黃虹霖，孫建偉，賈 煦，劉向東，2，3，趙興志

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心，陜西 西安 710100；2.自然資源實物地質(zhì)資料中心，河北 三河 065201；3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)國家地理信息系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430074)

0 引言

由于工程建筑實用性、人居環(huán)境危險性評估時涉及的土體力學(xué)指標(biāo)較多，因此對土的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計和相關(guān)性分析有著重大意義。

國內(nèi)對土的物理與力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計分析和工程地質(zhì)性質(zhì)研究已有許多研究，如：闕金聲等(2007)應(yīng)用最小二乘法對廣州大學(xué)城軟土的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了線性回歸分析[1]；劉勇健等(2011)綜合運用灰色關(guān)聯(lián)分析的數(shù)據(jù)分析能力和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射功能，建立了軟土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)與微結(jié)構(gòu)參數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)-徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[2]；曹志偉等(2014)對洞庭湖軟土物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計分析[3]；屈若楓等(2014)采用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)分析的方法對武漢地區(qū)典型軟土物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)性研究[4]；閻長虹等(2015)以連云港、南京、吳江、盱眙等地四種典型軟土為例對不同成因軟土工程地質(zhì)特性進(jìn)行了研究[5]；孫毅力等(2015)對北京區(qū)域土的壓縮性與物理指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)性分析[6]；王曉峰(2015)對大連長興島葫蘆山灣海域更新統(tǒng)黏性土物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計與分析[7]；王海湘(2018)對廣西賀州紅黏土的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析[8]；李旭昶等(2019)采用數(shù)理統(tǒng)計的方法對揚州土物理與力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)性分析[9]；歐陽恒等(2019)對福州典型軟土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)性研究[10]；郭林坪(2019)對天津濱海新區(qū)粘性土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性進(jìn)行了研究[11]。從上述研究成果看，對沿海地區(qū)及南方經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市軟土的物理力學(xué)指標(biāo)分析較多，對中部平原-偏西北地區(qū)低液限黏土的物理力學(xué)指標(biāo)分析研究較少，且對采空區(qū)的穩(wěn)定性評價和防止措施與建議大多是針對大型、規(guī)范開采、地質(zhì)災(zāi)害特征明顯的煤礦采礦區(qū)提出的，對不規(guī)范開采、小規(guī)模、時間長的采空巷道區(qū)研究與分析較少。因此對研究區(qū)進(jìn)行低液限黏土的物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計與分析具有重要意義。

1 研究區(qū)背景

1.1 地質(zhì)背景

潭頭盆地位于河南省嵩縣和欒川縣境內(nèi)潭頭鎮(zhèn)伊河北部,是一小型山間盆地,呈東西向展布,長約30 km，寬10 km。其中沉積了上千米厚的中、新生代地層。該區(qū)屬于低山丘陵地貌，總體趨勢北東高，西南低，海拔高程480～630 m，地形坡度大多8°～20°。

1.2 氣象條件

研究區(qū)地處暖溫帶地區(qū)，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，春季干旱、多風(fēng)，夏季炎熱、多雨，秋季天氣晴朗，冬季寒冷干燥。根據(jù)在欒川縣氣象站所搜集的降水資料可知，該縣的年平均累積降雨量為868.8 mm，且月份分布極為不均，降水多集中在7、8、9三個月，7月和8月的降雨量最大，可達(dá)全年降雨量的40%。此種情況會造成研究區(qū)內(nèi)水量猛增，極易促進(jìn)地質(zhì)災(zāi)害的演化。

圖1 地裂縫及房屋裂縫

1.3 地質(zhì)災(zāi)害背景

據(jù)收集資料，自上世紀(jì)50年代始，在研究區(qū)開展了為期10余年的私采、不規(guī)范開采油頁巖-煤矸石等燃料資源活動。遺留下的人工巷道、地下室等造成了地面塌陷、地裂縫等一系列地質(zhì)災(zāi)害。研究區(qū)內(nèi)的西坡、趙莊村、東山村、魏家溝等地在歷史上有多次滑動與變形，僅近幾十年來就有4次(1964年、2004年、2007年和2010年)。其中，2010年7月24日一場降水，引發(fā)滑坡9處和不穩(wěn)定斜坡1處，規(guī)模為小型到中型，滑坡造成16間民房損壞。目前，滑坡仍呈蠕滑不穩(wěn)定狀態(tài)，威脅居民90戶，426人，房屋442間(見圖1)。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 樣品布設(shè)

研究區(qū)為低山丘陵微溝谷地貌，處于“V”型溝谷中上游兩側(cè)斜坡之上，斜坡坡角處于7°～20°之間，主要呈溝底陡、坡頂緩的趨勢。由于研究區(qū)古采空巷道區(qū)已無詳細(xì)史料可考，且存在一定的滑坡風(fēng)險，故在研究區(qū)內(nèi)主要居民聚集區(qū)附近先布設(shè)物探工作用以探查采空區(qū)及軟弱結(jié)構(gòu)面層位，再采用鉆探取樣觀察、檢測分析的方法進(jìn)行論證研究。采樣過程嚴(yán)格按照《巖土勘察規(guī)范GB 50021-2001(2009年版)》[12]不擾動取樣分級技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使用敞口式薄壁取土器進(jìn)行采樣，并按照規(guī)范使用保鮮膜、包樣筒、透明膠帶進(jìn)行封裝并貼標(biāo)簽、注明土層方向后保存，在兩周之內(nèi)送實驗室進(jìn)行檢測分析(見圖2)。

圖2 工程鉆孔取樣部署圖

2.2 樣品檢測分析

研究區(qū)所采巖土樣監(jiān)測分析工作由中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司工程實驗監(jiān)測院承擔(dān)，不擾動取樣法所采鉆孔細(xì)粒土樣共113組，試驗項目主要有含水率、天然密度、干密度、比重、界限含水率、壓縮系數(shù)、滲透系數(shù)、顆粒分析等。含水量試驗采用烘干法、密度試驗采用環(huán)刀法、比重試驗采用比重瓶法、界限含水量采用液塑限聯(lián)合測定儀測定、固結(jié)試驗采用全自動固結(jié)儀測定、滲透試驗采用南55型滲透儀測定、顆粒分析試驗采用篩析法和密度計法測定。所有試驗均依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50123-2019)》[13]進(jìn)行。

3 統(tǒng)計與分析

3.1 數(shù)據(jù)選擇

為了使試驗數(shù)據(jù)具有充分的代表性，根據(jù)該類型土的工程特性，選用的試驗數(shù)據(jù)均滿足如下條件：

(1)Ip≥0.73(ωL-20)和Ip≥7,ωL<50%的低液限黏土；

(2)壓縮系數(shù)小于0.5 MPa-1的中-低壓縮性黏性土。

3.2 指標(biāo)統(tǒng)計

土的各項工程特性具有潛在相關(guān)性，但由于地質(zhì)環(huán)境的不同又具有區(qū)域性，各區(qū)域之間會存在一定的差異。本文根據(jù)現(xiàn)行《巖土工程勘察規(guī)范》及《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)規(guī)定，對選取的低液限黏土樣進(jìn)行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計分析的物理指標(biāo)有天然含水率、天然密度、干密度、天然孔隙比、液限、塑限、塑性指數(shù)、液性指數(shù)；力學(xué)指標(biāo)有壓縮系數(shù)、壓縮模量。統(tǒng)計方法如下：

(1)

(2)

(3)

根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果對研究區(qū)低液限黏土的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計分析，物理指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果見表1，力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表1 低液限黏土物理指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果

表2 低液限黏土力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果

3.3 指標(biāo)分析

通過對土的各項物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的統(tǒng)計，與《巖土工程勘察規(guī)范(GB50021-2009)》、《工程地質(zhì)手冊(第五版)》土的物理力學(xué)指標(biāo)分類表對照可知，研究區(qū)屬濕、硬塑、中-微透水性、中低壓縮性的低液限粉質(zhì)黏土。而變量值偏離期望值的離散程度一般用變異系數(shù)來表示，變異性范圍見表3。

表3 變異性范圍表

由表3可知含水率、孔隙比、塑性指數(shù)變異性?。粔嚎s模量變異性中等；液性指數(shù)、壓縮系數(shù)、滲透系數(shù)變異性極大；其他指標(biāo)變異性極小。說明該區(qū)域土受采空巷道區(qū)影響滲透性、壓縮性、可塑性已出現(xiàn)分帶，尤其是滲透性離散程度高。試驗結(jié)果與研究區(qū)出現(xiàn)的地裂縫、房屋裂縫等地質(zhì)現(xiàn)象有較好的吻合性。

3.4 相關(guān)性分析

土的各項物理力學(xué)指標(biāo)之間是相互聯(lián)系的，通過數(shù)理統(tǒng)計的方法可建立起研究區(qū)低液限黏土土性指標(biāo)之間的相互關(guān)系。一般以壓縮系數(shù)和壓縮模量描述土的變形特征，滲透系數(shù)描述土的滲透性特征。通過做散點圖(圖中標(biāo)注經(jīng)驗關(guān)系及相關(guān)系數(shù))進(jìn)行相關(guān)性分析，部分指標(biāo)之間具有較好的相關(guān)性，具體相關(guān)指標(biāo)經(jīng)驗關(guān)系、相關(guān)系數(shù)詳見圖3～圖10。

圖3 ω與ρ0關(guān)系圖 圖4 ω與ρd關(guān)系圖

圖5 ω與e0關(guān)系圖 圖6 ρ0與ρd關(guān)系圖

圖7 ωL與IP關(guān)系圖 圖8 ωL與ωp關(guān)系圖

圖9 αv(0.1-0.2)與Es(0.1-0.2)關(guān)系圖 圖10 IP與K20關(guān)系圖

表4 低液限黏土參數(shù)線性關(guān)系

圖3和圖4表明含水量與天然密度、干密度之間存在線性關(guān)系，且與干密度的線性明顯好于與天然密度的擬合，但天然密度、干密度都隨著含水量的增加而減??；由圖5可知土的含水率與孔隙比存在良好的線性關(guān)系，且孔隙比隨著含水率的增加而增大；由圖6可知土的天然密度越大則干密度也越大；圖7、圖8表明土的塑性指數(shù)、塑限與液限之間不存在一元線性關(guān)系，但用多項式擬合吻合程度較高，且都隨著液限的增大而增大，不過塑性指數(shù)的增長趨于平穩(wěn)，塑限的增長趨于陡峭；圖9表明壓縮系數(shù)與壓縮模量呈較好的乘冪關(guān)系，且壓縮模量隨著壓縮系數(shù)的增大而減小并趨于平穩(wěn)；圖10表明該區(qū)域土的滲透系數(shù)與塑性指數(shù)相關(guān)性較低，離散程度較大，受巷道采空區(qū)影響已出現(xiàn)較明顯的差異。各參數(shù)間相關(guān)函數(shù)及相關(guān)系數(shù)見表4。

4 結(jié)語

(1)該區(qū)域低液限黏土具有明顯的地區(qū)性特點且存在明顯的區(qū)域內(nèi)地差異，各項物理力學(xué)指標(biāo)受采空巷道區(qū)影響存在較明顯的差異，以滲透系數(shù)、液性指數(shù)尤為明顯。含水量略高于液限，土體整體呈軟塑狀態(tài)，但有1/3的液性指數(shù)都小于等于0，表明未在采空區(qū)影響范圍的土體呈硬塑狀態(tài)；壓縮模量和壓縮系數(shù)反映出此區(qū)域土整體為中-低壓縮性；滲透系數(shù)離散程度較大，整體表現(xiàn)為中透水-極微透水。含水量、孔隙比與各力學(xué)指標(biāo)間擬合關(guān)系式的建立可為潭頭盆地低液限黏土總結(jié)經(jīng)驗公式提供參考。

(2)壓縮模量中等變異，壓縮系數(shù)、滲透系數(shù)變異性極大，其他指標(biāo)變異性不大，與現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)的地裂縫、房屋裂縫等地質(zhì)現(xiàn)象有較好的吻合。

(3)當(dāng)?shù)卣畽C(jī)構(gòu)需對現(xiàn)今已有地質(zhì)災(zāi)害的地方加強(qiáng)監(jiān)測，對已產(chǎn)生裂縫和形變的房屋危險性進(jìn)行評估，并作出合理的安置措施。且在今后的土工建筑規(guī)劃中，需盡量避開此片區(qū)域。