东北五常地区淤泥质软土指标相关性分析

叶朝良，孟德强，王海强

(1.石家庄铁道大学土木工程学院，河北省石家庄市北二环东路17号 050043； 2.石家庄铁道大学土木工程学院道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，河北省石家庄市北二环东路17号 050043； 3.中国兵器工业北方勘察设计研究院有限公司，河北省石家庄市建华南大街45号 050011)

岩土参数的准确性决定了岩土工程设计的精确性，然而岩土体生成环境和赋存环境的差异性又影响了工程建设中勘察数据的小样本对场地土参数选择的准确性。为探索区域岩土体参数间的相关性，获取岩土体的准确参数，对岩土体参数的相关性研究一直是业内人士关注的热点，尤其在软土方面研究成果颇多。吴长富[1]等对杭州地区岩土体直剪与三轴试验结果进行了相关性分析。赵阳等[2]对连云港地区岩土体参数进行相关性分析,建立了物理力学指标与静力触探参数关系的经验方程。江宇[3]对四川软弱地基进行资料收集,建立物理力学指标方程,给出了该地区相应的参数范围。张先伟等[4]对湛江参数相关性进行分析,得到压缩指标与物理指标有较好相关性。屈若枫[5]等对武汉地层参数进行统计,建立了不同试验条件下抗剪强度关系。卢阳明[6]对上海淤泥质软土进行指标统计,建立物理力学指标相关系数大于0.5的拟合方程。白继文等[7]对珠海参数拟合方程相关程度进行了分级。唐军平[8]等对佛山软土进行散点拟合,建立了含水率与孔隙比和液塑限之间的关系。郭林坪等[9]开展了天津临港地区软土参数间相关性分析。

由于岩土的区域性特点，对于具体工程，开展相应区域软土的工程物理力学参数相关性研究极具工程实践价值。但目前这些区域性成果大多集中在我国沿海地区和内陆沿江地带，我国东北五常地区的软土相关性研究比较滞后，对我国东北地区老工业基地振兴而兴起的基础设施建设带来了新的困难。鉴于此，文中以鹤大、吉荒、榆松、集双等4条高速公路的勘察资料，以东北五常地区分布的淤泥质软土为研究对象，分析了该地区的淤泥质软土物理指标统计特征和相关性研究，以期为五常地区工程设计中淤泥质软土参数取值提供参考和依据。

1 淤泥质软土物理力学指标统计特征

本次共计收集了95组五常地区淤泥质软土层的勘察资料，物理和力学指标统计结果分别见表1和表2。根据表1、表2中的指标可以对五常地区淤泥质软土的特征进行分析。总体看来，东北五常地区淤泥质软土仍然具有高含水率、高压缩性、强度低的软土特性，但相比沿海地区的淤泥质软土，由于赋存环境的因素，其变化幅度大、变异系数高、平均抗剪强度略高于沿海的淤泥质软土。

表1 五常地区淤泥质软土物理性质统计表

表2 五常地区淤泥质软土力学性质统计表Tab.2 Statistical table of mechanical properties of silty soft soil in Wuchang area

1.1 物理性质指标

(1)天然含水率

五常地区淤泥质软土的天然含水率w分布范围在26.3%～73.4%之间，平均值为39.2%，极差达到47.1%；标准差达到10.04%，变异系数为0.256。从极差和标准差来看，与东南沿海的淤泥质软土[5-6]相比，天然含水率的变化范围更大，这与内陆地区地下水位变化幅度大、且地下水位低的赋存条件有关。但根据我国《地质灾害防治工程勘察规范》(DB50/T 143-2018)中岩土参数变异性分级(变异系数δ≤0.1为变异性很低；0.1<δ≤0.2为变异性低；0.2<δ≤0.3为中等变异性；0.3<δ≤0.4为变异性高；δ>0.4为变异性很高)，五常地区淤泥质软土的天然含水率的变异性属于中等。

(2)密度

五常地区淤泥质软土的天然密度ρ分布范围在1.42～1.92g/cm3之间，平均值为1.77g/cm3，极差达到0.50g/cm3，标准差达到0.123g/cm3，变异系数为0.070；对应得到的干密度ρd的分布范围在0.84～1.51g/cm3之间，平均值为1.28g/cm3，极差达到0.67g/cm3，标准差达到0.163g/cm3，变异系数为0.127。由此可见，五常地区淤泥质软土的天然密度和干密度的变异性分别为变异性很低、变异性低。

(3)界限含水率、塑性指数和液性指数

液限wL、塑限wP、塑性指数IP变化范围分别为30.7%～90.6%，17.3%～54.9%，9.8～44.6，平均值分别为44.8%，27.5%，17.3，极差分别达到63.9%，37.6%，34.8；标准差分别为13.7%，8.0%，6.9，变异系数分别为0.306，0.291，0.398；液性指数IL范围在0.05～2.60之间，平均值为0.74，大部分为可塑状态，极差为2.6；标准差为0.418，变异系数是0.567。由变异性统计值可知，五常地区淤泥质软土的塑限变异性中等、液限和塑性指数变异性高、液性指数变异性很高。

(4)土粒比重

五常地区淤泥质软土的土粒比重分布范围在2.510～2.730之间，土的比重变化范围很小，土体性质较均匀，平均值为2.673，极差为0.220，标准差为0.046，变异系数为0.017，则五常地区淤泥质软土的土粒比重为变异性很低。

(5)孔隙比

该淤泥质软土的孔隙比分布范围在0.687～2.497之间，平均值为1.129，极差为1.81，标准差为0.345，变异系数为0.305，故五常地区淤泥质软土的孔隙比变异性高。

(6)饱和度

该淤泥质软土的饱和度分布范围在64%～100%之间，平均值为94%，五常地区土体饱和度较高，近似可认为是饱和状态，极差为0.36，标准差为0.081，变异系数为0.086，则五常地区淤泥质软土的饱和度变异性很低。

1.2 力学指标

(1)压缩系数和压缩模量

五常地区淤泥质软土压缩系数a1-2分布范围在0.33～1.91MPa-1之间，平均值为0.72MPa-1，极差达到了1.58MPa-1，标准差为0.320MPa-1，变异系数是0.443。压缩模量Es范围在1.4～5.4MPa之间，平均值为3.1MPa，极差达4.0MPa，标准差为0.715MPa，变异系数是0.230，则五常地区淤泥质软土层平均压缩系数大于《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)中规定的压缩性判别指标(≥0.5MPa-1)属于高压缩性土，压缩系数和压缩模量的变异性分别为很高和中等。

(2)抗剪强度

在直接快剪试验条件下，五常地区淤泥质的内摩擦角φq分布范围在2.6°～24.0°之间，平均值为9.0°，极差为21.4°；标准差为4.510°，变异系数为0.503；粘聚力Cq范围在3.9～55.5kPa之间，粘聚力平均值为17.9kPa，极差为51.6kPa；标准差为9.0kPa，变异系数为0.5。说明五常地区淤泥质软土粘聚力和内摩擦角的变异性很高。

2 物性指标间相关性分析

土的物理力学指标是其工程特性直观的表现，开展区域性土的各项指标分析研究，对工程实践具有重要意义。借鉴已有的研究成果，文中采用简单的线性回归方程对五常地区淤泥质软土指标进行相关性分析，以相关系数作为相关程度的判定指标。相关系数R的取值范围：-1.0≤R≤1.0，R>0为正相关，R<0为负相关，相关性强弱分级见表3。

表3 相关性强弱分级[10]

2.1 天然含水率与密度

图1为五常地区淤泥质软土的天然含水率与其密度的关系。从图1中可以看出，该土的天然密度、干密度与天然含水量之间呈现高度相关的对数关系；天然含水率与干密度的相关性(R=0.966)优于其与天然密度的相关性(R=0.884)。

图1 含水率与密度的关系

2.2 天然含水率、界限含水率与塑性指数

图2～图4分别为天然含水率w、液限wL、塑限wP与塑性指数IP的关系，图5为液限与塑限含水率之间的关系。从图2～图4可以看出，该土的w，wL，wP与IP之间呈现高度相关线性关系；wL与IP的相关性(R=0.950)优于其与w(R=0.837)、wP(R=0.865)的相关性。这也说明细粒土采用wL与IP的塑性图分类的合理性。

从图5中可以看出，wL与wP之间也呈现高度的线性相关，相关系数R达到0.971。

图2 天然含水率与塑性指数

图3 液限与塑性指数

图4 塑限与塑性指数

图5 液限与塑限

2.3 与孔隙比相关的参数分析

孔隙比e反映了土体中孔隙体积的占比，它对土体的强度和变形特性影响很大。文中分析了含水率w、密度(ρ，ρd)以及颗粒比重Gs对孔隙比的影响，具体结果见表4。

由表4可见，孔隙比e与w，ρ，ρd高度相关，分别呈线性和指数关系；与颗粒比重Gs呈现显著的对数关系。

表4 与孔隙比相关的参数回归分析结果

文中还进行了天然含水率w、液限wL、塑限wP与液性指数IL之间的拟合，但拟合效果欠佳，均显示低度相关或无相关。但理论上，IL=(w-wP)/(wL-wP)，应该具有一定的相关性，从这个结果看，液性指数IL是受天然含水率w、液限wL、塑限wP三个因素共同影响的结果，单因素分析不适合。对于众多因素影响的指标应开展多因素的分析方法，才有可能得到有价值的相关性分析结果。

3 物性指标与力学变形参数的相关性

土体的物理特性决定了土体的力学变形特性，探索物性指标与力学变形参数之间的相关性，对土体工程性质的认识意义重大。选取力学变形参数是压缩模量Es1-2、压缩系数a1-2以及直接快剪条件下的内摩擦角φq和粘聚力Cq；考虑天然含水量w、天然密度ρ、干密度ρd、液性指数IL、颗粒比重Gs、饱和度Sr和孔隙比e等7个物性指标进行相关性分析，分析结果见表5。

从表5可见，压缩模量Es1-2和压缩系数a1-2与天然含水量w、天然密度ρ、干密度ρd以及孔隙比e等4个指标几乎都具高度相关性，表明这些参数对土体的变形影响很大；与颗粒比重Gs中度相关，与液性指数和饱和度无相关性。

抗剪强度参数与上述7个物性指标间的拟合结果却反映了无相关性。分析这一结果的原因在于以下几点：(1)文中是从数理统计的角度对土的物理力学性质指标间的相关关系进行研究的，得出的各物理力学性质指标间的相互关系并不完全具有相应的物理意义[5]；(2)由于土的生成环境和赋存环境的差异，导致土体性质的复杂性和区域性特点；(3)目前对于松散土体和软土的剪切试验在取样和制样上的困难，并且应力加载标准与普通土相同，不适合于该类土的强度测试。从已有的软土指标相关性研究[4-6]，[9]来看，力学参数与物性指标间的相关性都很差，也可以说明这种现象。

表5 力学变形与物性指标间回归分析结果

4 结论及建议

文中通过对95组东北五常地区淤泥质软土物理力学指标的统计分析，得到以下结论和建议。

(1)东北五常地区淤泥质软土仍然具有高含水率、高压缩性、高孔隙比和强度低的软土特性，但物理力学参数变化范围大，变异系数高，平均抗剪强度略高于沿海的淤泥质软土。

(2)天然密度、干密度与天然含水量之间呈现高度相关的对数关系：ρ=-0.44ln(w)+3.386(R=0.884)；ρd=-0.64ln(w)+3.621(R=0.966)。

(3)天然含水率w、液限wL、塑限wP与塑性指数IP、液限wL和塑限wP呈现高度相关线性关系。

(4)孔隙比e与天然含水率w、天然密度ρ、干密度ρd高度相关，分别呈线性和指数关系：e=0.028w+0.026(R=0.971)；e=32.25e-1.92ρ(R=0.966)；e=7.516e-1.50ρd(R=0.994)。与颗粒比重Gs呈现显著的对数关系，e=-16.2ln(Gs)+17.09(R=0.628)。

(5)压缩模量Es1-2和压缩系数a1-2与天然含水量w、天然密度ρ、干密度ρd以及孔隙比e等4个指标几乎都具高度相关性，表明这些参数对土体的变形影响很大；与颗粒比重Gs中度相关，与液性指数和饱和度无相关性。抗剪强度参数与上述7个物性指标间的拟合结果却反映了无相关性。

(6)对于松散土和软土的强度指标应进一步开展其试验方法标准的研究，才能获得可靠的力学参数；对于受多种因素影响的参数应开展多因素分析，单因素分析难以获得真实的内在关系。