基于静力触探估算粉土物理力学性质指标的方法

吴道祥, 郭佳诚, 叶 磊, 赵华宏, 吴磊磊

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009; 2.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥 230088;3.公路交通节能与环保技术及装备交通运输行业研发中心,安徽 合肥 230088)

岩土体物理力学性质指标是岩土工程分析评价和设计计算的基础,室内土工试验是获取岩土体物理力学性质指标的基本方法之一,但由于试验周期、取样扰动及数量限制等问题,工程中很多时候也需要一些其他快速、有效的确定方法,特别是对于粉土等取样和制样难度较大的土层,更是如此。静力触探(cone penetration test,CPT)作为一种使用最广泛的原位测试方法,具有测试连续、快速、精度高等特点,在工程中常被用于确定土体各类性质参数和指标[1-2]。利用CPT确定土体物理力学性质指标的可靠性和适用性得到了广泛的认可,在很多规范、手册中都列有相关规定[3-7]。

粉土工程性质介于砂土和黏性土之间,具有黏聚力低、成型质量差、渗透性好、保水性差等特点[8]。研究人员对不同地区粉土的工程性质做了大量的研究工作。文献[9]对江苏徐宿地区粉土进行研究,提出加固方法;文献[10]对上海大量工程数据进行统计,分析浅层粉土渗透性与各项土体参数的关系;文献[11]对昆明盆地粉土的物理力学性质进行分析,探讨区域性粉土的特性及工程应用;文献[12]对比研究黄河冲积粉土不同密实度、含水率对粉土力学性质的影响;文献[13]在部分排水条件下对丹麦北部地区粉土进行CPT试验,探讨测试成果与相对密度等指标的关系;文献[14]利用CPT研究排水条件对不同细粒含量液化土层的工程性质和液化潜力的影响。上述研究结果表明,不同地区的粉土具有区域性特点,利用CPT对区域性粉土的物理力学性质指标进行分析和确定具有重要的研究意义和工程应用价值。

安徽省淮北平原位于安徽省最北端,包括亳州市、淮北市、阜阳市、宿州市以及淮南市和蚌埠市部分地区。淮北平原是黄河、淮河泛滥作用形成的冲积平原,地势平坦开阔,由丰厚的第四纪堆积物组成,呈典型的堆积性地貌景观,仅分布少量低山、丘陵[15-17];地表普遍分布厚层黏性土、粉土及砂土等土层,CPT在该区得到普遍应用,积累了大量的数据和丰富的经验。粉土在该区分布广泛,厚度和埋藏深度不一,状态和性质变化也较大,是该区主要第四系土层之一。本文收集整理安徽省淮北平原200余份工程勘察资料,对收集的研究区粉土CPT和室内土工试验数据进行统计分析和回归拟合,建立两者之间的经验公式,以期提高勘察效益、为该区工程建设提供参考。

1 静力触探数据统计分析

1.1 数据来源与分布

本文收集的工程资料来源于安徽省内几家大型勘察设计单位,数据资料可靠。经整理,共取得可供分析研究的工程200余项,分布在阜阳、亳州、淮北等淮北平原各区县,涵盖整个安徽淮北平原地区,确保研究成果具有较好的代表性和地区适用性。

1.2 数据统计计算及统计学特性

1.2.1 异常数据剔除

采用文献[18]的方法剔除异常数据:将比贯入阻力ps值由小到大以1 MPa为区间划分为若干个区段,每个区段内土体的状态和工程性质较为接近,对各分段测试值进行频数分析,设置95%的置信区间,剔除超出此置信区间的数据。实际操作表明,该处理方法能有效提高拟合效果。

1.2.2 数据统计计算方法

1.2.3 ps值与常用指标的统计学特征

研究区粉土ps值及其常用物理力学性质指标的统计学特征见表1所列,如图1所示。

1) 安徽淮北平原粉土ps值的3种统计平均值均呈正偏态分布,其频率分布、离散程度等都非常接近,变异系数为0.44～0.47,表明其统计学特征无显著差异。

2) 从统计数据看,研究区粉土的w在19.50%～29.50%之间,平均值为24.334%,绝大部分介于20%～30%之间,湿度状态为“湿”;含水率w、液限wL、塑限wP等含水性指标的分布均较为集中,其中,w、wL近似呈正态分布。

3) 研究区粉土孔隙比e介于0.62～0.84之间,平均值为0.691,绝大部分小于0.75,密实度为“密实”。粉土与黏性土的物质成分及工程性质差异较大,密实度对其工程性质的影响较大,从统计数据看,研究区粉土的力学性质指标黏聚力c、内摩擦角φ和压缩模量Es等,它们的分布主要集中在较大值区间,呈典型的负偏态分布,如c介于(20,26] kPa的占比超过80%,而介于(10,20] kPa占比则仅为15%左右。

表1 研究区粉土ps值、常用物理力学性质指标的统计学特征

图1 研究区粉土ps值、常用物理力学性质指标频率分布直方图

压缩系数a与Es存在倒数关系,其分布主要集中在小值区间,在0.10～0.14 MPa-1的占比超过70%,呈典型正偏态分布;与密实度高度相关的另一个物理性质指标γ也呈现类似规律,在(19.2,20.2] kN/m3的占比超过80%,而在(18.2,19.2] kN/m3的占比不到20%,呈正偏态分布。

2 CPT估算物理力学性质指标方法研究

2.1 ps值与常用指标间的相关性分析

在对两变量进行回归拟合、建立经验公式之前,需要衡量和评价两变量之间是否具有相关性及相关程度。本文通过SPSS软件对淮北平原粉土ps值3种统计平均值与常用物理力学性质指标相关性进行分析,结果见表2所列。

1) 研究区粉土ps值3种统计平均值与各含水状态指标,如w、wL、wP、IL和IP等的Pearson相关系数|r|均较小,相关性弱。

2) 研究区粉土ps值3种统计平均值与e、γ等物理性质指标,以及c、φ、a和Es等力学性质指标的相关系数|r|都较大,均大于0.600,且与这些指标的显著性P均为0,表明ps值3种统计平均值与这些物理力学性质指标呈高度相关。

表2 研究区粉土ps值3种统计平均值与常用物理力学性质指标相关性分析结果

2.2 ps值与常用指标间的回归分析

本文绘制研究区粉土ps值3种统计平均值和常用物理力学性质指标的关系散点图,并根据2.1节相关性分析结果和散点图特征,逐一进行一元线性、非线性回归分析。对比后发现,研究区粉土ps值3种统计平均值与各物理力学性质指标之间可统一采用函数y=a+b/x的形式进行拟合,效果良好,也便于工程应用;回归拟合结果见表3所列,如图2所示。

从2.1节分析可以看出,研究区粉土ps统计平均值与各含水状态指标的相关程度极弱,而回归拟合结果也显示它们的拟合优度极低,拟合效果差,因此表3、图2中没有给出相应的拟合结果。

图2 研究区粉土与常用物理力学性质指标关系散点图和拟合曲线

2.3 拟合回归方程的检验

表与常用物理力学性质指标回归方程显著性检验结果

3 结 论

本文经统计分析、计算及拟合,建立根据CPT的ps值确定安徽淮北平原粉土常用物理力学性质指标的经验公式,得到结论如下:

1) 研究区粉土ps值3种统计平均值均为正偏态分布,其分布、离散程度等无显著差异。

2) 研究区粉土绝大部分属“密实”状态,重度和各力学性质指标的分布主要集中在较大值区间,呈负偏态分布,而孔隙比和压缩系数的分布主要集中在较小值区间,呈正偏态分布。