沧州北部地区软土物理力学指标相关性分析研究

王国晨 边文英

摘  要：沧州北部地区存在一层典型的滨海相沉积类型软土，其在青县西北部、大城县东南部分布稳定而广泛，工程地质条件较差。为了更好地研究该地区软土的物理力学指标，分析各指标间的相关性，结合区域内近50个钻孔及土工试验资料，系统分析了沧州北部地区软土的工程地质性质，阐述了区内软土的分布及特性等;并利用数理统计学方法，较为客观地对区内软土物理力学指标间的相关性进行了分析与探讨，给出了各指标间的最优拟合曲线。研究结果：沧州北部地区软土多属于高液限淤泥质粘土，具有含水率高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低等特点;区内软土含水率与孔隙比及含水率、孔隙比与压缩系数间存在正相关的特性，大致符合多项式回归曲线形式。

关键词：沧州北部地区;软土;物理力学指标;相关性分析

中图分类号：TU447        文献标识码：A     文章编号：1007-1903（2019）02-0085-06

Abstract： There is a typical layer of coastal sedimentary soft soil in the northern region of Cangzhou City. It is widely distributed in the northwestern Qing County and southeastern Dacheng County， but the engineering geological conditions are poor. In order to further study the physical and mechanical indicators of soft soil in this area and analyze the correlation among various indicators， this paper systematically analyzes the engineering geological properties of soft soil in the northern region of Cangzhou City combined with nearly 50 borehole and geotechnical test data， and interprets the distribution and characteristics of soft soil in this area. The correlation between physical and mechanical indicators of soft soil in the area is analyzed and discussed by mathematical statistics method， as well as the optimized fitting curve between each indicators is obtained. It is concluded that the soft soil in the northern region of Cangzhou City mainly belongs to the silty clay with high liquid limit， high water content， large pore ratio， high compressibility and low shear strength. There is a positive correlation between the water content and pore ratio， and among the water content， pore ratio and compression coefficient， which roughly conforms to the polynomial regression curve form.

Keywords： Northern region of Cangzhou City; Soft soil; Physical and mechanical indicators; Correlation analysis

0引言

軟土是一种特殊性质的土，其具有“三高一低”的特点，即含水率高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低，工程地质特征较差。研究岩土体物理力学指标是选取工程地质参数并进行可靠度分析的重要途径之一（刘用海，2008），而软土物理力学性质具有随区域变化的不确定性特征，在地质调查中有必要对不同区域的软土特征分别进行统计分析，进而更好地服务工程建设，如：陈晓平（2011）、陈延猛等（2007）、夏银飞等（2008）、阙金声等（2007）、尹利华等（2007）、屈若枫等（2014）等学者分别研究了珠江三角洲、天津、武汉等地区软土物理力学指标的相关性，构建了回归方程，为软土指标间的相互估算提供了参考，分析成果对在上述区域开展工程地质活动有很好的指导和借鉴意义。

1 沧州北部地区软土分布及特征分析

软土在我国分布十分广泛，在东部沿海区域、三角洲地区以及内陆江、河、湖分布较广的区域均有分布（屈若枫等，2014）。河北省软土地层主要分布于秦皇岛、唐山、沧州等沿海地区，是典型的滨海相沉积类型（母焕胜，2011），其主要为沧东海进，即第一海相层沉积形成（王强等，2009）。该区内揭露软土层埋深5～15m，为灰—灰黑色粉质粘土、淤泥质粘土等，局部夹5～10cm灰黑—黑色泥炭层，在青县西北、大城县东南分布稳定而广泛（图1）。

软土物理力学性质具有高度的非线性和不均一性，恰当的对岩土体特性参数进行概率统计，能有效的消除岩土体非线性不均一性以及实验误差带来的影响（尹利华等，2007）。通过对研究区软土层取样，对样品分别进行常规试验、直剪试验（快剪）、三轴不固结不排水试验（UU）、渗透试验等，然后按照岩土工程勘查规范（GB 50021-2001）对软土的物理力学指标进行数理统计，主要统计各土层物理力学指标的范围值、平均值、变异系数、标准差等（表1）。区内软土存在如下特征：

（1）含水率高：天然含水率为35.2%～61.8%，均值40.38%;液限32%～49.5%，均值41.81%;塑限17.35%～29.1%，均值23.48%;液性指数0.43～1.3，均值0.86;塑性指数9.3～24.57，均值23.48;多属于高液限淤泥质粘土，状态多处于流塑—软塑。

（2）孔隙比大：天然密度1.58～1.92g/cm3，均值1.8g/cm3;孔隙比0.929～1.816，均值1.143;孔隙体积较大，密度较低。

（3）压缩性高：压缩系数0.38～1.3MPa-1，均值0.65MPa-1;压缩模量2.2～5.3MPa，均值3.42MPa;压缩性较高，属于高压缩性土。

（4）渗透性低：渗透系数4.68×10-8～1.55×10-6cm/s，均值2.26×10-7 cm/s;变异系数1.701，土的渗透系数离散性较大，土的渗透性较低。

（5）抗剪强度低：粘聚力（快剪）3～39kPa，均值18.76kPa;内摩擦角（快剪）1.6°～14.6°，均值5.93°;粘聚力（UU）8～34kPa，均值20.38kPa;内摩擦角（UU）3.7°～ 7.4°，均值4.8°;在不同试验条件下粘聚力及内摩擦角均较低，说明土层其抗剪强度较低。

2软土物理力学指标相关性分析

根据软土地基变形机理分析，影响软土特性的物理力学指标主要为含水率、孔隙比、液限、压缩系数、粘聚力、内摩擦角及渗透系数等。采用数理统计中一元线性回归、多项式回归、指数非线性回归方法分析各指标之间的相关性，利用最小二乘法拟合最佳曲线，最后根据相关系数讨论拟合曲线的可靠性。SPSS（Statistical Product and Service Solutions）是常用的统计分析软件，运用不同的算法，统计、计算包括平均值、标准差、变异系数、相关系数等在内的多种统计学参数并构建回归方程，利用其分析数据可以简化运算过程。

2.1 建立物理力学指标间回归方程

对软土工程性质影响最为直接的压缩系数、粘聚力、内摩擦角等力学指标，往往受试验条件限制，测试困难或结果误差较大，而软土的含水率、孔隙比、液塑限等常规物理指标测试相对容易且测试结果较准确。利用SPSS软件对数据进行相关性分析，分别选取不同指标作为因变量与自变量构建回归方程，研究软土体物理指标与力学指标之间的相关性。

首先选取含水率、孔隙比、液限等物理指标作为拟合对象，分别构建各物理指标之间的回归方程;然后选取含水率、孔隙比、液限作为自变量，压缩系数、粘聚力、内摩擦角等力学指标作为因变量，进行数据拟合。拟合过程中分别采用一元线性回归、多项式回归、指数非线性回归方法，通过SPSS软件求出方程的各个系数，构建拟合曲线，并求出曲线方程的相关系数。拟合结果见表2。

2.2相关性及回归曲线分析

根据数理统计学分析，相关系数越大表明自变量与因变量之间的相关性越好，反之越差。

（1）含水率与孔隙比、含水率与液限、液限与孔隙比之间的关系分析

根据图2可以看出：随着含水率的增大，软土孔隙比也在不断增大，其与含水率呈正相关性，基本符合多项式回归拟合曲线形式，回归方程见表2;但随着含水率的增大软土液限值没有明显的递增关系，表明软土液限值与含水率的关系不大;软土孔隙比与液限亦无明显的线性与非线性关系。

（2）含水率与压缩系数、粘聚力及内摩擦角之间的关系分析

由图3可以看出：随着含水率的增大，软土压缩系数有递增的趋势，虽然不能完全用拟合曲线表示，但其更符合多项式回归拟合曲线形式;而随着含水率的增加软土的粘聚力与内摩擦角无明显的变化趋势，其大小与含水率的变化关系不大。

（3）孔隙比與压缩系数、粘聚力及内摩擦角之间的关系分析

根据图4可以得出：随着孔隙比的增大，软土压缩系数也在不断增大，其基本与孔隙比呈正相关性，与多项式回归曲线拟合形式更好;但随着孔隙比的增大软土的粘聚力与内摩擦角无明显的相关性，但粘聚力值与孔隙比存在一定的变化趋势。

（4）液限与压缩系数、粘聚力及内摩擦角之间的关系分析

根据图5可以得出：软土压缩系数、粘聚力、内摩擦角与液限值的变化关系不大;但软土的粘聚力有随液限值增大而增大得趋势，其与指数回归曲线拟合形式稍好。

（5）含水率、孔隙比及液限与渗透系数（垂向）之间的关系分析

由图6可以看出：软土的垂向渗透系数与含水率、孔隙比及液限值之间拟合曲线相关系数均较小，曲线拟合差，并且渗透系数值离散值较大，总体上软土的垂向渗透系数与物理指标间无明显的变化趋势。

3结论

本文在大量钻孔及试验数据的基础上，针对沧州北部地区软土的物理力学指标进行了分析，并利用数理统计知识对该区软土物理指标与力学指标间的相关性进行了研究，主要得出以下结论：

（1）沧州北部地区软土多属于高液限淤泥质粘土，状态多处于流塑—软塑;其具有含水率高、孔隙体积大、压缩性高、密度低的特点;且在不同试验条件下（直剪与三轴），该区软土粘聚力及内摩擦角均较低，说明土层其抗剪强度较低。

（2）通过对该区软土不同指标之间的相关性分析可知：不同物理指标间含水率与孔隙比基本符合多项式回归拟合曲线形式，而含水率与液限、液限与孔隙比之间没有明显的相关性。不同物理指标与力学指标之间，含水率、孔隙比与压缩系数存在递增关系的趋势，其均与多项式回归曲线拟合形式更好;粘聚力亦有随液限值增大而增大得趋势，但其与指数回归曲线拟合形式稍好;其与指标间相关性较差。

（3）该地区软土的垂向渗透系数离散性较大，且渗透性较低;而其渗透性的大小与土的含水率、孔隙比及液限值均无明显的关系;分析其原因可能受试验方法等诸因素影响，亦可能与土样颗粒大小等因素有关，有待进一步分析研究。

参考文献

陈延猛，夏银飞，2007. 软土物理力学指标的统计关系研究[J]. 国外建材科技，28（2）： 106-108.

陈晓平，2011. 海陆交互相沉积软土固结效应[J]. 岩土工程学报，33（4）：520-528.

刘用海，2008. 宁波软土工程特性及其本构模型应用研究[D]. 浙江大学.

母焕胜，2011. 河北省沿海地区软土的微结构特征研究[C]//全国公路工程地质科技情报网2008年技术交流会论文集： 207-211.

阙金声，陈剑平，石丙飞，2007. 广州大学城软土的工程地质性质统计分析[J]. 煤田地质与勘探，35（1）： 49-52.

屈若枫，徐光黎，王金峰，等，2014. 武汉地区典型软土物理力学指标间的相关性研究[J]. 岩土工程学报，（S2）： 113-119.

王强，李从先，2009. 中国东部沿海平原第四系层序类型[J]. 海洋地质与第四系地质，29（4）： 39-51.

夏银飞，吴代华，文建华，2008. 珠江三角洲软土物理力学指标统计分析[J]. 公路交通科技，25（1）： 47-50.

尹利华，王晓谋，张留俊，2010. 天津软土土性指标概率分布统计分析[J]. 岩土力学，31（S2）： 462-469.