云南遮放盆地粉质黏土物理力学指标相关性分析

涂春霖，尹林虎，顾亚

(中国地质调查局昆明自然资源综合调查中心，云南 昆明 650100)

0 引言

软土地基是建筑和工程活动中经常面对的课题，地基土体的物理与力学指标是进行土体强度计算和基础设计的必要参数和重要依据（张卫红，2009；刘勇键等，2010；胡家亮等，2019；吕超，2020）。由于沉积环境、地形地貌、气候条件等差异，不同地区粉质黏土的物理力学性质也各不相同（刘湘元等，2012；徐奋强和曹云，2012；武朝军，2016；王文韬，2019）。近年来，随着经济建设活动的展开，关于地基土物理力学指标的研究得到了广泛的关注，张先伟等（2011）、王济生等（2012）、唐军平等（2018）分别对湛江、大连、佛山等地软土物理力学指标及其相关性进行了分析，建立了不同地区软土各物理力学参数之间的经验公式，取得了较为显著的成果。

本文以遮放地区粉质黏土为研究对象，在实地调查的基础上，利用本次项目工作中采集的粉质黏土土工试验结果，对土层的物理力学指标进行详细研究，总结了遮放地区粉质黏土的物理力学特征，统计分析各指标的变异性和相关性，对一些重要指标进行一元线性回归，建立不同指标间的拟合方程，为该区工程设计和建设活动提供一定参考。

1 样品采集与分析

遮放盆地地处德宏州芒市西南部，为云南著名的“贡米之乡”，区域上位于龙陵-瑞丽断裂带上，为滇西典型的新生代小型山间盆地之一（贺根文，2013），出露地层为新近系芒棒组（N2m）和第四系（Qhal），其中第四系分布在芒市河及龙江两岸一、二级阶地上，主要为冲积形成的粉质黏土、粉土等，局部夹碎石土和砂土，以粉质黏土发育最为广泛，为区内的主要持力层。

研究区粉质黏土分布于芒市河及龙江两岸，面积53.2 km2，土体厚度主要为5～10 m，一般不超过20 m。本试验土样取自钻孔和天然露头，共采集62组样品，取样深度一般0～5 m，最深不超过10 m，采样位置见图1。钻孔内土样用土样盒采取，天然露头土样用环刀采取，样品送自然资源部昆明矿产资源监督检测中心进行分析，基本代表了区内粉质黏土特征。

图1 遮放盆地土体分布及采样位置图

2 粉质黏土物理力学特征

根据数理统计理论和《工程地质手册》相关规定（常士骠和张苏民，2006），对粉质黏土物理力学指标进行统计分析，重点关注最小值、最大值、平均值、标准差、变异系数等统计值（阙金声等，2007；蒋建平和罗国煜，2007），结果见表1。

表1 遮放盆地粉质黏土物理力学指标统计结果

从表中可知，该区粉质黏土具有以下特征：

（1）遮放盆地粉质黏土天然含水率W较高，分布范围在17.4%～50.7%之间，平均31.09%，变异系数0.25，湿度一般为湿-很湿；液限WL范围28.9%～56%，平均39.55%，变异系数0.19；液性指数IL分布范围0.05～0.91，平均0.43，变异系数达到0.45，表明各地粉质黏土的天然状态差别较大，总体以可塑为主，局部为软塑和硬塑状态。

（2）区内粉质黏土压缩性中等，压缩系数a1-2范围0.18～0.81 MPa-1，平均0.37 MPa-1，变异系数0.34；压缩模量Es1-2范围2.81～9.15 MPa，变异系数0.29；根据规范规定（0.1 MPa-1

（3）区内粉质黏土抗剪强度略高，粘聚力c范围13.5～38.9 kPa，平均27.97 kPa，变异系数0.24；内摩擦角Φ范围5.4°～24.9°，平均15.53°，变异系数0.29，变异系数相对较大。

从粉质黏土物理力学指标的变异系数统计值可知：该区粉质黏土的天然密度ρ、干密度ρd、比重Gs、饱和度Sr、塑性指数IP变异系数较小，基本小于0.1，在工程建设中可将这几个物理指标看作常量（孙峰，2016）；其他物理指标（含水率W、孔隙比eo、液限WL、塑限WP）变异系数在0.2～0.3，变化也不是太大，可根据需要进行取舍。总体来说，力学指标变异系数相对较大，在0.3左右，在工作中应作为变量处理。值得注意的是，液性指数IL变异系数较大，达到0.45，表明该区粉质黏土液性指数IL具有一定的离散性，主要受不同地区土体天然状态的影响，需重点加以注意。

3 粉质黏土物理力学指标相关性分析

对区内粉质黏土各物理力学指标进行相关性分析，得到各指标间的相关系数（表2），从表中可以看出，在各物理指标之间，天然含水率W与干密度ρd、孔隙比eo、液限WL、塑限WP相关性较高，孔隙比eo与天然密度ρ、干密度ρd、液限WL、塑限WP相关性较高，相关系数均在0.8以上；液限WL和塑限WP的相关系数高达0.99。在力学指标方面，液性指数IL与压缩系数a1-2、压缩模量Es1-2、粘聚力c、内摩擦角Φ相关性均较高，相关系数可达0.9以上；各力学指标间也具有良好的相关性。在相关性分析的基础上，采用一元线性回归模型（周晖和李勇，2015），对各物理力学指标进行回归分析，并得到不同指标间的拟合方程（表3～4）。

表2 遮放盆地粉质黏土物理力学指标相关系数统计表

3.1 物理指标间的相关性

土的天然孔隙比和含水量被认为是影响软土性能的主要宏观指标（夏银飞等，2008）。将区内天然含水率W、孔隙比eo与其他物理指标进行一元线性回归分析，得到相应的拟合方程和相关系数。由表3和图2可知，W-eo、W-WL、W-Wp具有良好的线性相关关系，相关系数约0.8左右，均呈正相关关系，即随着含水率的增加，孔隙比、液限、塑限均随着增大。孔隙比eo与干密度ρd呈负相关关系，相关系数达到0.96，即干密度ρd随着孔隙比eo的增大而减小，这与粉质黏土的实际情况是相符的。需要注意的是，含水率W和孔隙比eo与液性指数IL、塑性指数IP相关性均较小，相关系数0.22～0.36之间。另外，液限WL与塑限WP具有高度的线性相关关系，相关系数0.98以上，而液性指数IL、塑性指数IP之间基本不相关，相关系数小于0.1。

图2 遮放盆地粉质黏土典型物理力学指标拟合关系曲线

表3 物理指标间的相关性统计表

3.2 物理指标与力学指标间的相关性

建立土的力学指标和物理指标之间的经验关系，在工程上具有重要的现实意义（蒋建平和罗国煜，2007）。由表4和图2可知，液性指数IL与压缩系数a1-2呈正相关关系，与压缩模量Es1-2、内摩擦角Φ呈负相关关系，相关系数分别为0.839、0.936、0.851，均高度相关，与粘聚力c呈负相关关系，相关系数0.69，即随着粉质黏土液限指数IL的增加，其压缩系数增大，压缩模量和内摩擦角、粘聚力均呈减小的趋势，反映了该区粉质黏土的天然状态与其力学性质高度相关，在需要时可根据液性指数IL估算出各力学指标的大小。

表4 物理力学指标间的相关性统计表

天然含水率W和孔隙比eo与各力学指标相关性均较低，与粘聚力c 相关性最小，甚至不到0.2，说明该区粉质黏土力学性质受到多种因素的综合影响。另外，各力学指标之间均具有一定的线性相关关系，尤其压缩模量Es1-2与压缩系数a1-2、内摩擦角Φ高度相关，相关系数大于0.85。值得注意的是，粘聚力c 与其他物理力学指标相关性均不高，与液性指数IL相关性也仅0.69，在工作中应作为变量处理。

4 结论

（1）遮放盆地粉质黏土分布广泛，为区内主要的持力层，具有天然含水率较高、压缩性中等、抗剪强度略高的特征。

（2）该区粉质黏土物理指标变异性相对较小，其中天然密度ρ、干密度ρd、比重Gs、饱和度Sr、塑性指数IP可作为常量；力学指标变异系数相对较大。该区粉质黏土液性指数IL具有一定的离散性，变异系数达0.45，表明在不同地区土的天然状态差别较大。

（3）通过相关性分析和一元线性回归分析，发现WP-WL、ρd-eo高度相关，天然含水率W与孔隙比eo、液限WL、塑限Wp也具有良好的线性相关关系，液性指数IL、塑性指数IP之间基本不相关。

（4）液性指数IL与压缩系数a1-2、压缩模量Es1-2、内摩擦角Φ均高度相关，可根据需要用液性指数IL估算各力学指标的大小，各力学指标之间均具有一定的线性相关关系，但粘聚力c与其他物理力学指标相关性均不高。