静力触探估算安徽省淮北平原黏性土物理力学指标方法研究

吴道祥, 郭佳诚, 叶 磊, 赵华宏, 吴磊磊

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009; 2.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥 230088; 3.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)

岩土体物理力学性质指标是岩土工程分析评价和设计计算的基础，实际工程中主要利用室内土工试验确定,但是存在2个主要问题:① 取样和制样过程中出现无法克服的扰动问题;② 取样点之间土性的变化因取样和试验数量有限而无法确定。另外,大型建设工程集中大量取样后,室内土工试验往往因试验周期长而无法及时提交数据,导致勘察工作效率难以提高。

静力触探(cone penetration test,CPT)是工程上最常用的一种原位测试方法,兼具勘探和测试的双重作用,在岩土工程勘察中得到广泛应用[1]。CPT无需取样,测试连续,精度高、再现性好,效率高,可以连续获取土层垂直方向上物理力学性质的变化,能有效避免上述问题。因此,利用CPT测试值快速、准确地确定土体物理力学性质指标是CPT的一个非常重要的应用。

由于CPT贯入机理尚不明确,不同区域、不同类型土体的物质组成、结构构造及工程性质各不相同,目前还只能建立特定地区或特定土类的经验公式。文献[2-8]研究表明,CPT在不同地区土层物理力学性质指标估算上具有很好的应用价值。国内外的一些规范和手册中也纳入了利用CPT数据估算土层物理力学指标的经验公式[9-13]。

安徽省淮北平原为华北平原南缘的一部分,位于安徽省北部,南以淮河为界,东、西、北分别与江苏、河南及山东接壤,包括淮北、宿州、亳州、阜阳以及淮南和蚌埠部分地区,呈典型的堆积性地貌景观,占安徽省总面积的26.6%。研究区属淮河流域,区内河流较为发育,由于黄河和淮河的泛滥和沉积,第四系分布广泛、厚度大,以黏性土、粉土和砂为主,多以过渡形式存在[14]。由于地表普遍分布厚层黏性土、粉土及砂土等土层,适于CPT应用,CPT技术在研究区得到广泛应用,积累了大量的数据和资料,但这些数据和资料一直没有得到深入分析及有效的归纳总结和利用。本文收集研究区大量的岩土工程勘察资料,对其主要土层之一的黏性土层的CPT和室内土工试验数据进行统计分析,建立CPT测试值与土体物理力学性质指标之间的经验关系公式,以促进CPT的进一步发展和应用,提高勘察效率和效益。

1 静力触探数据统计分析

1.1 数据来源与分布

本文收集的工程勘察资料都来源于安徽省内的几家大型勘察设计单位,数据资料可靠。经整理,共取得可供分析研究的工程225项,分布在阜阳市、亳州市、淮北市等地各区县,涵盖整个淮北平原区,确保研究成果具有较好的代表性和地区适用性。

1.2 数据统计计算及统计学特性

1.2.1 数据统计计算方法

1.2.2ps值与常用指标的统计学特征

研究区黏性土ps值、常用物理力学性质指标的统计学特征见表1所列,如图1所示。

由表1、图1可知:

图1 研究区黏性土ps值、常用物理力学性质指标频率分布直方图

表1 研究区黏性土ps值、常用物理力学性质指标的统计学特征

(1)ps值3种统计平均值均呈正偏态分布,其频率分布、离散程度等都非常接近,变异系数均为0.39,表明它们的统计学特征无显著差异。

(2)wL、wP和IP等近似呈正态分布,其他指标均为偏态分布。

(3)IL、φ、c、a和Es等指标的分布较为均匀,值域范围大,变异系数较大,而其他指标变异系数均小于或等于0.10,值域范围小。

(4)a的取值范围为0.15～0.60 MPa-1,平均值为0.23 MPa-1;Es的取值范围为3.00～12.50 MPa,平均值为8.14 MPa;该结果表明研究区黏性土大部分为中等压缩性土。

(5)c取值范围为11.00～76.70 kPa,平均值为54.52 kPa;φ取值范围为4.00°～19.11°,平均值为12.92°。

上述结果表明研究区黏性土总体上强度较高、压缩性较低,工程性质较好,有利于工程建设。

2 CPT估算物理力学性质指标方法

2.1 ps值与常用指标间的相关性分析

通过对2个或多个具有相关性的变量元素进行相关性分析,可以得到变量之间的相关密切程度。本文运用SPSS软件对ps值3种统计平均值和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 研究区黏性土ps值3种统计平均值与常用物理力学性质指标相关性分析结果

2.2 ps值与常用指标间的回归分析

表3 研究区黏性土ps值2种统计平均值与常用物理力学性质指标的拟合方程

从表3、图2可以看出:

(1)ps值3种统计平均值与IL、φ、c、a和Es等指标的拟合效果较好,拟合优度R2均在0.60以上,与其余指标的拟合效果相对较差,R2大多小于0.60。这与数据的分布特征有关。统计学特征分析表明,IL、φ、c、a和Es等指标的值域分布范围较广,变异系数较大,与ps值3种统计平均值的分布特征相似,而其余指标的值域分布范围相对较小,变异系数较小,与ps值3种统计平均值分布特征的差异更大。

2.3 拟合回归方程的检验

表与常用物理力学性质指标回归方程显著性检验结果

由表5可知,对各指标的拟合均有r>r0.05、F>F0.05、|t|>t0.025,显著性为0,说明回归效果显著,具有95%置信度,通过了可靠性检验。

2.4 经验公式与相关规范对比

图3 本文公式与铁路规程公式拟合曲线对比

从图3可以看出,当ps<2.0 MPa时,本文公式与铁路规程公式所绘制的曲线非常接近,且均位于散点图区域内,都能够较准确地确定淮北平原区黏性土Es;当ps>2.0 MPa后,两者所绘制的曲线开始出现明显差异,且ps值越大,差别越大;当ps>3.0 MPa后,铁路规程公式拟合曲线甚至超出ps与Es关系散点图区域,已完全不再适于确定淮北平原黏性土Es指标,而本文公式拟合曲线始终位于关系散点图的中间区域,显示出良好的预测效果。由此可见,铁路规程相关规定仅在ps<2.0 MPa时较为适用,ps>2.0 MPa后不宜采用,而本文确定的经验公式则具有较好的地区应用价值。

3 结 论

(1)统计结果表明,比贯入阻力ps值的3种统计平均值均为正偏态分布,其分布、离散程度都非常接近,并无显著差异。

(2)淮北平原黏性土各常用物理力学性质指标的统计学特征各异。液限、塑限和塑性指数等指标近似呈正态分布,其他指标为偏态分布;分布特征的差异导致各物理力学性质指标与ps值3种统计平均值的相关性差异明显;液限、塑限和塑性指数等指标与ps值3种统计平均值的相关程度极弱,其余常用指标则与之高度相关;其中,最小平均值与各指标的相关性总体上相对更高。

(3)对ps值3种统计平均值与各常用物理力学性质指标进行线性和非线性回归分析,结果表明,受数据相关性影响,液限、塑限、塑性指数等指标与ps值3种统计平均值的拟合效果差,拟合优度极低,而其他各主要指标与ps值3种统计平均值可统一采用y=a+b/x的函数形式进行拟合,且拟合优度均较高,拟合效果均为良好。