的含水率在54.5%～36.7%之间,统计均值为45.5%,大于《公路软土地路堤设计与施工技术规范基》中软土的鉴别指准值(>35%)。

(2)天然密度小,孔隙比大。研究区内软土的天然密度的变化范围在1.69～1.86 g/cm3之间,平均值为1.76 g/cm3,孔隙比e在1.00～1.48之间,均值为1.25。由此可见地区软土普遍的密度较小,孔隙比较大,对沉降影响较大。

(3)压缩性大。压缩性大,压缩系数在0.7～1.1MPa-1之间,统计均值为0.91MPa-1,压缩模量在1.9～3.5MPa,统计均值为2.64Mpa,属于高压缩性土。

(4)抗剪强度低。抗剪强度低,在直接快剪的试验条件下,该地区软土凝聚力在1.4～3.8kPa之间,统计均值为2.6kPa,摩擦角的变化范围为2.3°～3.5°。

表1 梅州地区河滩软土的物理力学指标的统计分析结果

从该软土物理力学指标的变异系数统计值得到,该软土的天然密度、土粒比重、干密度、饱和度和塑性指数的变异系数都小于0.1,说明研究区内软土软土的天然密度、土粒比重、干密度、饱和度和塑性指数等物理指标的变异可能性较低,一定条件下可视为定值。通过概率方法计算梅州地区河滩软土地基变形时,可不考虑该软土这些物理指标的变异性的影响。该软土的其余物理指标(含水率、孔隙比、液限、塑限)和压缩指标(压缩系数、压缩模量)变异系数大于0.1,对指标取值已经有较为明显额影响。文中变异性参数的统计值可作为可靠性设计的参考值。

2 物理－固结指标的相关性

土的固结指标是反映土的工程特性的重要参数。针对不同地区的不同类型的软土,将其物理力学指标进行总结和分析,建立相应的经验公式,对于相关软土规范修订及相应工程设计具有实际意义[9]。

2.1 相关程度分析

土的固结性能很大程度上随其物理指标的变化有明显的变化[10]。软土作为典型的高压缩性土,其固结指标很大程度会受物理指标控制作用。通过对本地区工程实测河滩软土物理指标与固结指标进行spearman相关分析,选择与固结指标相关性较大的物理力学指标进行拟合分析,探究物理指标对固结指标的影响作用,并在此基础上建立固结指标的经验公式。

作为在水利工程中常用的相关程度的量化指标,spearman相关分析是通过两列成对等级的各对等级数之差进行计算[11]。其适用范围广且对数据条件要求没有积差相关系数严格。作为非参数相关系数,spearman相关系数并不要求数据源满足正态分布,线性约束以及同方差等严格的假设条件,因此具有更广泛的适用性。不论变量总体分布形态、样本容量大小如何,均可用spearman相关分析进行研究[12]。将梅州地区梅州地区河滩软土物理指标与固结指标进行spearman相关分析,结果见表2。

表2 梅州地区河滩软土物理指标与固结指标的spearman相关系数

根据梅州地区河滩软土物理物理指标与固结指标的spearman相关分析所得相关系数结果,其中相关程度最高的3项为天然密度,孔隙比,含水率。由此说明,该地区河滩软土压缩系数和压缩模量受天然密度,含水率和孔隙比的影响最为明显。同时也体现天然密度,含水率和孔隙比此3项指标可以为该土固结指标推算的经验公式的参数之一。

2.2 拟合

根据梅州地区河滩软土物理指标与固结指标的spearman相关分析结果,将固结指标相关程度较高的物理指标与相应的固结指标进行一元线性拟合结果(见图2和表3)。

根据该地区河滩软土固结指标与含水率等高相关程度的物理指标进行的一元线性拟合结果,回归方程的显著系数r皆小于0.8,说明简单的单变量线性分析不能很好体现这些物理指标对压缩系数(av1-2)和压缩模量(Es)的影响作用。

表3 固结指标与物理指标的一元线性拟合结果

图2 固结指标与物理指标的一元线性拟合

由于软土的固结受多种物理量共同作用,分析单一物理量的影响不能很好得到土的固结指标变化。故选择多个实际工程中易测且对固结指标影响作用明显的物理指标。将其与固结指标进行多元拟合,得到对应经验公式。实际工程中,土的天然密度ρ和含水率ω测定较为简便。现将该河滩软土固结指标与含水率ω、天然密度ρ进行多元拟合,多元拟合结果见表4及图3。

表4 固结指标的多元拟合结果

图3 固结指标与含水率和天然密度的多元拟合

通过分别建立固结指标(压缩系数av1-2和压缩模量Es)与含水率ω、天然密度ρ的三维散点分布图及将其进行线性曲面拟合如图所示。得到回归方程,其相关系数r都大于0.96。说明通过该回归方作为较好得推算出该地区河滩软土的固结指标。将该方程可以作为该地区河滩软土固结指标的经验公式。

3 结论

结合梅州地区沿河改造的水利及景观工程的河滩软土的土工试验数据,运用spearman相关分析方法,对其固结指标进行分析,所得结论如下:(1)梅州地区河滩软土整体工程特性差、承载力偏低,具体体现于含水率高,天然密度小、孔隙比大、压缩性高和抗剪强度低等的工程特性;(2)在进行基础可靠度设计时,可将其天然密度、土粒比重、干密度、饱和度和塑性指数一定条件下可视为定值。由于力学指标变异系数较大,宜将力学指标(固结指标、抗剪指标)作为随机变量来进行处理;(3)根据spearman相关分析结果显示,该软土的其含水率ω,天然密度ρ及孔隙比e与固结指标(压缩系数av1-2和压缩模量Es)的相关程度较高,宜将ω、ρ、e可作为相应经验公式的变量指标;(4)通过多元回归分析,建立了该地区河滩软土易测指标含水率ω、天然密度ρ指标与固结指标的经验公式。可为类似工程和相关规范修订提供参考。