黄骅港地区黏性土物理力学指标间相关性分析★

顾龙声 顾长存

(1.天津水运工程勘察设计院，天津 300456； 2.河海大学岩土工程科学研究所，江苏 南京 210098；3.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098)

0 引言

合理选取土层的物理力学参数对建立合理的设计计算模型及基坑工程中选择经济安全的开挖与支护形式均起着至关重要的作用，这也充分体现出关于岩土体特征参数的统计规律及物理力学指标之间相关关系研究的重要性[1]。国内外诸多学者对土性参数之间的相关关系进行了深入地分析研究。

Azzouz等[2]使用回归方法对700多组固结实验结果进行了统计分析，统计分析表明孔隙比与压缩指数、压缩系数之间均有较好的相关性。

刘吉福等[3]采用回归方法对广东省13条高速公路中软黏土的物理力学指标进行了统计分析，分析结果表明物性指标间具有良好的线性相关性，且含水率、密度、孔隙比均与压缩系数具有良好的相关性，但与力学指标、强度指标间的相关性很差。

蒋建平等[4]基于苏通大桥工程大量的土工试验结果采用回归分析的方法给出了当地粉质黏土物理力学指标间的回归方程式。

夏银飞等[5]根据对珠江三角洲地区多组原状土样的物理力学指标统计研究显示，软土的物理力学性质具有较大的区域差异，服从正态分布的指标：干密度、密度、塑限、液限、塑性指数、无侧限抗压强度、灵敏度；服从近似正态分布的指标：粘聚力、孔隙比、含水量。

王济生等[6]运用回归方法对大连某地区的土工实验结果进行了统计分析，分析结果显示大连某地区物性指标变异性较小、力学指标变异性较大，孔隙比与含水率、塑限与液限间具有良好的线性相关性，但其他指标的相关性很差。

刘伽等[7]运用单参数和多参数的回归方法对大连某人工岛土工实验结果中的压缩指数进行了研究分析，运用单个参数回归方法研究时，含水率与压缩指数的相关性较高，且相关系数达到了0.946；运用多个参数分析时，孔隙比、干重度、液限三者的组合与压缩指数的相关性最好。

丁祖德等[8]运用回归方法研究分析发现昆明地区的泥炭质土的物理力学指标具有变异系数大、区域差异明显及概率研究模型复杂的特点；含水率、孔隙比、液性指数与压缩系数呈现良好的正相关性，液性指数与压缩模量呈现良好的负相关性，但物性指标与强度指标间没有相关性。

郭林坪等[9]运用回归分析法对天津滨海新区的黏性土的物理力学指标进行了统计分析，且给出了合理的相关关系式及相关性系数。

通过对已有研究结果的分析表明土的工程特性具有明显的区域性，对于有些地区的土工试验结果的相关关系分析已取得了一些成果，但黄骅港地区关于这方面的研究成果很少，且无法为该地区的岩土工程提供有价值的参考。目前缺少黄骅港地区黏性土的物理力学指标的统计分析资料，如何为该地区基坑支护等工程选取合理的物理力学指标是一个亟待解决的问题。

本文运用回归分析法对黄骅港地区黏性土层的物理力学指标进行了深入系统地分析，并给出了物性指标间、物性指标与变形指标、物性指标与内摩擦角的相关关系式及相关性系数，不仅可以指导该地区岩土工程设计参数的选取，还可以校验该地区室内实验数据的真实合理性。

1 黄骅港地区黏性土的物理力学特性分析

黄骅港位于河北省黄骅市的渤海之滨，地貌单元位于华北平原东缘，渤海滨海与潮间带的过渡带，主要为平原地貌和海岸地貌，港区地层为海陆交互相沉积，其上部主要为淤泥及淤泥质亚黏土夹亚砂土。本文中试样取自黄骅港地区20个岩土工程勘察项目的室内试验数据，其中钻探深度最大的为85 m，但考虑样本容量等因素，仅对埋深30 m范围内的土样进行物理力学性质指标相关性统计分析，以便为该地区的工程应用建立合理可行的经验关系，该地区30 m埋 深范围内的黏性土层主要为：粉质黏土层、淤泥质粉质黏土层、黏土层、淤泥质黏土层，局部夹淤泥薄层。剔除异常值(与平均值的偏差超过两倍标准差的测定值界定为异常值)后统计情况如表1，表2，图1所示。

表1 黏性土物理力学指标统计分析

表2 黏性土抗剪强度指标统计分析

由统计结果及图1可知，黄骅港地区黏性土具有如下特征：

1)分布在0 m～30 m埋深范围内的土层主要为：粉质黏土层、黏土层；分布在0 m～18 m埋深范围内的土层主要为：淤泥质粉质黏土层、淤泥质黏土层；且各土层含水率、孔隙比、干密度均与其埋深无明显相关性。

2)该地区黏性土层含水率、饱和度、孔隙比、液限、液性指数、塑性指数都较高，含水率均值变化范围为29.89%～44.04%，其干密度均值变化范围为1.23 g/cm3～1.49 g/cm3，其孔隙比均值变化范围为0.83～1.23，其液性指数均值变化范围为0.73～1.45，其塑性指数均值变化范围为13.47～20.07，且饱和度均值都高于97%，其中淤泥质土层的状态呈流塑，而粉质黏土层、黏土层状态呈可塑～软塑。

3)压缩性较高。其压缩系数均值变化范围为0.39 MPa-1～0.77 MPa-1，其中淤泥质黏土层的个别土样竟达到了1.2 MPa-1。

4)抗剪强度偏低，特别是淤泥质土层。直剪固快条件下得到的抗剪强度指标均大于直剪快剪条件下的，且粘聚力差值在0.64 kPa～2.98 kPa，内摩擦角差值在3.33°～6.88°。

由表1，表2可知，物性指标的变异系数都小于力学指标的，且基本可视为常量；力学指标中粘聚力具有较小的变异性，变异系数变化范围为0～0.23；而压缩模量、压缩系数、内摩擦角均具有较大的变异性，其变异系数变化范围为0.01～0.52。

2 物理力学指标的相关性分析

据已有研究资料可知土的物理力学性质对工程特性的影响很大，因此，通过对黄骅港地区已有工程的土工试验结果进行统计分析，可以得到该地区黏性土的工程特性变化规律，不仅可以指导该地区岩土工程的设计，也可为该地区经验的积累提供较大裨益。本文拟采用数理统计中的多项式、幂函数、对数非线性、一元线性回归、指数非线性等回归方法对指标间的相关关系进行拟合，并给出最优的拟合关系式，可为黄骅港地区合理选取基坑支护等岩土工程的设计参数及室内土工试验数据的校验提供有效的依据。

2.1 物性指标间的相关性分析

黏土各物理力学指标与天然含水率、孔隙比之间存在一定的相关性[10]，由于篇幅限制，仅给出含水率与其他物性指标的相关性统计分析结果，拟合关系式及相关系数R如表3所示。

表3 含水率与其他物性指标间的相关性统计分析

由表3可知，含水率与密度、干密度、孔隙比均具有很好的相关关系，且相关系数均大于0.95，由于黄骅港地区黏性土的饱和度很高，土体中的孔隙主要被水填充，因此天然含水率与孔隙比间的相关性极好；含水率与液塑性指标均为正相关性，但相关性不显著，相关系数最大值仅为0.695(液性指数)。上述回归方程式可用于黄骅港地区黏性土物性参数的估计和校验。

2.2 物性指标与变形指标间的相关性分析

将含水率、干密度、孔隙比与变形指标进行相关性研究分析，其中含水率与变形指标的相关关系图如图2所示。

由图2可知，压缩系数随含水率的增加而呈多项式关系递增，压缩模量随含水率的增加而呈幂指数关系递减。含水率、干密度、孔隙比与变形指标的拟合关系式及相关系数R如表4所示。

表4 物性指标与变形指标间的相关性统计分析

由表4可知，含水率、干密度、孔隙比与压缩系数的相关系数均大于0.93，与压缩模量的相关系数均大于0.86。由于含水率的测试较为简单，且稳定性与可靠性均较好，在缺乏试验资料的初始设计阶段可采用上述相应的回归方程式对黄骅港地区黏性土的变形指标进行预测和校验。

在《工程地质手册》(第四版)[11]的第一章第四节中给出了黏性土的压缩系数与孔隙比的经验公式：av=0.384e2.7，与黄骅港地区黏性土实测拟合曲线对比如图3所示。

由图3可知，《工程地质手册》中给出的黏性土经验公式av=0.384e2.7在黄骅港地区适用性很差，不建议使用。

2.3 物性指标与强度指标间的相关性分析

将含水率、干密度、孔隙比与抗剪强度指标进行相关性统计分析，其中抗剪强度指标来源于直剪快剪实验与直剪固快实验，其中含水率与两种实验条件下得到的强度指标的相关关系图如图4，图5所示。含水率与内摩擦角的拟合关系式及相关系数R如表5所示(因为物性指标与粘聚力相关性均不显著，所以无法给出拟合关系式)。

对于黏性土而言，水分的增加不仅可以提高润滑效果，从而使得内摩擦角减小，同时随着土体含水率的不断增加，还会使其薄膜水变厚，甚至使自由水的含量增大，从而使得粘聚力降低。如图4，图5，表5所示，由直剪快剪实验和直剪固快实验得到的内摩擦角随含水率、孔隙比的增加而呈多项式关系递减，随干密度的增加而呈多项式关系递增，且在两种试验条件下得到的内摩擦角均与含水率、干密度、孔隙比具有较好的相关性，相关系数均大于0.83，但在两种实验条件得到的粘聚力均与物性指标的相关性不显著，初步分析可能是黄骅港地区黏性土的天然含水率较高，饱和度高，孔隙比也较大，所以导致其物性指标与粘聚力的相关性不显著。

表5 物性指标与内摩擦角间的相关性统计分析

3 结论与建议

依据已有的黄骅港地区20个勘察项目室内试验结果，通过回归方法对该地区30 m深度范围内的黏性土物理力学指标间的相关性进行了深入的研究发现，干密度、孔隙比、含水率等指标对黏性土的变形指标、强度指标的影响均较为显著，得到以下结论及建议：

1)黄骅港地区分布在0 m～30 m埋深范围内的土层主要为：粉质黏土层、黏土层；分布在0 m～18 m埋深范围内的土层主要为：淤泥质粉质黏土层、淤泥质黏土层；且各土层含水率、孔隙比、干密度均与其埋深无明显相关性。

2)该地区的黏性土具有高含水率、高饱和度、高孔隙比、高压缩性、低抗剪强度的性质，且液限、塑性指数及液性指数均较大。

3)含水率、干密度、孔隙比与压缩系数的相关系数均大于0.93，与压缩模量的相关系数均大于0.86。试验中含水率指标的获取较稳定且可靠，建议黄骅港地区在缺乏试验资料时可采用文中给出的拟合关系式对黏性土的变形指标进行预测和校验。且《工程地质手册》中给出的黏性土经验公式av=0.384e2.7在黄骅港地区适用性很差，不建议使用。

4)通过对物性指标与不同试验条件下得到抗剪强度指标相关性分析发现，内摩擦角与干密度、孔隙比、含水率均具有较好的相关性，且相关系数均大于0.83，但粘聚力与物性指标的相关性均不显著，因此，文中仅内摩擦角与物性指标的拟合关系式可应用于黄骅港地区黏性土强度指标的预测和检验。