繆宇，何茂源

(武警黃金第十支隊，昆明 650001)

土體不是一般土層的組合體，而是與工程建筑的穩(wěn)定性、變形程度有關的土層組合體。土體是由厚薄不等、性質各異的若干土層，以特定的層序組合。土體的物理力學性質對工程穩(wěn)定性、區(qū)域地質評價起到重要的作用。2017年以來，武警黃金第十支隊在遮放盆地地區(qū)開展了1∶50 000土體剖面調查和區(qū)域土體點調查，取得了重要的成果。本文以德宏州遮放盆地土體為例，結合土體的物理性質及其承載力的力學性質進行分析，運用多元統(tǒng)計學和相關性分析，總結出一套土體各物理性質及其力學性質的相關性研究，期望對土體研究調查起到淺顯的實際指導意義。

1 研究區(qū)概況

德宏州遮放鎮(zhèn)位于遮放盆地北西方向，行政劃分隸屬于德宏州芒市，區(qū)內路網密集，測區(qū)陸路交通較為便利。杭瑞高速(G56)和國道(G320)呈北東向縱貫測區(qū),與省會昆明及周邊地區(qū)相通；省道(S320)從芒海鎮(zhèn)經遮放鎮(zhèn)、勐約鄉(xiāng)至隴川縣城[1]。遮放盆地位于龍陵-瑞麗斷裂帶上[2]，區(qū)內水系發(fā)育，芒市河貫穿全區(qū)，南西方向龍江穿流而過。區(qū)內主要出露有第四系沖擊層(圖1)，分布于遮放盆地中央，長軸方向與芒市河走向一致，北東-南西向展布，面積約70 km2。土體類型以粒度較細的粉質黏土、粉土及細砂土為主；新近系芒棒組主要位于巖體與第四系土體中間過渡部位，地形上分布于遮放盆地外圍，面積58 km2，土體類型以粒度較粗的粗砂土及碎(卵)石為主[3-4](圖2)。

圖1 遮放盆地巖土體分布圖

遮放盆地土體主要位于盆地河谷區(qū)[5],土體類型主要為碎(卵)石(圖3-a)、中粗砂(圖3-b)、細砂(圖3-c)、粉土(圖3-d)、粉質黏土(圖3-e)、黏土等。土體厚度普遍大于5 m，分布面積12 km2。粉質黏土分布最為廣泛，主要分布于第四系沖擊層中，總面積約60 km2，占盆地河谷區(qū)總面積的46.9%，其平面分布特征是主要沿地形平緩的盆地河谷中心區(qū)域分布(見圖2)；分布次廣的是碎石土，總面積60.99 km2，占盆地河谷區(qū)總面積的40.37%，其平面分布特征是主要沿地形稍緩的盆地邊緣分布；粉土分布面積較小，主要沿地形稍陡的遮放盆地南側山坡腳分布；黏土主要沿盆山結合帶巖溶溝槽分布；細砂主要沿龍江河和芒市河兩岸淺表層及河心灘分布；中砂、粗砂主要淺埋于細砂之下；卵石主要沿龍江河底分布；淤泥主要沿常年積水的池塘零星分布。

圖2 遮放盆地土體類型分布圖

2 土工樣品采集分析及承載力試驗方法

利用便攜式地基承載力檢測-存儲-采集儀對土體承載力進行測試，測試位置與原狀土樣采坑位置一致，采用五點平均法計算該土體承載力等相關力學參數(shù)[6](圖4-a)。

研究區(qū)土工樣品的采集主要采取環(huán)刀法對原狀土樣進行采集[7]，不銹鋼環(huán)刀尺寸(內徑61.8 mm、高20 mm/40 mm)，在200 m2土體范圍內均勻挖掘6個深約30 cm的采坑(圖4-b)，區(qū)域內各采集一個環(huán)刀樣，對土體密度、比重、孔隙比、飽和度、液限和塑限、液限和塑限指數(shù)、壓縮系數(shù)和壓縮模量、垂直滲透系數(shù)等進行分析測試；并用樣袋分別裝取2 kg擾動土樣，對土體顆粒百分比及含水率進行測試[8-9]，周期不超過10 d。分析測試單位：國土資源部昆明礦產資源監(jiān)督檢測中心。土體物理性質分析測試結果見表1。

3 統(tǒng)計學分析

3.1 二元統(tǒng)計學分析

遮放盆地土體承載力見表1，盆地內粉質黏土類分布最廣，因此在承載力試驗個數(shù)中也較多，力試驗數(shù)據采用五點平均法進行計算，并分別計算各類型土體平均承載力，進行二元統(tǒng)計得出二元線性關系圖解(圖5)。根據線性關系圖解可以看出承載力隨著土體顆粒度、骨架顆粒含量、孔隙度的增長而降低，呈明顯的負相關關系；隨著粘粒含量的增加而增大，呈明顯的正相關關系。因此土體的顆粒度大小、骨架顆粒含量、孔隙度、粘粒含量等是制約承載力大小的關鍵因素。但具體各土體物理參數(shù)間的相關性及其與承載力的關系而需進一步進行多元統(tǒng)計學的分析。

承載

(a)碎(卵)石；(b)中粗砂土(含貝殼類包含物)；(c)細砂土；(d)粉土；(e)粉質黏土；(f)粉土與粉質黏土垂直互層圖3 遮放盆地各類型土體宏觀照片

圖4 土體承載力試驗及環(huán)刀法采原狀土樣照片

承載力/kPa粉質黏土粉土淤泥細砂土中粗砂土1455.4298.8249.313177.12445.7219.1269.8117.686.13450.1423.4108.34403.2449.870.95414.9456.880.16269.8372.7113.97368.7219.872.28438.6219.29442.0161.110414.911284.312332.213275.914287.015325.016217.617287.4平均承載力/kPa359.57313.41259.5599.1481.60

圖5 遮放盆地各類型土體承載力線性關系圖

3.2 多元統(tǒng)計學分析

3.2.1 相關性分析

對遮放盆地土體承載力特征及其各物理參數(shù)(表2)進行處理，并分析其相關性，從相關系數(shù)(表3)可以看出[10]，土體力學性質方面：承載力Fa與塑性指數(shù)Ip呈明顯的正相關關系，相關系數(shù)達0.614；其次為比重Gs，相關系數(shù)為0.215，表現(xiàn)為弱相關性。與液限指數(shù)IL及垂直滲透系數(shù)Kv呈明顯的負相關關系，相關系數(shù)分別為-0.742、-0.674。

土體各物理性質方面：首先孔隙度e0與含水率W具有明顯的相關性，相關系數(shù)為0.647；同時含水率對土體液限WL、塑限Wp具明顯的決定性，相關系數(shù)分別為0.723、0.904。密度ρ與干密度ρd二者具明顯的相關性，相關系數(shù)為0.88，但二者受孔隙度e0的制約，與孔隙度e0、ei呈明顯的負相關性，相關系數(shù)分別為-0.86、-0.96；同時密度ρ與干密度ρd與液限WL、塑限Wp呈明顯的負相關，即密度越大，液限和塑限值越??；與飽和度Sr呈明顯的正相關關系，相關系數(shù)為0.74?？紫抖萫0是制約液限WL、塑限Wp的關鍵，孔隙度e0越大，則二者值越大，呈明顯的相關性，相關系數(shù)分別為0.73、0.74；同時液限WL與塑限Wp之間也表現(xiàn)出明顯的正相關關系，相關系數(shù)為0.92。但液限指數(shù)IL與塑性指數(shù)IP呈明顯的負相關，相關系數(shù)為-0.93，液限指數(shù)IL與垂直滲透系數(shù)Kv呈明顯的正相關關系，相關系數(shù)為0.98。壓縮模量Es1-2與壓縮系數(shù)a1-2呈明顯的負相關關系，相關系數(shù)為-0.84。

3.2.2 R型聚類分析

對遮放土體各物理力學參數(shù)利用SPSS軟件進行分析處理，并利用Pearson距離公式對各參數(shù)進行R型聚類分析[11]，并繪制分析結果(圖6)：根據各物理力學參數(shù)R型聚類樹狀圖可以看出，當距離系數(shù)小于5時，孔隙比e0與ei可歸為一類；液限WL、塑限Wp可歸為一類；密度ρ與干密度ρd可歸為一類；液限指數(shù)IL與垂直滲透系數(shù)Kv可歸為一類；上述為一類；上述物理力學參數(shù)具有較小的距離系數(shù)，表現(xiàn)為較明顯的正相關關系；當距離取10時，承載力Fa、塑性指數(shù)IP與比重Gs可歸為一類；孔隙比e0與ei、液限WL和塑限Wp、含水率W、壓縮系數(shù)a1-2可歸為二者皆有著極小的距離系數(shù)，表現(xiàn)出明顯的正相關性。當距離取10時，孔隙比e0與ei、液限WL和塑限Wp、含水率W可歸為一類；承載力Fa、塑性指數(shù)IP可歸為一類；液限指數(shù)IL、垂直滲透系數(shù)Kv和飽和度Sr可歸為一類；密度ρ與干密度ρd可、液限指數(shù)IL與垂直滲透系數(shù)Kv、飽和度Sr可歸為一類；上述物理力學參數(shù)具有較中等的距離系數(shù)，一定程度上表現(xiàn)為中等程度的正相關性。

綜合以上取各距離系數(shù)進行歸類的結果，取距離系數(shù)為20，將各土體物理力學參數(shù)分為兩類：第一類為與承載力Fa呈不同程度正相關關系的孔隙比e0與ei、液限WL和塑限Wp、含水率W、壓縮系數(shù)a1-2、塑性指數(shù)IP與比重Gs歸為第一類；第二類為與承載力Fa呈負相關關系的密度ρ、干密度ρd、液限指數(shù)IL與垂直滲透系數(shù)Kv、飽和度Sr歸為第二類。

表2 遮放盆地土體各物理力學參數(shù)分析結果表

表3 遮放盆地土體各物理力學參數(shù)相關系數(shù)表

注：Fa：承載力；W：含水率；ρ：密度；ρd：干密度；Gs：比重；e0：孔隙比；Sr：飽和度；WL：液限；Wp：塑限；Ip：塑性指數(shù)；IL：液性指數(shù)；ei：200 kPa壓力下孔隙比；a2-3：壓縮系數(shù)；Es2-3：壓縮模量；Kv：垂直滲透系數(shù)

圖6 遮放盆地土體各物理力學參數(shù)R型聚類圖

3.3 因子分析

對遮放盆地土體各物理力學參數(shù)進行因子分析[12]，通過kaiser標準化正交旋轉法構成得分，提取出兩個具代表性的因子F1、F2(表4)。其中F1因子代表了與承載力Fa呈正相關或中等相關的物理力學參數(shù)組合，F(xiàn)2因子代表了與承載力Fa呈弱相關或負相關關系的物理力學參數(shù)。其中F1因子中得分較高的參數(shù)有含水率W、塑性指數(shù)Ip、孔隙比e0和ei、壓縮系數(shù)a2-3，得分皆大于0.5；得分為負的有密度ρ、干密度ρd、液性指數(shù)IL、壓縮模量Es2-3、垂直滲透系數(shù)Kv。F2因子中得分較高的參數(shù)有含水率W、飽和度Sr、液限指數(shù)IL、垂直滲透系數(shù)Kv，得分皆大于0.5；得分為負的有承載力Fa、干密度ρd、比重GS、塑性指數(shù)Ip、壓縮模量Es2-3。對比相關性分析與R型聚類分析結果，因子分析結果基本與上述二者一致，分析結果具有可靠性和代表性，并且與相關性分析與R性聚類分析相互印證。

4 結論

根據對遮放盆地各類型土體的野外實地調查，并對其物理力學性質的測試，運用統(tǒng)計學原理對各物理力學參數(shù)進行分析，得出以下結論：

表4 標準化正交旋轉因子得分表

(1) 遮放盆地內土體以第四系沖擊層及新近系芒棒組土層組成，受芒市河和龍江兩條水系控制，整體走向呈北東-南西向，土體主要位于盆地河谷區(qū)，土體類型以粉質黏土為主，碎石土次之，粉土及砂土類分布較小。

(2) 各物理力學參考隨著土體顆粒度、骨架顆粒含量、孔隙度的增長而降低，呈明顯的負相關關系；隨著粘粒含量的增加而增大，呈明顯的正相關關系。

(3) 基本確定了承載力Fa與塑性指數(shù)IP關系最為密切，與比重Gs次之；并根據與承載力的相關性將各物理力學參數(shù)分為與承載力呈正相關性的一類：孔隙比e0與ei、液限WL和塑限Wp、含水率W、壓縮系數(shù)a1-2；與承載力呈負相關性的一類：密度ρ、干密度ρd、液限指數(shù)IL與垂直滲透Kv、飽和度Sr。為以后野外的工作提供了實際的理論參考依據。