某高速公路黃土濕陷敏感性分析

高 峰

濕陷性黃土區路基濕陷一直是困擾我國道路工程建設的一個重要問題,也是工程地質和巖土工程界較關心的問題。目前我國高等級公路發展迅速,黃土地區的高速公路建設也取得了很大成就,同時,也存在許多問題亟待解決。黃土地區公路遇到的主要病害就是黃土的濕陷性,因此對公路沿線地區黃土濕陷性進行正確評價,就顯得非常重要。本文通過對室內外試驗數據成果的分析,用數理統計方法和Q型聚類方法,系統研究了不同深度黃土濕陷系數隨天然含水量、干密度和超塑含水量等變化規律。對該區內濕陷性黃土的濕陷性狀進行較深入、細致的研究。不僅理論上具有一定意義,而且具有重要的工程實踐意義,研究的成果可以用來指導該區以后的工程勘察和工程設計。

1 工程和試驗概況

1)地形地貌條件。區內地形東高西低、山丘相間分布。山脈走向多呈北東—南西向。地貌類型以坡洪積扇裙為主,間有丘陵地貌及河谷平原地貌,不良地質現象不發育,區域構造較發育。

3)氣象水文條件。該區屬半干旱大陸性氣候帶,夏季炎熱,冬季寒冷,風沙干旱,雨量很少。多年平均降水量400 mm～500 mm,約有70%集中在6月～8月。年平均氣溫7.1℃～8.3℃。

4)試驗方法比選。黃土的濕陷性判定,是在現場采取原狀土樣,然后在室內通過壓縮儀,在一定壓力下進行浸水壓縮試驗,求出濕陷系數δs。室內濕陷性試驗方法,根據壓縮曲線的數量可分為單壓縮曲線法和雙壓縮曲線法兩種。這兩種方法通常被簡稱為單線法和雙線法。依據圖1可知,兩種方法測定的濕陷系數的差值,最大為0.006,最小為0,一般為0.003左右。由于本文按深度取樣,對于單線法的試驗樣品比較多,而雙線法需要試樣少。故本文在試驗數據測定時采用雙線法。

2 黃土濕陷系數與物性指標間的關系

2.1 物性參數的選取

依據室內試驗結果,將討論不同物性指標對黃土濕陷性的影響。選取典型數據進行各因素對濕陷系數多重相關分析,分析結果見表1。由表1可知,各因素對濕陷系數的影響都很顯著,其中天然含水量、塑限和干密度對濕陷系數的影響最為顯著,本文就以它們為代表,詳細分析了該地區黃土濕陷性。

表1 濕陷系數與各因素多重相關分析表

2.2 濕陷系數與天然含水量的關系

黃土的天然含水量對黃土的濕陷性有顯著的影響,根據試驗結果,作不同深度下 δs—w0關系的回歸分析,進而評價含水量與濕陷系數的關系。各深度下的濕陷系數與含水量的回歸方程見表2。

表2 不同深度 δs—w0回歸方程

從表2可知:1)黃土的濕陷系數δs隨深度的增加而減小。2)天然含水量w0與黃土的濕陷系數δs呈直線負相關關系,即隨著天然含水量w0的增加,黃土的濕陷系數δs明顯降低。3)當天然含水量w0達到某一值時,濕陷系數 δs將降低到小于0.015,即不具濕陷性。因此可以把δs=0.015時所對應的含水量wt定義為濕陷終止含水量。而該試驗研究所得濕陷終止含水量wt的范圍最大為26.0%,最小為23.3%。

2.3 濕陷系數與超塑含水量關系

從式(1)中可見,濕陷系數隨著超塑含水量增大而減小。超塑含水量的變化范圍為-15.1%～7.8%,濕陷系數變化范圍為0.003～0.072,濕陷等級從輕微濕陷到強烈濕陷,也可從超塑含水量來分析濕陷等級和進行試驗數據與成果驗證。

2.4 濕陷系數與干密度的關系

黃土的骨架和孔隙的相互關系是引起黃土產生濕陷的原因之一,因此能反映出土粒排列的密實程度也能側面反映出黃土的微觀結構的密度指標ρd對黃土的濕陷性起著一定的制約作用。

通過t法顯著性檢驗和Q型聚類分析,不同深度下濕陷系數與干密度的關系也可進行綜合分析,散點圖見圖2。

一元線性回歸方程式為:

從圖2和式(2)中可見,一元線性回歸效果非常顯著,濕陷系數隨著干密度增大而減小。干密度的變化范圍為1.09 g/cm3～1.63 g/cm3,濕陷系數變化范圍為0.003～0.072,濕陷程度從輕微濕陷到強烈濕陷,可從干密度角度來分析濕陷強烈程度。

2.5 濕陷系數與諸因素綜合分析

通過利用t法和Q型聚類討論看出天然含水量、超塑含水量和干密度對濕陷系數都有較好的相關性和顯著性。現將天然含水量或超塑含水量和干密度與濕陷系數綜合分析,進行多元線性回歸分析,置信度取0.99。綜合回歸方程如表 3所示。

表3 諸因素綜合分析回歸方程

從表3可見,對式(A),式(B)進行各因素對濕陷性貢獻率分析,計算出標準化回歸系數分別為天然含水量w0=0.150 1,超塑含水量w0-wp=0.412 6,干密度ρd=0.409 9。方程顯著性檢驗皆非常顯著,可將其作為該地區濕陷強烈程度劃分依據和工程設計參考。

3 方程檢驗和應用

為了驗證所得經驗方程的實用性和使用價值,取本區內另外兩個控制勘探孔的試驗數據進行對比分析和檢驗。

通過分析發現,濕陷系數 δs由式(1),式(2)和式(B)理論值與實測值接近些,說明選擇超塑含水量作為因素分析更符合實際,優越于有天然含水量參與的經驗方程。整體看來,按超塑含水量和干密度綜合分析的經驗式(B)計算誤差更小,可進行實際應用和作為劃分標準、分類依據。

4 結語

1)通過雙重相關分析,得出該地區黃土的天然含水量、塑限和干密度對濕陷性影響最為顯著。并引入超塑含水量作為影響因素進行統計。2)應用數理統計分析得出濕陷系數與天然含水量、超塑含水量和干密度關系,利用貢獻率分析可見,各因素對該地區黃土濕陷性影響大小為:超塑含水量＞干密度＞天然含水量。3)應用數理統計分析得出濕陷系數與超塑含水量和干密度的綜合關系,用其來反映該地區黃土濕陷性較符合實際,并給出了該地區的經驗公式:δs=-0.001 7(w0-wp)-0.040 8ρd+0.087 8。

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