黃土標貫擊數與物理力學參數相關性及微觀機制分析

榮譽, 倪萬魁, 聶永鵬, 任思遠, 陳家樂, 拓文鑫

(長安大學地質工程與測繪學院, 西安 710061)

在建筑、道路等工程中,地基土的物理力學參數對工程建設起著至關重要的作用[1]。其通常是通過土工試驗對于原狀土進行測試獲得。但是采取原狀樣費時費力,且對土的結構有擾動,在某些地層獲得原狀樣更是非常困難。而原位測試可以在工程場地進行測試,該過程不需要取樣,而且具有快速、經濟的優點,因此原位測試受到越來越高的重視。

標貫試驗依據國家和行業標準可劃分砂土密實度等[2],標貫試驗的其他應用也有學者進行了探索,涉及砂土、粉土、黏土、殘積土、軟土、紅黏土、黃土等[3-13]。如劉鵬[3]等研究發現昆明市南市區泥炭質土的標貫擊數與單一物理力學參數相關性不明顯,而與液限、孔隙比呈現很好的多元線性相關性,并給出相關關系式;Asem等[4]研究美國伊利諾斯州的軟弱泥巖,建立了標貫擊數與無側限抗壓強度、變形模量的關系式;楊瑤池等[5]經研究昆明市呈貢新區紅黏土,建立了標貫擊數與孔隙比的相關關系式;張立麗[6]總結前人有關用標貫擊數預測砂土、黏土剪切強度的研究,引入黏聚力的影響因素粉粒含量k,得到預測抗剪強度的公式;宋國文等[7]發現許昌市粉土的標貫擊數與壓縮模量、黏聚力、內摩擦角、塑性指數有較強的正相關性,與壓縮系數、孔隙比、液性指數有較強的負相關性;李鑫[8]經研究表明山西的砂黃土、粉黃土和黏黃土的標貫擊數與含水率、平均粒徑、干密度、塑性指數、錐尖阻力線性相關性較好,與剪切波速呈現冪函數的相關關系;張青波[9]研究軟土發現,軟土的標貫擊數與壓縮模量、液限、黏聚力、內摩擦角有很好的線性相關性;陳法波等[10]建立了關于福建平潭地區風化花崗巖地基的標貫擊數與承載力特征值、變形模量的線性相關關系式,發現也可利用旁壓試驗預測;劉欣良[11]等歸納分析了多個工程中標貫試驗和靜力觸探試驗的數據,建立了標貫擊數與錐尖阻力的正相關關系式,其中擬合的直線斜率與土的粒徑成反比關系,與小顆粒含量成正比關系;張長飛[12]研究建立了關于晉江地區花崗巖殘積土的標貫擊數與壓縮模量、黏聚力、內摩擦角的線性相關經驗公式;李志平[13]發現尾礦砂取樣擾動大,于是建立了尾礦砂在不同含水率條件下抗剪強度與標貫擊數的關系式。

根據上述文獻分析,目前對于標貫擊數與物理力學參數的相關性研究都集中在東部和南部的砂土、粉土、黏土、軟土和紅黏土中,但是對于中國西北部黃土的探索還較少。而且研究的參數種類較少,一般僅給出一元相關關系式,沒有試驗驗證。然而土的力學性質受多個參數共同影響,因此借助origin軟件對標貫擊數與多個物理力學參數進行多元擬合,驗證結果的合理性。同時黃土的宏觀力學性質還受其微結構影響。葉萬軍等[14]通過掃描電鏡發現增濕-減濕循環改變了土體的孔隙和結構,進而導致黃土的強度和承載力降低。因此本研究運用掃描電鏡進行定性分析。但是隨著對科研的繼續深入,定性分析逐漸不能滿足學者的要求。本研究引入PCAS圖像處理軟件對不同次數的標貫擊數對結構產生的影響定量分析,這使得研究結果更加具像。

綜上所述,為了補充西安市黃土塬區利用標貫擊數預測土的物理力學參數的方法,利用西安市長安塬區原狀黃土試樣,進行室內一般土工試驗[2],并結合規劃區的原位測試資料,統計數據,借助Excel和origin軟件進行一元和多元擬合分析,初步建立了物理力學參數和標貫擊數N的關系。通過電鏡掃描試驗并結合PCAS圖像處理軟件對土樣進行定性定量分析,驗證結果的合理性。研究結論可為該地區土的物理力學參數的確定提供參考,節約成本、提高工作效率。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

取樣的位置在西安市長安區,場地位于潏河左岸,屬于一級黃土臺塬地貌單元。該場區位于渭河斷陷盆地中段,西安凹陷和驪山凸起的過渡地帶。依據《巖土工程勘察規范》進行標準貫入試驗[2],得到土層情況,如表1所示。原位試驗數據選用取土點附近的原位測試孔,并按桿長對標貫擊數進行修正[2]。

表1 土層情況Table 1 Soil strata

1.2 土工試驗

依據《巖土工程勘察規范》對兩個鉆孔的原狀黃土樣品,每隔0.5 m進行土工試驗[2],包括烘干法、環刀法、液塑限聯合測定法、雙線法壓縮試驗、固結快剪試驗。

1.3 電鏡掃描試驗

黃土的孔隙和結構特征影響著黃土的強度和承載力,標準貫入試驗也反映了黃土的強度和承載力。因此希望通過電鏡掃描試驗從微觀角度證明相關關系的合理性。首先根據圖像對孔隙的顆粒形態、接觸關系、孔隙類型、膠結程度進行定性分析;再利用PCAS軟件[15]對圖像二值化,其中孔隙為白色區域,土顆粒為黑色區域。計算圖像中白色區域的幾何形態數據,然后統計面孔隙率、概率熵、分型維數等參數,將微觀定量參數與標貫擊數進行一元相關性分析。

2 結果與分析

2.1 標貫擊數與物理力學參數相關性分析

將標貫試驗與土工試驗的數據進行統計分析,得到試樣的物理力學參數與標貫擊數的關系曲線,如圖1所示。

圖1 土的物理力學參數與標貫擊數的關系曲線Fig.1 Relation curve between soil physical and mechanical parameters and SPT blow count

標貫擊數與黃土的干密度、液限、黏聚力和內摩擦角呈正相關,與含水率、孔隙比和壓縮系數呈負相關,標貫擊數與每個物理力學參數都具有很好的線性相關性;標貫擊數與濕陷系數呈負相關,線性相關性良好,可以用標貫擊數預測地基土的上述參數。

黃土遇水強度大幅度降低,水又起到潤滑作用,所以隨著含水率的升高,標貫擊數相應的減小;干密度和孔隙比影響土的密實度,相同堆積體積下,干密度越大,孔隙比變越小,土體更密實,所以標貫擊數變大;貫入器的內外壁都與土體緊密接觸,內摩擦角越大,貫入器受到的側摩阻力越大,標貫擊數也因此增加;土的膠結程度提高,分子吸引力變大,貫入器更難分開土體,說明黏聚力與標貫擊數成正相關;液限是土的流動與塑性狀態的含水率分界點,液限越大,土很難達到流動態,強度也升高,因此液限與標貫擊數成正比;貫入器會豎向和側向擠壓土體,壓縮系數變大,土的壓縮性變大,則標貫擊數減小。

2.2 微觀結構分析

2.2.1 微觀結構定性分析

通常從顆粒形態、接觸關系、孔隙類型、膠結程度分析黃土的微觀結構。它們相互關聯,因此被廣泛使用[14,16]。通過電鏡掃描試驗,得到了土的微觀結構圖像,如圖2所示。

圖2 微觀圖像Fig.2 Microscopic images

L1和L2的骨架顆粒主要是礦物碎屑,以點接觸為主,架空孔隙,支架大孔微膠結結構。L3的骨架顆粒主要是外包黏土和礦物碎屑,以面接觸為主,凝塊膠結結構,凝塊架空孔隙。S1和S2的顆粒主要是團聚體和凝塊狀顆粒,鑲嵌-分散接觸,以凝塊架空孔隙、凝塊膠結結構為主。S2的生物成壤作用強烈,有許多棒狀方解石,導致強度低于S1。

結合標貫擊數發現,孔隙的類型、接觸方式和膠結類型影響土的結構強度,孔隙越多越大、點接觸越多、膠結程度越低,導致土體強度越低,因此標貫擊數減小。

2.2.2 微觀結構定量分析

對土的標貫擊數與微觀參數統計分析,得到微觀參數與標貫擊數的關系曲線,如圖3所示。

圖3 土的微觀參數與標貫擊數的關系曲線Fig.3 Relation curve between soil micro-parameters and SPT blow counts

由圖3可知,面孔隙率、平均孔隙面積、平均長度與標貫擊數呈現很好的負相關性。說明孔隙越多越大,標貫擊數越小;平均形狀系數是表示孔隙輪廓的參數,平均形狀系數越大, 孔隙的輪廓越圓潤,土越密實[17]。概率熵是表示孔隙排列混亂程度的參數[17-18],概率熵越大,孔隙排列越混亂,土越疏松[19];孔隙分形維數是判斷孔隙形狀復雜程度的參數[19]。孔隙分形維數越大,土顆粒越難聚成團粒,孔隙越聚集。圖3還顯示,平均形狀系數與標貫擊數成正比關系,概率熵和分形維數與標貫擊數成反比關系,線性相關性均良好。說明孔隙越多越大、輪廓越不規則、排列越混亂、形狀越復雜,即孔隙越發育,標貫擊數越小。

3 討論

以上為單參數分析,但黃土的力學性質是多個物理參數綜合作用的結果,需要對多個物理參數進行耦合分析。標準貫入試驗是獲得地基承載力的常用方法,同時根據含水率、孔隙比、液限應用規范表格法也可獲得地基承載力[20]。因此設想標貫擊數與上述物理參數也具有良好的相關性,對其進行多元擬合分析,結果如圖4(a),擬合結果表明標貫擊數與液限、孔隙比、含水率有明顯的相關性;含水率和孔隙比是黃土的重要物理參數,由圖4(b)發現,孔隙比、含水率和標貫擊數呈現較強的相關性,說明可以用標貫擊數表示黃土的力學性質;由圖4(c)發現,孔隙比、含水率和濕陷系數有很好的相關性,可以用含水率和孔隙比預測濕陷系數。而且標貫擊數與孔隙比、含水率明顯具有相關性,也表明濕陷系數與標貫擊數相關性良好。但濕陷系數的擬合結果與其他參數的相比,R2僅為0.809 5。分析認為,黃土的濕陷性受孔隙比、含水率和液限共同影響[21],其中含水率與濕陷系數成反比關系。含水率與標貫擊數也成反比關系,說明含水率對濕陷系數和標貫擊數的影響相同。但是標貫擊數與濕陷系數成反比關系,因此二者的擬合結果R2僅為0.809 5。

圖4 多元參數的相關性Fig.4 Correlation of multivariate parameters

土的含水率、液限、濕陷系數、干密度與孔隙比關系密切[22-23],當孔隙比降低,則含水率和濕陷系數降低,液限和干密度升高。土的力學指標與孔隙的發育程度有關[24-25],孔隙越發育,土的結構強度越低,這時結構的宏觀力學性質顯示為壓縮系數變大,黏聚力和內摩擦角變小。通過對土的微觀結構分析發現,標貫擊數與孔隙的特征相關,孔隙越多越大、點接觸和架空孔隙越多、膠結程度越弱、形態越復雜、排列越混亂,即孔隙越發育,導致標貫擊數越小,從而驗證了標貫擊數與上述參數較好的相關性。

綜上所述,得出的關系式可以用來預測西安市黃土的物理力學參數。土的物理力學參數對工程建設有重要作用,通過土工試驗確定土的物理力學參數,不僅費時費力,而且誤差偏大。但標貫試驗是原位試驗,儀器組裝和操作簡單、成本低、適用性廣,不僅能快速預測土的物理力學參數,還可獲取土樣并劃分地層,提高了勘察效率,節約了成本。本文提出的經驗公式補充了西安市用標貫擊數預測黃土物理力學參數的方法,為西安黃土塬區巖土工程勘察提供參考。

4 結論

對西安長安黃土塬區地基土進行了土工試驗和標貫試驗,將數據進行一元和多元擬合分析,獲得了多個物理力學參數與標貫擊數的關系;利用掃描電鏡及PCAS圖像處理方法對上述關系進行了微觀討論,得到以下結論。

(1)西安黃土塬地基土的標貫擊數與干密度、液限、黏聚力、內摩擦角成正比,與含水率、孔隙比、壓縮系數成反比,線性相關性均很好;標貫擊數與濕陷系數成反比,線性相關性良好,可以用標貫擊數預測地基土的上述參數。

(2)通過對黃土的微觀結構進行定性定量分析,發現標貫擊數與孔隙發育程度有明顯的相關性,進一步驗證了經驗公式的合理性。

(3)通過對標貫擊數與多個物理力學參數的多元相關性分析,發現標貫擊數與液限、孔隙比和含水率有很好的相關性,也驗證了一元經驗公式的合理性。