崇明地区粉质黏土物理力学指标的线性分析

孙 松,陈 城,李 坤,王建东,司光辉

(淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223005)

岩土物理力学参数是分析和评价场地工程地质条件的重要指标[1]，岩土计算成果的可靠性，在很大程度上取决于这些参数的准确测定和合理选择[2]，因此加强岩土体物理力学参数的研究不容忽视。

崇明区位于上海市北部，地处长江入海口，主要由崇明、长兴、横沙3岛组成，其中崇明岛作为中国的第三大岛，是典型的河口冲积岛[3]。岛上遍布着埋深较浅的粉质黏土层，是工程建设中浅基础、市政建设等地基处理的主要土层[4]。根据研究区内多处钻孔中粉质黏土样品的土工试验结果，以及分析已有的地基土物性资料，发现粉质黏土的物理力学参数间存在一定的相关性。对此，本文将围绕该地区粉质黏土的液性指数，着重探讨其与天然含水量、孔隙比、天然密度、压缩模量、压缩系数之间的关系，以帮助解决生产实践中遇到的问题。

1 岩土物理力学参数

液性指数是判断黏性土状态的一类物理指标，即为表示天然含水率与界限含水率的相对关系。液性指数小于0的土为坚硬状态，液性指数在0～1之间的土为塑性状态，液性指数大于1的土为流塑状态[5]，崇明地区粉质黏土的液性指数主要集中在0.4～1.0之间。

天然状态下，土中孔隙所含水的质量与土颗粒质量的比值即为天然含水率[6]，它是反映土的湿度的一个重要指标。孔隙比是用来评价土的密实程度，即为土中孔隙的体积与土颗粒体积的比值。天然密度是指在天然状态下单位体积土的质量，它综合体现土的结构特征和物质组成。压缩模量是判断土的压缩性和计算地基压缩变形量的重要指标之一，而压缩系数是描述土体压缩性大小的物理量。

2 研究区土层概况

在研究区内共收集50个取土钻孔，结合项目勘察报告和野外钻孔揭示来看，该区第四系地层主要由素填土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、砂质粉土、粉砂等组成。这里以向化镇钻孔揭示的土层分布为例，见表1。

表1 向化镇钻孔揭示的土层情况Tab.1 Soil condition revealed by drilling in Xianghua Town

本文对这些钻孔中的粉质黏土进行取样，并开展土工试验，获取粉质黏土的液性指数、天然含水量、孔隙比、天然密度、压缩模量、压缩系数的一般参数值，为后续的相关性分析提供数据支撑。

3 相关性分析

本文通过统计分析该50个粉质黏土样品的土工试验数据，总结得出崇明地区一系列粉质黏土物理力学参数间的相关关系。同时，结合前人的相关研究成果，通过对比分析来提高参数相关性分析的可靠性。

3.1 天然含水率与液性指数的相关关系

天然含水率的高低主要取决于土的类型、埋藏深度及其周围环境，同时它还影响土的强度。经统计发现，崇明地区粉质黏土的天然含水率值集中在30%～35%之间，得出的液性指数与天然含水率之间存在的函数关系式为IL=0.056 9w-1.108 1，相关系数为0.962 2，为正相关线性关系(图1)。通过对比上海[7]、苏通大桥[8]以及江阴[9]等地区液性指数-天然含水率关系曲线(图2)发现，崇明关系曲线介于苏通大桥与江阴之间，当天然含水率处在35%左右时，与江阴关系曲线发生相交。上海与崇明在地理位置上虽相近，但由于具体采样地点不同，它们的关系曲线存在差异，两者间错开一定的距离，总的来说4个地区的关系曲线走势大体一致。

图1 液性指数-天然含水率参数投点Fig.1 Liquidity index versus natural water content parameter point

图2 崇明与其他地区液性指数-天然含水率关系曲线对比Fig.2 Comparison of relationship curves between liquidity index versus natural water content in Chongming and other regions

3.2 孔隙比与液性指数的相关关系

通过土工试验数据的投图结果来看(图3)，崇明地区粉质黏土孔隙比集中在0.8～1.0之间，得出的液性指数与孔隙比之间存在的函数关系式为IL=2.004 4e-1.066，相关系数为0.952 4，亦为正相关线性关系。由图4可以看出，苏通大桥[8]粉质黏土液性指数-孔隙比关系曲线与崇明地区的近乎平行，且曲线相距较近，这说明上述两个地区土的密实程度相近。

图3 液性指数-孔隙比参数投点Fig.3 Liquidity index versus void ration parameter point

图4 崇明与其他地区液性指数-孔隙比关系曲线对比Fig.4 Comparison of relationship curves between liquidity index versus void ration in Chongming and other regions

3.3 天然密度与液性指数的相关关系

天然密度主要取决于土颗粒密度、土中孔隙体积以及土中水的质量。见图5。

图5 液性指数-天然密度参数投点Fig.5 Liquidity index versus natural desity parameter point

据图5可知，崇明地区粉质黏土的天然密度集中在1.80～1.95 g/cm3之间，液性指数与天然密度之间存在的函数关系式为IL=7.898 2-3.760 5γ，相关系数为0.9236，为负相关线性关系。上海[7]、苏通大桥[8]及崇明3地的液性指数-天然密度关系曲线见图6，图6中3条关系曲线相距较近，且近乎平行，这反映出这3个地区粉质黏土的结构特征和物质组成较为相似。

图6 崇明与其他地区液性指数-天然密度关系曲线对比Fig.6 Comparison of relationship curves between liquidity index versus natural desity in Chongming and other regions

3.4 压缩模量与液性指数的相关关系

土的压缩模量越小，则土的压缩性越高，这说明土越软，土的液性指数越大；反之则土的压缩性越低，土便越硬，土的液性指数就越小。从图7中曲线的变化趋势可看出它们之间的关系，结合统计得出液性指数与压缩模量之间存在的函数关系式为IL=1.335 3-0.109 1ES，相关系数为0.872 2，为负相关线性关系。苏通大桥[8]与崇明地区的液性指数-压缩模量关系曲线(图8)存在明显差异，崇明地区为线性反比函数式，而苏通大桥为指数函数式，但两者的变化范围及趋势大体相同。

图7 液性指数-压缩模量参数投点Fig.7 Liquidity index versus modulus of compressibility parameter point

3.5 压缩系数与液性指数的相关关系

土的压缩系数越大，则表明土的压缩性越高，液性指数越大，这也反映出压缩系数与压缩模量之间存在着反比关系。由图9可以看出，液性指数与压缩系数之间存在的函数关系式为IL=1.409 3a1-2+0.237 3，相关系数为0.906 6，为正相关线性关系。由图10中可见，崇明地区粉质黏土的液性指数-压缩系数关系曲线介于苏通大桥[8]和江阴[9]之间，其与上海[7]的间距较大，但两者近乎平行，关系曲线总体上均呈现出上升趋势。

图8 崇明与其他地区液性指数-压缩模量关系曲线对比Fig.8 Comparison of relationship curves between liquidity index versus modulus of compressibility in Chongming and other regions

图9 液性指数-压缩系数参数投点Fig.9 Liquidity index versus coefficient of compressibilty parameter point

图10 崇明与其他地区液性指数-压缩系数关系曲线对比Fig.10 Comparison of relationship curves between liquidity index versus coefficient of compressibility in Chongming and other regions

4 结 论

1) 崇明地区粉质黏土的液性指数与天然含水率、孔隙比、天然密度、压缩模量、压缩系数呈现较好的线性相关关系，相关系数介于0.872 2～0.962 2之间。

2) 崇明地区粉质黏土的液性指数与天然含水率、孔隙比、压缩系数之间呈现正相关线性关系，液性指数与天然密度和压缩模量之间呈现负相关线性关系。

3) 对比崇明地区与其他地区粉质黏土的液性指数及其物理力学参数的相关性，它们之间具有较高的相似度，这可以为研究长江下游地区类似场地粉质黏土相关指标提供借鉴。