静力触探估算安徽省沿江平原黏性土物理力学性质指标方法研究

2020-12-05吴磊磊吴道祥郭佳诚孟祥龙赵华宏

合肥工业大学学报（自然科学版） 2020年11期

吴磊磊, 吴道祥, 叶磊, 郭佳诚, 孟祥龙, 赵华宏

(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)

室内土工试验是工程实践中获取岩土参数的重要手段,其求取的诸多岩土物理力学性质指标是岩土工程分析评价及设计计算的基础。室内土工试验需要取样,在取样直至试验的过程中试样的扰动不可避免,而且取样、试验的数量有限,因此取样点间土性的变化无法获知。

静力触探是工程勘察中最为常用的一种原位测试方法,其具有测试连续、经济快速、测试结果精度高和再现性好等优点,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[1]。静力触探无需取样,可以连续测试,其测试值能反映土层在垂直方向上物理力学性质的变化,具有无可比拟的优势。因此,静力触探的一个重要工程应用就是建立静力触探测试值与土的物理力学性质参数之间的相关关系,利用其测试精度高、测试连续以及经济快速的优势,快速、连续、准确地求取土层的物理力学性质参数,进行岩土工程分析评价及设计计算。

由于静力触探的贯入机理尚不明确,而不同区域、不同类别土体的成土母质、沉积环境等迥异导致其工程性质各不相同,目前研究人员都是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。国内外很多专家都在这方面做了大量的研究工作,取得了丰硕的成果。文献[2-4]建立和讨论了静力触探参数与合肥黏性土常见物理力学性质指标之间的相关关系;文献[5]对港珠澳大桥勘察工程中的静力触探数据与室内土工试验结果进行统计对比研究,认为静探参数与该区域土体的常见物理力学性质指标相关性良好;文献[6]建立了南京地区黏性土静探参数与常见物理力学性质指标的统计经验公式;文献[7]对砂土内摩擦角与静力触探锥尖阻力的相关性进行了研究;文献[8]采用静力触探CPTU、室内试验和十字板剪切试验等对软土的不排水抗剪强度进行了对比试验,研究表明静力触探确定软土不排水抗剪强度结果可靠;文献[9]采用CPTU对某项目新老地基中软土的分布、超固结比、压缩模量以及固结系数等工程参数进行了测试和评价,研究新老路基土体的工程特性演变规律；文献[10]建立了挪威黏土的剪切波速与静力触探参数之间的经验关系,认为在缺乏现场测试数据时可以根据静探数据确定挪威黏土的剪切波速VS;文献[11]建立了江苏黏土的剪切波速与静探参数等岩土性质参数的关系,研究表明静探参数估算江苏黏土的剪切波速效果较好。很多成果都已纳入各级规范和指南中得到推广应用[10-14]。

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,平均海拔20 m左右,包括芜湖市、马鞍山市、铜陵市、安庆市以及滁州市的部分地区,占安徽省总面积的18.5%。本区人口密集,交通发达,区位优势明显,工农业和经济发达,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,静力触探广泛应用于区内各类工程的岩土工程勘察,积累了大量的静力触探和室内土工试验数据。但一直以来,这些海量的数据仅零散地保存于各项目的勘察报告中,没有得到深入的分析、有效地归纳总结和利用。鉴于此,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,并对其静力触探数据和室内土工试验所得物理力学性质指标进行统计分析,建立本区利用静力触探确定土体物理力学性质指标的经验公式,以归纳总结本区长期以来积累的丰富的静力触探应用经验,促进静力触探的进一步发展和应用,并提高工程勘察水平和效益。

1 研究区地质概况

1.1 自然地理概况

安徽省沿江丘陵平原属北亚热带湿润性季风气候,四季分明,气候温和,多年平均降水量为1 200～1 400 mm。研究区地表水系发育,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

安徽省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。该地貌区的地台基底为沿江地区的下扬子式或过渡式[15]。根据《安徽省区域地质志(1/500 000)》,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,第四系地层分布广泛,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

安徽省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、二级阶地和侵蚀残丘。

河漫滩微地貌单元广泛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,底部局部分布有中密状粉细砂层。

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,地面高程比前两者高。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,区内地表大都分布有厚度不等、状态各异的黏性土层,是本区主要的第四系土层[16],这也是静力触探在本区得以广泛应用的基础。本文对区内普遍分布的黏性土静力触探测试值及其常用物理力学性质指标进行统计分析、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,促进静力触探的进一步发展。

2 静力触探数据统计分析

2.1 数据来源与分布

本文分析所用数据源于省内几家大型勘察设计研究院,均具有多年的工程经验。通过整理和统计,共取得可供分析研究工程125项,基本涵盖沿江丘陵平原区所包含的各市县,如芜湖市、广德市、安庆市、池州市、马鞍山市等,使得研究的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

静力触探有单桥静力触探、双桥静力触探和孔压静力触探之分,其中单桥静力触探是我国所独有的,在我国得到了广泛地应用,积累了丰富的经验。目前,在安徽省内的各项工程勘察中最常用的也是单桥静力触探,其测试值为比贯入阻力,用ps表示。

根据相关研究,在统计计算比贯入阻力ps值时,应根据土质条件等选择适宜的统计计算值[12-14]。本文分别统计计算了研究区黏性土层静力触探比贯入阻力ps的算术平均值、厚度加权平均值和最小平均值，以对比研究在本区黏性土层中的适用性。

2.2.2 异常数据剔除

本文收集的数据量较大,其中存在一些明显异常值,在统计计算分析前,需予以剔除。考虑到区内黏性土层状态各异,其各类物理力学性质指标随其状态而变化较大,因此不能不加区分地直接剔除所谓“过小值”或“过大值”。为此,通过SPSS软件中的数据分析功能,将所有数据按ps值的大小进行分段,本文以1 MPa设置为一个区间,在该区间内,土体状态和工程性质较为接近。对各分段数据进行频数分析,并设置95%的置信区间,把不属于这一置信区间的数据剔除。具体操作以黏聚力c为例说明。

研究区黏性土ps值在2.0～3.0 MPa区间内黏聚力c的频数分布直方图如图1所示，由图1可知,该区间内黏聚力c总个案数为62个,按照95%的置信区间计算应去掉3个本区段的“过小值”和“过大值”(其频数往往也最小)。

图1 ps值在2.0～3.0 MPa区间内的黏聚力频数分布直方图

对各分段均依次照此进行异常数据的剔除。剔除数据前后ps值与黏聚力c的相关关系拟合效果如图2所示,从图2可以看出，异常数据剔除后拟合优度R2由0.62提高到0.73,拟合效果有明显的提升。

图2 剔除数据前后相关关系拟合效果

2.2.3ps值与物理力学性质指标的统计学特征

安徽省沿江丘陵平原黏性土ps值与常用物理力学性质指标的统计学特征见表1所列,如图3所示。

由表1和图3可知,ps的3种平均值的分布、离散程度等都非常接近,并无明显差异,均分布均匀,值域范围大;黏性土的常见物理力学性质指标中,近似成正态分布的有液限WL、塑限WP、塑性指数IP和内摩擦角φ;正偏态分布的有含水率ω、液性指数IL和孔隙比e;重度γ和干重度γd则呈负偏态分布。

表1 ps值和常用物理力学性质指标的统计学特征

图3 比贯入阻力ps和常用物理力学性质指标频数分布直方图

由表1、图3可知，液性指数、压缩模量和黏聚力3种指标的分布较为均匀、值域范围大、变异系数较大,而其他指标的分布都较为集中、变异系数较小。特别地,抗剪强度指标中,内摩擦角的分布较为集中、值域范围小,变异系数为0.23,而黏聚力的分布极为均匀、值域范围大,变异系数为0.51,为内摩擦角变异系数的2倍以上,说明研究区不同状态的黏性土其颗粒特征均较为相近,内摩擦角变化较小;而黏聚力在诸多影响因素(含水率、结构特征等)的综合作用和影响下变化较大。

3 CPT估算物理力学性质指标方法研究

3.1 ps值与其他指标的相关性分析

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。具备相关性的元素之间需要存在一定的联系或者概率才可进行相关性分析。本文运用SPSS软件中的相关性分析功能对ps的3种不同的统计平均值与常用物理力学性质指标进行相关性分析,结果见表2所列。

表2 比贯入阻力3种统计平均值与常用物理力学性质指标相关性分析

由表2可知，除内摩擦角、液限、塑限及塑性指数等少量指标外,研究区黏性土ps的3种统计平均值与其他常见物理力学性质指标的相关性r均大于0.6,而显著性P除液限外,其余均小于0.01,表明3种统计平均值与大多数常见物理力学性质指标均呈高度相关。另外,3种统计平均值中,ps最小平均值、ps厚度加权平均值与各指标的相关性均非常接近,且均大于对应的算数平均值与各指标的相关性。

3.2 ps值与常用物理力学性质指标的回归分析

本文采用Origin软件分别绘制了安徽省沿江丘陵平原区黏性土ps的3种统计平均值与常用物理力学性质指标的关系散点图。根据散点图特征,结合上述相关性分析,分别进行了线性和非线性拟合,对比后发现，ps值与压缩模量、黏聚力线性拟合的效果最优,与含水率、干重度、重度和孔隙比等采用双曲线函数拟合最优,而ps值与液限指数则采用对数函数拟合最优。另外,经多种拟合后发现,ps值与内摩擦角、液限、塑限、塑性指数的线性和非线性拟合优度均在0.1左右,拟合效果差,未列出ps值与这些指标的拟合方程。各拟合方程及相应的拟合优度见表3所列。

从表3可以看出,ps的3种平均值与压缩模量和黏聚力的拟合效果最好,拟合优度均超过0.7。这是由于ps的平均值与这2个指标的分布特征较为相似,分布都较为均匀。ps的平均值与孔隙比、含水率、液性指数、干重度和重度这些正偏态或负偏态分布的指标间的拟合效果也较好,拟合优度均大于0.6。而近似成正态分布的液限、塑限、塑性指数和内摩擦角等指标与ps的拟合效果就极差,拟合优度基本在0.1左右,主要原因在于这些指标的分布与3种平均值的分布形态差别太大。与此同时,除ps的厚度加权平均值与黏聚力的拟合优度略大于ps的最小平均值与黏聚力的拟合优度外,其余都遵循ps的算术平均值与各指标的拟合优度最小，而ps的最小平均值与各指标的拟合优度最大的规律。

综上所述,安徽省沿江丘陵平原地区黏性土层的主要常见物理力学性质指标可以根据其静力触探ps最小平均值按表3中给出的拟合公式计算确定,各指标的散点图及其与ps最小平均值的拟合曲线如图4所示。

表3 ps值与物理力学性质指标的拟合方程及其拟合优度R2

图4 ps值最小平均值与常见物理力学性质指标的拟合曲线

本文得出的静力触探ps最小平均值与液性指数IL的拟合效果较好,可以给出本地区利用静探参数判别黏性土稠度状态的划分方案,见表4所列。

表4 ps值判别安徽沿江丘陵平原地区黏性土稠度状态

3.3 拟合回归方程的检验

对于回归方程的有效性,需要进行必要的检验,只有通过了检验的回归方程才有实际价值而得到应用。回归方程检验主要有3种:① 检验回归系数的显著性的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。但对一元线性回归方程,3种检验方法是等价的[17]。安徽省沿江丘陵平原地区黏性土层ps最小平均值与常见物理力学性质指标回归方程的检验结果见表5所列。由表5可知,对上述各指标的拟合均有r>r0.05、F>F0.05和t>t0.025,显著性Sig=0,说明回归效果显著,具有95%置信度。综合以上分析,安徽省沿江丘陵平原地区黏性土层的主要物理力学性质指标可利用表3和图4中的拟合回归公式,并根据土层比贯入阻力ps最小平均值计算确定。

表5 回归方程显著性检验

3.4 经验公式与其他规范的对比

全国通用的行业规范《铁路工程地质原位测试规程》(TB 10018-2018)[13](以下简称“铁路规程”)中,列有利用静力触探ps确定黏性土层压缩模量的经验表格,将其绘制成图并与本文所得经验公式进行对比。

对比结果如图5所示。

图5 拟合公式与铁路工程地质原位测试规程公式对比

由图5可知,在ps值小于2 MPa时,铁路规程与本文所得经验公式确定的压缩模量较为接近,而大于2 MPa后,两者出现明显差别,且ps值越大,差异越大。因此,铁路规程公式明显不适宜用于确定安徽沿江丘陵平原地区黏性土层压缩模量,特别是当ps值较大时。

因为我国地域辽阔,土层工程性质差异大,所以现行的全国通用的国家标准和行业规范中,基本没有列有利用静力触探估算黏性土的其他常见物理力学性质指标的经验公式,但一些地方规范和单位[12,14]都针对其所在区域的黏性土做过相关研究,也得到了很多经验公式,但由于所在地区不同,土层的成因时代、结构成分等各不相同,并不适合直接与本文所得经验公式进行比较。

另外,在上海地方规范《静力触探技术规程》(DG/TJ 08-2189—2015)[14](以下简称“上海静探地标”)中列有根据静力触探参数估算土的常见物理力学性质指标的经验公式及相应的拟合优度,为验证本文经验公式的拟合优度,将其与之对比,结果为“上海静探地标”R2为0.62～0.77，本文经验R2为0.65～0.78。由此可以看出本文经验公式拟合优度稍高于“上海静探地标”。