土体物理力学性质相关性分析——以云南省德宏州遮放盆地土体为例

缪宇，何茂源

(武警黄金第十支队，昆明 650001)

土体不是一般土层的组合体，而是与工程建筑的稳定性、变形程度有关的土层组合体。土体是由厚薄不等、性质各异的若干土层，以特定的层序组合。土体的物理力学性质对工程稳定性、区域地质评价起到重要的作用。2017年以来，武警黄金第十支队在遮放盆地地区开展了1∶50 000土体剖面调查和区域土体点调查，取得了重要的成果。本文以德宏州遮放盆地土体为例，结合土体的物理性质及其承载力的力学性质进行分析，运用多元统计学和相关性分析，总结出一套土体各物理性质及其力学性质的相关性研究，期望对土体研究调查起到浅显的实际指导意义。

1 研究区概况

德宏州遮放镇位于遮放盆地北西方向，行政划分隶属于德宏州芒市，区内路网密集，测区陆路交通较为便利。杭瑞高速(G56)和国道(G320)呈北东向纵贯测区,与省会昆明及周边地区相通；省道(S320)从芒海镇经遮放镇、勐约乡至陇川县城[1]。遮放盆地位于龙陵-瑞丽断裂带上[2]，区内水系发育，芒市河贯穿全区，南西方向龙江穿流而过。区内主要出露有第四系冲击层(图1)，分布于遮放盆地中央，长轴方向与芒市河走向一致，北东-南西向展布，面积约70 km2。土体类型以粒度较细的粉质黏土、粉土及细砂土为主；新近系芒棒组主要位于岩体与第四系土体中间过渡部位，地形上分布于遮放盆地外围，面积58 km2，土体类型以粒度较粗的粗砂土及碎(卵)石为主[3-4](图2)。

图1 遮放盆地岩土体分布图

遮放盆地土体主要位于盆地河谷区[5],土体类型主要为碎(卵)石(图3-a)、中粗砂(图3-b)、细砂(图3-c)、粉土(图3-d)、粉质黏土(图3-e)、黏土等。土体厚度普遍大于5 m，分布面积12 km2。粉质黏土分布最为广泛，主要分布于第四系冲击层中，总面积约60 km2，占盆地河谷区总面积的46.9%，其平面分布特征是主要沿地形平缓的盆地河谷中心区域分布(见图2)；分布次广的是碎石土，总面积60.99 km2，占盆地河谷区总面积的40.37%，其平面分布特征是主要沿地形稍缓的盆地边缘分布；粉土分布面积较小，主要沿地形稍陡的遮放盆地南侧山坡脚分布；黏土主要沿盆山结合带岩溶沟槽分布；细砂主要沿龙江河和芒市河两岸浅表层及河心滩分布；中砂、粗砂主要浅埋于细砂之下；卵石主要沿龙江河底分布；淤泥主要沿常年积水的池塘零星分布。

图2 遮放盆地土体类型分布图

2 土工样品采集分析及承载力试验方法

利用便携式地基承载力检测-存储-采集仪对土体承载力进行测试，测试位置与原状土样采坑位置一致，采用五点平均法计算该土体承载力等相关力学参数[6](图4-a)。

研究区土工样品的采集主要采取环刀法对原状土样进行采集[7]，不锈钢环刀尺寸(内径61.8 mm、高20 mm/40 mm)，在200 m2土体范围内均匀挖掘6个深约30 cm的采坑(图4-b)，区域内各采集一个环刀样，对土体密度、比重、孔隙比、饱和度、液限和塑限、液限和塑限指数、压缩系数和压缩模量、垂直渗透系数等进行分析测试；并用样袋分别装取2 kg扰动土样，对土体颗粒百分比及含水率进行测试[8-9]，周期不超过10 d。分析测试单位：国土资源部昆明矿产资源监督检测中心。土体物理性质分析测试结果见表1。

3 统计学分析

3.1 二元统计学分析

遮放盆地土体承载力见表1，盆地内粉质黏土类分布最广，因此在承载力试验个数中也较多，力试验数据采用五点平均法进行计算，并分别计算各类型土体平均承载力，进行二元统计得出二元线性关系图解(图5)。根据线性关系图解可以看出承载力随着土体颗粒度、骨架颗粒含量、孔隙度的增长而降低，呈明显的负相关关系；随着粘粒含量的增加而增大，呈明显的正相关关系。因此土体的颗粒度大小、骨架颗粒含量、孔隙度、粘粒含量等是制约承载力大小的关键因素。但具体各土体物理参数间的相关性及其与承载力的关系而需进一步进行多元统计学的分析。

承载

(a)碎(卵)石；(b)中粗砂土(含贝壳类包含物)；(c)细砂土；(d)粉土；(e)粉质黏土；(f)粉土与粉质黏土垂直互层图3 遮放盆地各类型土体宏观照片

图4 土体承载力试验及环刀法采原状土样照片

承载力/kPa粉质黏土粉土淤泥细砂土中粗砂土1455.4298.8249.313177.12445.7219.1269.8117.686.13450.1423.4108.34403.2449.870.95414.9456.880.16269.8372.7113.97368.7219.872.28438.6219.29442.0161.110414.911284.312332.213275.914287.015325.016217.617287.4平均承载力/kPa359.57313.41259.5599.1481.60

图5 遮放盆地各类型土体承载力线性关系图

3.2 多元统计学分析

3.2.1 相关性分析

对遮放盆地土体承载力特征及其各物理参数(表2)进行处理，并分析其相关性，从相关系数(表3)可以看出[10]，土体力学性质方面：承载力Fa与塑性指数Ip呈明显的正相关关系，相关系数达0.614；其次为比重Gs，相关系数为0.215，表现为弱相关性。与液限指数IL及垂直渗透系数Kv呈明显的负相关关系，相关系数分别为-0.742、-0.674。

土体各物理性质方面：首先孔隙度e0与含水率W具有明显的相关性，相关系数为0.647；同时含水率对土体液限WL、塑限Wp具明显的决定性，相关系数分别为0.723、0.904。密度ρ与干密度ρd二者具明显的相关性，相关系数为0.88，但二者受孔隙度e0的制约，与孔隙度e0、ei呈明显的负相关性，相关系数分别为-0.86、-0.96；同时密度ρ与干密度ρd与液限WL、塑限Wp呈明显的负相关，即密度越大，液限和塑限值越小；与饱和度Sr呈明显的正相关关系，相关系数为0.74。孔隙度e0是制约液限WL、塑限Wp的关键，孔隙度e0越大，则二者值越大，呈明显的相关性，相关系数分别为0.73、0.74；同时液限WL与塑限Wp之间也表现出明显的正相关关系，相关系数为0.92。但液限指数IL与塑性指数IP呈明显的负相关，相关系数为-0.93，液限指数IL与垂直渗透系数Kv呈明显的正相关关系，相关系数为0.98。压缩模量Es1-2与压缩系数a1-2呈明显的负相关关系，相关系数为-0.84。

3.2.2 R型聚类分析

对遮放土体各物理力学参数利用SPSS软件进行分析处理，并利用Pearson距离公式对各参数进行R型聚类分析[11]，并绘制分析结果(图6)：根据各物理力学参数R型聚类树状图可以看出，当距离系数小于5时，孔隙比e0与ei可归为一类；液限WL、塑限Wp可归为一类；密度ρ与干密度ρd可归为一类；液限指数IL与垂直渗透系数Kv可归为一类；上述为一类；上述物理力学参数具有较小的距离系数，表现为较明显的正相关关系；当距离取10时，承载力Fa、塑性指数IP与比重Gs可归为一类；孔隙比e0与ei、液限WL和塑限Wp、含水率W、压缩系数a1-2可归为二者皆有着极小的距离系数，表现出明显的正相关性。当距离取10时，孔隙比e0与ei、液限WL和塑限Wp、含水率W可归为一类；承载力Fa、塑性指数IP可归为一类；液限指数IL、垂直渗透系数Kv和饱和度Sr可归为一类；密度ρ与干密度ρd可、液限指数IL与垂直渗透系数Kv、饱和度Sr可归为一类；上述物理力学参数具有较中等的距离系数，一定程度上表现为中等程度的正相关性。

综合以上取各距离系数进行归类的结果，取距离系数为20，将各土体物理力学参数分为两类：第一类为与承载力Fa呈不同程度正相关关系的孔隙比e0与ei、液限WL和塑限Wp、含水率W、压缩系数a1-2、塑性指数IP与比重Gs归为第一类；第二类为与承载力Fa呈负相关关系的密度ρ、干密度ρd、液限指数IL与垂直渗透系数Kv、饱和度Sr归为第二类。

表2 遮放盆地土体各物理力学参数分析结果表

表3 遮放盆地土体各物理力学参数相关系数表

注：Fa：承载力；W：含水率；ρ：密度；ρd：干密度；Gs：比重；e0：孔隙比；Sr：饱和度；WL：液限；Wp：塑限；Ip：塑性指数；IL：液性指数；ei：200 kPa压力下孔隙比；a2-3：压缩系数；Es2-3：压缩模量；Kv：垂直渗透系数

图6 遮放盆地土体各物理力学参数R型聚类图

3.3 因子分析

对遮放盆地土体各物理力学参数进行因子分析[12]，通过kaiser标准化正交旋转法构成得分，提取出两个具代表性的因子F1、F2(表4)。其中F1因子代表了与承载力Fa呈正相关或中等相关的物理力学参数组合，F2因子代表了与承载力Fa呈弱相关或负相关关系的物理力学参数。其中F1因子中得分较高的参数有含水率W、塑性指数Ip、孔隙比e0和ei、压缩系数a2-3，得分皆大于0.5；得分为负的有密度ρ、干密度ρd、液性指数IL、压缩模量Es2-3、垂直渗透系数Kv。F2因子中得分较高的参数有含水率W、饱和度Sr、液限指数IL、垂直渗透系数Kv，得分皆大于0.5；得分为负的有承载力Fa、干密度ρd、比重GS、塑性指数Ip、压缩模量Es2-3。对比相关性分析与R型聚类分析结果，因子分析结果基本与上述二者一致，分析结果具有可靠性和代表性，并且与相关性分析与R性聚类分析相互印证。

4 结论

根据对遮放盆地各类型土体的野外实地调查，并对其物理力学性质的测试，运用统计学原理对各物理力学参数进行分析，得出以下结论：

表4 标准化正交旋转因子得分表

(1) 遮放盆地内土体以第四系冲击层及新近系芒棒组土层组成，受芒市河和龙江两条水系控制，整体走向呈北东-南西向，土体主要位于盆地河谷区，土体类型以粉质黏土为主，碎石土次之，粉土及砂土类分布较小。

(2) 各物理力学参考随着土体颗粒度、骨架颗粒含量、孔隙度的增长而降低，呈明显的负相关关系；随着粘粒含量的增加而增大，呈明显的正相关关系。

(3) 基本确定了承载力Fa与塑性指数IP关系最为密切，与比重Gs次之；并根据与承载力的相关性将各物理力学参数分为与承载力呈正相关性的一类：孔隙比e0与ei、液限WL和塑限Wp、含水率W、压缩系数a1-2；与承载力呈负相关性的一类：密度ρ、干密度ρd、液限指数IL与垂直渗透Kv、饱和度Sr。为以后野外的工作提供了实际的理论参考依据。