残积碎石土斜坡特性参数空间变异性野外调查方法研究.pdf
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1、第30卷第3期2023年 5月Vo l.30 No.3Ma y 2023妥全与环境工程Sa f et y a nd Env iro nment a l Enginee ring引用格式:王立震,蔡静森,贾琳,等.残积碎石土斜坡特性参数空间变异性野外调查方法研究口 1安全与环境工程,2023,30(3):179-189.Wa ng L Z,Ca i J S,Jia L,et a l.Inv es t iga t io n met h o d o f s pa t ia l v a ria bilit y o f c h a ra c t eris t ic pa ra met ers o f r
2、es idua l gra v el s o il s lo pes J.Safety and Environmental Engineering2023,30(3):179-189.残积碎石土斜坡特性参数空间变异性野外调查方法研究王立針2,蔡静森,贾 聚,马伟成1,刘龙奇1,周期1(1.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉430074;2.河南省水利勘测有限公司,河南郑州450003)摘要:特性参数空间变异性是碎石土斜坡随机结构的参数化表征,其合理确定对碎石土斜坡稳定性评价具有重 要意义,但现有确定方法工作量大、成本高。提出一种轻量化的碎石土斜坡特性参数空间变异性野外调查方法,并 应用于黄
3、冈某残积碎石土斜坡工程实例,得到了碎石土斜坡特性参数空间变异性的初步认识。结果表明:提出的 碎石土斜坡特性参数空间变异性野外调查方法有效且方便可行,确定的碎石土斜坡特性参数统计数据特征符合经 验认识;目前关于碎石土斜坡特性参数的空间相关性和互相关性的经验认识较少,通过调查确定的碎石土斜坡特 性参数的空间相关距离和互相关系数为该方面研究积累了定量数据:该斜坡工程实例水平、垂直、顺坡向的相关距 离分别为 1.242.25 m,0.761.23 m、0.140.39 m。关键词:碎石土斜坡;特性参数;空间变异性;测线调查;相关距离中图分类号:X43;P642.22 文章编号:1671-1556(20
4、23)03-0179-11 收稿日期:2022-05-16DOI:10.13578/ki.issn.1671-1556.20220653 开放科学(资源服务)标识码(OSID):Investigatio n Meth o d o f Spatial Variability o f Ch aracteristic Parameters o f Residual Gravel So il Slo pesWANG Lizh er?2,CAI Jings en1*,JIA Lin1,MA Wei c h eng1,LIU Lo ngqi19 ZHOU Xia ng1(1.Fac ulty o f En
5、g ineering,Ch ina Unive rsity o f Geo sc ienc es(Wuh an),Wuh an 430074,C加宛a;2.Henan Wate r Co nservanc y Surv e y Co.9L td,Zh eng zh o u 450003Abst r ac t:Th e s pa t ia l v a ria bilit y o f c h a ra c t eris t ic pa ra met ers is a pa ra met eriz ed repres ent a t io n o f t h e ra ndo m s t ruc t
6、 ure o f a gra v e l s o il s lo pe.It s rea s o na ble det ermina t io n is o f grea t s ignif ic a nc e t o t h e ev a lua t io n o f gra v e l s o il s lo pe s t a bilit y,but t h e exis t ing det ermina t io n met h o ds h a v e a la rge wo rk lo a d a nd h igh c o s t We pro po s ed a f ield in
7、v es t iga t io n met h o d f o r t h e s pa t ia l v a ria bilit y o f s lo pe c h a ra c t eris t ic pa ra met ers in gra v el s o il,a nd a pplied it t o a res idua l gra v el s o il s lo pe in Hua ngga ng t o o bt a in a prelimina ry unders t a nding o f t h e s pa t ia l v a ria bilit y o f s l
8、o pe c h a ra c t eris t ic pa ra met ers o f gra v e l s o il.Th e res ult s s h o w t h a t t h e f ield s pa t ia l v a ria bilit y s urv ey met h o d o f gra v el s o il s lo pe c h a ra c t eris t ic pa ra met ers pro po s ed in t h is pa per is ef f ec t iv e,c o nv e nient a nd f ea s ible,a
9、nd t h e s t a t is t ic a l c h a ra c t eris t ic s o f t h e c h a ra c t eris t ic pa ra met ers a re c o ns is t ent wit h empiric a l k no wledge At pre s e nt,t h e re is lit t le empiric a l k no wledge a bo ut t h e s pa t ia l c o rrela t io n a nd c ro s s-c o rre la t io n o f s lo pe c
10、h a ra c t eris t ic pa ra met ers o f gra v el s o il.Th e s pa t ia l c o rrela t io n dis t a nc e a nd c ro s sc o rrela t io n number o f s lo pe c h a ra c t eris t ic pa ra met e rs det ermined by inv es t iga t io n pro v ide qua nt it a t iv e da t a f o r rela t ed res ea rc h.Th e h o riz
11、o nt a l,v ert ic a l a nd a lo ng-s lo pe c o rrela t io n dis t a nc es o f s lo pe exa mples a re:1.24 2.25 m,0.76 1.23 m,0.14 0.39 m.基金项目:国家自然科学青年基金项目(41807264)作者简介:王立震(1997),男,硕士研究生,主要研究方向为岩土工程。E-ma il:15207164113163.c o m通讯作者:蔡静森(1988-),男,博士,副教授,主要从事工程地质与岩土工程方面的教学和研究工作。E-ma il:jings enCa ic ug
12、.edu.c n180安金与琢燼工裡 ht t p:/水t aq.c bpt.c 第30卷Key wo r ds:gra v el s o il s lo pe;c h a ra c t eris t ic pa ra me t e r;s pa t ia l v a ria bilit y;line s urv ey;c o rrela t io n dis t a nc e由于自然界的岩土体长期受地质作用的影响,碎石土斜坡物质组成和特性参数具有明显的空间变 异性闪。特性参数空间变异性是碎石土斜坡随机结 构的参数化表征,其合理确定对于碎石土斜坡稳定 性准确评价有重要意义。在碎石土斜坡特性参数
13、空间变异性研究方面,李智飞囚运用图像处理方法分析了碎石土斜坡物质 组成的空间分布特征,发现碎石土含石量沿坡向逐 渐降低,细颗粒含量逐渐增大;董辉等通过筛分试 验和双环入渗试验分别对湘潭市昭山地区堆积碎石 土斜坡试验点不同粒径区间碎石质量分数、碎石土 渗透系数及含水率进行了测量,并对测量数据进行 普通Kriging插值和统计分析,获得其空间分布与 变异性大小;Zh a i等也基于已有研究文献总结了新 加坡残积土土-水特征曲线参数和饱和渗透系数的 均值及变异系数(CV),发现非饱和残积土特性参数 的变异系数远大于饱和土特性参数的变异系数;李 小勇等基于收集到的工程场地静力触探数据求取 粉质黏土、粉
14、土、细砂等的竖直向相关距离,发现太 原地区土层的竖向相关距离普遍小于杭州地区土 层,认为主要是由于两地区土层的形成环境条件不 同所致,太原盆地属于河流相冲洪积物,土性变异性 较大,而杭州属于太湖堆积平原,土性相对较均匀。综上可见,目前关于碎石土斜坡特性参数空间 变异性的研究还只停留在对碎石土颗粒粒径、含水 率及渗透系数空间变化的一般性规律以及不同特性 参数空间变异性大小等初步认识上,研究还不够系 统深入,缺乏对碎石土斜坡特性参数的取值范围、互 相关系数、均值、变异系数、空间分布主方向、相关距 离以及趋势大小等空间特征的从野外调查到定量确 定的完整认识,因此有必要对此方面开展进一步研 究。目前,
15、在碎石土斜坡稳定性评价的特性参数研 究方面,多数学者基于有限的试验数据取均值或运 用工程类比方法确定特性参数皈,并通过斜坡安全 系数从偏保守的角度规避特性参数空间变异性的影 响,得到具有一定安全储备的碎石土斜坡稳定性评 价结果。可见,目前的斜坡稳定性评价设法避开对 特性参数空间变异性的直接探讨,缺乏客观性。事 实上,不考虑特性参数空间变异性而确定的斜坡安 全系数不一定保守可靠,而且基于安全储备理念确 定的特性参数总体上导致过多的防治投入,未考虑 到特性参数空间特征(如参数的空间排列与相互组 合)对斜坡稳定性的有利作用。传统的研究为了直接确定碎石土斜坡特性参数 的空间变异性,往往需要获得尽量多的
16、空间连续密 集取样区的特性参数数据,即需要开展大量的野外 试验,但受限于实际工作条件往往开展大量密集的 野外试验会造成工作量大且成本极高,这无形中限 制了人们对碎石土斜坡特性参数空间变异性的认识 程度。而如何在合理的精度范围内便捷与低成本地 确定碎石土斜坡特性参数,进而求取碎石土斜坡特 性参数的空间变异性成为了更加迫切的需求,因此 需要提出轻量化的调查方法来研究碎石土斜坡特性 参数空间变异性,以降低传统研究的工作量和成本。已有研究发现,碎石土宏观物理力学特性及其 变形破坏特征在很大程度上取决于碎石土的碎石含 量、物质组成等。其中,碎石土抗剪强度随含石量 的增加而不断增大,碎石土内摩擦角0随含石
17、量的 增加呈增长趋势,碎石土黏聚力随含石量的增加不 断降低知,碎石土含石量越大,土石混合体变形模 量越大;另外,渗透系数与土体颗粒级配密切相 关皿;还有研究分析了三峡库区堆积碎石土粒径 大小、含石量、颗粒级配、干密度及土的塑性指数对 其土-水特征曲线的影响,得出快速计算其进气值系 数、孔径分布系数等特性参数的函数。由此可 见,对于碎石土来说,其含石量和粒度组成很大程度 上决定了其相应的力学、水力学特性参数。如果能 够利用这些研究认识(即经验公式,这些研究工作开 展的意义就是为今后提供指导与使用)是否可以帮 助我们通过对碎石土斜坡物质组成各指标的客观调 查快速确定特性参数值,减小特性参数的确定成
18、本,便捷其过程,从而实现对碎石土斜坡特性参数空间 变异性的确定。受此启发,进一步分析发现:我们的 研究目的是确定碎石土斜坡特性参数的空间变异 性,而不是特性参数本身。如果将使用条件适当放 松至相似条件下使用的程度,得到的特性参数虽有 偏差,但特性参数值是有参考意义的,且特性参数之 间的差异性,即空间变化趋势,却得以保持。这对于 确定主要是表征差异性特征的空间变异性来说是合 理的,其精度也是有保证的。此外,特性参数是反映 一定体积岩土体的平均性质,与地质结构、赋存环境 及尺寸有关,追求特性参数确定的绝对准确事实上 也难以做到,更重要的是相对差异的表征。如果不 追求特性参数确定的绝对准确,转为去把
19、握特性参 数的平均水平、差异及趋势特征,这对于确定特性参 第3期王立震:残积碎石土斜坡特性参数空间变异性野外调查方法研究181数的空间变异性才具有可行性。鉴于以上观点,本文对碎石土斜坡特性参数空间 变异性的野外调查确定方法开展了尝试性研究工作:在已有的国内外大量研究的基础上,本文拟充分利用 碎石土含石量和粒度组成与力学、水力学特性参数之 间的经验关系式,在保证一定精度条件下,即抓住碎 石土特性参数的平均水平、差异及趋势特征,以降低 碎石土特性参数确定过程中的工作量和成本,从而实 现碎石土特性参数空间变异性的轻量化、便捷确定。运用本文提出的方法,通过对黄冈某残积碎石土斜坡 工程实例开展了其特性参
20、数空间变异性的野外调查,取得了关于碎石土斜坡特性参数空间变异性的初步 认识。1野外调查方法介绍本文提出了一种轻量化的碎石土斜坡特性参数 空间变异性野外调查方法。该调査方法首先通过野 外测线与筛分调查得到碎石土斜坡物质组成和空间 分布特征;然后基于碎石土物质组成与其力学、水力 学特性参数之间的经验公式,快速确定碎石土斜坡 特性参数,并与勘察资料和经验认识进行对比分析,判断特性参数是否符合实际;最后通过地质统计方 法分析各特性参数自相关性与互相关性,得到碎石 土斜坡特性参数空间变异性。该调查方法的具体流 程如图1所示。图1碎石土斜坡特性参数空间变异性野外调查方法流程图Fig.1 Flow char
21、t of field investig ation method for spatial variability of characteristic parameters of g ravel soil slope1.1碎石土物质组成确定野外调查发现,某残积碎石土斜坡工程实例的碎 石土中粗颗粒组分在斜坡空间内变化明显,而碎石土 中细颗粒组分变化较小。因此,假定该斜坡碎石土物 质组成在空间上的差异性主要表现在碎石土中粗颗 粒组分上,而碎石土中细颗粒组分不因位置而变化。碎石土中粗颗粒组分的级配特征通过野外筛分确定,而碎石土中细颗粒组分通过室内筛分确定。1.1.1 碎石土中粗颗粒物质组分采用野外筛分
22、方法获取该斜坡碎石土中粗颗粒 物质组成信息。先对测线内连续取样区的碎石土取 样、编号,试样干燥处理后经手搓处理使土、石分离;182安金与琢燼工裡 ht t p:/水t aq.c bpt.c 第30卷然后称取2 k g自然干燥碎石土样,先分离细颗粒组 分,称取其质量,再对粗颗粒组分进行筛分,得到2 5 mm、510 mm、1020 mm、2050 mm 各粒组 质量,进而确定碎石土样中粗颗粒组分的级配特征 信息。1.1.2 碎石土中细颗粒物质组分野外自然干燥碎石土样仍具有一定的含水率,认为碎石土中粗颗粒组的含水率可忽略不计,水分 集中在细颗粒组中。为了剔除自然干燥碎石土样中 的残存含水量对颗粒级
23、配结果的影响,通过室内烘 干试验确定野外干燥碎石土样中细颗粒组的含水 率,对野外各测线连续取样区内碎石土样中细颗粒 组质量进行含水量修正,其修正公式如下:加细=加0 (1W)(1)式中:/细为校正后碎石土样中细颗粒质量(g);rnQ 为野外筛分碎石土样中细颗粒质量(g)2为野外天 然干燥碎石土样中细颗粒组的含水率。进而按下式对碎石土样的总质量进行修正:(2)式中:加总为校正后碎石土样的总质量(g);%f i为野 外筛分碎石土样中粗颗粒质量(g)。假定碎石土样中细颗粒不因位置不同而改变,选取代表性土样通过室内筛分试验得到00.075 mm、0 0750.1 mm、0.1 0.25 mm、0.25
24、 0 5 mm、0.51 mm、l2 mm各粒组质量百分比,分 别为Pi、為、P3、P5、勿,则野外各测线连续取样 区内碎石土样中细颗粒各粒组的质量为 pi(3)式中:为碎石土样中细颗粒各粒组的质量(g);力 为碎石土样中细颗粒各粒组质量占细颗粒质量的百 分比()弭=1,2,,6。进而得到碎石土样中细颗粒各粒组质量占总质 量的百分比为P&i=mi/m&(4)式中嚴为碎石土样中细颗粒各粒组质量占总质量 的百分比()订=1,2,,6。将碎石土样中粗颗粒各粒组质量除以修正后的 总质量,得到碎石土样中粗颗粒各粒组质量占总质 量的百分比。最后,综合碎石土样中细、粗颗粒各粒 组质量占总质量的百分比,可得到
25、完整碎石土样级 配信息。1.2碎石土特性参数确定在总结了大量碎石土特性参数与物质组成关系 的研究成果基础上,本文选取了其中适用性较广的 经验公式列于表1,并给出了其适用条件。其中,黏 聚力、内摩擦角经验公式适用于含水率为11%的碎 石土,本文选取两组天然碎石土样开展室内试验得 到其含水率(表2),发现天然碎石土样的含水率接近表1碎石土特性参数经验公式Table 1 Empirical formula of characteristic parameters of g ravel soil特性参数经验公式资料来源适用条件黏聚力c(k Pa)c=0.406 25P+21.55(P40)文献7适用含
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- 碎石 斜坡 特性 参数 空间 变异性 野外 调查 方法 研究
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