城市軌道交通巖土工程勘察的巖土參數取值方法

摘要：城市軌道交通勘察要求提供的巖土參數較多，統計數據龐大。文章結合工程上常用的規范方法，探討如何快速剔除不合理數據，篩選出能夠反映巖土體特征的可靠試驗數據，為設計工作提供依據。

關鍵詞：城市軌道；工程勘察；巖土參數；參數統計；樣本值；變異系數

中圖分類號：U231 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）31-0096-03

1 概述

隨著經濟的發展，城市交通壓力越來越大，很多城市開始進行城市軌道交通規劃和建設。軌道交通施工工法多，且大部分為地下工程，地質條件及勘察成果對工程設計和施工的影響大。軌道交通工程要求提供的巖土物理力學參數項目多、涵蓋面廣，且工程勘察又分不同階段、分不同的施工工法進行。面對如此多的參數，如何能夠快速提取可靠的巖土參數是決定勘察工作質量的一個重要因素。雖然有不少學者對可靠性分析在巖土工程中的應用進行了卓有成效的研究，提出了很多參數統計的方法，然而復雜的可靠性設計目前在常規巖土工程勘察實踐中卻難以推廣。廣大巖土工程師們還是采用《巖土工程勘察規范（2009版）》（GB50021-2001）中推薦的傳統巖土參數分析方法。然而，面對龐大的試驗數據，如何快速地剔除錯誤數據，保留能充分體現巖土物理力學性質的參數及其他參數，是擺在巖土工作者面前的一個問題。

2 城市軌道交通巖土工程勘察需提供的巖土指標

在城市軌道交通勘察要求深度范圍內主要地層為第四系全新統人工填土層（Q4ml）、第四系全新統沖洪積層（Q4al+pl）、上更新統沖洪積層（Q3al+pl）及中更新統沖洪積層（Q2al+pl），以黏性土、粉土、砂土和碎石類土為主。勘察報告中要求提供巖土物理特性指標、力學指標，還應提供巖土的抗震特性指標及水文地質參數等。

巖土的物理特性指標主要有：巖土的重力密度ρ、土粒的相對密度Gs、天然含水量W、天然重度γ、天然孔隙比e，對粘性土和粉土尚應測定土的液限WL、塑限Wp，液性指數IL、塑性指數IP，土的顆粒級配等。

巖土的力學指標主要有：粘聚力c、內摩擦角φ、無側限抗壓強度qu及土的靈敏度St、巖土層承載力特征值fak、樁側阻力特征值qsa、樁端阻力特征值qpa等。

巖土的變形指標主要有：壓縮系數a、壓縮模量Es、剪切模量G、前期固結壓力pc、壓縮指數Cc、回彈指數Cs、泊松比μ、彈性模量E、巖土基床系數（Kv、K）、靜止側壓力系數K0。

巖土水文地質參數有：水平、豎直滲透系數（Kv、Kh）、水位埋深、承壓水頭高度、基坑涌水量估算等。

巖土動力學特性指標有：場地巖土層的剪切波速、場地特征周期、土層電阻率。

巖土導熱特性指標有：導熱系數λ、導溫系數u以及比熱容C。

3 巖土參數的統計方法

按照《巖土工程勘察規范（2009版）》（GB50021-2001）的參數統計要求：

（1）應按場地的工程地質單元和層位分別

統計。

（2）應按下列公式計算平均值、標準差和變異系數：

式中：

——巖土參數的平均值

——巖土參數的標準差

——巖土參數的變異系數

（3）分析數據的分布情況并說明數據的取舍標準。

（4）巖土參數的標準值：

式中：

——統計修正系數

式中正負號按不利組合考慮，如抗剪強度指標的修正系數應取負值。統計修正系數也可按巖土工程的類型和重要性、參數的變異性和統計數據的個數，根據經驗選用。

4 巖土參數的分析和選定

巖土參數的分析選用，應充分考慮取樣、試驗操作等因素影響，根據場區地層沉積規律劃分地層，對于土層測試、試驗指標，分析舍去明顯不合理數據后，采用算術平均值、最大值、最小值、變異系數等可靠的數理統計學指標，以獲取準確的巖土設計參數。

巖土參數的取舍應充分考慮各個指標的相關性，不能盲目一刀切，剔除一個數據，就把該土樣的所有數據都剔除，也不能完全靠照變異系數來控制，而是要充分分析各指標間的相互關系，并且結合地區工程經驗，最終使得到的巖土參數更趨向于真值，能真實反映巖土層的物理力學狀態，為設計和施工提供可靠的參數，見圖1：

4.1 土性剔除

如果地層的劃分足夠準確，按照土的分類可進行整樣剔除，如黏性土和粉土按IP指標進行剔除，砂類土按顆分試驗指標進行剔除。如果按土性剔除的數據相對過多，就應考慮地層劃分的準確性，重新分層，然后重新統計參數指標。

4.2 三倍標準差剔除

設巖土參數被建模為隨機變量X，X服從正態分布，均值為μ。三倍標準差是基于這樣一個事實而得，即X的任意值落在區間[μ-3σ，μ+3σ]的概率為99.73%。三倍標準差法不僅對具有大量樣本值的統計參數行之有效，而且對有限樣本值的統計參數也方便使用，并且現在很多巖土勘察軟件都能提供該功能，易于實現。

4.3 人為相關剔除

有的巖土工作者在進行參數統計時，經常一組樣子中一個參數異常就把整組樣子的參數剔除，這樣容易使一些指標的正常值被誤剔除，使樣本的數量減少，而降低了統計的可靠性。人為進行剔除，就是要克服這種簡單剔除的缺點。當一組樣子試驗的參數有一個或者幾個異常值被剔除時，其他的指標要根據與被剔除參數的相互關系選擇剔除或者保留。WL、Wp、Ip和IL，c和φ，a和Es，前期固結壓力pc、壓縮指數Cc和回彈指數Cs，泊松比μ和靜止側壓力系數K0等都是一組指標，如果統計，在剔除時應成對剔除。天然含水量W、天然重度γ、孔隙比e是一組關聯數據，統計時出現異常，就要看本樣品能否代表該層的實際值，只要不是夾層或者透鏡體，就可以參加統計。

4.4 小頻率剔除

在執行完三倍標準差剔除及人為相關剔除后，還應統一分析各個指標的參數值，剔除對工程有利的小頻率值，然后再執行人為相關剔除。

4.5 變異系數控制

巖土參數的標準差可以作為參數離散性的尺度，但由于標準差是有量綱指標，不能用于不同參數離散性的比較，因此，規范引入了變異系數δ的概念。在正確劃分地質單元和標準試驗方法的條件下，變異系數反映了巖土指標固有的變異性特征。因此，在用δ來控制剔除指標時，可以根據地區的變異系數經驗值作為標準來參考剔除，然而目前國內對這方面的研究還比較少，文獻[1]收集了近年來國內外關于土性參數的變異性研究的相關文獻，并將它們的結果匯總成表，可以作為參數統計工作中變異系數選取的一個參考。

當遇到剔除數據時δ始終很大，應該綜合分析指標參數，可能是指標樣本數太少導致或是場地地層的不均勻性導致數據離散性較大，也可能是地層的劃分不準確，這時要考慮是否應重新劃分地層。

5 巖土物理力學參數參考值

依據某地區城市軌道交通勘察的原始資料，結合地區以往的工程經驗，對地層進行合理劃分后，按照上述巖土參數分析方法對巖土參數進行統計，得出了主要地層巖土物理力學參數參考值（見表1），為今后的勘察設計工作提供參考。

6 結語

目前在巖土工程勘察中面對龐大的試驗數據，巖土工作者還是普遍采用巖土勘察規范中推薦的方法進行統計，進行統計時：首先，按土的性質整樣剔除；然后，按三倍標準差剔除；在剔除數據中都要考慮指標的相關性，相關參數成組剔除；再次，結合工程實際情況進行小概率剔除；最后，通過控制變異系數來控制參數的離散度。總之，在進行巖土參數的剔除時，既要考慮數據的統計，又要結合工程經驗進行合理剔除。

參考文獻

[1] 張繼周，繆林昌，劉峰.巖土參數的不確定性及其統計方法[J].巖土力學，2008，（S1）.

[2] 中華人民共和國建設部.巖土工程勘察規范（2009版）（GB50021-2001）[S].

[3] 中華人民共和國建設部.城市軌道交通巖土工程勘察規范（GB50307-2012）[S].

[4] 黃戡，彭建國，劉寶琛，等.數理統計在確定巖土參數標準值中的應用研究[J].2010，35（3）：62-64.

[5] 張征，劉淑春.巖土參數的變異性及其評價方法[J].巖土工程學報，1995，（6）.

[6] 鄧建，李夕兵，古德生.巖石力學參數概率分布的信息熵推斷[J].巖石力學與工程學報，2004，23（13）：2177-2181.

[7] 蘇永華，何滿潮，孫曉明.大子樣巖土隨機參數統計方法[J].巖土工程學報，2001，23（1）：117-119.

作者簡介：劉柱（1985-），男，河北深州人，鐵道第三勘察設計院集團有限公司助理工程師，碩士，研究方向：地質工程。

（責任編輯：葉小堅）