珠江三角洲区域软土的物理力学指标研究与分析.pdf

第2 9卷 第6期 V o l . 2 9,N o . 6 2 0 1 5年1 2月M I N E R A LR E S OUR C E SAN DG E O L OG YD e c .,2 0 1 5 珠江三角洲区域软土的物理力学指标研究与分析 周 晖1, 李 勇2 (1.广州城建职业学院, 广东 广州 5 1 0 9 2 5;2.广东有色地质勘查研究院, 广东 广州 5 1 0 0 8 0) 摘 要: 通过对珠江三角洲东、 南、 西北、 中四个区域软土的物理力学指标统计分析后发现: 软土的含水 量、 孔隙比均与天然密度保持良好的乘幂关系, 与压缩系数存在线性关系, 与内摩擦角存在指数关系, 与 液性指数、 粘聚力的相关程度较低。含水量与孔隙比之间线性关系显著, 应用数据回归方程可以便捷估 算本地区软土的一些物理力学特性指标。“ 偏度、 峰度检验法” 可用以指标的正态性检验, 对确定地基基 础的设计分项系数及开展软土工程可靠性分析有重要意义。 关键词: 软土; 物理力学指标; 正态性检验 中图分类号:TU 4 1 1. 9 2 文献标识码: A 文章编号:1 0 0 1-5 6 6 3(2 0 1 5)0 6-0 8 1 8-0 4 0 引言 珠江三角洲地区广泛分布着“ 三高二低” ( 即含水 量高、 压缩性高、 灵敏度高、 强度低、 渗透性低) 的淤 泥、 淤泥质粘土且夹杂混砂层, 广州黄埔、 深圳机场、 番禺、 佛山、 顺德、 中山、 斗门等地围垦筑堤的软土是 国内的最软土 1。软土的区域特性明显, 其形成的物 质、 水文地质和结构性因素等共同决定了其工程性 质, 土性物理力学指标特征是确定地基基础设计分项 系数的主要技术参数, 也是岩土工程开展可靠性研究 的基础 2 - 3。本文在广泛收集和整理珠三角软土性质 资料的基础上, 采集代表区域特性的软土试样测试其 工程特性并进行珠三角软土物理力学指标的相关性 统计与分析, 根据试样采集区域的地质环境、 水文环 境和沉积条件等外部因素分析软土特性的外部成因, 为区域软土工程开展可靠性分析及地基基础设计提 供有益借鉴。 1 典型软土的物理力学指标统计 按珠江三角洲( 图1) 4的东( 主要指东江冲积平 原) 、 南( 主要指西江下游河流的冲积平原) 、 西北( 主 要指三水盆地、 新兴江冲积平原、 流溪河平原) 、 中( 主 要指广州市区、 佛山、 中山以北江门以东) 四个分区收 集到的1 4 7个软土样本资料 5并统计其物理力学性 质指标( 表1) 。从表1得知, 珠三角软土的工程性质 有: ( 1)天然含水量高。含水量均值7 2. 5%, 液限为 图1 现代珠江三角洲区域划分 F i g . 1 D i v i s i o no f t h em o d e r nP e a r lR i v e rD e l t aR e g i o n 1丘陵 2晚期三角洲 3早期三角洲 4浅滩 5距今2 5 0 0年古海岸线 6距今6 0 0 0年古海岸线 7河道 收稿日期:2 0 1 5 - 0 8 - 0 5 作者简介:周晖(1 9 7 9-) 女, 浙江金华人, 副教授, 主要从事岩土工程的教学与研究。E - m a i l: z h o u h u i a n h u i 1 2 6. c o m 引文格式:周晖 , 李勇.珠江三角洲区域软土的物理力学指标研究与分析J.矿产与地质,2 0 1 5,2 9(6) :8 1 8 - 8 2 1. 表1 珠三角地区软土物理力学性质指标统计( 样本数1 4 7) T a b l e1 P h y s i c a lm e c h a n i cp r o p e r t i e so f s o f t s o i l f r o mP e a r lR i v e rD e l t aR e g i o n(1 4 7p i e c e so f s a m p l e s) 物理力学指标分布区间标准差s均值变异系数 w(%)4 1. 91 5 0. 21 6. 57 2. 50. 2 5 (g /c m3) 1. 5 21. 9 10. 1 41. 5 80. 0 9 d(g /c m3) 0. 5 21. 3 60. 1 90. 9 80. 1 8 Gs2. 0 72. 7 10. 1 32. 6 10. 0 4 wL3 7. 59 2. 91 5. 15 9. 80. 2 2 wP2 1. 37 1. 39. 53 6. 80. 2 6 IP1 4. 92 9. 17. 32 1. 00. 3 2 e1. 0 14. 5 20. 6 61. 8 50. 3 6 Sr(%)9 0. 11 0 01. 5 19 8. 70. 0 2 a1 - 2(MP a -1) 0. 5 24. 41. 0 33. 2 50. 2 5 C(k P a -1) 0. 71 9. 07. 09. 20. 6 3 ( )0. 71 4. 14. 2 57. 50. 6 8 kV(1 0-6c m/s)0. 2 02 2. 13. 2 05. 6 70. 5 6 St1. 28. 52. 35. 20. 4 4 qu(k P a -1) 1 0. 42 8. 14. 7 82 0. 00. 2 4 3 7 . 5 % 9 2 . 9 %, 多属于流动状态; (2)天然密度小、 孔 隙比大。天然湿密度均值1 . 5 8 g/c m 3, 天然孔隙比变化 范围在1 . 0 1 4 . 5 2间; ( 3)压缩性高。压缩系数a1 - 2在 0 . 5 2 4 . 4 M P a -1 之间且随含水量、 孔隙比、 液限的增大 而增大; ( 4)抗剪强度低。直剪快剪的内摩擦角均 值7 . 5 , 粘聚力0 . 7 1 9 . 0k P a; ( 5)渗透性小。土的颗 粒成分以细颗粒为主, 吸附结合水膜层厚, 渗透系数小, 垂向渗透系数均值为5 . 6 71 0 -6 c m/s; (6)触变性大。 灵敏度均值5 . 2, 属于中高灵敏土。 2 物理力学指标统计分析 2. 1 相关性分析 土的天然孔隙比和含水量被认为是影响软土压 缩变形性能的主要宏观指标 6, 国内学者对物理力学 指标之间的相互关系大多采用数理统计法进行拟合 研究 7 - 8。本文采用 ( 1)(4) 式的线性和非线性基 本回归模式进行指标间的相关性拟合分析, 以剩余均 方差最小为最佳拟合, 拟合结果见图2、 图3和表2。 Y=a X+b ( 1) Y=a X- b ( 2) Y=ae x p(-b X) ( 3) Y=aL n(X)+b ( 4) 学者们对土体含水量、 天然密度、 内摩擦角、 粘聚 力等参数之间的关系进行了大量的研究 9 - 1 1, 但由于 软土区域特性明显致使其物理力学性质差异显著。 由图2、 图3和表2的统计结果显示, 指标相关系数 值越接近1, 其相关性越好, 可知珠江三角洲软土的 含水量、 孔隙比均与天然密度保持良好的乘幂关系, 与压缩系数存在线性关系, 与内摩擦角存在指数关 系, 与液性指数、 粘聚力的相关程度较低。含水量与 孔隙比之间的线性拟合程度很高, 相关系数超过0 . 9 9, 图2 软土物理力学指标与孔隙比e的关系曲线 F i g . 2 R e l a t i o nc u r v eo fp h y s i c a lm e c h a n i c i n d e xa n dv o i dr a t i o“e”o f s o f t s o i l 918 第2 9卷 第6期 周 晖等: 珠江三角洲区域软土的物理力学指标研究与分析 图3 软土物理力学指标与含水量w的关系曲线 F i g . 3 R e l a t i o nc u r v eo fp h y s i c a lm e c h a n i c i n d e xa n dw a t e rc o n t e n t“w”o f s o f t s o i l 表2 珠三角地区软土的物理力学指标统计关系 T a b l e2 S t a t i s t i c a l r e l a t i o no fp h y s i c a lm e c h a n i c i n d e x e s o f s o f t s o i l f r o mP e a r lR i v e rD e l t aR e g i o n 序号回归方程 R2F 方程类型 1 = 1 . 8 2 0 1e - 0 . 2 3 3 5 0 . 9 6 9 44 5 9 3 . 6 乘幂函数 2IL=1 . 0 0 0 1 L n(e)+ 1 . 1 5 6 30 . 5 1 2 91 5 2 . 7 对数函数 3c= 1 1 . 1 0 6e- 1 . 0 1 6 20 . 3 5 7 48 0 . 6 乘幂函数 4 = 4 3 . 2 5 7 e x p(- 1 . 2 5 6 7e) 0 . 9 0 4 81 3 7 8 . 1 指数函数 5a1 - 2= 1 . 4 6 2 1e- 0 . 9 9 20 . 9 3 5 62 1 0 6 . 6 线性函数 6e= 0 . 0 2 4 9w+ 0 . 1 7 20 . 9 8 8 91 2 9 1 8 . 1 线性函数 7 = 3 . 9 8 6 2w - 0 . 2 0 2 3 0 . 9 8 6 81 0 8 3 9 . 8 乘幂函数 8IL= 0 . 9 1 6 2 L n(w)- 2 . 2 1 9 50 . 5 0 6 91 4 9 . 1 对数函数 9c= 2 4 5 . 8 7w- 0 . 8 7 9 20 . 3 5 3 47 9 . 2 乘幂函数 1 0 = 3 6 . 2 1 3 e x p(- 0 . 0 3w) 0 . 8 9 2 11 1 9 8 . 8 指数函数 1 1a1 - 2= 0 . 0 3 6 2w- 0 . 7 8 6 50 . 9 5 6 83 2 1 1 . 5 线性函数 注: 统计量F为服从F(1,n-2) 的分布,F=R2(n-k-1) / (1 -R2)k ,=0. 0 2,R为相关系数,n为样本容量数,k为变量数 在实际软土工程中可以利用含水量便捷估算其孔隙 比, 该方法在广三高速公路试验段、 广梧高速马安段、 西部沿海高速磨刀门大桥段等软土工程中得以运用。 由此说明, 数据回归方程可用以估算珠江三角洲地区 软土的一些物理力学特性指标。 2. 2 统计规律分析 随机变量正态分布现象广泛存在于客观世界中, 现采用“ 偏度、 峰度检验法” 1 2检验其总体正态性。 由于样品数的限制和采样的随机性使得经验正态分 布曲线与对称且陡缓适中的理论正态分布曲线存在 一定偏差, 可以用反映曲线偏斜程度的偏度指标 1 和反映曲线陡缓程度的峰度指标 2加以描述, 如式 ( 5)和(6)所示 偏度 1=E ( x-E(x) ) 3 ( D(x) ) 3/2 ( 5) 峰度 2=E ( x-E(x) ) 4 ( D(x) ) 2 ( 6) 假设来自总体x的样本为x1,x2, ,xn, 根据其 定义, 则偏度1、 峰度2的矩估计分别为g1和g2, 如 式( 7) 、 (8)所示 样本偏度 g1=B3/B3 /2 2 ( 7) 样本峰度 g2=B4/B2 2 ( 8) 式中,Bk(k=2,3,4) 为样本的K阶中心矩。 当样本数足够大, 则g1和g2分别收敛于1和2, 且服从N( , 2) 的正态分布 1 3。 取显著性水平为= 0. 1, 则|1|z /4=z0. 0 2 5 =1. 9 6,|2|z/ 4=z0. 0 2 5= 1. 9 6, 说明样本总体服 从正态分布; 反之, |1|1. 9 6或|2|1. 9 6, 则 不服从正态分布。 表3所示即为软土物理力学指标正态性检验分 布规律。由表3可知, 珠三角软土的天然( 或干) 密 度、 液( 或塑) 限、 塑性指数等指标符合正态分布; 天然 含水量、 孔隙比、 粘聚力、 灵敏度、 无侧限抗压强度等 指标的检验结果接近1. 9 6, 为近似正态分布; 其他指 标为非正态分布。 028 矿 产 与 地 质 2 0 1 5年 表3 软土物理力学指标的正态性检验规律 T a b l e3 R e g u l a r i t yo fn o r m a l i t yt e s to fp h y s i c a l m e c h a n i c i n d e x e so f s o f t s o i l 物理力学指标 12 正态检验分布形状 w(%)4. 1 6 6 22. 2 3 5 1 近似正态分布 (g /c m3) 0. 7 2 4 80. 9 6 5 正态分布 d(g /c m3) 0. 1 4 7 20. 9 5 7 7 正态分布 Gs1 1. 3 7 2 81 6. 3 1 1 2 非正态分布 wL1. 7 8 0 61. 5 4 0 2 正态分布 wP1. 9 2 7 81. 1 8 1 6 正态分布 IP1. 9 5 9 01. 5 6 7 8 正态分布 e3. 5 6 8 72. 3 6 5 2 近似正态分布 Sr(%)7. 3 0 1 67. 5 1 2 9 非正态分布 a1 - 2(MP a -1) 3. 9 1 2 54. 1 1 2 3 非正态分布 c(k P a -1) 3. 6 1 8 51. 9 8 9 1 近似正态分布 ( )5. 1 9 6 63. 7 6 1 9 非正态分布 kV(1 0-6c m/s)1 4. 3 4 6 01 9. 3 8 2 1 非正态分布 St3. 2 7 1 11. 6 2 5 8 近似正态分布 qu(k P a -1) 3. 9 8 0 71. 7 6 9 3 近似正态分布 3 结论 通过对珠江三角洲东、 南、 西北、 中四个区域软土 的物理力学指标相关性研究后, 得出以下结论: ( 1)珠江三角洲区域软土的含水量、 孔隙比均与 天然密度保持较好的乘幂关系, 与压缩系数有线性关 系, 与内摩擦角存在指数关系, 与液性指数、 粘聚力等 的相关程度较低。通过数据回归方程可以便捷估算 实际软土工程的一些物理力学特性指标。 ( 2)“ 偏度、 峰度检验法” 可用于软土物理力学指 标的正态性检验。由分布规律可知, 天然( 或干) 密 度、 液( 或塑) 限、 塑性指数等参数指标符合正态分布; 天然含水量、 孔隙比、 粘聚力、 灵敏度、 无侧限抗压强 度等指标为近似正态分布; 其他指标为非正态分布。 通过此研究可以确定土的参数取值, 并对确定地基基 础的设计分项系数及开展软土工程的可靠性分析等 有重要意义。 参考文献: 1 陆培炎.陆培炎科技著作及论文选集M.北京: 科学出版社, 2 0 0 6:1 0 2 - 1 2 4. 2 陈晓平,黄国怡,梁志松.珠江三角洲软土特性研究J.岩石力 学与工程学报,2 0 0 3,2 2(1) :1 3 7 - 1 4 1. 3 潘天有,胡宝群.花岗岩风化物物理力学指标的概率统计分析 J.人民长江,2 0 0 4,3 5(1 2) :4 0 - 4 6. 4 黄镇国,李平日,张仲英,等.珠江三角洲形成发育演变M. 广州: 广州科普出版社,1 9 8 2:3 3 - 4 2. 5 周晖.珠江三角洲软土显微结构与渗流固结机理研究D.广 州: 华南理工大学,2 0 1 3. 6 夏银飞,吴代华,文建华.珠江三角洲软土物理力学指标统计分 析J.公路交通科技,2 0 0 8( 1) :5 1 - 5 4. 7 张征, 刘淑春, 鞠硕华.岩土参数空间变异分析原理与最优估计 模型J.岩土工程学报, 1 9 9 6,1 8(4) :4 0 - 4 7. 8 唐兴莉.土体物理力学参数及其关系的试验研究J.重庆交通 学院学报,2 0 0 3,2 2(4) : 6 8 - 7 1. 9 王家强.软土物理力学指标的特性及相关性分析D.南京: 东 南大学,2 0 0 1. 1 0 江宇,孙鼎平,高明.浅谈四川软弱地基物理力学参数相关性 研究J.四川水泥,2 0 1 5( 6) :3 2. 1 1 秦现军,卫国芳,张明.吹填土物理力学参数的多重相关性研 究J.重庆交通学院学报,2 0 1 2,4 3( 1 9) :4 8 - 5 0,7 1. 1 2 田禹.基于偏度和峰度的正态性检验D.上海: 上海交通大 学,2 0 1 2. 1 3 盛骤, 谢式千, 潘承毅.概率论与数理统计: 浙大第4版M.北 京: 高等教育出版社,2 0 1 0. A n a l y s i so np h y s i c a lm e c h a n i c i n d e x e so f s o f t s o i l i nP e a r lR i v e rD e l t aR e g i o n Z HOU H u i 1, L IY o n g 2 ( 1.G u a n g z h o uC i t yC o n s t r u c t i o nC o l l e g e,G u a n g z h o u,G u a n g d o n g5 1 0 9 2 5,C h i n a; 2.G u a n g d o n gN o n f e r r o u sM e t a l sG e o l o g i c a lE x p l o r a t i o nI n s t i t u t i o n,G u a n g z h o u,G u a n g d o n g5 1 0 0 8 0,C h i n a) A b s t r a c t:T h er e s u l t so f s t a t i s t i c a la n a l y s i so nt h ep h y s i c a lm e c h a n i c i n d e x e so fs o f ts o i l i nt h ee a s t,s o u t h, n o r t h w e s t a n dm i d d l ep a r t o fP e a r lR i v e rD e l t aR e g i o ns u g g e s t t h a t:b o t hw a t e r c o n t e n t a n dv o i dr a t i oo f t h e s o f t s o i l a r e i ng o o dp o w e r r e l a t i o nw i t hs o i l n a t u r a l d e n s i t y,a n da r e i n l i n e a r r e l a t i o nw i t hc o e f f i c i e n t o f c o m - p r e s s i b i l i t y,a n da r e i ne x p o n e n t i a l r e l a t i o n s h i pw i t hi n t e r n a l f r i c t i o na n g l e,a n dh a v ep o o rc o r r e l a t i o nw i t h l i