黄土标贯击数与物理力学参数相关性及微观机制分析

荣誉, 倪万魁, 聂永鹏, 任思远, 陈家乐, 拓文鑫

(长安大学地质工程与测绘学院, 西安 710061)

在建筑、道路等工程中,地基土的物理力学参数对工程建设起着至关重要的作用[1]。其通常是通过土工试验对于原状土进行测试获得。但是采取原状样费时费力,且对土的结构有扰动,在某些地层获得原状样更是非常困难。而原位测试可以在工程场地进行测试,该过程不需要取样,而且具有快速、经济的优点,因此原位测试受到越来越高的重视。

标贯试验依据国家和行业标准可划分砂土密实度等[2],标贯试验的其他应用也有学者进行了探索,涉及砂土、粉土、黏土、残积土、软土、红黏土、黄土等[3-13]。如刘鹏[3]等研究发现昆明市南市区泥炭质土的标贯击数与单一物理力学参数相关性不明显,而与液限、孔隙比呈现很好的多元线性相关性,并给出相关关系式;Asem等[4]研究美国伊利诺斯州的软弱泥岩,建立了标贯击数与无侧限抗压强度、变形模量的关系式;杨瑶池等[5]经研究昆明市呈贡新区红黏土,建立了标贯击数与孔隙比的相关关系式;张立丽[6]总结前人有关用标贯击数预测砂土、黏土剪切强度的研究,引入黏聚力的影响因素粉粒含量k,得到预测抗剪强度的公式;宋国文等[7]发现许昌市粉土的标贯击数与压缩模量、黏聚力、内摩擦角、塑性指数有较强的正相关性,与压缩系数、孔隙比、液性指数有较强的负相关性;李鑫[8]经研究表明山西的砂黄土、粉黄土和黏黄土的标贯击数与含水率、平均粒径、干密度、塑性指数、锥尖阻力线性相关性较好,与剪切波速呈现幂函数的相关关系;张青波[9]研究软土发现,软土的标贯击数与压缩模量、液限、黏聚力、内摩擦角有很好的线性相关性;陈法波等[10]建立了关于福建平潭地区风化花岗岩地基的标贯击数与承载力特征值、变形模量的线性相关关系式,发现也可利用旁压试验预测;刘欣良[11]等归纳分析了多个工程中标贯试验和静力触探试验的数据,建立了标贯击数与锥尖阻力的正相关关系式,其中拟合的直线斜率与土的粒径成反比关系,与小颗粒含量成正比关系;张长飞[12]研究建立了关于晋江地区花岗岩残积土的标贯击数与压缩模量、黏聚力、内摩擦角的线性相关经验公式;李志平[13]发现尾矿砂取样扰动大,于是建立了尾矿砂在不同含水率条件下抗剪强度与标贯击数的关系式。

根据上述文献分析,目前对于标贯击数与物理力学参数的相关性研究都集中在东部和南部的砂土、粉土、黏土、软土和红黏土中,但是对于中国西北部黄土的探索还较少。而且研究的参数种类较少,一般仅给出一元相关关系式,没有试验验证。然而土的力学性质受多个参数共同影响,因此借助origin软件对标贯击数与多个物理力学参数进行多元拟合,验证结果的合理性。同时黄土的宏观力学性质还受其微结构影响。叶万军等[14]通过扫描电镜发现增湿-减湿循环改变了土体的孔隙和结构,进而导致黄土的强度和承载力降低。因此本研究运用扫描电镜进行定性分析。但是随着对科研的继续深入,定性分析逐渐不能满足学者的要求。本研究引入PCAS图像处理软件对不同次数的标贯击数对结构产生的影响定量分析,这使得研究结果更加具像。

综上所述,为了补充西安市黄土塬区利用标贯击数预测土的物理力学参数的方法,利用西安市长安塬区原状黄土试样,进行室内一般土工试验[2],并结合规划区的原位测试资料,统计数据,借助Excel和origin软件进行一元和多元拟合分析,初步建立了物理力学参数和标贯击数N的关系。通过电镜扫描试验并结合PCAS图像处理软件对土样进行定性定量分析,验证结果的合理性。研究结论可为该地区土的物理力学参数的确定提供参考,节约成本、提高工作效率。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

取样的位置在西安市长安区,场地位于潏河左岸,属于一级黄土台塬地貌单元。该场区位于渭河断陷盆地中段,西安凹陷和骊山凸起的过渡地带。依据《岩土工程勘察规范》进行标准贯入试验[2],得到土层情况,如表1所示。原位试验数据选用取土点附近的原位测试孔,并按杆长对标贯击数进行修正[2]。

表1 土层情况Table 1 Soil strata

1.2 土工试验

依据《岩土工程勘察规范》对两个钻孔的原状黄土样品,每隔0.5 m进行土工试验[2],包括烘干法、环刀法、液塑限联合测定法、双线法压缩试验、固结快剪试验。

1.3 电镜扫描试验

黄土的孔隙和结构特征影响着黄土的强度和承载力,标准贯入试验也反映了黄土的强度和承载力。因此希望通过电镜扫描试验从微观角度证明相关关系的合理性。首先根据图像对孔隙的颗粒形态、接触关系、孔隙类型、胶结程度进行定性分析;再利用PCAS软件[15]对图像二值化,其中孔隙为白色区域,土颗粒为黑色区域。计算图像中白色区域的几何形态数据,然后统计面孔隙率、概率熵、分型维数等参数,将微观定量参数与标贯击数进行一元相关性分析。

2 结果与分析

2.1 标贯击数与物理力学参数相关性分析

将标贯试验与土工试验的数据进行统计分析,得到试样的物理力学参数与标贯击数的关系曲线,如图1所示。

图1 土的物理力学参数与标贯击数的关系曲线Fig.1 Relation curve between soil physical and mechanical parameters and SPT blow count

标贯击数与黄土的干密度、液限、黏聚力和内摩擦角呈正相关,与含水率、孔隙比和压缩系数呈负相关,标贯击数与每个物理力学参数都具有很好的线性相关性;标贯击数与湿陷系数呈负相关,线性相关性良好,可以用标贯击数预测地基土的上述参数。

黄土遇水强度大幅度降低,水又起到润滑作用,所以随着含水率的升高,标贯击数相应的减小;干密度和孔隙比影响土的密实度,相同堆积体积下,干密度越大,孔隙比变越小,土体更密实,所以标贯击数变大;贯入器的内外壁都与土体紧密接触,内摩擦角越大,贯入器受到的侧摩阻力越大,标贯击数也因此增加;土的胶结程度提高,分子吸引力变大,贯入器更难分开土体,说明黏聚力与标贯击数成正相关;液限是土的流动与塑性状态的含水率分界点,液限越大,土很难达到流动态,强度也升高,因此液限与标贯击数成正比;贯入器会竖向和侧向挤压土体,压缩系数变大,土的压缩性变大,则标贯击数减小。

2.2 微观结构分析

2.2.1 微观结构定性分析

通常从颗粒形态、接触关系、孔隙类型、胶结程度分析黄土的微观结构。它们相互关联,因此被广泛使用[14,16]。通过电镜扫描试验,得到了土的微观结构图像,如图2所示。

图2 微观图像Fig.2 Microscopic images

L1和L2的骨架颗粒主要是矿物碎屑,以点接触为主,架空孔隙,支架大孔微胶结结构。L3的骨架颗粒主要是外包黏土和矿物碎屑,以面接触为主,凝块胶结结构,凝块架空孔隙。S1和S2的颗粒主要是团聚体和凝块状颗粒,镶嵌-分散接触,以凝块架空孔隙、凝块胶结结构为主。S2的生物成壤作用强烈,有许多棒状方解石,导致强度低于S1。

结合标贯击数发现,孔隙的类型、接触方式和胶结类型影响土的结构强度,孔隙越多越大、点接触越多、胶结程度越低,导致土体强度越低,因此标贯击数减小。

2.2.2 微观结构定量分析

对土的标贯击数与微观参数统计分析,得到微观参数与标贯击数的关系曲线,如图3所示。

图3 土的微观参数与标贯击数的关系曲线Fig.3 Relation curve between soil micro-parameters and SPT blow counts

由图3可知,面孔隙率、平均孔隙面积、平均长度与标贯击数呈现很好的负相关性。说明孔隙越多越大,标贯击数越小;平均形状系数是表示孔隙轮廓的参数,平均形状系数越大, 孔隙的轮廓越圆润,土越密实[17]。概率熵是表示孔隙排列混乱程度的参数[17-18],概率熵越大,孔隙排列越混乱,土越疏松[19];孔隙分形维数是判断孔隙形状复杂程度的参数[19]。孔隙分形维数越大,土颗粒越难聚成团粒,孔隙越聚集。图3还显示,平均形状系数与标贯击数成正比关系,概率熵和分形维数与标贯击数成反比关系,线性相关性均良好。说明孔隙越多越大、轮廓越不规则、排列越混乱、形状越复杂,即孔隙越发育,标贯击数越小。

3 讨论

以上为单参数分析,但黄土的力学性质是多个物理参数综合作用的结果,需要对多个物理参数进行耦合分析。标准贯入试验是获得地基承载力的常用方法,同时根据含水率、孔隙比、液限应用规范表格法也可获得地基承载力[20]。因此设想标贯击数与上述物理参数也具有良好的相关性,对其进行多元拟合分析,结果如图4(a),拟合结果表明标贯击数与液限、孔隙比、含水率有明显的相关性;含水率和孔隙比是黄土的重要物理参数,由图4(b)发现,孔隙比、含水率和标贯击数呈现较强的相关性,说明可以用标贯击数表示黄土的力学性质;由图4(c)发现,孔隙比、含水率和湿陷系数有很好的相关性,可以用含水率和孔隙比预测湿陷系数。而且标贯击数与孔隙比、含水率明显具有相关性,也表明湿陷系数与标贯击数相关性良好。但湿陷系数的拟合结果与其他参数的相比,R2仅为0.809 5。分析认为,黄土的湿陷性受孔隙比、含水率和液限共同影响[21],其中含水率与湿陷系数成反比关系。含水率与标贯击数也成反比关系,说明含水率对湿陷系数和标贯击数的影响相同。但是标贯击数与湿陷系数成反比关系,因此二者的拟合结果R2仅为0.809 5。

图4 多元参数的相关性Fig.4 Correlation of multivariate parameters

土的含水率、液限、湿陷系数、干密度与孔隙比关系密切[22-23],当孔隙比降低,则含水率和湿陷系数降低,液限和干密度升高。土的力学指标与孔隙的发育程度有关[24-25],孔隙越发育,土的结构强度越低,这时结构的宏观力学性质显示为压缩系数变大,黏聚力和内摩擦角变小。通过对土的微观结构分析发现,标贯击数与孔隙的特征相关,孔隙越多越大、点接触和架空孔隙越多、胶结程度越弱、形态越复杂、排列越混乱,即孔隙越发育,导致标贯击数越小,从而验证了标贯击数与上述参数较好的相关性。

综上所述,得出的关系式可以用来预测西安市黄土的物理力学参数。土的物理力学参数对工程建设有重要作用,通过土工试验确定土的物理力学参数,不仅费时费力,而且误差偏大。但标贯试验是原位试验,仪器组装和操作简单、成本低、适用性广,不仅能快速预测土的物理力学参数,还可获取土样并划分地层,提高了勘察效率,节约了成本。本文提出的经验公式补充了西安市用标贯击数预测黄土物理力学参数的方法,为西安黄土塬区岩土工程勘察提供参考。

4 结论

对西安长安黄土塬区地基土进行了土工试验和标贯试验,将数据进行一元和多元拟合分析,获得了多个物理力学参数与标贯击数的关系;利用扫描电镜及PCAS图像处理方法对上述关系进行了微观讨论,得到以下结论。

(1)西安黄土塬地基土的标贯击数与干密度、液限、黏聚力、内摩擦角成正比,与含水率、孔隙比、压缩系数成反比,线性相关性均很好;标贯击数与湿陷系数成反比,线性相关性良好,可以用标贯击数预测地基土的上述参数。

(2)通过对黄土的微观结构进行定性定量分析,发现标贯击数与孔隙发育程度有明显的相关性,进一步验证了经验公式的合理性。

(3)通过对标贯击数与多个物理力学参数的多元相关性分析,发现标贯击数与液限、孔隙比和含水率有很好的相关性,也验证了一元经验公式的合理性。