福建厦门地区花岗岩残积土物理力学参数统计分析.pdf

第 25 卷 第 6 期 2011 年12 月 资源环境与工程 Resources Environment Engineering Vol 25 No 6 Dec 2011 收稿日期 2011 05 06 改回日期 2011 06 15 作者简介 王载丰 1964 男 工程师 地球物理勘探专业 从事地球物理勘探 工程地质勘察和岩土工程勘察工作 E mail wangzaifeng1964 163 com 福建厦门地区花岗岩残积土物理力学参数统计分析 王载丰 1 王翔宇2 1 湖北省神龙地质工程勘察院 湖北 武汉430056 2 长江大学 工程技术学院 湖北 荆州434020 摘要 福建厦门地区广泛分布燕山期花岗岩 因长期的风化作用形成了一定厚度的花岗岩风化壳 近地 表的残积土具有一定强度 是该区一般建筑物地基较好的天然地基持力层 探讨该区花岗岩残积土的物理 力学性质的特征 对于工程建设具有现实意义 利用沈海高速公路 厦门段 工程地质勘察积累的岩土测 试资料 根据统计分析原则 对厦门市同安区花岗岩残积土有关物理力学参数进行统计分析 对数据的可 信度作出评估 为日后的工程建设提供帮助 在总结分析试验资料的基础上 给出了该区花岗岩物理力学 指标的统计值 变化范围及可信区间 关键词 统计分析 物理力学参数 持力层 土工特性 中图分类号 P584文献标识码 B 文章编号 1671 1211 2011 06 0633 05 0引言 所谓花岗岩残积土 是指新鲜花岗岩岩层在物理 风化作用和化学风化作用下形成的物质 其结构 成分 和性质已产生不同程度的变异 当风化程度较强时 形 成土状物 且没有受到搬运营力的水平及垂直搬运 并 保持其原岩所在位置 福建省厦门市地处中国东南沿海一带 为中国沿 海经济发达地区之一 改革开放以来 经济迅猛发展 大量的公路 桥梁 住宅及工业厂房在此建设 工程项 目较多 该区花岗岩出露广泛 通过沈海高速公路 厦门段 勘察获取的地基土的物理力学参数 以花岗 岩残积土为对象 利用数理统计和方法 对其中的主要 试验参数加以统计分析评价 1地质环境概况 本区地质构造在大地构造上处于新华夏系第二隆 起带东缘 断裂带由多条走向大致平行的混合岩化带 压扭性断裂带 片理化带 裂隙带和后期入侵胶结的岩 脉组成 呈 NNE NE 走向 伴生 NW 及近 EW 的 2 组 次级构造 沿线出露的断裂构造 多数为硅化带或硅 化碎裂 破碎 岩带 中小规模 构造岩一般为硬质岩 区域内的北东向长乐 南澳深断裂带为主要控制 性构造 在路线区主要表现为长乐 晋江 港尾断裂 带 沿线多有第四系掩盖 其分布断续 分散 一般延续 性差 仅数公里至十余公里 其宽度 8 14 km 性质多 为倾向 SE 的逆冲断层 路线所经地段 由于岩层风化 剧烈 覆盖层厚度大 岩石出露少 故构造形迹不明显 但从沿线所见的侵入岩体岩脉 与北东向断裂有关的 片理 节理均呈北东向展布 花岗岩分布区球状风化十 分明显 此外 沿线出露的中生代地层 由于遭受强烈 的燕山期区域动力变质作用 形成混合岩 含混合花岗 岩 而片理走向和混合岩化带走向亦呈北东向展布 近场区新构造运动时期以区域性断块差异升降运 动和继承性断裂运动为基本特征 第三系表现为整体 隆起 遭受剥蚀 夷平 仅东南部沿海地带出现小规模 的玄武岩喷溢 第四系早期构造运动出现重新活跃的 态势 主要由北北东 北东向和北西向断裂控制的断 块差异隆升作用有所加强 形成侵蚀低山 丘陵 残丘 红土台地 堆积平原与盆地的地貌景观 晚更新世以 来 继承性断裂活动逐渐减弱 1 本区地貌单元以剥蚀丘陵 残积台地和海积平原 为主 地形平坦 覆盖层较厚 构造形迹不明显 线路范 围内未发现对线路有影响的构造 2土体的基本构成 测区位于闽东南沿海 地层较简单 从新到老地 层主要有 第四系全新统长乐组海陆交互相沉积层 Q4c mc 东山组冲洪积层 Q 4d al pl 上更新统龙海组 冲洪积层 Q3l al pl 坡残积层 Qel dl 局部地表见零 DOI 10 16536 ki issn 1671 1211 2011 06 012 星分布的人工填土 Q4 ml 基岩主要为燕山早期的花 岗岩 r5 2 基岩均为硬质岩 2 有利于工程建设 根据沿线岩土的地质年代 成因类型 工程地质性 质 将地基土划分为若干个工程地质层组 其土层的工 程地质层组及特征描述见表 1 岩土的物理力学参数 详见表 2 表 1厦门地区综合地层表 Table 1Synthetical stratum of Xiamen 地质时代 界系 地层单位 组代号 岩 性 描 述 新 生 界 燕山 早期 第 四 系 全新世 更新世 岩浆岩 Qme Q4cmc Q4dal pl Q3lal pl Qel dl r52 人工堆积填筑物 建筑 公路开挖的松散块碎石弃渣 耕植土等 冲海积层 细砂 砾石 卵石土 粘土 粉质粘土等 洪冲积层 砾石 卵石及碎石土 粉质粘土 粘土 洪冲积层 砾石 卵石 块石土及碎石土 粉质粘土 粘土 残坡积层 棕黄色 棕红色亚粘土夹碎石 块石 成分不均一 残积土 灰黄色 棕红 灰白色 保持了原岩的结构 斜长石碱性长石均已风化成 高岭土 石英颗粒基本保持原岩中的形态 含白云母碎片 岩石已风化呈砂质 粘性土状 矿物大部分已风化 岩芯手捏易碎 遇水易软化 灰白色花岗岩 主要矿物成分为石英 长石 云母等 具花岗结构 块状构造 风 化层较厚 花岗岩残积土钻孔岩芯照片见照片 1 照片 2 照片 1钻孔中取出的花岗岩残积土岩芯 照片 2钻孔中取出的花岗岩及残积土岩芯 Photo 1Granite residual soil core from drillingPhoto 2Granite and residual soil core from drilling 3土层主要物理力学参数统计分析 岩土物理力学性质指标的测试数据是一个随机变 量 随机变量一般都可以认为服从正态分布 大多数 定律告诉我们 一些样本数值特征如平均数 方差 偏 倚 变异 系数等 随着样本容量的增大而在概率上任 意接近相应的总体特征 但以样本数值特征作为相应 总体特征的估计值都不免有所偏误 岩土参数估计也 不例外 除给出平均值外 也就是总体特征的点估 计 还必须给出这个值的可信度 即区间估计 因为 任何一种估计 如果不附以某种误差说明 是没有多大 意义的 在实际工程中利用规范给出统计参数系数解 决区间估计问题 本文即遵循上述原则统计分析土层试验数据的分 布特征 在统计分析之前核对原始数据 并剔除粗差 数据 剔除的准则利用 3 倍的标准差判别法 小概率平 行判别法和端值判别法 大多采用 3 倍标准差判别法 和端值判别法 4主要持力层岩土特征及岩土试验参 数统计分析 花岗岩残积土是本区的主要土层 分布于厦门市 同安区垄岗地带 厚约 15 40 m 灰黄色 棕红 灰白 色 保持了原岩的结构 斜长石碱性长石均已风化成高 岭土 石英颗粒基本保持原岩中的形态 含白云母碎 片 岩石已风化呈砂质粘性土状 矿物大部分已风化 岩芯手捏易碎 遇水易软化 易钻进 本次勘察的岩土 物理力学性质指标值 主要是通过钻孔采取的岩土样 436 资源环境与工程2011 年 作室内试验确定 对非粘性土则通过原位测试了解其 力学性质 结合室内试验成果统计分析确定 路线及 构筑物设计不宜采用统计值 具体构筑物及工点宜参 考所取样品及附近样品的物理力学试验指标 综合岩 体结构特征后最终确定 其主要物理力学性质如表 3 所示 3 表 2砂质粘性土层物理力学性质指标统计表 Table 2Statistic table of physical and mechanical properties of silt sandy clay 名称统计指标 含水量 w 重度 r kN m 3 天 然烘 干 孔隙比 e 液限 WL 塑限 WP 塑性 指数 IL 液性 指数 IP 压缩系 数 a1 2 MPa 1 压缩模 量 ES MPa 粘聚力 C kPa 内摩 擦角 花岗 岩残 积土 样本数 最大值 最小值 平均值 标准差 变异系数 修正系数 标准值 979797979797969696969696 32 520 116 81 0347 434 215 50 690 498 2042 726 0 18 717 413 20 6331 319 88 80 050 223 9321 812 0 26 618 314 40 8736 823 613 20 360 345 5332 319 9 5 140 540 830 102 562 360 990 160 050 803 152 60 0 190 030 060 110 070 100 080 460 160 140 100 13 0 960 990 990 980 980 980 990 920 970 970 980 97 25 718 214 20 8536 423 213 10 330 335 4031 719 5 表 3岩石物理力学性质指标统计表 Table 3Statistic table of index of physical and mechanical properties of rock 岩石名称统计指标统计数最大值最小值平均值标准差 变异 系数 修正 系数 标准值 中风化 花岗岩 天然密度 g cm 3 饱和密度 g cm 3 饱和抗压强度 MPa 天然抗压强度 MPa 饱和 C MPa 饱和 泊松比 弹性模量 GPa 饱和吸水率 792 642 612 620 010 010 992 62 793 062 612 890 090 030 992 87 79237 079 0135 226 70 200 96129 7 79196 894 4142 922 70 160 96137 2 1223 217 420 32 900 140 9318 8 1268 968 368 60 300 010 9968 5 120 090 080 080 090 010 990 08 1242 335 638 93 350 090 9537 1 790 690 220 410 110 280 940 39 图 1土层含水量分布频态图 Fig 1Distribution frequency of water content in soil layer 从土层含水量分布频态图来看 如图 1 基本符 合正态分布 其众数 中数 平均值相当接近 具有代表 性 所代表的样本约为总体的 66 其统计修正系 数 0 96 其可信区间为 27 0 33 0 数据是 可信的 图 2土层孔隙比分布频态图 Fig 2Distribution frequency of void ratio of soil layer 从土层孔隙比分布频态图来看 如图 2 变化范 围较大 由于花岗岩残积土风化层厚度较大 随着深度 不同 存在风化差异 因此孔隙比值离散性大 基本符 合正态分布 其众数 中数 平均值相当接近 具有代表 性 所代表的样本约为总体的 81 其统计修正系数 0 98 其可信区间为 0 85 1 00 数据是可信的 536 第 6 期王载丰等 福建厦门地区花岗岩残积土物理力学参数统计分析 图 3花岗岩残积土内摩擦角分布频态图 Fig 3Distribution frequency of internal friction angle of granite residual soil 从土层内摩擦角分布频态图来看 如图 3 变化 范围较大 主要是由于原岩中的石英颗粒分布不均匀 造成 基本符合正态分布 其众数 中数 平均值相当接 近 具有代表性 所代表的样本约为总体的 66 5 其 统计修正系数 0 97 其可信区间为 17 0 21 0 数据是可信的 图 4花岗岩残积土塑性指数分布频态图 Fig 4Distribution frequency of plasticity index of granite residual soil 从土层塑性指数分布频态图来看 如图 4 基本 符合正态分布 其众数 中数 平均值相当接近 具有代 表性 所代表的样本约为总体的 91 其统计修正系 数 0 99 其可信区间为 12 0 15 0 数据是可 信的 图 5花岗岩残积土压缩模量分布频态图 Fig 5Distribution frequency of compression modulus of granite residual soil 从土层压缩模量分布频态图来看 如图 5 基本 符合正态分布 其众数 中数 平均值相当接近 具有代 表性 所代表的样本约为总体的 90 其统计修正系 数 0 97 其可信区间为 4 0 7 0 MPa 数据是 可信的 从土层液限分布频态图来看 如图 6 基本符合 正态分布 其众数 中数 平均值相当接近 具有代表 性 所代表的样本约为总体的 77 其统计修正系数 0 98 其可信区间为 35 0 39 0 数据是可 信的 图 6花岗岩残积土液限分布频态图 Fig 6Distribution frequency of liquid limit of granite residual soil 从土层液性指数分布频态图来看 如图 7 变化 范围较大 说明受风化作用影响程度随不同地段而不 同 基本符合正态分布 其众数 中数 平均值相当接 近 具有代表性 所代表的样本约为总体的 58 其统 计修正系数 0 92 其可信区间为 0 3 0 6 数据是 可信的 图 7花岗岩残积土液性指数分布频态图 Fig 7Distribution frequency of liquidity index of granite residual soil 从土层粘聚力分布频态图来看 如图 8 基本符 合正态分布 其众数 中数 平均值相当接近 具有代表 性 所代表的样本约为总体的 70 其统计修正系数 0 98 其可信区间为 33 36 数据是可信的 图 8花岗岩残积土粘聚力分布频态图 Fig 8Distribution frequency of cohesion of granite residual soil 636 资源环境与工程2011 年 在工程建设中 当受客观条件制约致使勘察取 样不足或无试验成果时 初步设计选用参数指标可 按经验进行取值估算 同类型土的天然含水量 w 取 25 7 孔隙比 e 取 0 85 液限 WL取 36 4 塑限 Wp 取 23 2 压塑系数 a1 2取 0 33 MPa 1 压缩模量 E S取 5 4 MPa 粘聚力 C 取 31 7 kPa 内摩擦角 取 19 5 以上数据与规范对比 承载力特征值 fak一般为260 kPa 左右 砾质含量增加时 承载力特征值 fak可适当提高 砾质含量减少时 承载力特征值 fak可适当降低 与规 范较一致 取值较安全 而从现有的规范 手册上看 与残积土物理力学强 度密切相关的物理指标是含水量 w 和孔隙比 e 在实 际工程应用中 当同类型花岗岩残积土位于地表低洼 部位 距水域较近时 如水塘 沟渠 滩头 海边等 其天 然含水量 w 会高于统计值 承载力特征值 fak可适当降 低 反之位于地势较高的垄岗部位或远离水域时 其天 然含水量 w 会低于统计值 承载力特征值 fak可适当 提高 5结论与建议 从福建省厦门市同安区花岗岩残积土层的主要物 理力学参数分布频态图来看 所采取的样本来源于同 一土体 由于受客观因素的影响某些参数分布曲线出 现分散或负偏 但对土层的总体评价影响不大 总体数 值特征具有代表性 因此建议同区域的工业厂房 中 小型桥梁 普通的多层住宅建筑 对于地基基础设计等 级为乙级 丙级的工程 对地基承载力要求不高 当采 用浅基础以花岗岩残积土做基础持力层或下卧层时 表 2 中的物理力学性质指标相关参数具有参考和利用 价值 可结合标准贯入试验等原位测试资料 在工程实 践中可参考利用 为日后的工程建设提供帮助 同时避 免重复取样 试验分析 节省工程成本 参考文献 1 1 50 万福建省区域地质志 R 福州 福建省区域地质调查 队 1983 2 福建省泉州至厦门高速公路改扩建工程地质勘察报告 R 福 州 福建省交通规划设计院 2007 3 沈海高速公路拓建 厦门段 穿越通道工程地质勘察报告 R 武汉 湖北省神龙地质工程勘察院 2008 责任编辑 潘 潇 Statistical Analysis of Physical and Mechanical Parameters of Granite Residual Soil in Xiamen Fujian Province WANG Zaifeng1 WANG Xiangyu2 1 Hubei Shenlong Institute of Geological Engineering Exploration Wuhan Hubei430056 2 College of Technology Engineering Yangtze University Jingzhou Hubei434020 Abstract Fujian Yanshanian granite is widely distributed in Xiamen A certain