兰州湿陷性黄土物理力学参数统计分析

兰州湿陷性黄土物理力学参数统计分析
发表时间：2017-11-29T11:54:25.050Z 来源：《防护工程》2017年第17期作者：韩金明
[导读] “两山夹一河”的独特狭窄地形以及“呈东西带状分布”的城市形态造成了兰州“东西拥堵。

1.兰州市轨道交通有限公司甘肃兰州 730030
摘要：对兰州城区地质勘查资料进行统计分析后发现，轨道交通所穿越区域覆盖大量的粉土以及粉质粘土，无论是由西向东上的地域分布还是沿深度方向上的分布，各个物理力学参数的平均值存在明显的变化规律。

重点对兰州市城关区湿陷性黄土物理力学性质指标进行统计分析，由所统计数据的平均值可以看出：各物理参数平均值之间存在明显的相关性；孔隙比和含水率两者的综合作用对黄土抗剪强度指标的影响较大，两种参数对粘聚力和内摩擦角影响的相关系数分别达到了0.76和0.923；含水率、孔隙比与干密度对黄土的湿陷性有较大的影响，单方面来看，孔隙比较大的土样湿陷性较大，天然含水率较大的土样湿陷性较小，干密度较大的土样湿陷性较小。

三种物理指标共同作用也对土样的湿陷性产生重要的影响，回归关系的相关系数达到了0.886。

关键词：物理力学参数；黄土湿陷性；相关性分析；线性回归；变异系数
0 引言
“两山夹一河”的独特狭窄地形以及“呈东西带状分布”的城市形态造成了兰州“东西拥堵，南北不畅”的交通现状。

兰州轨道交通的建设有利于缓解交通压力，改善城市交通问题，加快兰州区域性特大城市的发展。

轨道交通线网主要覆盖西固区、安宁区、七里河区、城关区，向东连接榆中大学城，向北连接至兰州新区。

其穿过区域的面积之大，其中很多地段存在大量的湿陷性黄土。

湿陷性黄土土质较均匀、结构疏松、孔隙发育。

未浸水时，一般强度较高，压缩性较小。

受水浸湿后，土体结构会迅速破坏，产生较大附加下沉，强度迅速降低。

这些均直接影响到工程设计、施工及运营安全。

所以，在湿陷性黄土场地上进行工程建设，应该根据其工程性质，采取相应的处理措施，防止其湿陷对建筑产生危害。

统计分析轨道交通所穿越区域湿陷性黄土物理力学参数有重要的实际工程意义。

本文结合兰州城区地质勘查资料，对城关、西固、七里河、安宁几个区湿陷性黄土物理力学性质指标进行统计分析。

对比不同区域黄土的物理力学性质，线性回归他们之间的关系，判别各类指标的分布类型，有益于正确认识黄土特征，从而指导施工。

1 兰州地区黄土概况
试样主要来自兰州四个市辖区（西固区、安宁区、七里河区、城关区）以及东岗区域。

进行了现场采集土样、测绘以及室内土工试验。

统计结果显示，样本总共分为粉土样本（1838组）和粉质粘土样本（392组），从统计的数据可以看出，兰州范围内，地铁所穿过的区域以粉土居多，土层中还含有大量的粉质粘土，少量的粘土以及粘质粉土，粘土和粉质粘土由于数据太少，并没有进行统计分析。

不同地方的黄土，其物理力学特性也有较大的差别，根据兰州地铁土工试验资料的调查收集以及现场取样，对兰州地铁不同地区黄土的物理力学参数进行统计。

特选取各个区域粉土与粉质粘土的含水率，天然密度，饱和度，粘聚力，内摩擦角，湿陷系数和自重湿陷系数的平均值作为总体比较，见图1。

图1 各区域物理力学参数整体分布
由图1可以看出兰州轨道主要穿越区域黄土的整体分布情况。

从西固到东岗，由西向东，兰州地铁各个地方的粉土的含水率、天然密度、饱和度的整体水平呈增大的趋势，而粉质粘土的含水率、天然密度和饱和度的整体水平反而逐渐减小。

粉质粘土的含水率普遍大于粉土的含水率（图（a）），这也符合理论，只是西固区与安宁区粉土与粉质粘土之间的含水率差距不大，七里河区粉质粘土含水率达到最大。

各个区域粉质粘土的天然密度也大于粉土的天然密度，七里河地区粉质粘土天然密度相对最高（图（b））。

各个区域的粉质粘土的饱和度也大于粉土的饱和度，七里河地区的饱和度相对最高（图（c））。

各个地区黄土粘聚力变化不大，粉土粘聚力一般在22kPa到24kPa 之间，粉质粘土粘聚力一般在22kPa到28kPa之间，安宁区和城关区粉质粘土的粘聚力相对较高（图（d））。

由西向东，黄土的内摩擦角整体呈减小的趋势，东岗地区粉质粘土的内摩擦角小于粉土的内摩擦角，其余大部分地区则相反（图（e））。

七里河区粉质粘土的湿陷系
数远远小于其他区域的相应值，安宁区粉土的湿陷系数远远小于其他区域相应的值，另外，除安宁区以外大部分地区粉土的湿陷系数大于粉质粘土的湿陷系数（图（f））；各个区域粉土的自重湿陷系数大于粉质粘土的自重湿陷系数，七里河区粉土和粉质粘土的自重湿陷系数都是最小（图（g））。

2 物理力学参数统计
2.1 物理力学指标变异性评价
由于城关区人员密集，且该区域是兰州市政治、经济、文化、科研、交通、商贸中心。

轨道交通的建设与运营对解决城关区的交通拥堵问题以及促进城关区的发展有着重大的作用。

且轨道交通所穿越区域大多为黄土粉土覆盖，现选取城关区粉土的物理力学参数着重分析。

物理力学变异性分析结果见表1，2。

变异性的大小显示出岩土参数的确定性、随机性和模糊性，以及可能的未知性，是一个综合反映涉及参数质量水平的指标[5]。

由表1和表2可知，所统计城关区黄土物理力学参数的原始数据中，变异性最小的是密度、干密度、液限、塑限；塑性指数、孔隙比、粘聚力的变异性较小；含水率、内摩擦角的变异性为中等；饱和度变异性较大；湿陷系数，自重湿陷系数和液性指数的变异性很大。

其中变异性最大的参数为液性指数，甚至达到了3.66。

2.2 物理力学指标沿深度分布
根据经过大量现场试验得到的原始数据统计分析，得到城关区各参数随深度变化的分布规律，其中粘聚力与内摩擦角按固结快剪三种方式进行测量,各图中圆形数据点代表原始数据，菱形数据点代表一定深度范围内平均值，其回归方程均是平均值的最佳拟合方程。

虽然原始数据数量较多，较为离散，但是其不同深度处平均值随埋深的变化关系却具有很强的规律性。

由于湿陷土层厚度范围为5~20m，现特取20m深度范围内的数据进行分析。

图2仅选取湿陷系数以及自重湿陷系数随深度变化的分布规律。

表3为各参数平均值随深度分布一元线性相关性分析。

表3可以看出，随着深度增加，值变大的参数有：密度ρ、天然含水率w、饱和度Sr、内摩擦角φ以及10m深度以内的自重湿陷系数
δzs；值变小的参数有：孔隙比e、湿陷系数δs2.0以及深度超过10m范围的自重湿陷系数δzs；基本不受深度影响的参数有液限wL、塑限wp
以及粘聚力c。

图3为各参数归一化后随深度分布。

横轴为埋深（m），纵轴为各自参数的平均值与该参数2m处平均值的比值。

图2 参数随深度变化规律
图3 归一化参数随深度变化规律
结合图2 和图3可以看出，随着深度增加，粘聚力基本不产生变化；内摩擦角有小幅度的增加，其平均值范围在15°~25°之间；湿陷系数逐渐减小，其平均值范围为0~0.06；而自重湿陷系数的平均值表现出了分层的特征，在小于10m的深度范围内，随着深度增加，自重湿陷系数增加，在10m处达到最大，该处平均值为0.023，在大于10m的范围内，随着深度的增加，自重湿陷系数逐渐减小。

2.3 物理力学指标相关性分析
2.3.1 物理指标间的相关性分析
根据大量原始数据，取各参数在相应深度范围内的平均值，对兰州城关区粉土的含水率~孔隙比、含水率~密度、含水率~饱和度、孔隙比~密度、密度~饱和度、孔隙比~饱和度、液限~塑限作了相应回归分析，如图4。

图4 物理指标间的相关性分析
图4中，由所统计数据的平均值可以看出，各参数中，天然含水率与孔隙比呈负相关，与密度、饱和度呈正相关。

孔隙比与天然密度、饱和度呈负相关。

天然密度与饱和度、液限，塑限之间有明显的正相关性。

饱和度同时受到天然含水率、孔隙比与天然密度的影响，与相应的土力学公式相符。

2.3.2 抗剪强度与物理指标间的相关性分析
c、φ值与其他物理指标之间的相关性比较复杂[5-8]。

分析抗剪强度指标与相应的孔隙比、塑性指数以及含水率间的相关性，在此采用
相关专业软件1stOpt进行相应的回归分析。

经统计分析，兰州城关地区粉土的抗剪强度指标受到孔隙比、塑性指数以及含水率的影响。

由表4可以看出，孔隙比和含水率两者的综合作用对黄土抗剪强度指标的影响较大，两种参数对粘聚力和内摩擦角影响的相关系数分别达到了0.76和0.923。

2.3.3 湿陷系数与物理指标间的相关性分析
湿陷系数是用来判断黄土湿陷等级，判别湿陷危害并预测湿陷量的常用指标[9-11]。

兰州区域为典型的黄土覆盖区域，城关区为兰州市中心地带，为轨道交通建设的重点关注区域。

现重点分析该区域黄土的湿陷性分布状况。

由表2可以知道，该区域统计的粉土湿陷系数的数据699组，其中最大值为0.126，平均值为0.032，变异系数为0.86。

其中变异系数表明，该区域黄土粉土湿陷系数总体分布较为离散，具体参数分布情况见图5。

（a）湿陷性分布（b）湿陷程度
图5 湿陷系数统计分布
由图5可以看出，城关区粉土781组统计数据中，非湿陷性黄土285组，占36.5%，湿陷性黄土496组，占63.5%。

在湿陷性黄土中，有强烈湿陷性的黄土有94组，占19%，有中等湿陷性的黄土257组，占52%，有轻微湿陷性的黄土145组，占29%。

总体上，该区域大部分为湿陷性黄土，并且多数为中等湿陷性黄土。

一般来说，含水率、孔隙比与干密度对黄土的湿陷性有较大的影响，现利用软件1stOpt具体分析该区域湿陷系数与三种物理指标间的相关性。

表5为一定深度范围内的，湿陷系数平均值与各物理指标平均值之间的相关性分析，分别列出了一元线性回归方程、二元线性回归方程以及三元线性回归方程。

由表5可以看出，相关系数在0.631~0.886，有较高的可靠性，考虑单方面因素，孔隙比较大的土样湿陷性较大，天然含水率较大的土样湿陷性较小，干密度较大的土样湿陷性较小。

三种物理指标共同作用也对土样的湿陷性产生重要的影响。

3 结论
经过统计分析，得到以下主要结论：
（1）兰州轨道交通所穿越区域覆盖着大量的粉土以及粉质粘土，还有少量的粘土以及粘质粉土。

由西向东，粉土的含水率、天然密度、饱和度的平均值呈增大的趋势；粉质粘土的含水率、天然密度和饱和度的平均值逐渐减小；粉土和粉质粘土的粘聚力变化不大，内摩擦角的平均值逐渐减小；粉土的湿陷系数平均值逐渐减小，粉质粘土的湿陷系数平均值逐渐增大。

（2）各物理力学参数的平均值沿深度方向有明显的变化，密度ρ、天然含水率w、饱和度Sr、内摩擦角φ以及10m深度以内的自重湿陷系数δzs随深度增加而增大；孔隙比e、湿陷系数δs2.0以及深度超过10m范围的自重湿陷系数δzs随深度增加而减小；基本不受深度影响的参数有液限wL、塑限wp以及粘聚力c。

（3）从平均值来看，天然含水率与孔隙比呈负相关，与密度、饱和度呈正相关。

孔隙比与密度、饱和度呈负相关。

天然密度与饱和度、液限与塑限之间有明显的正相关性。

饱和度同时受到天然含水率、孔隙比与天然密度的影响。

（4）兰州城关地区粉土的抗剪强度指标受到孔隙比、塑性指数以及含水率的影响。

孔隙比和含水率两者的综合作用对黄土抗剪强度指标的影响较大，两种参数对粘聚力和内摩擦角影响的相关系数分别达到了0.76和0.923。

（5）含水率、孔隙比与干密度对黄土的湿陷性有较大的影响，考虑单方面因素，孔隙比较大的土样湿陷性较大，天然含水率较大的土样湿陷性较小，干密度较大的土样湿陷性较小。

三种物理指标共同作用也对土样的湿陷性产生重要的影响，回归关系的相关系数达到了0.886。

参考文献
[5] 徐雷云. 土体物理力学参数的数据库开发及其相关性和概率统计分析[D]. 南京: 河海大学, 2006.
[6] 李金瑞. 边坡稳定分析中土体抗剪强度指标的选取[J]. 吉林水利, 2010, (1): 44-45.
[7] 魏匡民,朱晟,石蹈波. 粗粒坝料边坡稳定分析强度指标研究[J]. 岩土力学, 2012, 33(9): 2697-2703.
[8] 张光明. 晋北地区黄土湿陷系数与其物理力学性质的相关性分析[J]. 铁道标准设计, 2016, 60(10): 36-40.
[9] 骆飞,罗强,蒋良潍,等. 土体抗剪强度指标变异水平对边坡稳定安全系数取值的影响[J]. 土木建筑与环境工程, 2015, 37(4): 77-83.
[10] 汪益敏,苏卫国. 土的抗剪强度指标对边坡稳定分析的影响[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2001, 29(1): 22-25.
[11] 朱雪芳,王红肖,王银梅,等. 土体参数对改良黄土边坡变形的影响[J]. 南水北调与水利科技, 2016,14(5): 167-172.。