北京粉质粘土层土性参数概率特性

卜凡杰 李小勇

摘要：北京地区的主要土层为粉质粘土，文章根据北京地铁8号线等工程的勘察资料，对北京地区的粉质粘土层土性参数概率特性进行了分析研究，归纳总结了土性参数的变异性及其概率分布模型，并得出了部分物理力学性能的经验公式以供工程参考。

关键词：粉质粘土；土性参数；变异系数；概率模型

中图分类号：TU442 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）03-0157-02

可靠性理论始创于第二次世界大战期间，在战后才得到了完善与发展，并且在许多工程领域内得到了应用，取得了显著的成效。20世纪70年代后期，我国的岩土工程方面的可靠性研究才刚刚开始，但是发展速度快，本文主要研究的是北京地区的粉质粘土层的参数性质，并进行相应的分析比较统计，得出适用于工程实际的参考经验公式。

一、土层形成历史和野外地质特征

北京地区位于华北平原北部边缘，北部、西部为山区，属于燕山和太行山余脉，大地构造位置处于新华夏、阴山纬向和祁吕～贺兰山字型东翼三个构造体系的交汇部位，新华夏系第二沉降带与第三隆起带之间。其中新华夏构造体系活动性强，控制着北京地区地质构造的基本格局、地貌基本形态和地震活动。第四纪以来，新华夏构造体系仍在继续活动，是主要发震的地震构造体系。北京新华夏构造体系处于太行隆起带与华北沉降带交汇部位的北端，活动断裂较为发育，其中北东向和北西向断裂是构成北京地区构造格局的两组主要断裂，控制着北京山区和平原第四纪的构造轮廓。北西向断裂活动幅度较大，对沉积物的分布有明显的控制作用。

在第三纪，北京平原已形成“两隆一凹”的构造格局。以八宝山—高丽营断裂和南苑—通县断裂为界，北京平原划分为京西隆起、北京凹陷和大兴隆起三个构造单元。

第四纪以来，新构造格局由“两隆一凹”变为“两凹一隆”。原“北京凹陷”隆起，与大兴隆起形成一个块体，沿着良乡—顺义断裂向南倾斜。原“京西隆起”因北京西山抬升和八宝山断裂以南地块隆起，形成了凹陷区，以北东向与北西向断裂为界线。

北京地区的土层特点是：大部分地区土层均匀分布，个别地区有杂质夹层。通过工程资料统计总结，得出了北京地区野外地质特征是：土层主要是第四纪沉积土，地下水位适中，上层杂填土呈褐黄色，稍湿，土质成分为粉土及粘性土；粉土，褐黄色，稍湿，土质不均，局部夹粉质粘土薄层，偶见灰色条纹；主要土层为粉质粘土，黄褐色，可塑，含云母片氧化铁，偶见有机质，土质不均，局部分布粉土薄层；砂砾土，褐黄色部分黄褐色，稍湿，密实，颗粒成份主要为石英、长石，含云母片，偶见圆砾及个别卵石。

二、土性参数变异性

经过大自然的地质构造变迁，岩土的土层土性也表现出了很大的差异性。土层土性参数的变异性原因主要包含两个方面：一是土体本身的原因，主要是土体本身的不均匀性。二是取土技术上的原因。取土方式方法，土体的运输、储存，试验设备及技术方法的差别。

我们引用变异系数来表示土层土性参数的变异性，它既能反映出实验方法对实验结果的影响，也能反映出所抽取土样的特征特性的变异，能够对于所研究的土性参数整体水平有一个综合良好的反映。

根据北京地铁8号线工程场地的岩土工程勘察和实验资料，对北京地区第四纪沉积土中粉质粘土的天然含水量w，天然密度ρ，塑性指数IP，孔隙比e等4个物理指标和内摩擦角ψq、、粘聚力Cq、压缩指数Cc、压缩系数α1-2等4个力学指标的均值范围及变异系数范围进行统计分析得出下列两个统计表格：

通过以上的统计分析，可以归纳总结以下几个结论：

1．在北京地区，土层各项物理指标和力学指标的均值范围变化较小。这表示北京土层整体均匀分布，在北京地区工程勘察设计中，通过对局部区域粉质粘土层的分析研究，推广并指导全北京市范围内的岩土工程勘察设计，研究很具有代表性和可行性。

2．对比分析上列表中的变异系数范围的变化趋势可知，上层粉质粘土层土性参数变异性较大，其主要影响因素是：土体表层直接受天气气候条件的影响、地下水位的变化影响、人类生产活动影响等。

3．北京地区的“两凹一隆”地区的土性参数的变异系数变化规律范围值基本一致。

4．顺义凹陷地带的土性参数的变异系数比其他两个地带的变异系数大，这主要是因为顺义凹陷是北京西山抬升和八宝山断裂以南地块隆起所致。

5．因为土层的密度的变异系数很小，所以在用概率方法计算变形和稳定时，不需要考虑密度和重度的影响。而天然含水量、孔隙比的变异性比较明显，所以在土层分析和研究中一般要考虑。

6．压缩系数和压缩指数的变异系数范围值较大，所以在估计建筑物的沉降量时会产生一定的偶然误差，因此在进行沉降预测时，应该考虑压缩指数和压缩系数的变异系数对工程的影响。

三、设计参数的概率分布模型

在对岩土工程的估测失效概率、可靠性分析时，为了更深入地对土体设计参数概率分布进行研究，本文引用了大家能够直观了解的正态分布模型，另外正态分布模型也易于用数学公式处理数据。通过大量的实验和研究证明，岩土中的土体设计参数概率分布不是所有都属于正态分布的。即便k2检验说明正态分布与经验分布没有较大的差异，但是他们的分布范围是不同的。设计参数的经验分布一般是在有限的范围内，不会得到负值，但正态分布一般是在-∞～+∞的范围内。

β分布表示的是土体的一定范围内的分布，而且对于很多的设计参数都适应。本文的研究结果表明：用β分布对土层的压缩模量、直剪抗剪强度指标进行分析是很理想的。研究结果表3：

四、物理力学指标间的经验关系

在岩土工程中，经验公式对土性参数的设计和分析应用比较广泛，而且能够定量地描述若干土性指标间的关系，也可以用来估测土层的设计参数。在分析土体的力学指标和物理指标的相关性时，应根据不同的土体结构进行不同的参数选取，例如饱和粉质粘土中的土体孔隙中含有的水分是影响其力学指标的主要因素；对于不连续的介质来说，孔隙率的大小是影响其物理指标的主要因素。即当土体处于完全饱和状态，颗粒的比重G是个常数时，e和w具有线性相关性，服从e=wG的关系。

五、结论

该文系统地介绍了土体物理指标与力学指标间的相关性，归纳总结了其变异性规律，并得出了相应的经验关系式，通过回归性分析和相关性分析的检验，说明了得出的经验公式具有一定的实际使用价值，对工程勘察、场地选址的可行性研究具有一定的参考价值。但是，土的各种特性与土的形成历史、矿物成分、颗粒组成等因素有关，该文中经验关系只是北京地区一些勘察资料的统计分析结果，因此可推广到北京部分地区使用，其他地区可借此作为参考。

参考文献

[1]高大钊．土力学可靠性原理[M]．北京：中国建筑工业出版社，1989.

[2]李小勇．太原粉质粘土工程性质指标的概率统计特征

[D]．太原理工大学硕士学位论文，1999.

[3]李小勇．土工参数空间概率特性及软粘土地基固结概率分析[D]．浙江大学博士学位论文，2001.

[4]李小勇．太原粉质粘土工程性质指标概率特征的分析和研究[J]．太原理工大学学报，2000，（3）.

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