蘇 彥

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院)

1 引言

巖土參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析與取值是巖土工程勘察內(nèi)業(yè)工作的重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，是對(duì)原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，提供設(shè)計(jì)和施工所需要的參數(shù)，其是巖土工程勘察分析評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。在一般工程的勘察中，抗剪強(qiáng)度和液性指數(shù)是最重要的巖土參數(shù)之一。但由于取樣的擾動(dòng)、試驗(yàn)條件的不同以及土層的不均勻等，會(huì)導(dǎo)致其按照規(guī)范規(guī)定的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，計(jì)算得到的變異系數(shù)較大，會(huì)讓別人產(chǎn)生分層不合理、土層不均勻等錯(cuò)覺(jué)。

2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)

巖土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是十分重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，廣泛地應(yīng)用于邊坡和地基的穩(wěn)定計(jì)算、土壓力計(jì)算和地基承載力計(jì)算?？辜魪?qiáng)度指標(biāo)的取值對(duì)工程的安全與經(jīng)濟(jì)起控制性的作用，歷來(lái)受到巖土工程界的重視，各種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析作了許多規(guī)定，提出了各種不完全相同的方法。

抗剪強(qiáng)度指標(biāo)包括黏聚力c和內(nèi)摩擦角，是摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度包絡(luò)線的兩個(gè)參數(shù)，由同一試驗(yàn)求得。如對(duì)n組土樣，每組切取4個(gè)試樣，每個(gè)試樣在不同的周圍壓力σ(三軸試驗(yàn))或不同的豎直壓力p(直剪試驗(yàn))下剪切至破壞，得到相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度τ。

在一般進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，是對(duì)每組4個(gè)試樣的抗剪強(qiáng)度值用作圖法或統(tǒng)計(jì)的方法求得每組的黏聚力c和內(nèi)摩擦角，然后分別對(duì)n個(gè)黏聚力c和n個(gè)內(nèi)摩擦角數(shù)據(jù)計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

采用上述計(jì)算方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，黏聚力c的變異系數(shù)一般會(huì)比內(nèi)摩擦角的變異系數(shù)大很多，但是根據(jù)天津市地方標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，黏聚力c的變異系數(shù)應(yīng)小于0.3，內(nèi)摩擦角的變異系數(shù)應(yīng)小于0.2，但在實(shí)際統(tǒng)計(jì)中，特別是在粉質(zhì)黏土或混砂粉質(zhì)黏土層中，由于土樣局部粉?；蛏傲５拇嬖?，經(jīng)常出現(xiàn)的情況是，黏聚力c和內(nèi)摩擦角這兩個(gè)指標(biāo)中有一個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)能夠滿足天津地方規(guī)范的要求，但另一個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)會(huì)超出很多，由于黏聚力c和內(nèi)摩擦角為同一試驗(yàn)所得，故需要對(duì)同一組的兩個(gè)數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行剔除，通常需要剔除大量的數(shù)據(jù)才能同時(shí)使兩個(gè)指標(biāo)同時(shí)能滿足要求，很多不屬于異常范圍的數(shù)據(jù)也會(huì)被剔除掉，同時(shí)導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)子樣大量減少，這樣統(tǒng)計(jì)得到的標(biāo)準(zhǔn)值無(wú)疑已經(jīng)缺少了大量的統(tǒng)計(jì)子樣保證，同時(shí)對(duì)于所做的大量剪力試驗(yàn)也是一種無(wú)形中的浪費(fèi)。

在抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)中，實(shí)測(cè)的誤差反映在畫強(qiáng)度包絡(luò)線時(shí)，有些點(diǎn)偏離太大，可能是因?yàn)樵囼?yàn)密度有差異，或剪切面上夾砂，就應(yīng)剔除這些試驗(yàn)點(diǎn)，一旦給出了c和的數(shù)值，在分別統(tǒng)計(jì)c和時(shí)發(fā)現(xiàn)某些指標(biāo)的離散性比較大，這時(shí)再剔除指標(biāo)就不應(yīng)該了，同時(shí)，客觀上c和的變異性本來(lái)就是不一樣的，黏聚力c的變異性遠(yuǎn)大于內(nèi)摩擦角，此時(shí)更不能再采用上述的數(shù)據(jù)處理原則來(lái)剔除統(tǒng)計(jì)結(jié)果的數(shù)據(jù)。

鑒于此筆者推薦另一種計(jì)算方法，此種計(jì)算方法是先將相同應(yīng)力條件下的抗剪強(qiáng)度值τ求平均值和標(biāo)準(zhǔn)值。

然后再用作圖法分別畫出其平均值和標(biāo)準(zhǔn)值的的摩爾-庫(kù)倫包絡(luò)線，求得黏聚力c和內(nèi)摩擦角的平均值和標(biāo)準(zhǔn)值。

由于相同應(yīng)力條件下的抗剪強(qiáng)度值τ為試驗(yàn)所得直接指標(biāo)，而黏聚力c和內(nèi)摩擦角為通過(guò)計(jì)算所得間接指標(biāo)，通過(guò)對(duì)直接指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)無(wú)疑比對(duì)間接指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)更合理，并經(jīng)過(guò)多個(gè)場(chǎng)地試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，采用后者的統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其異常數(shù)據(jù)數(shù)量明顯小于前者，這無(wú)疑給統(tǒng)計(jì)指標(biāo)提供了足夠的字樣保證。

3 液性指數(shù)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)

在土樣常規(guī)物理性指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)時(shí)，經(jīng)常遇到的情況是，大多數(shù)物理性指標(biāo)的變異系數(shù)均較小，但液性指數(shù)指標(biāo)的變異系數(shù)卻較大，但是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)編錄的反映，其土層是均勻的，并且其原始參數(shù)準(zhǔn)確可靠，且樣本數(shù)均滿足統(tǒng)計(jì)要求。仔細(xì)分析其原因，發(fā)現(xiàn)僅僅是由于其液性指數(shù)的平均值較小而產(chǎn)生很高的變異系數(shù)，為解決此問(wèn)題，我們先分析變異系數(shù)的特性，見(jiàn)表1所示。

在表1中A列為流塑狀黏性土的土的液性指數(shù);B列為可塑狀黏性土的液性指數(shù);C列為硬塑～堅(jiān)硬狀態(tài)的黏性土的液性指數(shù)。對(duì)于這三組數(shù)據(jù)，其數(shù)值變化區(qū)間都是0.5，但流塑狀黏性土的平均值最大，變異系數(shù)最小，硬塑～堅(jiān)硬狀態(tài)的黏性土的平均值最小，變異系數(shù)最大，且修正系數(shù)自然也出現(xiàn)大的變化。如果按照我們常規(guī)的統(tǒng)計(jì)方法，以變異系數(shù)的大小來(lái)判別土層的不均勻性，那么硬塑～堅(jiān)硬狀態(tài)的黏性土是不均勻的，把其劃分為一層是不合理的，但事實(shí)情況是硬塑～堅(jiān)硬狀態(tài)的黏性土是非常均勻的。

表1 土層物理性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

仔細(xì)分析以上的試驗(yàn)，便發(fā)現(xiàn)問(wèn)題在于變異系數(shù)的特性上，根據(jù)規(guī)范規(guī)定的公式，變異系數(shù)，如果平均值越小或?yàn)樨?fù)值時(shí)，則越大或?yàn)樨?fù)值，反之，當(dāng)平均值越大，則其越小。這樣就很容易出現(xiàn)，即使是非常均勻的一層土，只是由于其參數(shù)的分布區(qū)間在0的附近，會(huì)導(dǎo)致其變異系數(shù)非常大。

因此常規(guī)的統(tǒng)計(jì)方法對(duì)硬塑～堅(jiān)硬狀態(tài)的黏性土液性指數(shù)的統(tǒng)計(jì)是不適用的，應(yīng)該采用二次統(tǒng)計(jì)方法。見(jiàn)表1中所示，土層液限、塑限、含水量、塑性指數(shù)的變異系數(shù)都很小，而由以上指標(biāo)計(jì)算的液性指數(shù)的變異系數(shù)卻很大，這顯然是不合理的，應(yīng)該先對(duì)直接指標(biāo)統(tǒng)計(jì)后取標(biāo)準(zhǔn)值，然后在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值通過(guò)公式，計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)值，如表1中計(jì)算所示的標(biāo)準(zhǔn)值為0.08，比采用常規(guī)方法的標(biāo)準(zhǔn)值0.05要大，其在工程中應(yīng)用時(shí)是偏安全的。

4 結(jié)語(yǔ)

我們?cè)诠こ炭辈熘忻鎸?duì)的巖土體是本身就是很不均勻的天然材料，而取樣方法、試驗(yàn)方法及其他外界因素的影響，導(dǎo)致了土工試驗(yàn)的結(jié)果往往會(huì)比較離散，如何處理和運(yùn)用數(shù)據(jù)就非常重要。我們不能怨天尤人，既然我們所面臨的天然材料，比人工材料復(fù)雜的多，那么我們就應(yīng)該采取積極的態(tài)度，學(xué)習(xí)和掌握隨機(jī)數(shù)學(xué)的基本概念和實(shí)用的數(shù)據(jù)處理方法去處理巖土工程的數(shù)據(jù)，從中總結(jié)規(guī)律性的認(rèn)識(shí)以指導(dǎo)工程實(shí)踐。

[1]巖土工程勘察規(guī)范(GB 50021-2001)[S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

[2]工程地質(zhì)手冊(cè)(第四版)[M］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.