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怎样统计地基土的压缩性指标

已有 5706 次阅读 2009-6-23 17:10 |个人分类:岩土工程|系统分类:科研笔记

        自然地质条件是复杂的,岩土体是不均匀的,这是大家公认的事实。但作为工程研究的对象,需要认识它、研究它和处理它,又不得不把它局部化和简单化,忽略次要的,解决主要的矛盾,这可能是自然科学研究和工程技术研究的不同之处。自然科学研究可以从细观出发,而解决工程问题必须在宏观上把握问题的主要方面,而可以忽略次要的一些方面。
        作为岩土工程师,对于你勘察的场地,首先要做地质工作,从地形、地貌、地质成因和地层年代上要区分清楚,是洪冲积的还是残坡积的,是河漫滩还是阶地,是第四纪地层还是老地层。这就是所谓的把地质单元划分正确,这是进一步考虑布置勘察试验工作和数据分析统计的基础。其实,《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)早有明确的规定:“岩土的物理力学指标,应按场地的工程地质单元和层位分别统计。”按地质单元统计岩土的物理力学指标,是岩土工程勘察的基本原则。在一个地质单元中要求取一定数量的土样,做一定数量的试验是为了数据有充分的代表性,是数据统计所必需的样本容量,而统计的前提则是子样必须来自同一个母体。如果不承认地质单元可以用平均值来描述某一个属性,那数据处理就无从谈起。
        对于同一个地质单元是否是均匀的呢?也不一定,例如土层厚度很可能是不均匀的,即使在平原地区,土层厚度也常常有较大的变化,因此需要用勘探点的间距来控制其厚度的变化,不同的基础类型对土层厚度的敏感性不同,因而布孔间距的要求是不同的。从土的性质来研究土层均匀性,一般认为同一地质单元可以作为均质体来处理,可以采用统计的方法来处理试验指标。如果不承认这一点,即使是最简单的计算平均值的方法也就失去了理论的前提,就不能用平均值来处理试验结果。也失去了钻孔抽样取土试验的理论依据,那麻烦就大了。将试验指标用于工程计算时,计算公式的推导都有均质土的假定。计算基础中点沉降时,你必须承认土层是均匀的,同一土层的深度方向和水平方向都是均匀的,用分层总和法处理的仅是深度方向划分为若干土层,但对每一个土层还是均质土。如果不承认这一点,这个计算公式就不成立,那还计算什么?
        如果认为同一个地质单元也存在不均匀性,而又希望把这种不均匀性探明显示出来。把四个角点的取土试验数据,看作是地基土不均匀性的表现,通过四个角点的数据,建立不均匀性的数学模型。现在有些商业软件也可以对这类数据进行处理以建立数学模型,但这种方法是建立在两个钻孔的数据之间是线性变化假定的基础上,等于是进行线性插入。如果有更多的数据,当然可以拟合非线性的模型。这在数学上是不难做到的,但问题是,这种追求数据处理高精度的方法与工程处理的控制要求是不相匹配的,与工程勘察方法的基本前提是不符合的,与土力学的许多计算公式的假定是相违背的。
        如果采取这种方法分析数据,则在水平方向上怎么确定钻孔的间距才能正确地反映这种不均匀性?现行规范的钻孔间距的规定并没有考虑这些因素。如果认为在深度方向上也存在不均匀性,那在两个取土点之间的不均匀性又如何把它探明?因此,在不均匀性假定的基础上的勘察工作,连取土点确定都会有很大的争议,事情部做不下去了。
        在均质土假定的基础上,把各个勘探点、各个取样点的数据的差异看成是随机因素造成而不是系统因素造成的,这些随机因素包括当年沉积时物质的差异、年代的差异、沉积条件的差异、取土扰动程度的差异、试验条件的差异等等,这就可以用统计的方法来处理这些数据的随机误差了,数据的离散性或变异性是反映这种随机因素影响的定量指标,通过计算,可以估计这些随机误差对计算结果所造成的影响有多大,这就是误差估计和可靠度分析。
        因此在计算一幢建筑物的沉降时,一般都分层采用各层土的综合压缩曲线去确定其相应压力段的压缩模量,而且对于一个场地,如果是同一个地质单元,也只分层给出每层土的综合压缩曲线。如果发现某一个范围存在明显的指标差异,那很可能是在地质单元的划分上出了问题。例如,很早以前,在北京曾经发现建筑物开裂的事故,从试验资料来看,物理指标没有明显的差别,但压缩性指标存在明显差别的两个部分。后来研究的结果表明,那指标比较差的部分的土是近代沉积的土层,地地质单元上应当把它们划分出来,认识地层的不均匀性,采取必要的工程措施就不再出事了。但在把两个地质单元划分以后,对每个地质单元还是作为均质体来统计指标。
        有些反映土层天然状态的指标,在深度方向上有明显规律性的变化。例如,十字板强度反映了土的天然强度,对正常压密的土层,随着深度的增加,土的有效上覆压力增大,天然强度随之而增大。可以画出十字板强度与深度的散点图,统计两者之间的经验关系。但这是以力学机制为分析基础的。这种变异的规律性也是要以地质单元为子样的母体进行统计,计算相关性与变异系数。《岩土工程勘察规范》规定:“相关型参数宜结合岩土参数与深度的经验关系,按下式确定剩余标准差,并用剩余标准差计算变异系数。”
        说一下实际工程中出现建筑物倾斜和开裂的原因和防治的方法。事先防范事故的发生无疑是十分重要的,在地基基础设计时,对于那种十分明显的不均匀地基,例如软硬不均的地基、部分基岩出露的地基、半填半挖的地基、存在暗浜的地基等等,首先需要加以界定,划分其界限,分别研究其压缩性。而是否会产生有害的不均匀沉降,一般不是靠计算出来的,而是根据工程的判断。解决的方法是采取工程措施,使其均匀化,一般也不是靠计算结果来保证工程安全的。产生不均匀沉降的因素很多,地基压缩性的不均匀性仅是一个方面,而土层的厚度变化、荷载的差异、荷载的偏心、施工时的扰动等可能是更重要的因素,它们所产生的不均匀沉降的数量级往往远大于压缩性的不均匀。人们在事先精确控制建筑物倾斜和开裂的本领还不大,特别依靠沉降计算的结果来控制不均匀沉降更是不太现实。
        为了保证工程的安全一般从两个方面控制,一是采取工程措施来控制上述产生不均匀沉降的诸多因素,不使其发生,或降低其危害;二是控制计算中点沉降量的数量级,即控制基础底面的压力值,这就是变形控制设计的常用方法。如果人们把注意力集中在压缩性指标变化的数学模型上,注意了似乎是高精度的计算,却忽略了上面这些更重要的控制因素,那么可能是总体上会失去控制。

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