北京粉質粘土層土性參數(shù)概率特性

卜凡杰 李小勇

摘要：北京地區(qū)的主要土層為粉質粘土，文章根據(jù)北京地鐵8號線等工程的勘察資料，對北京地區(qū)的粉質粘土層土性參數(shù)概率特性進行了分析研究，歸納總結了土性參數(shù)的變異性及其概率分布模型，并得出了部分物理力學性能的經(jīng)驗公式以供工程參考。

關鍵詞：粉質粘土；土性參數(shù)；變異系數(shù)；概率模型

中圖分類號：TU442 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）03-0157-02

可靠性理論始創(chuàng)于第二次世界大戰(zhàn)期間，在戰(zhàn)后才得到了完善與發(fā)展，并且在許多工程領域內得到了應用，取得了顯著的成效。20世紀70年代后期，我國的巖土工程方面的可靠性研究才剛剛開始，但是發(fā)展速度快，本文主要研究的是北京地區(qū)的粉質粘土層的參數(shù)性質，并進行相應的分析比較統(tǒng)計，得出適用于工程實際的參考經(jīng)驗公式。

一、土層形成歷史和野外地質特征

北京地區(qū)位于華北平原北部邊緣，北部、西部為山區(qū)，屬于燕山和太行山余脈，大地構造位置處于新華夏、陰山緯向和祁呂～賀蘭山字型東翼三個構造體系的交匯部位，新華夏系第二沉降帶與第三隆起帶之間。其中新華夏構造體系活動性強，控制著北京地區(qū)地質構造的基本格局、地貌基本形態(tài)和地震活動。第四紀以來，新華夏構造體系仍在繼續(xù)活動，是主要發(fā)震的地震構造體系。北京新華夏構造體系處于太行隆起帶與華北沉降帶交匯部位的北端，活動斷裂較為發(fā)育，其中北東向和北西向斷裂是構成北京地區(qū)構造格局的兩組主要斷裂，控制著北京山區(qū)和平原第四紀的構造輪廓。北西向斷裂活動幅度較大，對沉積物的分布有明顯的控制作用。

在第三紀，北京平原已形成“兩隆一凹”的構造格局。以八寶山—高麗營斷裂和南苑—通縣斷裂為界，北京平原劃分為京西隆起、北京凹陷和大興隆起三個構造單元。

第四紀以來，新構造格局由“兩隆一凹”變?yōu)椤皟砂家宦　薄Ｔ氨本┌枷荨甭∑穑c大興隆起形成一個塊體，沿著良鄉(xiāng)—順義斷裂向南傾斜。原“京西隆起”因北京西山抬升和八寶山斷裂以南地塊隆起，形成了凹陷區(qū)，以北東向與北西向斷裂為界線。

北京地區(qū)的土層特點是：大部分地區(qū)土層均勻分布，個別地區(qū)有雜質夾層。通過工程資料統(tǒng)計總結，得出了北京地區(qū)野外地質特征是：土層主要是第四紀沉積土，地下水位適中，上層雜填土呈褐黃色，稍濕，土質成分為粉土及粘性土；粉土，褐黃色，稍濕，土質不均，局部夾粉質粘土薄層，偶見灰色條紋；主要土層為粉質粘土，黃褐色，可塑，含云母片氧化鐵，偶見有機質，土質不均，局部分布粉土薄層；砂礫土，褐黃色部分黃褐色，稍濕，密實，顆粒成份主要為石英、長石，含云母片，偶見圓礫及個別卵石。

二、土性參數(shù)變異性

經(jīng)過大自然的地質構造變遷，巖土的土層土性也表現(xiàn)出了很大的差異性。土層土性參數(shù)的變異性原因主要包含兩個方面：一是土體本身的原因，主要是土體本身的不均勻性。二是取土技術上的原因。取土方式方法，土體的運輸、儲存，試驗設備及技術方法的差別。

我們引用變異系數(shù)來表示土層土性參數(shù)的變異性，它既能反映出實驗方法對實驗結果的影響，也能反映出所抽取土樣的特征特性的變異，能夠對于所研究的土性參數(shù)整體水平有一個綜合良好的反映。

根據(jù)北京地鐵8號線工程場地的巖土工程勘察和實驗資料，對北京地區(qū)第四紀沉積土中粉質粘土的天然含水量w，天然密度ρ，塑性指數(shù)IP，孔隙比e等4個物理指標和內摩擦角ψq、、粘聚力Cq、壓縮指數(shù)Cc、壓縮系數(shù)α1-2等4個力學指標的均值范圍及變異系數(shù)范圍進行統(tǒng)計分析得出下列兩個統(tǒng)計表格：

通過以上的統(tǒng)計分析，可以歸納總結以下幾個結論：

1．在北京地區(qū)，土層各項物理指標和力學指標的均值范圍變化較小。這表示北京土層整體均勻分布，在北京地區(qū)工程勘察設計中，通過對局部區(qū)域粉質粘土層的分析研究，推廣并指導全北京市范圍內的巖土工程勘察設計，研究很具有代表性和可行性。

2．對比分析上列表中的變異系數(shù)范圍的變化趨勢可知，上層粉質粘土層土性參數(shù)變異性較大，其主要影響因素是：土體表層直接受天氣氣候條件的影響、地下水位的變化影響、人類生產(chǎn)活動影響等。

3．北京地區(qū)的“兩凹一隆”地區(qū)的土性參數(shù)的變異系數(shù)變化規(guī)律范圍值基本一致。

4．順義凹陷地帶的土性參數(shù)的變異系數(shù)比其他兩個地帶的變異系數(shù)大，這主要是因為順義凹陷是北京西山抬升和八寶山斷裂以南地塊隆起所致。

5．因為土層的密度的變異系數(shù)很小，所以在用概率方法計算變形和穩(wěn)定時，不需要考慮密度和重度的影響。而天然含水量、孔隙比的變異性比較明顯，所以在土層分析和研究中一般要考慮。

6．壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)的變異系數(shù)范圍值較大，所以在估計建筑物的沉降量時會產(chǎn)生一定的偶然誤差，因此在進行沉降預測時，應該考慮壓縮指數(shù)和壓縮系數(shù)的變異系數(shù)對工程的影響。

三、設計參數(shù)的概率分布模型

在對巖土工程的估測失效概率、可靠性分析時，為了更深入地對土體設計參數(shù)概率分布進行研究，本文引用了大家能夠直觀了解的正態(tài)分布模型，另外正態(tài)分布模型也易于用數(shù)學公式處理數(shù)據(jù)。通過大量的實驗和研究證明，巖土中的土體設計參數(shù)概率分布不是所有都屬于正態(tài)分布的。即便k2檢驗說明正態(tài)分布與經(jīng)驗分布沒有較大的差異，但是他們的分布范圍是不同的。設計參數(shù)的經(jīng)驗分布一般是在有限的范圍內，不會得到負值，但正態(tài)分布一般是在-∞～+∞的范圍內。

β分布表示的是土體的一定范圍內的分布，而且對于很多的設計參數(shù)都適應。本文的研究結果表明：用β分布對土層的壓縮模量、直剪抗剪強度指標進行分析是很理想的。研究結果表3：

四、物理力學指標間的經(jīng)驗關系

在巖土工程中，經(jīng)驗公式對土性參數(shù)的設計和分析應用比較廣泛，而且能夠定量地描述若干土性指標間的關系，也可以用來估測土層的設計參數(shù)。在分析土體的力學指標和物理指標的相關性時，應根據(jù)不同的土體結構進行不同的參數(shù)選取，例如飽和粉質粘土中的土體孔隙中含有的水分是影響其力學指標的主要因素；對于不連續(xù)的介質來說，孔隙率的大小是影響其物理指標的主要因素。即當土體處于完全飽和狀態(tài)，顆粒的比重G是個常數(shù)時，e和w具有線性相關性，服從e=wG的關系。

五、結論

該文系統(tǒng)地介紹了土體物理指標與力學指標間的相關性，歸納總結了其變異性規(guī)律，并得出了相應的經(jīng)驗關系式，通過回歸性分析和相關性分析的檢驗，說明了得出的經(jīng)驗公式具有一定的實際使用價值，對工程勘察、場地選址的可行性研究具有一定的參考價值。但是，土的各種特性與土的形成歷史、礦物成分、顆粒組成等因素有關，該文中經(jīng)驗關系只是北京地區(qū)一些勘察資料的統(tǒng)計分析結果，因此可推廣到北京部分地區(qū)使用，其他地區(qū)可借此作為參考。

參考文獻

[1]高大釗．土力學可靠性原理[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1989.

[2]李小勇．太原粉質粘土工程性質指標的概率統(tǒng)計特征

[D]．太原理工大學碩士學位論文，1999.

[3]李小勇．土工參數(shù)空間概率特性及軟粘土地基固結概率分析[D]．浙江大學博士學位論文，2001.

[4]李小勇．太原粉質粘土工程性質指標概率特征的分析和研究[J]．太原理工大學學報，2000，（3）.

（責任編輯：文森）