城市轨道交通岩土工程勘察的岩土参数取值方法

　　摘要：城市轨道交通勘察要求提供的岩土参数较多，统计数据庞大。文章结合工程上常用的规范方法，探讨如何快速剔除不合理数据，筛选出能够反映岩土体特征的可靠试验数据，为设计工作提供依据。
　　关键词：城市轨道；工程勘察；岩土参数；参数统计；样本值；变异系数
　　中图分类号：U231 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）31-0096-03
　　1 概述
　　随着经济的发展，城市交通压力越来越大，很多城市开始进行城市轨道交通规划和建设。轨道交通施工工法多，且大部分为地下工程，地质条件及勘察成果对工程设计和施工的影响大。轨道交通工程要求提供的岩土物理力学参数项目多、涵盖面广，且工程勘察又分不同阶段、分不同的施工工法进行。面对如此多的参数，如何能够快速提取可靠的岩土参数是决定勘察工作质量的一个重要因素。虽然有不少学者对可靠性分析在岩土工程中的应用进行了卓有成效的研究，提出了很多参数统计的方法，然而复杂的可靠性设计目前在常规岩土工程勘察实践中却难以推广。广大岩土工程师们还是采用《岩土工程勘察规范（2009版）》（GB50021-2001）中推荐的传统岩土参数分析方法。然而，面对庞大的试验数据，如何快速地剔除错误数据，保留能充分体现岩土物理力学性质的参数及其他参数，是摆在岩土工作者面前的一个问题。
　　2 城市轨道交通岩土工程勘察需提供的岩土指标
　　在城市轨道交通勘察要求深度范围内主要地层为第四系全新统人工填土层（Q4ml）、第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）、上更新统冲洪积层（Q3al+pl）及中更新统冲洪积层（Q2al+pl），以黏性土、粉土、砂土和碎石类土为主。勘察报告中要求提供岩土物理特性指标、力学指标，还应提供岩土的抗震特性指标及水文地质参数等。
　　岩土的物理特性指标主要有：岩土的重力密度ρ、土粒的相对密度Gs、天然含水量W、天然重度γ、天然孔隙比e，对粘性土和粉土尚应测定土的液限WL、塑限Wp，液性指数IL、塑性指数IP，土的颗粒级配等。
　　岩土的力学指标主要有：粘聚力c、内摩擦角φ、无侧限抗压强度qu及土的灵敏度St、岩土层承载力特征值fak、桩侧阻力特征值qsa、桩端阻力特征值qpa等。
　　岩土的变形指标主要有：压缩系数a、压缩模量Es、剪切模量G、前期固结压力pc、压缩指数Cc、回弹指数Cs、泊松比μ、弹性模量E、岩土基床系数（Kv、K）、静止侧压力系数K0。
　　岩土水文地质参数有：水平、竖直渗透系数（Kv、Kh）、水位埋深、承压水头高度、基坑涌水量估算等。
　　岩土动力学特性指标有：场地岩土层的剪切波速、场地特征周期、土层电阻率。
　　岩土导热特性指标有：导热系数λ、导温系数u以及比热容C。
　　3 岩土参数的统计方法
　　按照《岩土工程勘察规范（2009版）》（GB50021-2001）的参数统计要求：
　　（1）应按场地的工程地质单元和层位分别
　　统计。
　　（2）应按下列公式计算平均值、标准差和变异系数：
　　式中：
　　——岩土参数的平均值
　　——岩土参数的标准差
　　——岩土参数的变异系数
　　（3）分析数据的分布情况并说明数据的取舍标准。
　　（4）岩土参数的标准值：
　　式中：
　　——统计修正系数
　　式中正负号按不利组合考虑，如抗剪强度指标的修正系数应取负值。统计修正系数也可按岩土工程的类型和重要性、参数的变异性和统计数据的个数，根据经验选用。
　　4 岩土参数的分析和选定
　　岩土参数的分析选用，应充分考虑取样、试验操作等因素影响，根据场区地层沉积规律划分地层，对于土层测试、试验指标，分析舍去明显不合理数据后，采用算术平均值、最大值、最小值、变异系数等可靠的数理统计学指标，以获取准确的岩土设计参数。
　　岩土参数的取舍应充分考虑各个指标的相关性，不能盲目一刀切，剔除一个数据，就把该土样的所有数据都剔除，也不能完全靠照变异系数来控制，而是要充分分析各指标间的相互关系，并且结合地区工程经验，最终使得到的岩土参数更趋向于真值，能真实反映岩土层的物理力学状态，为设计和施工提供可靠的参数，见图1：
　　4.1 土性剔除
　　如果地层的划分足够准确，按照土的分类可进行整样剔除，如黏性土和粉土按IP指标进行剔除，砂类土按颗分试验指标进行剔除。如果按土性剔除的数据相对过多，就应考虑地层划分的准确性，重新分层，然后重新统计参数指标。
　　4.2 三倍标准差剔除
　　设岩土参数被建模为随机变量X，X服从正态分布，均值为μ。三倍标准差是基于这样一个事实而得，即X的任意值落在区间[μ-3σ，μ+3σ]的概率为99.73%。三倍标准差法不仅对具有大量样本值的统计参数行之有效，而且对有限样本值的统计参数也方便使用，并且现在很多岩土勘察软件都能提供该功能，易于实现。
　　4.3 人为相关剔除
　　有的岩土工作者在进行参数统计时，经常一组样子中一个参数异常就把整组样子的参数剔除，这样容易使一些指标的正常值被误剔除，使样本的数量减少，而降低了统计的可靠性。人为进行剔除，就是要克服这种简单剔除的缺点。当一组样子试验的参数有一个或者几个异常值被剔除时，其他的指标要根据与被剔除参数的相互关系选择剔除或者保留。WL、Wp、Ip和IL，c和φ，a和Es，前期固结压力pc、压缩指数Cc和回弹指数Cs，泊松比μ和静止侧压力系数K0等都是一组指标，如果统计，在剔除时应成对剔除。天然含水量W、天然重度γ、孔隙比e是一组关联数据，统计时出现异常，就要看本样品能否代表该层的实际值，只要不是夹层或者透镜体，就可以参加统计。
　　4.4 小频率剔除
　　在执行完三倍标准差剔除及人为相关剔除后，还应统一分析各个指标的参数值，剔除对工程有利的小频率值，然后再执行人为相关剔除。 
       　4.5 变异系数控制
　　岩土参数的标准差可以作为参数离散性的尺度，但由于标准差是有量纲指标，不能用于不同参数离散性的比较，因此，规范引入了变异系数δ的概念。在正确划分地质单元和标准试验方法的条件下，变异系数反映了岩土指标固有的变异性特征。因此，在用δ来控制剔除指标时，可以根据地区的变异系数经验值作为标准来参考剔除，然而目前国内对这方面的研究还比较少，文献[1]收集了近年来国内外关于土性参数的变异性研究的相关文献，并将它们的结果汇总成表，可以作为参数统计工作中变异系数选取的一个参考。
　　当遇到剔除数据时δ始终很大，应该综合分析指标参数，可能是指标样本数太少导致或是场地地层的不均匀性导致数据离散性较大，也可能是地层的划分不准确，这时要考虑是否应重新划分地层。
　　5 岩土物理力学参数参考值
　　依据某地区城市轨道交通勘察的原始资料，结合地区以往的工程经验，对地层进行合理划分后，按照上述岩土参数分析方法对岩土参数进行统计，得出了主要地层岩土物理力学参数参考值（见表1），为今后的勘察设计工作提供参考。
　　6 结语
　　目前在岩土工程勘察中面对庞大的试验数据，岩土工作者还是普遍采用岩土勘察规范中推荐的方法进行统计，进行统计时：首先，按土的性质整样剔除；然后，按三倍标准差剔除；在剔除数据中都要考虑指标的相关性，相关参数成组剔除；再次，结合工程实际情况进行小概率剔除；最后，通过控制变异系数来控制参数的离散度。总之，在进行岩土参数的剔除时，既要考虑数据的统计，又要结合工程经验进行合理剔除。
　　参考文献
　　[1] 张继周，缪林昌，刘峰.岩土参数的不确定性及其统计方法[J].岩土力学，2008，（S1）.
　　[2] 中华人民共和国建设部.岩土工程勘察规范（2009版）（GB50021-2001）[S].
　　[3] 中华人民共和国建设部.城市轨道交通岩土工程勘察规范（GB50307-2012）[S].
　　[4] 黄戡，彭建国，刘宝琛，等.数理统计在确定岩土参数标准值中的应用研究[J].2010，35（3）：62-64.
　　[5] 张征，刘淑春.岩土参数的变异性及其评价方法[J].岩土工程学报，1995，（6）.
　　[6] 邓建，李夕兵，古德生.岩石力学参数概率分布的信息熵推断[J].岩石力学与工程学报，2004，23（13）：2177-2181.
　　[7] 苏永华，何满潮，孙晓明.大子样岩土随机参数统计方法[J].岩土工程学报，2001，23（1）：117-119.