巖土工程勘察中巖土參數統計取值的分析

蘇 彥

(天津市市政工程設計研究院)

1 引言

巖土參數統計分析與取值是巖土工程勘察內業工作的重要的一個環節，是對原位測試和室內試驗的數據進行分析和處理，提供設計和施工所需要的參數，其是巖土工程勘察分析評價的重要依據。在一般工程的勘察中，抗剪強度和液性指數是最重要的巖土參數之一。但由于取樣的擾動、試驗條件的不同以及土層的不均勻等，會導致其按照規范規定的方法進行統計時，計算得到的變異系數較大，會讓別人產生分層不合理、土層不均勻等錯覺。

2 抗剪強度指標的統計

巖土的抗剪強度指標是十分重要的設計參數，廣泛地應用于邊坡和地基的穩定計算、土壓力計算和地基承載力計算?？辜魪姸戎笜说娜≈祵こ痰陌踩c經濟起控制性的作用，歷來受到巖土工程界的重視，各種技術標準對抗剪強度指標的統計分析作了許多規定，提出了各種不完全相同的方法。

抗剪強度指標包括黏聚力c和內摩擦角，是摩爾-庫倫強度包絡線的兩個參數，由同一試驗求得。如對n組土樣，每組切取4個試樣，每個試樣在不同的周圍壓力σ(三軸試驗)或不同的豎直壓力p(直剪試驗)下剪切至破壞，得到相應的抗剪強度τ。

在一般進行統計分析時，是對每組4個試樣的抗剪強度值用作圖法或統計的方法求得每組的黏聚力c和內摩擦角，然后分別對n個黏聚力c和n個內摩擦角數據計算平均值和標準差。

采用上述計算方法進行統計分析時，黏聚力c的變異系數一般會比內摩擦角的變異系數大很多，但是根據天津市地方標準《巖土工程技術規范》規定，黏聚力c的變異系數應小于0.3，內摩擦角的變異系數應小于0.2，但在實際統計中，特別是在粉質黏土或混砂粉質黏土層中，由于土樣局部粉粒或砂粒的存在，經常出現的情況是，黏聚力c和內摩擦角這兩個指標中有一個指標的變異系數能夠滿足天津地方規范的要求，但另一個指標的變異系數會超出很多，由于黏聚力c和內摩擦角為同一試驗所得，故需要對同一組的兩個數據同時進行剔除，通常需要剔除大量的數據才能同時使兩個指標同時能滿足要求，很多不屬于異常范圍的數據也會被剔除掉，同時導致統計子樣大量減少，這樣統計得到的標準值無疑已經缺少了大量的統計子樣保證，同時對于所做的大量剪力試驗也是一種無形中的浪費。

在抗剪強度試驗中，實測的誤差反映在畫強度包絡線時，有些點偏離太大，可能是因為試驗密度有差異，或剪切面上夾砂，就應剔除這些試驗點，一旦給出了c和的數值，在分別統計c和時發現某些指標的離散性比較大，這時再剔除指標就不應該了，同時，客觀上c和的變異性本來就是不一樣的，黏聚力c的變異性遠大于內摩擦角，此時更不能再采用上述的數據處理原則來剔除統計結果的數據。

鑒于此筆者推薦另一種計算方法，此種計算方法是先將相同應力條件下的抗剪強度值τ求平均值和標準值。

然后再用作圖法分別畫出其平均值和標準值的的摩爾-庫倫包絡線，求得黏聚力c和內摩擦角的平均值和標準值。

由于相同應力條件下的抗剪強度值τ為試驗所得直接指標，而黏聚力c和內摩擦角為通過計算所得間接指標，通過對直接指標的統計無疑比對間接指標的統計更合理，并經過多個場地試驗數據的對比分析，采用后者的統計方法進行統計，其異常數據數量明顯小于前者，這無疑給統計指標提供了足夠的字樣保證。

3 液性指數指標的統計

在土樣常規物理性指標的統計時，經常遇到的情況是，大多數物理性指標的變異系數均較小，但液性指數指標的變異系數卻較大，但是通過現場編錄的反映，其土層是均勻的，并且其原始參數準確可靠，且樣本數均滿足統計要求。仔細分析其原因，發現僅僅是由于其液性指數的平均值較小而產生很高的變異系數，為解決此問題，我們先分析變異系數的特性，見表1所示。

在表1中A列為流塑狀黏性土的土的液性指數;B列為可塑狀黏性土的液性指數;C列為硬塑～堅硬狀態的黏性土的液性指數。對于這三組數據，其數值變化區間都是0.5，但流塑狀黏性土的平均值最大，變異系數最小，硬塑～堅硬狀態的黏性土的平均值最小，變異系數最大，且修正系數自然也出現大的變化。如果按照我們常規的統計方法，以變異系數的大小來判別土層的不均勻性，那么硬塑～堅硬狀態的黏性土是不均勻的，把其劃分為一層是不合理的，但事實情況是硬塑～堅硬狀態的黏性土是非常均勻的。

表1 土層物理性指標統計表

仔細分析以上的試驗，便發現問題在于變異系數的特性上，根據規范規定的公式，變異系數，如果平均值越小或為負值時，則越大或為負值，反之，當平均值越大，則其越小。這樣就很容易出現，即使是非常均勻的一層土，只是由于其參數的分布區間在0的附近，會導致其變異系數非常大。

因此常規的統計方法對硬塑～堅硬狀態的黏性土液性指數的統計是不適用的，應該采用二次統計方法。見表1中所示，土層液限、塑限、含水量、塑性指數的變異系數都很小，而由以上指標計算的液性指數的變異系數卻很大，這顯然是不合理的，應該先對直接指標統計后取標準值，然后在對標準值通過公式，計算的標準值，如表1中計算所示的標準值為0.08，比采用常規方法的標準值0.05要大，其在工程中應用時是偏安全的。

4 結語

我們在工程勘察中面對的巖土體是本身就是很不均勻的天然材料，而取樣方法、試驗方法及其他外界因素的影響，導致了土工試驗的結果往往會比較離散，如何處理和運用數據就非常重要。我們不能怨天尤人，既然我們所面臨的天然材料，比人工材料復雜的多，那么我們就應該采取積極的態度，學習和掌握隨機數學的基本概念和實用的數據處理方法去處理巖土工程的數據，從中總結規律性的認識以指導工程實踐。

[1]巖土工程勘察規范(GB 50021-2001)[S］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

[2]工程地質手冊(第四版)[M］.中國建筑工業出版社，2007.