利用CPT确定安徽省沿江丘陵平原黏性土层地基承载力的方法研究

赵华宏, 吴道祥, 叶 磊, 郭佳诚, 孟祥龙, 吴磊磊

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥 230088; 2.公路交通节能与环保技术及装备交通运输行业研发中心,安徽 合肥 230088; 3.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

地基承载力是岩土层重要的工程性质指标之一,是地基基础设计所必须的参数。各类型工程的岩土工程勘察报告中都必须提供场地中受力范围内各土层的地基承载力,因此一直以来,如何准确评价岩土层工程性质并提供适宜的地基承载力建议值是岩土工程勘察中非常重要的工作内容,也是相关专业研究人员和技术人员研究和关注的重点。

工程实践中,确定地基承载力的方法主要有:① 载荷试验法,利用载荷试验确定地基承载力;② 原位测试法,利用载荷试验以外的原位测试方法确定地基承载力,如静力触探(cone penetration test,CPT)、标准贯入试验、圆锥动力触探试验等;③ 规范表格法,根据土层的某些物理性质指标查阅相关规范中的承载力表格确定地基承载力;④ 理论公式计算法,根据土层的抗剪强度指标通过理论公式计算确定土层的地基承载力;⑤ 地区经验法,根据某一地区的工程经验,对于物质组成、工程性质等相同或相近的土层,可以采取工程地质比拟法确定土层的地基承载力。

一般认为,载荷试验确定地基承载力最为准确可靠,但其试验周期长、成本高。在我国岩土工程行业中,随着经济社会的发展,大量的各类工程项目不断建设和投入使用,全行业积累的工程勘察和设计的经验已经比较丰富,一般工程项目建设中,基本不再需要通过载荷试验来确定土层地基承载力了,往往是根据载荷试验以外的其他原位测试、室内试验等数据结合地区经验综合确定。现行国家标准《建筑地基基础设计规范》[1]在其条文说明中规定“勘察单位应根据试验和地区经验确定地基承载力等设计参数”,并明确说明可以利用CPT等原位测试方法结合地区经验确定地基承载力。

CPT是工程最为常用的一种原位测试方法,具有测试连续、经济快速、测试结果精度高且再现性好等优点,兼具勘探和测试的双重功能,在工程勘察中得到了广泛应用[2]。CPT有单桥、双桥及孔压CPT等3种类型,其中单桥CPT是我国所独有的,在国内得到了广泛应用,工程技术人员在应用上积累了丰富的经验,目前,安徽省工程勘察中最常用的也是单桥CPT,其测试值为比贯入阻力,用ps表示。

目前,对于如何利用CPT确定地基承载力的研究成果较丰富[3-14],但由于贯入机理尚不明确,只能通过建立特定地区或特定土类的经验公式等应用于工程实践。

安徽省沿江丘陵平原位于长江沿岸,为长江中下游平原的一部分,占安徽省总面积的18.5%;区内人口密集,区位优势明显,工农业经济和交通发达。研究区内河流阶地地貌单元发育,地表普遍分布第四系松散覆盖层,CPT在区内各类工程的岩土工程勘察中得到广泛应用,相关数据和应用经验均较丰富。一直以来,这些数据仅零散地保存于各个项目的勘察报告中,没有得到深入的分析和利用;与此同时,广大工程技术人员所积累的丰富的应用经验也没有得到充分的归纳总结。本文通过收集安徽沿江丘陵平原各地大量的岩土工程勘察报告,分析典型土层的工程特性,并对其CPT数据和承载力进行统计分析,建立该区利用CPT确定地基承载力的经验公式,归纳总结该区长期以来积累的丰富的CPT应用经验,以促进CPT的进一步发展和应用,提高工程勘察水平和效益,以及建设工程的质量和安全。

1 研究区地质概况

1.1 自然地理概况

安徽沿江丘陵平原地处安徽省南部,平均海拔20 m左右,包括芜湖市、马鞍山市、安庆市以及滁州市的部分地区;该区属北亚热带湿润性季风气候,四季分明,气候温和,多年平均降水量1 200～1 400 mm。

区内地表水系发育,属于长江水系,长江自南西向北东穿流而过。

1.2 地质构造与地层

安徽沿江丘陵平原属于扬子准地台一级构造单元,下扬子台坳二级构造单元,其地台基底为沿江地区的下扬子式或过渡式[15]。根据文献[16],该地区第四纪以来新构造运动主要以振荡式差异升降运动为主。

研究区属华南地层大区扬子地层区下扬子地层分区,发育的地层主要有第四系(Q)、白垩系(K)、侏罗系(J)、寒武系(∈)及震旦系(Z)等。区内第四系地层分布广泛,岩性主要为第四系全新统淤泥质粉土、淤泥质粉质黏土、黏土、粉质黏土、粉土、砂土、卵砾石土等,厚度一般为50.0～75.0 m。

1.3 地貌分区与第四系地层

安徽沿江丘陵平原微地貌类型按照形态和成因可分为河漫滩、一级阶地、二级阶地及侵蚀残丘[17]。

河漫滩微地貌单元广泛发育,分布于长江两侧的大部分濒江地段以及支流河道两侧,地表平坦,由近代江河泥砂冲淤而成。地表土层主要为可塑—软塑状粉质黏土、软塑—流塑状淤泥质粉质黏土夹粉土、粉细砂,其下为稍密—密实状粉—粗砂夹粉土,底部为砾砂。

一级阶地微地貌单元带状分布于长江东侧,地表平坦,地面高程比河漫滩高1～2 m,一般低于洪水位。地表土层主要由全新世河泛黏性土及湖沼沉积的淤泥质黏性土组成,为较厚的黏性土层,底部局部分布中密状粉细砂层。

二级阶地微地貌单元也呈带状分布于长江东侧,地表略有起伏,地面高程比河漫滩和一级阶地高。二级阶地一般由中晚更新世黄土状黏性土堆积而成,下部一般下伏泥砾、砂砾或卵石层等。

侵蚀残丘主要分布于长江东岸,并与构造线方向一致,向北东方向展布,主要由侏罗纪—白垩纪的火成岩 、石英砂岩等组成。

可见,区内地表大都有厚度不等、状态各异的黏性土层分布,是该区主要的第四系土层[17-18],这也是CPT在该区得以广泛应用的基础。本文对区内普遍分布的黏性土ps值及其承载力特征值fak进行统计分析、拟合,建立两者的经验关系式,总结本区工程勘察经验,便于今后工程应用,促进CPT的进一步发展。

2 CPT数据统计分析

2.1 数据来源与分布

分析数据源于安徽省内几家大型勘察设计院,这些单位均具有数十年的工程经验。通过对数据的整理统计,共取得可供分析研究的工程125项,基本涵盖沿江丘陵平原区各市县,如芜湖市、广德市、安庆市、池州市、马鞍山市等,使得研究成果具有可靠性和广泛性。

2.2 数据统计计算及统计学特性

2.2.1 数据统计计算方法

根据相关研究,在对ps进行统计计算时,应根据土质条件等选择适宜的统计计算值[13-14,18]。各统计指标计算公式如下。

(1)

其中,psi为单孔中同一土层不同深度处ps值;n为单孔中同一土层参与统计的数据数量。

(2)

(3)

其中,hj为场地内第j个CPT孔中该土层的厚度。

(4)

其中,psmin为场地内该土层CPT单孔ps最小值。

2.2.2ps统计平均值和fak的统计学特征

ps统计平均值和fak的统计学特征见表1所列,如图1所示。统计样本数为212。

表1 研究区黏性土ps统计平均值和fak的统计学特征

由表1和图1可知,3种统计平均值的分布、离散程度等都非常接近,并无明显差异;fak变异系数明显较小,且其分布直方图显示,其分布较为集中。

图1 ps统计平均值和fak频率分布直方图

3 CPT确定fak的方法研究

3.1 ps和fak的相关性分析

相关性分析是指对2个或多个具备相关性的变量元素进行分析,从而衡量2个变量因素的相关密切程度。

本文运用SPSS软件对安徽沿江丘陵平原区黏性土ps的3种统计平均值和fak进行了相关性分析,结果见表2所列。

表2 研究区黏性土ps统计平均值和fak相关性分析

3.2 ps和fak的回归分析与公式

采用Origin软件,绘制了研究区黏性土层ps3种统计平均值与fak的关系散点图,根据散点图特征,结合上述相关性分析,分别进行线性和非线性拟合,发现线性拟合和对数函数拟合的拟合度最高、效果最好,散点图和拟合结果分别如图2～图4所示。

图2 与fak的线性拟合曲线和对数函数拟合曲线

图3 与fak的线性拟合曲线和对数函数拟合曲线

图4 与fak的线性拟合曲线和对数拟合曲线

3.3 拟合回归方程的检验及残差分析

根据统计学理论,对于回归方程的有效性,需要进行必要的检验,只有通过检验的回归方程才有实际价值。回归方程检验主要有3种:

(1) 检验回归系数显著性的t检验。

(2) 检验回归方程显著性的F检验。

(3) 检验相关系数显著性的r检验。

对于一元线性回归方程,3种检验方法是等价的。

各拟合回归方程显著性检验汇总见表3所列。由表3可知,对于上述各种拟合,均有r>r0.05、F>F0.05及t>t0.05,sig为0,说明回归效果显著,具有95%置信度。

除了上述回归方程检验外,残差分析也是对回归方程效果检验的重要方法,6种拟合回归方程的残差图如图5、图6所示。由图5、图6可知,3种线性拟合回归方程的残差图的分布特征非常相似,3种对数函数拟合回归方程残差图的分布特征也很相似;图6中,各残差图中间部分数据点过多地集中在0线以下,而两侧则过多的数据点位于0线以上,而图5中0线两侧数据点更为均匀、随机,表明研究区黏性土ps的3种统计平均值与fak线性拟合回归方程效果会更好。

由表3中D-W值可知,线性拟合回归方程残差的D-W值普遍大于对应的对数函数拟合回归方程的D-W值,更接近于2,表明其残差序列自相关性更弱,也说明线性回归方程效果更好。

表3 回归方程显著性检验汇总

图5 ps的3种统计平均值与fak的线性拟合回归方程残差

图6 ps的3种统计平均值与fak的对数函数拟合回归方程残差

(5)

3.4 经验公式的可靠性验证

为验证所得经验公式(5)式的适用性和可靠性,对马鞍山市某工程项目中黏土层的地基承载力采用6种方法予以确定,并与(5)式的计算结果进行对比。

拟建场地的②层黏土是基础持力层,灰褐、褐黄色、棕黄色,夹灰白色;稍湿,硬塑状态,富含铁锰氧化物、铁锰结核;并含高岭土条纹和团块,局部富集;切面稍有光泽,韧性中等,干强度高,无摇振反应。其主要物理力学性质指标统计见表4所列。

表4 马鞍山市某场地②层黏土主要物理力学性质指标统计结果

(1) 载荷试验法。在场地中进行了3组平板载荷试验,承压板面积0.25 m2,试坑深度为1.6 m,极限荷载分别为600、540、600 kPa,根据极限荷载法确定的fak分别为300、270、300 kPa,极差不超过其平均值的30%,因此取此3组试验的平均值fak1为该土层的fak,即该土层fak1=290 kPa。

(2) 理论公式法。按照文献[1],利用抗剪强度指标计算得该土层fak。

(3) 规范表格法。按照文献[19],利用土层孔隙比和液性指数查表确定该土层fak。

(4) 标准贯入试验法。按照文献[19],根据土层标准贯入试验结果,确定该土层fak。

6种方法确定的fak及其偏离率见表5所列。

偏离率是指不同方法确定的fak相对于载荷试验法所确定的承载力fak1的偏差,其值为(|fak-fak1|/fak1)×100%。

一般认为,载荷试验所确定的地基承载力是最可靠的。从表5可以看出,本文经验公式所确定的fak最接近载荷试验结果,偏离率小于10%,且偏于安全,而其余4种方法的偏离率较大。由此可见,本文建立的经验公式(5)式安全可靠,可用于工程实践。

表5 马鞍山市某场地② 层黏土采用6种方法确定的fak

4 结 论

(3) 对区内某场地的黏土层采用6种方法确定其承载力,发现与其他4种方法相比,本文经验公式(5)式所确定的地基承载力最接近载荷试验结果,且偏于安全,表明该经验公式所确定的地基承载力安全可靠,该经验公式可用于工程实践。