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        土體物理力學(xué)性質(zhì)相關(guān)性分析
        ——以云南省德宏州遮放盆地土體為例

        2018-10-11 02:27:52繆宇何茂源
        關(guān)鍵詞:塑限液限盆地

        繆宇,何茂源

        (武警黃金第十支隊(duì),昆明 650001)

        土體不是一般土層的組合體,而是與工程建筑的穩(wěn)定性、變形程度有關(guān)的土層組合體。土體是由厚薄不等、性質(zhì)各異的若干土層,以特定的層序組合。土體的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)工程穩(wěn)定性、區(qū)域地質(zhì)評(píng)價(jià)起到重要的作用。2017年以來(lái),武警黃金第十支隊(duì)在遮放盆地地區(qū)開展了1∶50 000土體剖面調(diào)查和區(qū)域土體點(diǎn)調(diào)查,取得了重要的成果。本文以德宏州遮放盆地土體為例,結(jié)合土體的物理性質(zhì)及其承載力的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析,運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)學(xué)和相關(guān)性分析,總結(jié)出一套土體各物理性質(zhì)及其力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性研究,期望對(duì)土體研究調(diào)查起到淺顯的實(shí)際指導(dǎo)意義。

        1 研究區(qū)概況

        德宏州遮放鎮(zhèn)位于遮放盆地北西方向,行政劃分隸屬于德宏州芒市,區(qū)內(nèi)路網(wǎng)密集,測(cè)區(qū)陸路交通較為便利。杭瑞高速(G56)和國(guó)道(G320)呈北東向縱貫測(cè)區(qū),與省會(huì)昆明及周邊地區(qū)相通;省道(S320)從芒海鎮(zhèn)經(jīng)遮放鎮(zhèn)、勐約鄉(xiāng)至隴川縣城[1]。遮放盆地位于龍陵-瑞麗斷裂帶上[2],區(qū)內(nèi)水系發(fā)育,芒市河貫穿全區(qū),南西方向龍江穿流而過(guò)。區(qū)內(nèi)主要出露有第四系沖擊層(圖1),分布于遮放盆地中央,長(zhǎng)軸方向與芒市河走向一致,北東-南西向展布,面積約70 km2。土體類型以粒度較細(xì)的粉質(zhì)黏土、粉土及細(xì)砂土為主;新近系芒棒組主要位于巖體與第四系土體中間過(guò)渡部位,地形上分布于遮放盆地外圍,面積58 km2,土體類型以粒度較粗的粗砂土及碎(卵)石為主[3-4](圖2)。

        圖1 遮放盆地巖土體分布圖

        遮放盆地土體主要位于盆地河谷區(qū)[5],土體類型主要為碎(卵)石(圖3-a)、中粗砂(圖3-b)、細(xì)砂(圖3-c)、粉土(圖3-d)、粉質(zhì)黏土(圖3-e)、黏土等。土體厚度普遍大于5 m,分布面積12 km2。粉質(zhì)黏土分布最為廣泛,主要分布于第四系沖擊層中,總面積約60 km2,占盆地河谷區(qū)總面積的46.9%,其平面分布特征是主要沿地形平緩的盆地河谷中心區(qū)域分布(見圖2);分布次廣的是碎石土,總面積60.99 km2,占盆地河谷區(qū)總面積的40.37%,其平面分布特征是主要沿地形稍緩的盆地邊緣分布;粉土分布面積較小,主要沿地形稍陡的遮放盆地南側(cè)山坡腳分布;黏土主要沿盆山結(jié)合帶巖溶溝槽分布;細(xì)砂主要沿龍江河和芒市河兩岸淺表層及河心灘分布;中砂、粗砂主要淺埋于細(xì)砂之下;卵石主要沿龍江河底分布;淤泥主要沿常年積水的池塘零星分布。

        圖2 遮放盆地土體類型分布圖

        2 土工樣品采集分析及承載力試驗(yàn)方法

        利用便攜式地基承載力檢測(cè)-存儲(chǔ)-采集儀對(duì)土體承載力進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試位置與原狀土樣采坑位置一致,采用五點(diǎn)平均法計(jì)算該土體承載力等相關(guān)力學(xué)參數(shù)[6](圖4-a)。

        研究區(qū)土工樣品的采集主要采取環(huán)刀法對(duì)原狀土樣進(jìn)行采集[7],不銹鋼環(huán)刀尺寸(內(nèi)徑61.8 mm、高20 mm/40 mm),在200 m2土體范圍內(nèi)均勻挖掘6個(gè)深約30 cm的采坑(圖4-b),區(qū)域內(nèi)各采集一個(gè)環(huán)刀樣,對(duì)土體密度、比重、孔隙比、飽和度、液限和塑限、液限和塑限指數(shù)、壓縮系數(shù)和壓縮模量、垂直滲透系數(shù)等進(jìn)行分析測(cè)試;并用樣袋分別裝取2 kg擾動(dòng)土樣,對(duì)土體顆粒百分比及含水率進(jìn)行測(cè)試[8-9],周期不超過(guò)10 d。分析測(cè)試單位:國(guó)土資源部昆明礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心。土體物理性質(zhì)分析測(cè)試結(jié)果見表1。

        3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

        3.1 二元統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

        遮放盆地土體承載力見表1,盆地內(nèi)粉質(zhì)黏土類分布最廣,因此在承載力試驗(yàn)個(gè)數(shù)中也較多,力試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用五點(diǎn)平均法進(jìn)行計(jì)算,并分別計(jì)算各類型土體平均承載力,進(jìn)行二元統(tǒng)計(jì)得出二元線性關(guān)系圖解(圖5)。根據(jù)線性關(guān)系圖解可以看出承載力隨著土體顆粒度、骨架顆粒含量、孔隙度的增長(zhǎng)而降低,呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系;隨著粘粒含量的增加而增大,呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。因此土體的顆粒度大小、骨架顆粒含量、孔隙度、粘粒含量等是制約承載力大小的關(guān)鍵因素。但具體各土體物理參數(shù)間的相關(guān)性及其與承載力的關(guān)系而需進(jìn)一步進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)學(xué)的分析。

        承載

        (a)碎(卵)石;(b)中粗砂土(含貝殼類包含物);(c)細(xì)砂土;(d)粉土;(e)粉質(zhì)黏土;(f)粉土與粉質(zhì)黏土垂直互層圖3 遮放盆地各類型土體宏觀照片

        圖4 土體承載力試驗(yàn)及環(huán)刀法采原狀土樣照片

        承載力/kPa粉質(zhì)黏土粉土淤泥細(xì)砂土中粗砂土1455.4298.8249.313177.12445.7219.1269.8117.686.13450.1423.4108.34403.2449.870.95414.9456.880.16269.8372.7113.97368.7219.872.28438.6219.29442.0161.110414.911284.312332.213275.914287.015325.016217.617287.4平均承載力/kPa359.57313.41259.5599.1481.60

        圖5 遮放盆地各類型土體承載力線性關(guān)系圖

        3.2 多元統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

        3.2.1 相關(guān)性分析

        對(duì)遮放盆地土體承載力特征及其各物理參數(shù)(表2)進(jìn)行處理,并分析其相關(guān)性,從相關(guān)系數(shù)(表3)可以看出[10],土體力學(xué)性質(zhì)方面:承載力Fa與塑性指數(shù)Ip呈明顯的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)達(dá)0.614;其次為比重Gs,相關(guān)系數(shù)為0.215,表現(xiàn)為弱相關(guān)性。與液限指數(shù)IL及垂直滲透系數(shù)Kv呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為-0.742、-0.674。

        土體各物理性質(zhì)方面:首先孔隙度e0與含水率W具有明顯的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.647;同時(shí)含水率對(duì)土體液限WL、塑限Wp具明顯的決定性,相關(guān)系數(shù)分別為0.723、0.904。密度ρ與干密度ρd二者具明顯的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.88,但二者受孔隙度e0的制約,與孔隙度e0、ei呈明顯的負(fù)相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)分別為-0.86、-0.96;同時(shí)密度ρ與干密度ρd與液限WL、塑限Wp呈明顯的負(fù)相關(guān),即密度越大,液限和塑限值越小;與飽和度Sr呈明顯的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.74??紫抖萫0是制約液限WL、塑限Wp的關(guān)鍵,孔隙度e0越大,則二者值越大,呈明顯的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)分別為0.73、0.74;同時(shí)液限WL與塑限Wp之間也表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.92。但液限指數(shù)IL與塑性指數(shù)IP呈明顯的負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.93,液限指數(shù)IL與垂直滲透系數(shù)Kv呈明顯的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.98。壓縮模量Es1-2與壓縮系數(shù)a1-2呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為-0.84。

        3.2.2 R型聚類分析

        對(duì)遮放土體各物理力學(xué)參數(shù)利用SPSS軟件進(jìn)行分析處理,并利用Pearson距離公式對(duì)各參數(shù)進(jìn)行R型聚類分析[11],并繪制分析結(jié)果(圖6):根據(jù)各物理力學(xué)參數(shù)R型聚類樹狀圖可以看出,當(dāng)距離系數(shù)小于5時(shí),孔隙比e0與ei可歸為一類;液限WL、塑限Wp可歸為一類;密度ρ與干密度ρd可歸為一類;液限指數(shù)IL與垂直滲透系數(shù)Kv可歸為一類;上述為一類;上述物理力學(xué)參數(shù)具有較小的距離系數(shù),表現(xiàn)為較明顯的正相關(guān)關(guān)系;當(dāng)距離取10時(shí),承載力Fa、塑性指數(shù)IP與比重Gs可歸為一類;孔隙比e0與ei、液限WL和塑限Wp、含水率W、壓縮系數(shù)a1-2可歸為二者皆有著極小的距離系數(shù),表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性。當(dāng)距離取10時(shí),孔隙比e0與ei、液限WL和塑限Wp、含水率W可歸為一類;承載力Fa、塑性指數(shù)IP可歸為一類;液限指數(shù)IL、垂直滲透系數(shù)Kv和飽和度Sr可歸為一類;密度ρ與干密度ρd可、液限指數(shù)IL與垂直滲透系數(shù)Kv、飽和度Sr可歸為一類;上述物理力學(xué)參數(shù)具有較中等的距離系數(shù),一定程度上表現(xiàn)為中等程度的正相關(guān)性。

        綜合以上取各距離系數(shù)進(jìn)行歸類的結(jié)果,取距離系數(shù)為20,將各土體物理力學(xué)參數(shù)分為兩類:第一類為與承載力Fa呈不同程度正相關(guān)關(guān)系的孔隙比e0與ei、液限WL和塑限Wp、含水率W、壓縮系數(shù)a1-2、塑性指數(shù)IP與比重Gs歸為第一類;第二類為與承載力Fa呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的密度ρ、干密度ρd、液限指數(shù)IL與垂直滲透系數(shù)Kv、飽和度Sr歸為第二類。

        表2 遮放盆地土體各物理力學(xué)參數(shù)分析結(jié)果表

        表3 遮放盆地土體各物理力學(xué)參數(shù)相關(guān)系數(shù)表

        注:Fa:承載力;W:含水率;ρ:密度;ρd:干密度;Gs:比重;e0:孔隙比;Sr:飽和度;WL:液限;Wp:塑限;Ip:塑性指數(shù);IL:液性指數(shù);ei:200 kPa壓力下孔隙比;a2-3:壓縮系數(shù);Es2-3:壓縮模量;Kv:垂直滲透系數(shù)

        圖6 遮放盆地土體各物理力學(xué)參數(shù)R型聚類圖

        3.3 因子分析

        對(duì)遮放盆地土體各物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行因子分析[12],通過(guò)kaiser標(biāo)準(zhǔn)化正交旋轉(zhuǎn)法構(gòu)成得分,提取出兩個(gè)具代表性的因子F1、F2(表4)。其中F1因子代表了與承載力Fa呈正相關(guān)或中等相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)組合,F(xiàn)2因子代表了與承載力Fa呈弱相關(guān)或負(fù)相關(guān)關(guān)系的物理力學(xué)參數(shù)。其中F1因子中得分較高的參數(shù)有含水率W、塑性指數(shù)Ip、孔隙比e0和ei、壓縮系數(shù)a2-3,得分皆大于0.5;得分為負(fù)的有密度ρ、干密度ρd、液性指數(shù)IL、壓縮模量Es2-3、垂直滲透系數(shù)Kv。F2因子中得分較高的參數(shù)有含水率W、飽和度Sr、液限指數(shù)IL、垂直滲透系數(shù)Kv,得分皆大于0.5;得分為負(fù)的有承載力Fa、干密度ρd、比重GS、塑性指數(shù)Ip、壓縮模量Es2-3。對(duì)比相關(guān)性分析與R型聚類分析結(jié)果,因子分析結(jié)果基本與上述二者一致,分析結(jié)果具有可靠性和代表性,并且與相關(guān)性分析與R性聚類分析相互印證。

        4 結(jié)論

        根據(jù)對(duì)遮放盆地各類型土體的野外實(shí)地調(diào)查,并對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)的測(cè)試,運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對(duì)各物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:

        表4 標(biāo)準(zhǔn)化正交旋轉(zhuǎn)因子得分表

        (1) 遮放盆地內(nèi)土體以第四系沖擊層及新近系芒棒組土層組成,受芒市河和龍江兩條水系控制,整體走向呈北東-南西向,土體主要位于盆地河谷區(qū),土體類型以粉質(zhì)黏土為主,碎石土次之,粉土及砂土類分布較小。

        (2) 各物理力學(xué)參考隨著土體顆粒度、骨架顆粒含量、孔隙度的增長(zhǎng)而降低,呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系;隨著粘粒含量的增加而增大,呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。

        (3) 基本確定了承載力Fa與塑性指數(shù)IP關(guān)系最為密切,與比重Gs次之;并根據(jù)與承載力的相關(guān)性將各物理力學(xué)參數(shù)分為與承載力呈正相關(guān)性的一類:孔隙比e0與ei、液限WL和塑限Wp、含水率W、壓縮系數(shù)a1-2;與承載力呈負(fù)相關(guān)性的一類:密度ρ、干密度ρd、液限指數(shù)IL與垂直滲透Kv、飽和度Sr。為以后野外的工作提供了實(shí)際的理論參考依據(jù)。

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