基于静力触探试验及土工参数的黏性土空间变异性研究.pdf
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1、文章编号:1007-2993(2024)01-0095-06基于静力触探试验及土工参数的黏性土基于静力触探试验及土工参数的黏性土空间变异性研究空间变异性研究马明1叶冬明2陆军1任守勤1陈浙徽3(1.中铁一局集团建筑安装工程有限公司,陕西西安710054;2.杭州地铁开发有限公司,浙江杭州310019;3.浙江工业大学土木工程学院,浙江杭州310014)【摘要】自相关距离是进行岩土参数空间变异性分析的重要参数。基于浙江嘉兴某黏性土场地的 246 组静力触探试验(CPT)及 18 个钻孔取土室内土工试验,采用平均跨距法、递推空间法、曲线极限法计算了基于侧壁摩阻力 fs、锥尖阻力 qc和其他土工参数
2、的自相关距离,分析了不同方法、不同参数计算垂直和水平自相关距离的优劣。研究表明:递推空间法的计算结果异常值少且变异系数较小,是研究区场地土体自相关距离的最优计算方法;基于 fs、qc算得的自相关距离较为接近,垂直和水平自相关距离分别约为 2 m 和 19 m,但不同土工参数计算得到的结果存在一定的差异。本研究获得了嘉兴黏性土自相关距离的典型值,为土体参数的空间变异性研究提供了基础,对该地区岩土工程的勘探点位布设、随机场的建立及后续可靠度分析具有重要的指导意义。【关键词】空间变异性;自相关距离;静力触探试验;递推空间法;随机场【中图分类号】TU413;TU411 【文献标识码】Adoi:10.3
3、969/j.issn.1007-2993.2024.01.017Spatial Variability of Cohesive Soil Parameters Based on Cone Penetration Testand Geotechnical Laboratory TestsMa Ming1Ye Dongming2Lu Jun1Ren Shouqin1Chen Zhehui3(1.China Railway First Group Building&Installation Engineering Co.,Ltd.,Xian 710054,Shaanxi,China;2.Hangzh
4、ou Metro De-velopment Co.,Ltd.,Hangzhou 310019,Zhejiang,China;3.College of Civil Engineering,Zhejiang University of Technology,Hang-zhou 310014,Zhejiang,China)【Abstract】Spatial autocorrelation distance is a key parameter for analyzing the spatial variability of geotechnical parameters.This study uti
5、lizes three methods,including the average distance method,recursive space method,and the curve limit method,to calcu-late the autocorrelation distance based on side friction(fs),tip resistance(qc),and soil parameters.These methods were applied to 246cone penetration tests(CPT)and 18 soil sampling po
6、ints obtained from a construction site of cohesive soil in Zhejiang Province.Theeffectiveness of different methods in computing the vertical and horizontal autocorrelation distances was compared.Its found that therecursive spatial method is most effective in calculating the autocorrelation distances
7、,with fewer outliers and smaller variation coeffi-cients.The autocorrelation distances based on fs and qc are comparable,with vertical and horizontal autocorrelation distances of approx-imately 2 m and 19 m,respectively.Nonetheless,the outcomes vary somewhat depending on the soil parameters utilized
8、.The typicalvalues of autocorrelation distance for cohesive soil were determined,which provides a foundation for analyzing the spatial variability ofsoil parameters.This research has important value for laying of sampling points,establishment of random fields,and subsequent reliab-ility analysis.【Ke
9、y words】spatial variability;autocorrelation distance;cone penetration test;recursive space method;random field 0 引言自相关距离 是岩土参数空间变异性的重要指标,是指土层中参数不相关点间的最小距离,即小于 时土体参数基本上是相关的,反之,大于该距离时土体参数不相关。作为岩土勘察原位测试方法,静力触探试验(CPT)测得的土体参数能够连续地反映土 作者简介:马明,男,1972 年生,汉族,陕西三原人,大学本科,高级工程师,主要从事工程项目管理及工程技术管理工作。E-mail: 第 38
10、卷第 1 期岩土工程技术Vol.38 No.12024 年2 月Geotechnical Engineering TechniqueFeb,2024层竖向变化情况,且具有效率高、经济性强等优点,被广泛应用于岩土勘察中,如土层分类、土的物理力学指标确定1、地基液化判别2、单桩竖向承载力计算以及岩土参数空间变异性的计算等3。计算自相关距离的常见方法有平均跨距法、统计模拟法、递推空间法、地质统计法、曲线极限法、相关函数法等方法。近年来,一些研究者基于静力触探数据对不同地区的土体参数的自相关距离及变异性进行了计算并统计归纳45。郭林坪等6基于静力触探试验分析了自相关距离计算方法和影响因素,并对计算方法
11、进行了改进。朱登峰等7通过计算得出空间相关函数法与递推平均法两者计算结果差异较大。李镜培等8依据大量实际工程测试得到的土性参数,通过多种方法进行计算,最终确定出地区性自相关距离代表值。此外,一些学者还分析了不同地区自相关距离计算方法的适用性。李芃9通过静力触探数据及土工试验测得的物理参数、变形参数和水力参数统计分析了合肥地区非饱和黏土的自相关距离。朱红霞等10统计出天津港地区典型土层的相关函数及自相关距离,并将其用于港口边坡稳定性的可靠度分析。林军等11采用多种自相关模型拟合了江苏地区黏土波动分量的自相关系数,得到沿深度方向呈现明显的分层趋势。马欢等12根据北京地区实际工程勘察资料,通过分析抗
12、剪强度指标的变异性和相关性,计算出抗剪强度指标的自相关距离。由于不同区域土性参数的空间变异性具有一定的差异,因此有必要研究不同地区环境情况下的最优自相关距离计算方法。依托浙江嘉兴某围垦区的 246 组静力触探试验及 18 个钻孔取土土室内试验参数,采用平均跨距法、递推空间法和曲线极限法计算研究区土体的垂直和水平自相关距离,研究该地区土体自相关距离的最优计算方法,并对比分析基于锥尖阻力、摩擦阻力和多个土性参数的自相关距离的特点。本项目的研究结果对总结该地区土体参数的波动范围、变异规律具有重要意义,可为岩土工程设计提供更可靠的参数取值依据。1 自相关距离的计算方法自相关距离是衡量土体参数在区域一定
13、距离内两点之间关联程度的一个重要标准,当空间两点距离小于该距离时,则认为土体两点之间是相关的。自相关距离概念出现之后,国内外学者对此做了深入的研究和探讨,出现了多种求解自相关距离的方法。本研究采取平均跨距法、递推空间法、曲线极限法计算自相关距离,具体方法介绍如下。1.1 平均跨距法(PKF)平均跨距法是 Vanmarcke13提出的确定自相关距离的简便方法,通过土体参数变化曲线与趋势线分量曲线交点间的平均距离来计算。d=/2(1)d式中:为土体参数曲线和趋势线交点间的平均距离;为所求的自相关距离。1.2 递推空间法(DKF)2(h)递推空间法是通过方差折减函数来求解自相关距离 ,h 为取样间距
14、的倍数,方差折减函数实质是随机场的空间平均方差与点方差之比。方差折减函数为2(h)=Var(h)2(2)2(h)h(h)hh=h2(h)式中:Var(h)为 h 的方差函数;为点方差;当 h 足够大时,为一常数,在图上的表现为:当 h 取一系列值后,绘出曲线,确定曲线将趋于平稳时 h 的平均范围值,以该值计算自相关距离。(h)hh2(h)hh2(h)h谭晓慧等14提出了一种新的平稳点的确定方法,即:将曲线转换为曲线,随着 h 增加,曲线呈现先上升后下降的趋势采用中间取峰值点处的纵坐标值为自相关距离。本研究采用相同方法。1.3 曲线极限法(QJF)y=hz=f(y)z=h2(h)z=f(y)y
15、2(y)1记,选 取 合 适 的 函 数对 曲 线进行拟合优化。拟合函数需要满足以下条件,当 y 趋于无穷大时,函数的极限值存在且为小于等于 1 的常数;当时,有。同时满足相应的拟合精度。=1/b本研究采用冷伍明等15提出的拟合函数(见式(3)进行优化拟合,其中参数 a 和 b 通过最小二乘法获得,最终可推导出对应的自相关距离为。z=y2a+by2(3)2 自相关距离的计算与统计 2.1 工程现场情况用于评估自相关距离的静力触探试验原始数据均来源于浙江省某围垦区,经现场勘察可知,该区地表向下的土层依次为:冲填土层、黏土层、淤泥质黏土层、粉质黏土层。土体含水率为 20.3%40.5%,96岩土工
16、程技术2024 年第 1 期孔隙比为 0.7051.377,重度为 14.1120.24 kN/m3。在研究区范围内进行了 246 组静力触探试验的测试,同时设置了 18 个取土孔开展室内土工试验,具体位置如图 1 所示。静力触探垂直取样间距均为0.1 m,钻孔深度为 3045 m。由于计算自相关距离时要求试验样本为等间距采样,故本研究采用 246组静力触探试验数据计算垂直自相关距离,用图 1虚线框内的 9 个钻孔间距均为 25 m 的静力触探试验数据计算水平自相关距离。图 1 中空心点为取土孔,其采样深度为 4045 m。获得土样后,通过室内土工试验得到一系列土工参数,包括烘干法测含水率、环
17、刀法测天然密度与天然孔隙比,计算湿密度、干密度,比重瓶法测土粒比重,毛细管饱和法测量计算饱和度,液塑限联合测定法测得液限、塑限、塑性指数、液性指数,根据压缩试验 e-p 曲线计算压缩系数和压缩模量。由于取土孔较离散,未能满足水平自相关距离的计算要求,故本研究只计算基于土工参数的竖直自相关距离,并和基于静力触探数据的自相关距离进行比较。0100200300400500X/mY/m6007000100200300400500600700水平自相关距离计算试验点静探孔取土孔800 图 1 场地钻孔位置示意图 2.2 数据的预处理对原始数据进行前处理以获得平稳性较好的随机数据,是应用随机场理论分析土体
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