力學(xué)本科地鐵地基黏土物理力學(xué)參數(shù)試驗

　　本篇力學(xué)本科畢業(yè)論通過分析,這些相關(guān)關(guān)系式總的來說較為可靠,它們是根據(jù)南京地鐵南北1號線施工區(qū)的地基黏土測試值統(tǒng)計出來的,比較適合于南京地區(qū),特別是適合于南京地鐵后續(xù)幾條線路建設(shè)的工程區(qū)�！�力學(xué)學(xué)報》是力學(xué)學(xué)科的綜合性學(xué)術(shù)刊物。主要刊載：在理論上、方法上以及對國民經(jīng)濟建設(shè)方面，具有創(chuàng)造性的力學(xué)理論、實驗和應(yīng)用研究論文，綜述性的專題論文以及研究簡報，學(xué)術(shù)討論等，讀者對象主要為從事力學(xué)工作的科研人員、高等院校師生以及工程技術(shù)人員。

　　摘　要:通過大量的土工試驗,對南京地鐵地基黏土物理力學(xué)參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系,特別是黏聚力、壓縮模量、液性指數(shù)等與含水量、密度、孔隙比、標(biāo)貫擊數(shù)等的相關(guān)關(guān)系進行 研究 ,并給出相應(yīng)的數(shù)學(xué)回歸方程式和相關(guān)系數(shù)。結(jié)果表明:南京地鐵地基黏土的密度、孔隙比、壓縮模量、壓縮系數(shù)、液性指數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等物理力學(xué)參數(shù)與黏土含水量之間的線性相關(guān)程度好,相關(guān)系數(shù)達0.928以上,平均為0.9757;黏土的壓縮模量、黏聚力、導(dǎo)熱系數(shù)隨黏土的密度增大而增大,壓縮系數(shù)隨黏土的密度增大而減小,且這4個參數(shù)與密度的線性相關(guān)程度很好,相關(guān)系數(shù)達0.93以上,平均為0.9535;壓縮模量、黏聚力、液性指數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等與孔隙比的線性相關(guān)程度也較好,相關(guān)系數(shù)達0.89以上,平均為0.941835;孔隙比、壓縮系數(shù)、液性指數(shù)、內(nèi)摩擦角、黏聚力、壓縮模量、導(dǎo)熱系數(shù)、標(biāo)貫擊數(shù)的線性相關(guān)程度很好,相關(guān)系數(shù)達0.947以上,平均為0.97353。

　　關(guān)鍵詞:黏土;地基;物理力學(xué)參數(shù);相關(guān)關(guān)系;地下鐵路;試驗

　　土體地基及其地基土物理力學(xué)參數(shù)是土木工程、道路和橋梁工程的重要研究 內(nèi)容 [1-9]。 目前 國內(nèi)的學(xué)者在鐵路地基土物理力學(xué)參數(shù)方面也進行了較多的研究,取得了重要成果[10-16]。作者結(jié)合南京地鐵南北線一期工程,對詳細勘察鉆探孔中的土體樣品進行了大量土工試驗,并對勘察單位提交的大量試驗資料進行了綜合 分析 [17],發(fā)現(xiàn)長江下游地區(qū)黏土的物理力學(xué)參數(shù)之間,特別是天然含水量、密度、孔隙比、標(biāo)貫擊數(shù)與黏聚力、壓縮模量、壓縮系數(shù)、液性指數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等之間有著密切的關(guān)系。Www.133229.COM本文主要采用回歸 方法 探討它們之間的這種相關(guān)關(guān)系。

　　1　南京地鐵地基土基本情況

　　南京市位于長江下游,為長江河谷的一部分,屬低山丘陵區(qū),三面環(huán)山,一面瀕水,呈圈椅狀地形。市區(qū)地貌可分為3個單元:構(gòu)造剝蝕殘丘、盆地(其最大基巖埋深43m)、秦淮河淤積平原。地鐵南北線一期工程自小行至邁皋橋,其中有3段坐落在丘陵地貌單元上,另有2段坐落在古河道沖積平原之上�；鶐r埋深一般在35~40m。地層層序如表1所示[1]。

　　在整個南北線一期工程詳細勘察階段共鉆孔708個,進尺共16035m。鉆探過程中,進行標(biāo)貫測試前都要取鉆孔土芯樣(共取原狀土樣3775件),進行一般土工試驗(含熱物理試驗188組),現(xiàn)場標(biāo)貫試驗共1732點次。對黏土物理力學(xué)參數(shù)的測定都是按層進行的,并統(tǒng)計得出每層的平均值。用來對南京地鐵地基黏土物理力學(xué)參數(shù)間相關(guān)關(guān)系進行回歸分析的數(shù)據(jù)點在硬黏土層ⅱ1、軟黏土層ⅱ2、硬黏土層ⅲ1、軟黏土層ⅲ2和硬黏土層ⅳ1,針對熱物理參數(shù)測試的數(shù)據(jù)點在軟黏土層ⅱ2、硬黏土層ⅲ1、軟黏土層ⅲ2和硬黏土層ⅳ1。因為研究區(qū)的5個黏土層為砂層所隔,所以盡管它們都屬于黏土,但仍有一定的差異,如軟硬方面就有明顯的區(qū)別。因此,每一層用統(tǒng)計平均值進行回歸分析,有利于反映這5層黏土物理力學(xué)參數(shù)變化的概貌或總貌。此方法的可靠度或精度將在后面的綜合分析中討論。

　　2 黏土物理力學(xué)參數(shù)相關(guān)性分析

　　2.1 黏土物理力學(xué)參數(shù)與天然含水量之間的相關(guān)關(guān)系

　　圖1為南京地鐵地基黏土物理力學(xué)參數(shù),包括密度、孔隙比、壓縮模量、壓縮系數(shù)、液性指數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等與含水量的關(guān)系圖。圖中黑點為對數(shù)據(jù)點試驗的測試結(jié)果,直線為各數(shù)據(jù)點測試結(jié)果的線性回歸方程線。表2為以上各物理力學(xué)參數(shù)與含水量的線性回歸方程式及相關(guān)系數(shù)。

　　從圖1、表2可看出,南京地鐵地基黏土的密度、孔隙比、壓縮模量、壓縮系數(shù)、液性指數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等物理力學(xué)參數(shù)與黏土含水量有密切的聯(lián)系,他們之間的線性相關(guān)程度很好,相關(guān)系數(shù)r在0.928以上,平均為0.9757。

　　2.2 黏土物理力學(xué)參數(shù)與密度之間的相關(guān)關(guān)系

　　從圖2可以看出,南京地鐵地基黏土的壓縮模量、黏聚力、導(dǎo)熱系數(shù)隨密度的增大而增大,壓縮系數(shù)隨密度的增大而減小。4個參數(shù)與密度的線性相關(guān)程度很好,相關(guān)系數(shù)r在0.93以上,平均為0.9535(見表3)。

　　2.3 黏土物理力學(xué)參數(shù)與孔隙比之間的相關(guān)關(guān)系

　　如圖3所示,南京地鐵地基黏土孔隙比對壓縮模量、黏聚力、液性指數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等有顯著 影響 。隨著孔隙比的增大,液性指數(shù)增大;而壓縮模量、黏聚力、導(dǎo)熱系數(shù)則相應(yīng)減少。4個參數(shù)與孔隙比的線性相關(guān)程度也較好,相關(guān)系數(shù)r在0.89以上,平均為0.941835(見表4)。

　　2.4 黏土物理力學(xué)參數(shù)與標(biāo)貫擊數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系

　　由圖4所示,南京地鐵地基黏土的孔隙比、壓縮系數(shù)、液性指數(shù)隨標(biāo)貫擊數(shù)的增大而減小;內(nèi)摩擦角、黏聚力、壓縮模量、導(dǎo)熱系數(shù)隨標(biāo)貫擊數(shù)的增大而增大。7個參數(shù)與標(biāo)貫的線性相關(guān)程度很好,相關(guān)系數(shù)r在0.947以上,平均為0.97353(見表5)。

　　3 綜合 分析

　　3.1 回歸關(guān)系式和 理論 關(guān)系式的比較

　　以天然孔隙比、天然孔密度與天然含水量的關(guān)系為例,進行回歸關(guān)系式與理論關(guān)系式的比較。首先看天然孔隙比與天然含水量的相關(guān)關(guān)系。根據(jù)土的孔隙比與含水量指標(biāo)之間的換算關(guān)系:

　　南京地鐵工程區(qū)黏土sr,gs的變異性較小,它們的值分別取sr=96%,gs=2.75,代入(1)式得

　　e=0.02865w (2)

　　公式(2)即為天然孔隙比與天然含水量之間的理論關(guān)系式,它和表1中孔隙比—含水量回歸關(guān)系式e=-0.00239+0.02874w很接近,從圖5(a)中可發(fā)現(xiàn)回歸曲線和理論曲線幾乎重合。證明表2中天然孔隙比—天然含水量回歸關(guān)系式是可靠的。

　　下面再看天然密度與天然含水量的相關(guān)關(guān)系。土體密度與含水量的理論關(guān)系式為式中:

　　ρ為土體的天然密度,g·cm-3;ρs為土粒的密度,g·cm-3;ρw為土中水的密度,g·cm-3;e為土體的天然孔隙比;w為土體的天然含水量,%;sr為土體的飽和度,%,取值為96%;gs為土粒比重,取值為2.75。

　　由圖5(b)所示,回歸關(guān)系曲線與式(3)的理論曲線接近,說明表2中的天然密度與天然含水量的回歸關(guān)系式ρ=2.31369-0.01286w是較為可靠的。

　　3.2 研究 區(qū)黏土回歸關(guān)系式和別處的比較

　　基于作者所能找到的有關(guān)黏土物理力學(xué)參數(shù)間相關(guān)關(guān)系的 文獻 ( 目前 這方面的文獻很少)及作者在長江下游蘇通大橋工程區(qū)所做的一些研究,對南京地鐵工程區(qū)黏土物理力學(xué)參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系與國內(nèi)別處的情況進行比較。

　　圖6(a)為南京黏土與蘇通、合肥[3]、山東[4]、新疆[8]等地黏土的孔隙比—含水量回歸關(guān)系曲線的比較圖。從圖上可看出,5條曲線很一致,僅含水量的幅值有明顯區(qū)別。除山東的有少許偏離外,南京與蘇通、新疆、合肥的基本上是重合的。這說明研究區(qū)即南京地鐵工程區(qū)黏土孔隙比與含水量的回歸關(guān)系式是可靠的。

　　南京與蘇通黏土的液性指數(shù)—孔隙比關(guān)系曲線也較為一致,如圖6(b)所示。由圖6(c)所示,對南京、蘇通、三峽巴東3地[9]黏土黏聚力—密度的回歸關(guān)系曲線比較表明,三地的黏土黏聚力—密度的回歸關(guān)系曲線有明顯區(qū)別,南京的介于蘇通的和巴東的之間。

　　3.3 綜合討論

　　由前面的物理力學(xué)參數(shù)間相關(guān)關(guān)系的分析可看出:南京地鐵工程區(qū)黏土同時存在21對較好的回歸關(guān)系式,這帶有一定的區(qū)域性特點。由于國內(nèi)外不同地區(qū)黏土所處環(huán)境、成因、成分及固結(jié) 歷史 不完全相同,因此,不能保證這些相關(guān)關(guān)系式在國內(nèi)外其他地區(qū)的都完全適用,但可供 參考 和借鑒。同時,不同地區(qū)黏土物理力學(xué)參數(shù)間相關(guān)關(guān)系式的異同可為黏土物理力學(xué)性質(zhì)內(nèi)在本質(zhì)的研究打下基礎(chǔ)。

　　4 結(jié)　論

　　(1)黏土的天然含水量、密度等參數(shù)易于量測,通過建立和運用它們的數(shù)學(xué)回歸關(guān)系式來確定黏土的其它物理力學(xué)參數(shù)值,不失為一個簡單而適用的 方法 。

　　(2)南京地鐵地基黏土的密度、孔隙比、壓縮模量、壓縮系數(shù)、液性指數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等物理力學(xué)參數(shù)與黏土含水量之間的線性相關(guān)程度很好,相關(guān)系數(shù)r在0.928以上,平均為0.9757。

　　(3)南京地鐵地基黏土的壓縮模量、黏聚力、導(dǎo)熱系數(shù)隨密度的增大而增大,壓縮系數(shù)隨密度的增大而減小。這4個參數(shù)與密度的線性相關(guān)程度很好,相關(guān)系數(shù)r在0.93以上,平均為0.9535。

　　(4)壓縮模量、黏聚力、液性指數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等與孔隙比的線性相關(guān)程度也較好,相關(guān)系數(shù)r在0.89以上,平均為0.941835。

　　(5)孔隙比、壓縮系數(shù)、液性指數(shù)、內(nèi)摩擦角、黏聚力、壓縮模量、導(dǎo)熱系數(shù)與標(biāo)貫的線性相關(guān)程度很好,相關(guān)系數(shù)r在0.947以上,平均為0.97353。

　　(6)研究區(qū)黏土的21對較好的相關(guān)關(guān)系式是根據(jù)南京地鐵施工區(qū)的測試值統(tǒng)計出來的,比較適合于南京地區(qū),特別是南京地鐵后幾條線路的工程區(qū)。由于不同地區(qū)黏土的成因、成分及固結(jié)歷史不完全相同,因此,不能保證這些相關(guān)關(guān)系式在國內(nèi)外其他地區(qū)的都完全適用,但可提供參考和借鑒。

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