廣州南沙軟土的工程性質(zhì)與微結(jié)構(gòu)定量化研究

劉勇

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

廣州南沙軟土的工程性質(zhì)與微結(jié)構(gòu)定量化研究

劉勇

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

分析和總結(jié)了廣州南沙軟土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，采用數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)據(jù)回歸方法，建立了各指標(biāo)與天然孔隙比、含水量之間的回歸方程，通過分析微結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得了分維特征，對于認(rèn)識軟土的工程性質(zhì)具有重要的意義。

軟土，工程性質(zhì)，回歸方程，微結(jié)構(gòu)，分維特征

0 引言

南沙位于廣州市南端，地處北江、西江下游濱海河網(wǎng)區(qū)，瀕臨珠江口伶仃洋，為珠江三角洲沖積平原的前沿地帶。在長期的河流沖積和海潮進(jìn)退的動力作用下，該地區(qū)沉積了深厚的海陸交互相軟土，屬于第四紀(jì)沉積物，地下水埋藏淺，土層豎向結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有獨特的工程性質(zhì)。

軟土存在一定區(qū)域特性，不同地區(qū)軟土由于其沉積環(huán)境的差異而具有不同的成分、微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其工程性質(zhì)千差萬別，很難做到以一概十，因此有必要對一定區(qū)域軟土的工程性質(zhì)展開研究。

1 南沙軟土的工程性質(zhì)與數(shù)理統(tǒng)計分析

1.1 工程性質(zhì)

巖土性質(zhì)指標(biāo)是其參數(shù)取值和可靠度分析的基礎(chǔ)，也是確定各項分項系數(shù)的主要參數(shù)之一。南沙地區(qū)軟土主要由淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥夾薄層粉細(xì)砂等組成，對800多個原狀軟土樣的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計和分析(見表1)，具有如下特征:1)天然含水量高。液性指數(shù)大于1.0，大多在1.5～2.0之間，流塑狀態(tài)。2)天然密度小、孔隙比大、飽和度高。3)垂直滲透性差。軟土垂直滲透系數(shù)為10－6cm/s～10－8cm/s，在荷載作用下固結(jié)速率慢，強(qiáng)度不能在短時間內(nèi)提高。由于夾薄層粉細(xì)砂，水平滲透系數(shù)與垂直方向有明顯差別，平均為10－4cm/s～10－5cm/s。4)壓縮性大。天然孔隙比大說明孔隙體積大，也就決定壓縮性大，屬于高壓縮性土，實際工程中表現(xiàn)為沉降量大。5)抗剪強(qiáng)度低，其值隨著土層深度的增加而略有提高。6)抗壓強(qiáng)度低，如果不進(jìn)行地基加固，一般很難滿足工程需要。7)結(jié)構(gòu)性中等。一般為蜂窩狀、絮狀結(jié)構(gòu)，受到擾動強(qiáng)度明顯降低，靈敏度一般為1.5～5.0，結(jié)構(gòu)性是軟土的一個重要特性，對工程性質(zhì)有較大影響［1］，施工過程中應(yīng)避免過大擾動。

1.2 軟土物理力學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計關(guān)系

由于軟土具有區(qū)域性特點，各地區(qū)土的工程性質(zhì)存在一定差異，土體成分、結(jié)構(gòu)特征、力學(xué)狀態(tài)及環(huán)境荷載的不同，造成參數(shù)具有不確定性，使得土的物理力學(xué)指標(biāo)間相關(guān)性沒有一個既定的標(biāo)準(zhǔn)。

研究表明，土物理力學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計特性大多服從于正態(tài)分布［2］。數(shù)理統(tǒng)計和多元統(tǒng)計分析的理論及方法大多是以變量為正態(tài)分布的前提，通過數(shù)理統(tǒng)計方法分析土的性質(zhì)參數(shù)可以得到較好的結(jié)果。

根據(jù)軟土的變形機(jī)理，影響工程性質(zhì)主要指標(biāo)是天然孔隙比和含水量。利用數(shù)理統(tǒng)計方法，對800多個軟土樣的物理力學(xué)指標(biāo)與天然孔隙比、含水量進(jìn)行統(tǒng)計分析，選擇式(1)～式(4)一元線性、非線性回歸方程，以剩余均方差最小為最佳擬合，并對其進(jìn)行顯著性檢驗，得到軟土參數(shù)回歸方程如圖1和表2所示(由于篇幅關(guān)系，僅列出部分參數(shù)曲線圖)。

表1 軟土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計

圖1 ω，e與軟土物理力學(xué)指標(biāo)的關(guān)系曲線

檢驗時，假設(shè)統(tǒng)計量F=R2(n－k－1)/［(1－R2)k］，其中，n為樣本容量;k為變量數(shù);F為服從F(1，n－2)的分布;α=0.01。通過查詢F分布表可知，F(xiàn)0.99(1，n－2)=6.66～6.76，則統(tǒng)計量F＞F0.99(1，n－2)，回歸方程是顯著的。

從表2的統(tǒng)計關(guān)系可以看出:R和F越大，相關(guān)性就越好。統(tǒng)計分析以孔隙比和含水量為因變量，以其他參數(shù)為自變量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明:含水量和孔隙比之間有較好的線性相關(guān)性;含水量、孔隙比分別與干密度、天然密度、壓縮系數(shù)、壓縮模量間有較好的冪函數(shù)關(guān)系;與液限、塑限、塑性指數(shù)之間存在較好的線性關(guān)系。

表2 軟土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計關(guān)系

2 南沙軟土的微結(jié)構(gòu)定量化研究

2.1 軟土的微結(jié)構(gòu)特征

土的力學(xué)性質(zhì)具有復(fù)雜的非線性特征，定量研究其微結(jié)構(gòu)與宏觀特性的關(guān)系特別重要。Terzaghi(1925)首次提出土微結(jié)構(gòu)的概念，微結(jié)構(gòu)研究的內(nèi)容主要包括固體物相的種類、數(shù)量、相對大小、空間分布及孔隙結(jié)構(gòu)等［3］。

軟土微結(jié)構(gòu)研究通過液氮真空冷凍法制樣、掃描電鏡獲取微結(jié)構(gòu)放大圖像(SEM圖像)、微結(jié)構(gòu)圖像二值化處理，提取其微結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括孔隙率、孔隙面積、孔隙直徑、孔隙周長、孔隙形態(tài)比、孔隙圓度等參數(shù)。這些微結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量化指標(biāo)主要反映微結(jié)構(gòu)單元體、孔隙形態(tài)和幾何學(xué)特征，從不同角度反映土的微結(jié)構(gòu)特征。

南沙軟土具有含水量高和孔隙比大的特征，對軟土天然狀態(tài)下的微結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行對比和歸類，主要為兩種典型結(jié)構(gòu)(如圖2所示)。

圖2 軟土的微結(jié)構(gòu)類型

1)蜂窩狀結(jié)構(gòu)。在連續(xù)沉積或堆積情況下，形成一種多孔、似蜂窩狀的結(jié)構(gòu)體，顆粒間以面—面接觸關(guān)系為主，天然結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率高。

2)絮狀結(jié)構(gòu)。由黏粒集合體組成的結(jié)構(gòu)形式，黏粒間主要以邊—邊、面—邊的接觸方式形成絮狀集合體，粉粒散布在集合體周邊，孔隙率大，分布于集合體間。

根據(jù)軟土SEM圖像中孔隙的變化規(guī)律，將孔隙大小分為微孔隙(＜0.08 μm)、小孔隙(0.08 μm～0.2 μm)和中孔隙(＞0.2 μm)，相應(yīng)的孔隙大小分布結(jié)果如表3所示。

表3 軟土的孔隙特征

從表3看出，軟土孔隙率較大(59%～68%)，以小孔隙為主(約50%)，只有少量中孔隙，少有大于10 μm的大孔隙，說明孔隙分布均勻性一般。大量土顆粒為邊—面的接觸方式，顆?；騿卧g形成大量小孔隙，構(gòu)成較松散的蜂窩狀骨架。軟土這一特殊的結(jié)構(gòu)形式，使其形成的骨架呈柔性，穩(wěn)定性較差，在一定壓力下表現(xiàn)出壓縮性大、強(qiáng)度低的特性。

表4 軟土微結(jié)構(gòu)參數(shù)分維值

2.2 軟土微結(jié)構(gòu)的分維特征

以孔隙為例，采用Sandbox法計算土體孔隙分布分維Dbd的方法:在L×L區(qū)域中有多個孔隙，以邊長為ε的正方形網(wǎng)格將圖像進(jìn)行分割，所得的正交網(wǎng)格中含有孔隙網(wǎng)格總數(shù)為N(ε)，如果改變正方形邊長ε的大小，使其從小到大在一定范圍變化，如ε1，ε2，…，εn，則會得到相應(yīng)的序列值N(ε1)，N(ε2)，…，N(εn)。將這些對應(yīng)的數(shù)據(jù)繪于對數(shù)坐標(biāo)系中，可得到lnN(ε)—lnε的關(guān)系曲線，如果曲線存在線性關(guān)系，則表明孔隙分布具有分維特征，對應(yīng)的孔隙分布分維值為:

其中，N(ε)為網(wǎng)格單元邊長為ε時劃分網(wǎng)格中含有孔隙的網(wǎng)格總數(shù);K為對數(shù)坐標(biāo)系中l(wèi)nN(ε)—lnε關(guān)系線性部分的斜率，即為分維值。土體顆粒分布分維算法與此相同。

顆粒分維反映其相對大小狀況，其值越大，說明顆粒大小差異性越大，反映顆粒的不均勻性;顆粒定向分維則反映顆粒的定向程度，其值越大，說明土體的定向性越差，顆粒的排列越混亂。土體孔隙分維與顆粒分維類似。根據(jù)分維計算方法對SEM圖像處理所得到的數(shù)據(jù)，繪制相應(yīng)的土樣lnN(ε)—lnε關(guān)系見圖3。

按照線性回歸的方法，計算不同土樣微結(jié)構(gòu)參數(shù)分維值，見表4，可以看出具有較顯著的無標(biāo)度區(qū)，lnN(ε)—lnε具有良好的線性關(guān)系(相關(guān)系數(shù)R2=0.917～0.941)，因而具有典型的分維結(jié)構(gòu)特征。

從以上分析可以得到:軟土微結(jié)構(gòu)參數(shù)具有較明顯的分維特征。土體微結(jié)構(gòu)參數(shù)分維值在理論和實踐方面具有明顯的意義，它從形態(tài)學(xué)角度確定了土的微觀形態(tài)定量結(jié)構(gòu)模式判別標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此可對土的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行量化研究，解釋土體在不同受力狀態(tài)下力學(xué)性質(zhì)變化的內(nèi)在原因，從而達(dá)到對分析土體微結(jié)構(gòu)所制約的主要工程性質(zhì)進(jìn)行量化研究的目的。

圖3 軟土微結(jié)構(gòu)分維lnN（ε）—lnε關(guān)系圖

3 結(jié)語

以廣州南沙軟土為研究對象，開展土工試驗和微結(jié)構(gòu)研究，以含水量和孔隙比為因變量，以其他指標(biāo)為自變量，通過數(shù)據(jù)回歸方法分析各指標(biāo)的相關(guān)性，得到相應(yīng)的回歸方程，具有較好的相關(guān)性?；诜志S理論，分析軟土孔隙和顆粒的分維特征，揭示分維值與軟土微結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，探討軟土的工程性質(zhì)與微結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，對該地區(qū)工程建設(shè)提供一定的參考意義。

［1］Leroueil S，Vaughan P R.The general and congruent effects of structure in nature soil and weak rock［J］.Geotechnical，1990，40(3):467-488.

［2］松尾稔.地基工程學(xué)可靠性設(shè)計的理論與實際［M］.北京:人民交通出版社，1990:39-84.

［3］胡瑞林.粘性土微結(jié)構(gòu)定量模型及其工程地質(zhì)特征研究［M］.北京:地質(zhì)出版社，1995.

Quantitative analysis of engineering property and microstructure of soft soil in Nansha of Guangzhou

Liu Yong
(Shanghai Municipal Engineering Design Institute(Group)Co.，Ltd，Shanghai 200092，China)

Based on the analysis of physical and mechanical indexes of soft soil，the relationship between physical mechanical indexes and natural void ratio，water content are studied and the regression equation are established.The fractal characteristic is acquired by analyzing the microstructural parameters，which is important in understanding the engineering characteristics of soft soil.

soft soil，engineering property，regression equation，microstructure，fractal characteristic

TU447

:A

1009-6825(2016)36-0084-03

2016-10-17

劉 勇(1984-)，男，工程師