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软土物理力学指标统计分析

2019/09/24 阅读:

摘要:根据广州市南沙区实际工程中收集到的共计299组软土试验成果,针对软土不同含水率区间,对南沙区软土基本物理力学指标进行了分区统计和分析,给出了软土强度指标、变形指标与含水率的关系,并与珠海横琴新区软土的相关力学特性进行了对比分析。结果表明:在相同含水率情况下,横琴新区软土压缩模量、直接快剪黏聚力、直接快剪内摩擦角等指标均低于南沙区软土指标,横琴新区软土指标相对更差;随含水率的增加,南沙区与横琴新区软土的压缩模量、直接快剪黏聚力呈较一致的递减趋势;直接快剪内摩擦角呈不同的变化趋势,南沙区软土直接快剪内摩擦角呈上下波动的趋势,无明显增减规律,横琴新区软土直接快剪内摩擦角指标呈递减趋势。研究结果给出了不同含水率区间软土指标的统计范围,可供南沙区及横琴新区的软土工程设计与施工参考或借鉴。

关键词:软土;强度指标;变形指标;含水率;南沙区;横琴新区;统计分析

1研究背景

珠三角深厚软土的代表性地区主要集中在珠海市横琴新区、广州市南沙区、江门市、深圳市沿海等地,各地区软土的成因、含水量、物质组成、有机质含量等不同,导致各地区软土的孔隙比、变形及强度等指标存在一定的差异,其软基处理效果也存在一定差异。比如大量的试验证明对于珠海拱北、斗门区软基,真空、堆载预压措施均具有较好的效果,搅拌桩处理深厚软基也有较成功的经验;而对于横琴新区,真空堆载预压及搅拌桩处理软土深度多差于其他地区。由此可见,各地区的软土参数具有很强的区域性,因此,近年来学者们逐渐重视软土参数之间的相关关系研究。屈若枫等[1]针对武汉地区典型软土物理力学指标间的相关性开展了研究,指出典型软土层中物理指标天然密度、干密度、液限、塑限、饱和度等服从正态分布;马海鹏等[2]、苏卫卫等[3]对上海地区岩土体参数之间的关系进行了研究;陈晓平等[4]、彭立才等[5-6]、夏银飞等[7]对珠三角的软土特性及指标进行了统计分析;尹利华等[8]对天津软土土性指标概率分布进行了统计分析;刘雪梅[9]、吴长富等[10]对杭州地区抗剪强度指标的概率分布以及变异性进行了相关研究;刘慧明[11]对闽东南沿海地区软土物理力学性质进行了研究;杨光华[12]结合大量标贯试验给出了标贯击数与变形模量之间的关系。面对复杂的地质环境,以上的研究均区域性地总结了软土部分指标之间的关系。而对于近年来建设力度较大的广州市南沙区,相关研究仍是一片空白,具有较大的研究空间。本研究收集了南沙区近300组软土勘察试验结果,现场取样后进行室内试验,测试指标包括土的物理性质指标、可塑性指标、固结指标及剪切指标。根据软土不同含水率区间,对南沙区软土基本物理力学指标进行了分区统计和分析,给出了不同含水率区间软土指标的统计范围,得出了软土强度指标与含水率、变形指标与含水率的关系等,并与珠海横琴新区软土的相关力学特性进行了较深入对比分析。

2南沙区软土物理力学特性指标的总体统计分析

采用数理统计方法,对所有试验资料进行筛选后统计分析,得到南沙区软土(淤泥)的物理力学指标统计结果,如表1所示。其中固结指标在荷载P=100~200kPa下测得。由南沙区软土物理力学特性的总体统计分析结果可知,在样本范围内,南沙区软土具有以下特征:(1)淤泥含水率平均值为61.84%,孔隙比平均值为1.69,软土含水率高,天然孔隙比大。(2)淤泥饱和度平均值为96.64%,接近完全饱和。(3)淤泥的压缩模量均值为1.98MPa,属于高压缩性土。(4)淤泥的直接快剪强度指标:黏聚力平均值为6.09kPa,内摩擦角平均值为3.96°,抗剪强度低。固结快剪强度指标:黏聚力平均值为11.64kPa,内摩擦角平均值为13.7°,但固结快剪指标的样本较少,参考价值较低。

3不同含水率区间下南沙区软土力学指标的统计分析

影响软土抗剪强度的主要指标是软土的含水率。根据表1中的数据,统计的软土的含水率区间为48%~82.5%,跨度较大,且软土的含水率是影响软土强度指标的主要因素,在较大含水率区间内统计得到的软土抗剪强度指标具有较大离散性,其中直接快剪黏聚力c的变异系数达到0.28,内摩擦角φ的变异系数达到0.56,离散程度较大。为进一步研究含水率与南沙区软土力学指标的相关关系,按照含水率分区来进一步统计南沙区软土的物理力学特性指标。含水率分区为:[50%,55%),[55%,60%),[60%,65%),[65%,70%),[70%,80%),不同含水率区间下南沙区软土的力学指标统计结果分别如表2—表6所示。由于含水率<50%及含水率≥80%的样本数较少,不具有参考价值,故不再单独统计。将南沙区软土压缩模量、直接快剪黏聚力和直接快剪内摩擦角与天然含水率的对应关系进行分布统计,如图1所示。南沙区软土压缩模量、直接快剪黏聚力c、直接快剪内摩擦角φ随天然含水率的变化趋势如图2所示。由图1及图2(a)可知:随着含水率的增加,软土压缩模量基本在1.5~2.5MPa范围内浮动,较为稳定,略呈递减趋势。淤泥按含水率分区[50%,55%),[55%,60%),[60%,65%),[65%,70%),[70%,80%)统计得到的压缩模量Es均值依次为2.12,2.26,1.92,1.91,1.70MPa。由图1及图2(b)可知,随着含水率的增加,软土抗剪强度黏聚力指标呈比较明显的递减趋势。淤泥按含水率分区[50%,55%),[55%,60%),[60%,65%),[65%,70%),[70%,80%)统计得到的直接快剪黏聚力c均值依次为6.5,6.6,6.0,5.6,4.7kPa。由图1及图2(c)可知,随着含水率的增加,软土直剪内摩擦角指标呈上下波动的趋势,基本稳定在4°上下,没有明显的增减规律。淤泥按含水率分区[50%,55%),[55%,60%),[60%,65%),[65%,70%),[70%,80%)统计得到的直剪内摩擦角φ均值依次为3.7°,4.3°,4.2°,3.4°,4.0°。

4南沙区与横琴新区软土指标对比分析

珠三角深厚软土的代表性地区主要集中在珠海、南沙、江门、深圳等地区,根据以上统计结果,南沙区软土具有其自身的规律性,结合文献[1]所述的珠海横琴新区软土特性指标,对比研究横琴新区与南沙区软土压缩变形指标、抗剪强度指标与天然含水率之间相互关系和规律的区别。根据文献[1],横琴新区软土力学参数随天然含水率分布统计如图3所示;南沙区与横琴新区软土压缩模量、直接快剪黏聚力、直接快剪内摩擦角随天然含水率变化对比情况如图4所示。由图3、图4可知:(1)整体上看,在相同含水率情况下,横琴新区软土压缩模量、直接快剪黏聚力、直接快剪内摩擦角指标均低于南沙区软土指标,横琴新区软土指标相对更差。其中,南沙区淤泥压缩模量、直接快剪黏聚力、直接快剪内摩擦角分别平均高出横琴新区约0.25MPa、约1.31kPa、约1°。(2)南沙区软土与横琴新区软土的压缩模量与直接快剪黏聚力呈现较一致的变化趋势,软土压缩变形指标基本在1.5~2.5MPa范围内浮动,较为稳定,随含水率的增加略呈递减趋势;软土直接快剪黏聚力基本在3~7kPa范围内变化,随含水率增加呈现较明显的递减趋势。(3)南沙区软土与横琴新区软土的直接快剪内摩擦角呈现不同的变化趋势:随着含水率的增加,南沙软土直接快剪内摩擦角指标呈上下波动的趋势,基本稳定在4°上下,没有明显的增减规律,范围为3.4~4.3kPa;横琴新区软土直接快剪内摩擦角指标呈递减趋势,范围为2°~3.5°。

5结论及建议

(1)南沙区作为珠三角深厚软土代表性地区,其软土压缩性高、强度指标低,平均含水率超60%,接近完全饱和,且含水率变化大(48%~82%),其变形指标及强度指标与含水率具有较强的相关性,应根据不同含水率区分并确定软土指标。基于研究样本统计,南沙区淤泥含水率平均值为61.84%,孔隙比平均值为1.69,饱和度平均值为96.64%,压缩模量平均值为1.98MPa,黏聚力平均值为6.09kPa,内摩擦角平均值为3.96°,不同含水率下的指标统计结果可供南沙软土工程设计及施工借鉴。(2)在相同含水率情况下,横琴新区软土压缩模量、直接快剪黏聚力、直接快剪内摩擦角等指标均低于南沙区软土指标,横琴新区软土指标相对更差。(3)南沙与横琴新区软土的压缩模量、直接快剪黏聚力呈现较一致的变化趋势:随含水率的增加,软土压缩变形指标略呈递减趋势,软土直接快剪黏聚力呈现较明显的递减趋势。南沙区与横琴新区软土直接快剪摩擦角呈现不同的变化趋势:随着含水率的增加,南沙区软土直接快剪内摩擦角呈上下波动的趋势,没有明显的增减规律,横琴新区软土直接快剪内摩擦角指标呈递减趋势。(4)一般情况下,淤泥的变形指标较为稳定,取样扰动对淤泥强度指标的影响较大,本次统计结果均为室内取样结果,建议有条件时进一步开展南沙区软土原位试验研究,如静力触探、十字板剪切试验等,使参数统计及取值更为可靠、合理。

参考文献:

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[2]马海鹏,陈祖煜,于沭.上海地区土体抗剪强度与静力触探比贯入阻力相关关系研究[J].岩土力学,2014,35(2):536-542.

[3]苏卫卫,黄宏伟,张洁.上海软粘土抗剪强度指标概率分布类型研究[J].地下空间与工程学报,2012,8(增刊2):1695-1699.

[4]陈晓平,黄国怡,梁志松.珠江三角洲软土特性研究[J].岩石力学与工程学报,2003,22(1):137-141.

[5]彭立才,蒋明镜,朱合华,等.珠海地区软土物理力学指标统计分析[C]∥高广运,石振明,沈明荣.岩土力学与工程新进展:第六届全国青年岩土力学与工程会议暨岩土工程系列学术研讨会之十论文集.上海:同济大学出版社,2007:108-111.

[6]彭立才,温勇,杨光华,等.珠海横琴新区软土物理力学指标统计分析[J].广东水利水电,2016(4):29-32.

[7]夏银飞,吴代华,文建华.珠江三角洲软土物理力学指标统计分析[J].公路交通科技,2008,25(1):47-50.

[8]尹利华,王晓谋,张留俊.天津软土土性指标概率分布统计分析[J].岩土力学,2010,31(增刊2):462-469.

[9]刘雪梅.杭州土层抗剪强度指标概率分布模型研究[J].城市勘测,2009(3):155-157.

[10]吴长富,朱向荣,刘雪梅.杭州地区典型土层抗剪强度指标的变异性研究[J].岩土工程学报,2005,27(1):94-99.

[11]刘慧明.闽东南沿海地区软土物理力学性质研究[D].福州:福州大学,2005.

[12]杨光华.深基坑支护结构的实用计算方法及其应用[M].北京:地质出版社,2005:47-54.

作者:姜燕 杨光华 孙树楷 贾恺 李泽源 单位:广东省水利水电科学研究院

软土物理力学指标统计分析

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