云南遮放盆地粉質黏土物理力學指標相關性分析

涂春霖，尹林虎，顧亞

(中國地質調查局昆明自然資源綜合調查中心，云南 昆明 650100)

0 引言

軟土地基是建筑和工程活動中經常面對的課題，地基土體的物理與力學指標是進行土體強度計算和基礎設計的必要參數和重要依據（張衛紅，2009；劉勇鍵等，2010；胡家亮等，2019；呂超，2020）。由于沉積環境、地形地貌、氣候條件等差異，不同地區粉質黏土的物理力學性質也各不相同（劉湘元等，2012；徐奮強和曹云，2012；武朝軍，2016；王文韜，2019）。近年來，隨著經濟建設活動的展開，關于地基土物理力學指標的研究得到了廣泛的關注，張先偉等（2011）、王濟生等（2012）、唐軍平等（2018）分別對湛江、大連、佛山等地軟土物理力學指標及其相關性進行了分析，建立了不同地區軟土各物理力學參數之間的經驗公式，取得了較為顯著的成果。

本文以遮放地區粉質黏土為研究對象，在實地調查的基礎上，利用本次項目工作中采集的粉質黏土土工試驗結果，對土層的物理力學指標進行詳細研究，總結了遮放地區粉質黏土的物理力學特征，統計分析各指標的變異性和相關性，對一些重要指標進行一元線性回歸，建立不同指標間的擬合方程，為該區工程設計和建設活動提供一定參考。

1 樣品采集與分析

遮放盆地地處德宏州芒市西南部，為云南著名的“貢米之鄉”，區域上位于龍陵-瑞麗斷裂帶上，為滇西典型的新生代小型山間盆地之一（賀根文，2013），出露地層為新近系芒棒組（N2m）和第四系（Qhal），其中第四系分布在芒市河及龍江兩岸一、二級階地上，主要為沖積形成的粉質黏土、粉土等，局部夾碎石土和砂土，以粉質黏土發育最為廣泛，為區內的主要持力層。

研究區粉質黏土分布于芒市河及龍江兩岸，面積53.2 km2，土體厚度主要為5～10 m，一般不超過20 m。本試驗土樣取自鉆孔和天然露頭，共采集62組樣品，取樣深度一般0～5 m，最深不超過10 m，采樣位置見圖1。鉆孔內土樣用土樣盒采取，天然露頭土樣用環刀采取，樣品送自然資源部昆明礦產資源監督檢測中心進行分析，基本代表了區內粉質黏土特征。

圖1 遮放盆地土體分布及采樣位置圖

2 粉質黏土物理力學特征

根據數理統計理論和《工程地質手冊》相關規定（常士驃和張蘇民，2006），對粉質黏土物理力學指標進行統計分析，重點關注最小值、最大值、平均值、標準差、變異系數等統計值（闕金聲等，2007；蔣建平和羅國煜，2007），結果見表1。

表1 遮放盆地粉質黏土物理力學指標統計結果

從表中可知，該區粉質黏土具有以下特征：

（1）遮放盆地粉質黏土天然含水率W較高，分布范圍在17.4%～50.7%之間，平均31.09%，變異系數0.25，濕度一般為濕-很濕；液限WL范圍28.9%～56%，平均39.55%，變異系數0.19；液性指數IL分布范圍0.05～0.91，平均0.43，變異系數達到0.45，表明各地粉質黏土的天然狀態差別較大，總體以可塑為主，局部為軟塑和硬塑狀態。

（2）區內粉質黏土壓縮性中等，壓縮系數a1-2范圍0.18～0.81 MPa-1，平均0.37 MPa-1，變異系數0.34；壓縮模量Es1-2范圍2.81～9.15 MPa，變異系數0.29；根據規范規定（0.1 MPa-1

（3）區內粉質黏土抗剪強度略高，粘聚力c范圍13.5～38.9 kPa，平均27.97 kPa，變異系數0.24；內摩擦角Φ范圍5.4°～24.9°，平均15.53°，變異系數0.29，變異系數相對較大。

從粉質黏土物理力學指標的變異系數統計值可知：該區粉質黏土的天然密度ρ、干密度ρd、比重Gs、飽和度Sr、塑性指數IP變異系數較小，基本小于0.1，在工程建設中可將這幾個物理指標看作常量（孫峰，2016）；其他物理指標（含水率W、孔隙比eo、液限WL、塑限WP）變異系數在0.2～0.3，變化也不是太大，可根據需要進行取舍。總體來說，力學指標變異系數相對較大，在0.3左右，在工作中應作為變量處理。值得注意的是，液性指數IL變異系數較大，達到0.45，表明該區粉質黏土液性指數IL具有一定的離散性，主要受不同地區土體天然狀態的影響，需重點加以注意。

3 粉質黏土物理力學指標相關性分析

對區內粉質黏土各物理力學指標進行相關性分析，得到各指標間的相關系數（表2），從表中可以看出，在各物理指標之間，天然含水率W與干密度ρd、孔隙比eo、液限WL、塑限WP相關性較高，孔隙比eo與天然密度ρ、干密度ρd、液限WL、塑限WP相關性較高，相關系數均在0.8以上；液限WL和塑限WP的相關系數高達0.99。在力學指標方面，液性指數IL與壓縮系數a1-2、壓縮模量Es1-2、粘聚力c、內摩擦角Φ相關性均較高，相關系數可達0.9以上；各力學指標間也具有良好的相關性。在相關性分析的基礎上，采用一元線性回歸模型（周暉和李勇，2015），對各物理力學指標進行回歸分析，并得到不同指標間的擬合方程（表3～4）。

表2 遮放盆地粉質黏土物理力學指標相關系數統計表

3.1 物理指標間的相關性

土的天然孔隙比和含水量被認為是影響軟土性能的主要宏觀指標（夏銀飛等，2008）。將區內天然含水率W、孔隙比eo與其他物理指標進行一元線性回歸分析，得到相應的擬合方程和相關系數。由表3和圖2可知，W-eo、W-WL、W-Wp具有良好的線性相關關系，相關系數約0.8左右，均呈正相關關系，即隨著含水率的增加，孔隙比、液限、塑限均隨著增大。孔隙比eo與干密度ρd呈負相關關系，相關系數達到0.96，即干密度ρd隨著孔隙比eo的增大而減小，這與粉質黏土的實際情況是相符的。需要注意的是，含水率W和孔隙比eo與液性指數IL、塑性指數IP相關性均較小，相關系數0.22～0.36之間。另外，液限WL與塑限WP具有高度的線性相關關系，相關系數0.98以上，而液性指數IL、塑性指數IP之間基本不相關，相關系數小于0.1。

圖2 遮放盆地粉質黏土典型物理力學指標擬合關系曲線

表3 物理指標間的相關性統計表

3.2 物理指標與力學指標間的相關性

建立土的力學指標和物理指標之間的經驗關系，在工程上具有重要的現實意義（蔣建平和羅國煜，2007）。由表4和圖2可知，液性指數IL與壓縮系數a1-2呈正相關關系，與壓縮模量Es1-2、內摩擦角Φ呈負相關關系，相關系數分別為0.839、0.936、0.851，均高度相關，與粘聚力c呈負相關關系，相關系數0.69，即隨著粉質黏土液限指數IL的增加，其壓縮系數增大，壓縮模量和內摩擦角、粘聚力均呈減小的趨勢，反映了該區粉質黏土的天然狀態與其力學性質高度相關，在需要時可根據液性指數IL估算出各力學指標的大小。

表4 物理力學指標間的相關性統計表

天然含水率W和孔隙比eo與各力學指標相關性均較低，與粘聚力c 相關性最小，甚至不到0.2，說明該區粉質黏土力學性質受到多種因素的綜合影響。另外，各力學指標之間均具有一定的線性相關關系，尤其壓縮模量Es1-2與壓縮系數a1-2、內摩擦角Φ高度相關，相關系數大于0.85。值得注意的是，粘聚力c 與其他物理力學指標相關性均不高，與液性指數IL相關性也僅0.69，在工作中應作為變量處理。

4 結論

（1）遮放盆地粉質黏土分布廣泛，為區內主要的持力層，具有天然含水率較高、壓縮性中等、抗剪強度略高的特征。

（2）該區粉質黏土物理指標變異性相對較小，其中天然密度ρ、干密度ρd、比重Gs、飽和度Sr、塑性指數IP可作為常量；力學指標變異系數相對較大。該區粉質黏土液性指數IL具有一定的離散性，變異系數達0.45，表明在不同地區土的天然狀態差別較大。

（3）通過相關性分析和一元線性回歸分析，發現WP-WL、ρd-eo高度相關，天然含水率W與孔隙比eo、液限WL、塑限Wp也具有良好的線性相關關系，液性指數IL、塑性指數IP之間基本不相關。

（4）液性指數IL與壓縮系數a1-2、壓縮模量Es1-2、內摩擦角Φ均高度相關，可根據需要用液性指數IL估算各力學指標的大小，各力學指標之間均具有一定的線性相關關系，但粘聚力c與其他物理力學指標相關性均不高。