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1、1南京地铁地基黏土物理力学参数相关性 试验研究摘 要:通过大量的土工试验,对南京地铁地基黏土物理力学参数间的相关关系,特别是黏聚力、压缩模量、液性指数等与含水量、密度、孔隙比、标贯击数等的相关关系进行研究,并给出相应的数学回归方程式和相关系数。结果表明:南京地铁地基黏土的密度、孔隙比、压缩模量、压缩系数、液性指数、导热系数等物理力学参数与黏土含水量之间的线性相关程度好,相关系数达 0.928 以上,平均为 0.9757;黏土的压缩模量、黏聚力、导热系数随黏土的密度增大而增大,压缩系数随黏土的密度增大而减小,且这 4 个参数与密度的线性相关程度很好,相关系数达 0.93 以上,平均为 0.953
2、5;压缩模量、黏聚力、液性指数、导热系数等与孔隙比的线性相关程度也较好,相关系数达 0.89 以上,平均为 0.941835;孔隙比、压缩系数、液性指数、内摩擦角、黏聚力、压缩模量、导热系数、标贯击数的线性相关程度很好,相关系数达 0.947 以上,平均为 0.97353。关键词:黏土;地基;物理力学参数;相关关系;地下铁路;试验土体地基及其地基土物理力学参数是土木工程、道路和桥梁工程的重要研究内容1-9。目前国内的学者在铁路地基土物理力学参数方面也进行了较多的研究,取得了重要成果10-16。作者结合南京地铁南北线一期工程,对详细勘察钻探孔中的土体样品进行了大量土工试验,并对勘察单位提交的大量
3、试验资料进行了综合分析17,发现长江下游地区黏土的物理力学参数之间,特别是天然含水量、密度、孔隙比、标贯击数与黏聚力、压缩模量、压缩系数、液性指数、导热系数等之间有着密切的关系。本文主要采用回归方法探讨它们之间的这种相关关系。21 南京地铁地基土基本情况南京市位于长江下游,为长江河谷的一部分,属低山丘陵区,三面环山,一面濒水,呈圈椅状地形。市区地貌可分为 3 个单元:构造剥蚀残丘、盆地(其最大基岩埋深43m)、秦淮河淤积平原。地铁南北线一期工程自小行至迈皋桥,其中有 3 段坐落在丘陵地貌单元上,另有 2 段坐落在古河道冲积平原之上。基岩埋深一般在3540m。地层层序如表 1 所示1。在整个南北
4、线一期工程详细勘察阶段共钻孔 708 个,进尺共 16035m。钻探过程中,进行标贯测试前都要取钻孔土芯样(共取原状土样 3775 件),进行一般土工试验(含热物理试验 188 组),现场标贯试验共 1732 点次。对黏土物理力学参数的测定都是按层进行的,并统计得出每层的平均值。用来对南京地铁地基黏土物理力学参数间相关关系进行回归分析的数据点在硬黏土层1、软黏土层2、硬黏土层1、软黏土层2 和硬黏土层1,针对热物理参数测试的数据点在软黏土层2、硬黏土层1、软黏土层2 和硬黏土层1。因为研究区的 5 个黏土层为砂层所隔,所以尽管它们都属于黏土,但仍有一定的差异,如软硬方面就有明显的区别。因此,每
5、一层用统计平均值进行回归分析,有利于反映这 5 层黏土物理力学参数变化的概貌或总貌。此方法的可靠度或精度将在后面的综合分析中讨论。2 黏土物理力学参数相关性分析2.1 黏土物理力学参数与天然含水量之间的相关关系图 1 为南京地铁地基黏土物理力学参数,包括密度、孔隙比、压缩模量、压缩系数、液性指数、导热系数等与含水量的关系图。图中黑点为对数据点试验的测试结果,直线为各数据点测试结果的线性回归方程线。表 2 为以上各物理力学参数与含水量的线性回归方程式及相关系数。3从图 1、表 2 可看出,南京地铁地基黏土的密度、孔隙比、压缩模量、压缩系数、液性指数、导热系数等物理力学参数与黏土含水量有密切的联系
6、,他们之间的线性相关程度很好,相关系数 R 在 0.928 以上,平均为 0.9757。2.2 黏土物理力学参数与密度之间的相关关系从图 2 可以看出,南京地铁地基黏土的压缩模量、黏聚力、导热系数随密度的增大而增大,压缩系数随密度的增大而减小。4 个参数与密度的线性相关程度很好,相关系数 R 在 0.93 以上,平均为 0.9535(见表 3)。2.3 黏土物理力学参数与孔隙比之间的相关关系如图 3 所示,南京地铁地基黏土孔隙比对压缩模量、黏聚力、液性指数、导热系数等有显著影响。随着孔隙比的增大,液性指数增大;而压缩模量、黏聚力、导热系数则相应减少。4 个参数与孔隙比的线性相关程度也较好,相关
7、系数 R 在 0.89 以上,平均为 0.941835(见表 4)。2.4 黏土物理力学参数与标贯击数之间的相关关系由图 4 所示,南京地铁地基黏土的孔隙比、压缩系数、液性指数随标贯击数的增大而减小;内摩擦角、黏聚力、压缩模量、导热系数随标贯击数的增大而增大。7 个参数与标贯的线性相关程度很好,相关系数 R 在 0.947 以上,平均为 0.97353(见表 5)。43 综合分析3.1 回归关系式和理论关系式的比较以天然孔隙比、天然孔密度与天然含水量的关系为例,进行回归关系式与理论关系式的比较。首先看天然孔隙比与天然含水量的相关关系。根据土的孔隙比与含水量指标之间的换算关系:南京地铁工程区黏土
8、 Sr,Gs 的变异性较小,它们的值分别取 Sr=96%,Gs=2.75,代入(1)式得 e=0.02865w (2)公式(2)即为天然孔隙比与天然含水量之间的理论关系式,它和表 1 中孔隙比含水量回归关系式 e=-0.00239+0.02874w 很接近,从图 5(a)中可发现回归曲线和理论曲线几乎重合。证明表 2 中天然孔隙比天然含水量回归关系式是可靠的。下面再看天然密度与天然含水量的相关关系。土体密度与含水量的理论关系式为式中: 为土体的天然密度,gcm-3;s 为土粒的密度,gcm-3;w 为土中水的密度,gcm-3;e为土体的天然孔隙比;w 为土体的天然含水量,%;Sr 为土体的饱和
9、度,%,取值为96%;Gs 为土粒比重,取值为 2.75。由图 5(b)所示,回归关系曲线与式(3)的理论曲线接近,说明表 2 中的天然密度与天然含水量的回归关系式 =2.31369-0.01286w 是较为可靠的。3.2 研究区黏土回归关系式和别处的比较5基于作者所能找到的有关黏土物理力学参数间相关关系的文献(目前这方面的文献很少)及作者在长江下游苏通大桥工程区所做的一些研究,对南京地铁工程区黏土物理力学参数间的相关关系与国内别处的情况进行比较。图 6(a)为南京黏土与苏通、合肥3、山东4、新疆8等地黏土的孔隙比含水量回归关系曲线的比较图。从图上可看出,5 条曲线很一致,仅含水量的幅值有明显
10、区别。除山东的有少许偏离外,南京与苏通、新疆、合肥的基本上是重合的。这说明研究区即南京地铁工程区黏土孔隙比与含水量的回归关系式是可靠的。南京与苏通黏土的液性指数孔隙比关系曲线也较为一致,如图 6(b)所示。由图6(c)所示,对南京、苏通、三峡巴东 3 地9黏土黏聚力密度的回归关系曲线比较表明,三地的黏土黏聚力密度的回归关系曲线有明显区别,南京的介于苏通的和巴东的之间。3.3 综合讨论由前面的物理力学参数间相关关系的分析可看出:南京地铁工程区黏土同时存在 21 对较好的回归关系式,这带有一定的区域性特点。通过上述分析可知,这些相关关系式总的来说较为可靠,它们是根据南京地铁南北 1 号线施工区的地
11、基黏土测试值统计出来的,比较适合于南京地区,特别是适合于南京地铁后续几条线路建设的工程区。由于国内外不同地区黏土所处环境、成因、成分及固结历史不完全相同,因此,不能保证这些相关关系式在国内外其他地区的都完全适用,但可供参考和借鉴。同时,不同地区黏土物理力学参数间相关关系式的异同可为黏土物理力学性质内在本质的研究打下基础。64 结 论(1)黏土的天然含水量、密度等参数易于量测,通过建立和运用它们的数学回归关系式来确定黏土的其它物理力学参数值,不失为一个简单而适用的方法。(2)南京地铁地基黏土的密度、孔隙比、压缩模量、压缩系数、液性指数、导热系数等物理力学参数与黏土含水量之间的线性相关程度很好,相
12、关系数 R 在 0.928 以上,平均为 0.9757。(3)南京地铁地基黏土的压缩模量、黏聚力、导热系数随密度的增大而增大,压缩系数随密度的增大而减小。这 4 个参数与密度的线性相关程度很好,相关系数 R在 0.93 以上,平均为 0.9535。(4)压缩模量、黏聚力、液性指数、导热系数等与孔隙比的线性相关程度也较好,相关系数 R 在 0.89 以上,平均为 0.941835。(5)孔隙比、压缩系数、液性指数、内摩擦角、黏聚力、压缩模量、导热系数与标贯的线性相关程度很好,相关系数 R 在 0.947 以上,平均为 0.97353。(6)研究区黏土的 21 对较好的相关关系式是根据南京地铁施工
13、区的测试值统计出来的,比较适合于南京地区,特别是南京地铁后几条线路的工程区。由于不同地区黏土的成因、成分及固结历史不完全相同,因此,不能保证这些相关关系式在国内外其他地区的都完全适用,但可提供参考和借鉴。参考文献1包旭范,高强,周顺华,等.强夯加固软土地基机理的有限元分析J.中国铁道科学,2005,26(2):8- 14.(BAOXufan,GAOQiang,ZHOUShunhua,etal.FiniteElementAnalysisforMechanism onFoundationStabiliza- tionofSoftClaybyDynamicCompactionMethodJ.Chin
14、aRailwayScience,2005,26(2):8- 14.inChinese)2杨永平,魏庆朝,张鲁新,等.青藏铁路多年冻土地区热管路基三维数值分析J.中7国铁道科学,2005,26(2):20-24.(YANGYongping,WEIQingchao,ZHANGLuxin,etal.3DNumericalStudyontheThermos yphonUsedinEm-bankmentsinPermafrostRegionsofQinghai- TibetRailwayJ.ChinaRailwayScience,2005,26(2):20-24.inChinese)3吴礼年,谢巧勤,方
15、玉友.合肥地区粘性土物理力学指标的相关性分析J.水文地质工程质,2002(4):43-(WULinian,XIEQiaoqin,FANGYuyou.CorrelationAnalysisofthePhysical- MechanicalIndexesofCohesiveSoilinHefeiAreaJ.HydrogeologyandEngineeringGeolo gy,2002(4):43-45.inChinese)4孟 毅.饱和软土含水量与孔隙比、承载力回归关系探讨J.西部探矿工程,1997,9(1):8-9.5韩自力,张千里.既有线提速路基动应力分析J.中国铁道科学,2005,26(5)
16、:1-5.(HANZili,ZHANGQianli.DynamicStressAnalysisonSpeed- IncreaseSubgradeofExistingRailwayJ.ChinaRailwayScience,2005,26(5):1- 5.inChinese)6宫全美,徐 勇,周顺华.地铁运行荷载引起的隧道地基土动力响应分析J.中国铁道科学,2005,26(5):47- 51.(GONGQuanmei,XUYong,ZHOUShunhua.DynamicResponseAnalysisofTunnelFo undationbyVehicleVi-brationinMetroJ.ChinaRailwayScience,2005,26(5):47- 51.inChinese)7蒋 鑫,邱延峻,周 成.深厚层软土地基袋装砂井处治的数值模拟J.中国铁道科学,2005,26(1):31- 35.(JIANGXin,QIUYanju
