崇明地區(qū)粉質黏土物理力學指標的線性分析

孫 松,陳 城,李 坤,王建東,司光輝

(淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223005)

巖土物理力學參數(shù)是分析和評價場地工程地質條件的重要指標[1]，巖土計算成果的可靠性，在很大程度上取決于這些參數(shù)的準確測定和合理選擇[2]，因此加強巖土體物理力學參數(shù)的研究不容忽視。

崇明區(qū)位于上海市北部，地處長江入?？冢饕沙缑?、長興、橫沙3島組成，其中崇明島作為中國的第三大島，是典型的河口沖積島[3]。島上遍布著埋深較淺的粉質黏土層，是工程建設中淺基礎、市政建設等地基處理的主要土層[4]。根據(jù)研究區(qū)內多處鉆孔中粉質黏土樣品的土工試驗結果，以及分析已有的地基土物性資料，發(fā)現(xiàn)粉質黏土的物理力學參數(shù)間存在一定的相關性。對此，本文將圍繞該地區(qū)粉質黏土的液性指數(shù)，著重探討其與天然含水量、孔隙比、天然密度、壓縮模量、壓縮系數(shù)之間的關系，以幫助解決生產實踐中遇到的問題。

1 巖土物理力學參數(shù)

液性指數(shù)是判斷黏性土狀態(tài)的一類物理指標，即為表示天然含水率與界限含水率的相對關系。液性指數(shù)小于0的土為堅硬狀態(tài)，液性指數(shù)在0～1之間的土為塑性狀態(tài)，液性指數(shù)大于1的土為流塑狀態(tài)[5]，崇明地區(qū)粉質黏土的液性指數(shù)主要集中在0.4～1.0之間。

天然狀態(tài)下，土中孔隙所含水的質量與土顆粒質量的比值即為天然含水率[6]，它是反映土的濕度的一個重要指標?？紫侗仁怯脕碓u價土的密實程度，即為土中孔隙的體積與土顆粒體積的比值。天然密度是指在天然狀態(tài)下單位體積土的質量，它綜合體現(xiàn)土的結構特征和物質組成。壓縮模量是判斷土的壓縮性和計算地基壓縮變形量的重要指標之一，而壓縮系數(shù)是描述土體壓縮性大小的物理量。

2 研究區(qū)土層概況

在研究區(qū)內共收集50個取土鉆孔，結合項目勘察報告和野外鉆孔揭示來看，該區(qū)第四系地層主要由素填土、粉質黏土、淤泥質粉質黏土、砂質粉土、粉砂等組成。這里以向化鎮(zhèn)鉆孔揭示的土層分布為例，見表1。

表1 向化鎮(zhèn)鉆孔揭示的土層情況Tab.1 Soil condition revealed by drilling in Xianghua Town

本文對這些鉆孔中的粉質黏土進行取樣，并開展土工試驗，獲取粉質黏土的液性指數(shù)、天然含水量、孔隙比、天然密度、壓縮模量、壓縮系數(shù)的一般參數(shù)值，為后續(xù)的相關性分析提供數(shù)據(jù)支撐。

3 相關性分析

本文通過統(tǒng)計分析該50個粉質黏土樣品的土工試驗數(shù)據(jù)，總結得出崇明地區(qū)一系列粉質黏土物理力學參數(shù)間的相關關系。同時，結合前人的相關研究成果，通過對比分析來提高參數(shù)相關性分析的可靠性。

3.1 天然含水率與液性指數(shù)的相關關系

天然含水率的高低主要取決于土的類型、埋藏深度及其周圍環(huán)境，同時它還影響土的強度。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，崇明地區(qū)粉質黏土的天然含水率值集中在30%～35%之間，得出的液性指數(shù)與天然含水率之間存在的函數(shù)關系式為IL=0.056 9w-1.108 1，相關系數(shù)為0.962 2，為正相關線性關系(圖1)。通過對比上海[7]、蘇通大橋[8]以及江陰[9]等地區(qū)液性指數(shù)-天然含水率關系曲線(圖2)發(fā)現(xiàn)，崇明關系曲線介于蘇通大橋與江陰之間，當天然含水率處在35%左右時，與江陰關系曲線發(fā)生相交。上海與崇明在地理位置上雖相近，但由于具體采樣地點不同，它們的關系曲線存在差異，兩者間錯開一定的距離，總的來說4個地區(qū)的關系曲線走勢大體一致。

圖1 液性指數(shù)-天然含水率參數(shù)投點Fig.1 Liquidity index versus natural water content parameter point

圖2 崇明與其他地區(qū)液性指數(shù)-天然含水率關系曲線對比Fig.2 Comparison of relationship curves between liquidity index versus natural water content in Chongming and other regions

3.2 孔隙比與液性指數(shù)的相關關系

通過土工試驗數(shù)據(jù)的投圖結果來看(圖3)，崇明地區(qū)粉質黏土孔隙比集中在0.8～1.0之間，得出的液性指數(shù)與孔隙比之間存在的函數(shù)關系式為IL=2.004 4e-1.066，相關系數(shù)為0.952 4，亦為正相關線性關系。由圖4可以看出，蘇通大橋[8]粉質黏土液性指數(shù)-孔隙比關系曲線與崇明地區(qū)的近乎平行，且曲線相距較近，這說明上述兩個地區(qū)土的密實程度相近。

圖3 液性指數(shù)-孔隙比參數(shù)投點Fig.3 Liquidity index versus void ration parameter point

圖4 崇明與其他地區(qū)液性指數(shù)-孔隙比關系曲線對比Fig.4 Comparison of relationship curves between liquidity index versus void ration in Chongming and other regions

3.3 天然密度與液性指數(shù)的相關關系

天然密度主要取決于土顆粒密度、土中孔隙體積以及土中水的質量。見圖5。

圖5 液性指數(shù)-天然密度參數(shù)投點Fig.5 Liquidity index versus natural desity parameter point

據(jù)圖5可知，崇明地區(qū)粉質黏土的天然密度集中在1.80～1.95 g/cm3之間，液性指數(shù)與天然密度之間存在的函數(shù)關系式為IL=7.898 2-3.760 5γ，相關系數(shù)為0.9236，為負相關線性關系。上海[7]、蘇通大橋[8]及崇明3地的液性指數(shù)-天然密度關系曲線見圖6，圖6中3條關系曲線相距較近，且近乎平行，這反映出這3個地區(qū)粉質黏土的結構特征和物質組成較為相似。

圖6 崇明與其他地區(qū)液性指數(shù)-天然密度關系曲線對比Fig.6 Comparison of relationship curves between liquidity index versus natural desity in Chongming and other regions

3.4 壓縮模量與液性指數(shù)的相關關系

土的壓縮模量越小，則土的壓縮性越高，這說明土越軟，土的液性指數(shù)越大；反之則土的壓縮性越低，土便越硬，土的液性指數(shù)就越小。從圖7中曲線的變化趨勢可看出它們之間的關系，結合統(tǒng)計得出液性指數(shù)與壓縮模量之間存在的函數(shù)關系式為IL=1.335 3-0.109 1ES，相關系數(shù)為0.872 2，為負相關線性關系。蘇通大橋[8]與崇明地區(qū)的液性指數(shù)-壓縮模量關系曲線(圖8)存在明顯差異，崇明地區(qū)為線性反比函數(shù)式，而蘇通大橋為指數(shù)函數(shù)式，但兩者的變化范圍及趨勢大體相同。

圖7 液性指數(shù)-壓縮模量參數(shù)投點Fig.7 Liquidity index versus modulus of compressibility parameter point

3.5 壓縮系數(shù)與液性指數(shù)的相關關系

土的壓縮系數(shù)越大，則表明土的壓縮性越高，液性指數(shù)越大，這也反映出壓縮系數(shù)與壓縮模量之間存在著反比關系。由圖9可以看出，液性指數(shù)與壓縮系數(shù)之間存在的函數(shù)關系式為IL=1.409 3a1-2+0.237 3，相關系數(shù)為0.906 6，為正相關線性關系。由圖10中可見，崇明地區(qū)粉質黏土的液性指數(shù)-壓縮系數(shù)關系曲線介于蘇通大橋[8]和江陰[9]之間，其與上海[7]的間距較大，但兩者近乎平行，關系曲線總體上均呈現(xiàn)出上升趨勢。

圖8 崇明與其他地區(qū)液性指數(shù)-壓縮模量關系曲線對比Fig.8 Comparison of relationship curves between liquidity index versus modulus of compressibility in Chongming and other regions

圖9 液性指數(shù)-壓縮系數(shù)參數(shù)投點Fig.9 Liquidity index versus coefficient of compressibilty parameter point

圖10 崇明與其他地區(qū)液性指數(shù)-壓縮系數(shù)關系曲線對比Fig.10 Comparison of relationship curves between liquidity index versus coefficient of compressibility in Chongming and other regions

4 結 論

1) 崇明地區(qū)粉質黏土的液性指數(shù)與天然含水率、孔隙比、天然密度、壓縮模量、壓縮系數(shù)呈現(xiàn)較好的線性相關關系，相關系數(shù)介于0.872 2～0.962 2之間。

2) 崇明地區(qū)粉質黏土的液性指數(shù)與天然含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)之間呈現(xiàn)正相關線性關系，液性指數(shù)與天然密度和壓縮模量之間呈現(xiàn)負相關線性關系。

3) 對比崇明地區(qū)與其他地區(qū)粉質黏土的液性指數(shù)及其物理力學參數(shù)的相關性，它們之間具有較高的相似度，這可以為研究長江下游地區(qū)類似場地粉質黏土相關指標提供借鑒。