許程，徐為海，吳曉亮

(鎮(zhèn)江市勘察測繪研究院有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212050)

1 引 言

基于當(dāng)前城市化過程中建設(shè)用地規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大的現(xiàn)狀，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)一般呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的分布特征，建立一個(gè)根據(jù)地質(zhì)時(shí)代、成因類別等因素劃分，使得巖土名稱、物理力學(xué)指標(biāo)在一定范圍內(nèi)大致匹配的區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)地層序列具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。近幾年來，全國各大城市基于區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究成果，系統(tǒng)總結(jié)地區(qū)地質(zhì)條件并劃分工程地質(zhì)層組，對地層主要物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而構(gòu)建區(qū)域工程地質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)地層層序和統(tǒng)一編碼。

各地區(qū)巖土工程師結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料做了大量的統(tǒng)計(jì)分析工作并取得可觀的研究成果。肖裕生[1]等在歸納南京地區(qū)第四紀(jì)沉積環(huán)境的基礎(chǔ)上，總結(jié)了不同地貌和地質(zhì)單元的地層層序特征，提出了統(tǒng)一分層的方法和統(tǒng)一的地層代號，并將南京地區(qū)第四系劃分為填土、新近沉積土、一般沉積土和老沉積土等4個(gè)大層和若干亞層，并提供各層土的基本物理力學(xué)性質(zhì)、典型剖面。邵萬強(qiáng)等[2]通過采用多種第四系研究方法和手段確定了青島市市區(qū)第四系層序的劃分并與區(qū)域地層進(jìn)行了對比，確定了層級地層單位和唯一地層序號。馬鋒等[3]基于《天津市地基土層序劃分技術(shù)規(guī)程》的地基土層序劃分原則，對典型工程地質(zhì)的地層進(jìn)行綜合分析，建立基本符合天津市平原區(qū)地層的標(biāo)準(zhǔn)層序表。仝霄金等[4]通過多種研究方法和手段，按時(shí)代-成因-巖性劃分了層級地層單位，并訂制了唯一地層序號，確定了濟(jì)南市市區(qū)標(biāo)準(zhǔn)地層層序的劃分。楊育文等[5]介紹了武漢都市發(fā)展區(qū)范圍內(nèi)地殼從海相沉積過渡到陸相沉積的28組地層單元，并分析了其巖土組合特性。

2 鎮(zhèn)江地區(qū)土層標(biāo)準(zhǔn)化

鎮(zhèn)江地區(qū)地貌單元可劃分為山地丘陵、崗地、谷地、灘地等，結(jié)合典型土層分布情況，可歸納總結(jié)出地貌類型與土層組合特征：Q3地層一般以分布在低山丘陵、崗地區(qū)的粉質(zhì)黏土為主，褐黃色或淡黃色，呈現(xiàn)硬塑～可塑相間的特點(diǎn)；Q4地層一般以分布在谷地、灘地的有機(jī)質(zhì)土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、粉土粉砂等軟弱土為主，黑色或灰色，沉積環(huán)境復(fù)雜，土質(zhì)不均勻。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)、地貌資料，結(jié)合巖土參數(shù)統(tǒng)計(jì)成果，可進(jìn)一步細(xì)化鎮(zhèn)江地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)地層，如表1所示。

以上系鎮(zhèn)江地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)地層的土層特征簡單描述，對于同一土層中相間呈韻律沉積的土層中夾層、夾薄層的情況可根據(jù)實(shí)際情況作為次亞層進(jìn)行編號，對于同一土層中土性狀態(tài)變化較大造成參數(shù)變異系數(shù)偏高的情況亦可作為次亞層進(jìn)行編號。

3 土層劃分案例

3.1 土層細(xì)劃前典型參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

④層粉質(zhì)黏土為晚更新世沉積形成的下蜀黃土，在鎮(zhèn)江地區(qū)分布較廣，主要見于山丘區(qū)和崗地區(qū)[6]。本節(jié)以鎮(zhèn)江新區(qū)某項(xiàng)目④層粉質(zhì)黏土318組土樣數(shù)據(jù)為分析對象，相關(guān)土樣的物理指標(biāo)參數(shù)、壓縮性指標(biāo)參數(shù)統(tǒng)計(jì)情況如表2所示，指標(biāo)參數(shù)分布直方圖如圖1所示。

表2 ④層粉質(zhì)黏土參數(shù)統(tǒng)計(jì)情況

圖1 ④層粉質(zhì)黏土指標(biāo)參數(shù)分布直方圖

根據(jù)④層粉質(zhì)黏土參數(shù)統(tǒng)計(jì)和分布特征可以得出以下結(jié)論：

(1)④層粉質(zhì)黏土物理指標(biāo)中的土粒比重變異系數(shù)基本接近于0，天然密度變異系數(shù)小于0.05，故可以將土粒比重、天然密度視作為確定性變量。

(2)④層粉質(zhì)黏土物理指標(biāo)中的含水量、孔隙比、液限、塑限、塑性指數(shù)的變異系數(shù)基本位于0.10左右，液性指數(shù)的變異系數(shù)接近0.70，故采用巖土工程概率設(shè)計(jì)方法時(shí)應(yīng)考慮相關(guān)參數(shù)的變異性。

(3)④層粉質(zhì)黏土壓縮性指標(biāo)中的壓縮系數(shù)、壓縮模量的變異系數(shù)基本位于0.20～0.30之間，對于巖土工程沉降設(shè)計(jì)會產(chǎn)生較大的影響。

一般而言，評價(jià)某一巖土參數(shù)的離散程度時(shí)可采用標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)，評價(jià)不同巖土參數(shù)的離散程度時(shí)則更傾向于利用無量綱系數(shù)，即變異系數(shù)。進(jìn)行巖土工程可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，變異系數(shù)大小的影響不容忽視[7]。在理想條件下，巖土參數(shù)變異性取決于同一土層的土質(zhì)成分、密實(shí)度和稠度等因素，因此，準(zhǔn)確合理地劃分土層單元對于變異系數(shù)的統(tǒng)計(jì)和分析的準(zhǔn)確性顯得尤為重要[8]。

3.2 土層細(xì)劃后典型參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

針對鎮(zhèn)江新區(qū)某項(xiàng)目④層粉質(zhì)黏土土樣數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，結(jié)合場地地層狀況，可將④層粉質(zhì)黏土進(jìn)一步劃分④-1層粉質(zhì)黏土、④-2層粉質(zhì)黏土和④-3層粉質(zhì)黏土。

(1)④-1層粉質(zhì)黏土

④-1層粉質(zhì)黏土物理指標(biāo)參數(shù)、壓縮性指標(biāo)參數(shù)統(tǒng)計(jì)情況如表3所示，典型參數(shù)分布特征如圖2所示。

表3 ④-1層粉質(zhì)黏土參數(shù)統(tǒng)計(jì)情況

圖2 ④-1層粉質(zhì)黏土典型指標(biāo)參數(shù)分布直方圖

④-1層粉質(zhì)黏土的典型指標(biāo)參數(shù)正態(tài)檢驗(yàn)如表4所示，正態(tài)Q-Q圖如圖3所示。

圖3 ④-1層粉質(zhì)黏土典型指標(biāo)參數(shù)正態(tài)Q-Q圖

根據(jù)表4關(guān)于④-1層粉質(zhì)黏土典型指標(biāo)參數(shù)正態(tài)檢驗(yàn)(K-S檢驗(yàn)和S-W檢驗(yàn))結(jié)果可知，典型參數(shù)中的含水量和液性指數(shù)的顯著性檢驗(yàn)P值大于0.05，判定其呈現(xiàn)正態(tài)分布。通過正態(tài)Q-Q圖進(jìn)行驗(yàn)證，含水量和液性指數(shù)的觀察值與預(yù)期正態(tài)接近直線分布，說明數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布特征。

表4 ④-1層粉質(zhì)黏土正態(tài)檢驗(yàn)

(2)④-2層粉質(zhì)黏土

④-2層粉質(zhì)黏土的物理指標(biāo)參數(shù)、壓縮性指標(biāo)參數(shù)統(tǒng)計(jì)情況如表5所示，典型參數(shù)分布特征如圖4所示。

表5 ④-2層粉質(zhì)黏土參數(shù)統(tǒng)計(jì)情況

圖4 ④-2層粉質(zhì)黏土典型指標(biāo)參數(shù)分布直方圖

④-2層粉質(zhì)黏土的典型指標(biāo)參數(shù)正態(tài)檢驗(yàn)如表6所示，正態(tài)Q-Q圖如圖5所示。

圖5 ④-2層粉質(zhì)黏土典型指標(biāo)參數(shù)正態(tài)Q-Q圖

根據(jù)表6關(guān)于④-2層粉質(zhì)黏土典型指標(biāo)參數(shù)正態(tài)檢驗(yàn)(K-S檢驗(yàn)和S-W檢驗(yàn))結(jié)果可知，典型參數(shù)中的含水量、孔隙比、液性指數(shù)和壓縮模量的顯著性檢驗(yàn)P值均大于0.05，判定其呈現(xiàn)正態(tài)分布。通過正態(tài)Q-Q圖進(jìn)行驗(yàn)證，含水量、孔隙比、液性指數(shù)和壓縮模量的觀察值與預(yù)期正態(tài)均接近直線分布，說明數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布特征。

表6 ④-2層粉質(zhì)黏土正態(tài)檢驗(yàn)

(3)④-3層粉質(zhì)黏土

④-3層粉質(zhì)黏土的物理指標(biāo)參數(shù)、壓縮性指標(biāo)參數(shù)統(tǒng)計(jì)情況如表7所示，典型參數(shù)分布特征如圖6所示。

表7 ④-3層粉質(zhì)黏土參數(shù)統(tǒng)計(jì)情況

圖6 ④-3層粉質(zhì)黏土典型指標(biāo)參數(shù)分布直方圖

④-3層粉質(zhì)黏土的典型指標(biāo)參數(shù)正態(tài)檢驗(yàn)如表8所示，正態(tài)Q-Q圖如圖7所示。

圖7 ④-3層粉質(zhì)黏土典型指標(biāo)參數(shù)正態(tài)Q-Q圖

根據(jù)表8關(guān)于④-3層粉質(zhì)黏土典型指標(biāo)參數(shù)正態(tài)檢驗(yàn)(K-S檢驗(yàn)和S-W檢驗(yàn))結(jié)果可知，典型參數(shù)中的液性指數(shù)的顯著性檢驗(yàn)P值大于0.05，判定其呈現(xiàn)正態(tài)分布。通過正態(tài)Q-Q圖進(jìn)行驗(yàn)證，液性指數(shù)的觀察值與預(yù)期正態(tài)接近直線分布，說明數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布特征。

表8 ④-3層粉質(zhì)黏土正態(tài)檢驗(yàn)

3.3 土層細(xì)劃前后典型參數(shù)統(tǒng)計(jì)對比分析

將土層細(xì)劃前后典型參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差比值與變異系數(shù)比值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表9所示。

表9 ④層粉質(zhì)黏土細(xì)劃前后參數(shù)比值統(tǒng)計(jì)情況

由表9可知，經(jīng)土層細(xì)劃后的④層粉質(zhì)黏土參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)均有不同程度的削減，天然密度ρ值的標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)為原數(shù)值的75%左右，含水量w值的標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)為原數(shù)值的55%～75%左右，土粒比重GS值的標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)幾乎未變，孔隙比e值的標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)為原數(shù)值的60%～75%左右；液限wL、塑限wP、塑性指數(shù)IP比值變化稍小，其標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)為原數(shù)值的50%～90%左右；液性指數(shù)IL值的標(biāo)準(zhǔn)差為原數(shù)值的25%～55%左右，變異系數(shù)為原數(shù)值的14%～120%；壓縮系數(shù)a1-2值的標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)為原數(shù)值的40%～65%，壓縮模量Es值的標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)為原數(shù)值的35%～80%。

需要指出的是，經(jīng)土層細(xì)劃后的④-3層粉質(zhì)黏土液性指數(shù)變異系數(shù)則增至120%，分析可知液性指數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差均因土層細(xì)分后有所減小，而平均值數(shù)值降幅大于標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值降幅，從而導(dǎo)致變異系數(shù)較土層細(xì)化前有所增大。因此，土層離散程度變化需結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)進(jìn)行分析考慮。

綜上所述，土性物理指標(biāo)參數(shù)的變異系數(shù)一般小于壓縮性指標(biāo)參數(shù)的變異系數(shù)，且土層細(xì)劃有助于進(jìn)一步降低指標(biāo)參數(shù)變異系數(shù)的大小?；谕馏w變異性分析作為巖土工程可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)這一情況，巖土工程師在針對區(qū)域巖土特性進(jìn)行分析研究時(shí)應(yīng)重視變異系數(shù)所反映的土性離散程度，并在區(qū)域土層標(biāo)準(zhǔn)化的過程中加以運(yùn)用，從而有利于保證土層標(biāo)準(zhǔn)化劃分的準(zhǔn)確性和參數(shù)取值的合理性。

4 結(jié) 論

工程建設(shè)一般需根據(jù)土體沉積環(huán)境、工程地質(zhì)特性等因素將土體進(jìn)行分層，同一土層的土體一般視為性質(zhì)均勻土體，并以土性物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)參數(shù)的平均值或標(biāo)準(zhǔn)值表示。鎮(zhèn)江地區(qū)土層標(biāo)準(zhǔn)化劃分可初步劃分為4個(gè)主要工程地質(zhì)層，17個(gè)亞層，包含填土層、灘地沉積層、谷地淤積層、崗地沉積層等，并可根據(jù)具體情況進(jìn)行次亞層劃分以滿足實(shí)際需求。

巖土工程師在針對區(qū)域巖土特性進(jìn)行分析研究時(shí)應(yīng)重視變異系數(shù)所反映的土性離散程度，而進(jìn)行土層細(xì)分有助于進(jìn)一步降低土性參數(shù)變異系數(shù)的大小。工程勘察過程中加強(qiáng)對地層成因時(shí)代和沉積環(huán)境的分析，有利于合理劃分土層；基于地區(qū)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行統(tǒng)一土層層序編碼與描述，有利于巖土資料的統(tǒng)計(jì)與類比分析。