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怎樣統(tǒng)計(jì)地基土的壓縮性指標(biāo)
怎樣統(tǒng)計(jì)地基土的壓縮性指標(biāo)
自然地質(zhì)條件是復(fù)雜的，巖土體是不均勻的，這是大家公認(rèn)的事實(shí)。但作為工程研究的對(duì)象，需要認(rèn)識(shí)它、研究它和處理它，又不得不把它局部化和簡(jiǎn)單化，忽略次要的，解決主要的矛盾，這可能是自然科學(xué)研究和工程技術(shù)研究的不同之處。自然科學(xué)研究可以從細(xì)觀出發(fā)，而解決工程問(wèn)題必須在宏觀上把握問(wèn)題的主要方面，而可以忽略次要的一些方面。
作為巖土工程師，對(duì)于你勘察的場(chǎng)地，首先要做地質(zhì)工作，從地形、地貌、地質(zhì)成因和地層年代上要區(qū)分清楚，是洪沖積的還是殘坡積的，是河漫灘還是階地，是第四紀(jì)地層還是老地層。這就是所謂的把地質(zhì)單元?jiǎng)澐终_，這是進(jìn)一步考慮布置勘察試驗(yàn)工作和數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)。其實(shí)，《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）早有明確的規(guī)定：“巖土的物理力學(xué)指標(biāo)，應(yīng)按場(chǎng)地的工程地質(zhì)單元和層位分別統(tǒng)計(jì)�！卑吹刭|(zhì)單元統(tǒng)計(jì)巖土的物理力學(xué)指標(biāo)，是巖土工程勘察的基本原則。在一個(gè)地質(zhì)單元中要求取一定數(shù)量的土樣，做一定數(shù)量的試驗(yàn)是為了數(shù)據(jù)有充分的代表性，是數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)所必需的樣本容量，而統(tǒng)計(jì)的前提則是子樣必須來(lái)自同一個(gè)母體。如果不承認(rèn)地質(zhì)單元可以用平均值來(lái)描述某一個(gè)屬性，那數(shù)據(jù)處理就無(wú)從談起。
對(duì)于同一個(gè)地質(zhì)單元是否是均勻的呢？也不一定，例如土層厚度很可能是不均勻的，即使在平原地區(qū)，土層厚度也常常有較大的變化，因此需要用勘探點(diǎn)的間距來(lái)控制其厚度的變化，不同的基礎(chǔ)類型對(duì)土層厚度的敏感性不同，因而布孔間距的要求是不同的。從土的性質(zhì)來(lái)研究土層均勻性，一般認(rèn)為同一地質(zhì)單元可以作為均質(zhì)體來(lái)處理，可以采用統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)處理試驗(yàn)指標(biāo)。如果不承認(rèn)這一點(diǎn)，即使是最簡(jiǎn)單的計(jì)算平均值的方法也就失去了理論的前提，就不能用平均值來(lái)處理試驗(yàn)結(jié)果。也失去了鉆孔抽樣取土試驗(yàn)的理論依據(jù)，那麻煩就大了。將試驗(yàn)指標(biāo)用于工程計(jì)算時(shí)，計(jì)算公式的推導(dǎo)都有均質(zhì)土的假定。計(jì)算基礎(chǔ)中點(diǎn)沉降時(shí)，你必須承認(rèn)土層是均勻的，同一土層的深度方向和水平方向都是均勻的，
用分層總和法處理的僅是深度方向劃分為若干土層，但對(duì)每一個(gè)土層還是均質(zhì)土。如果不承認(rèn)這一點(diǎn)，這個(gè)計(jì)算公式就不成立，那還計(jì)算什么？
如果認(rèn)為同一個(gè)地質(zhì)單元也存在不均勻性，而又希望把這種不均勻性探明顯示出來(lái)。把四個(gè)角點(diǎn)的取土試驗(yàn)數(shù)據(jù)，看作是地基土不均勻性的表現(xiàn)，通過(guò)四個(gè)角點(diǎn)的數(shù)據(jù)，建立不均勻性的數(shù)學(xué)模型�，F(xiàn)在有些商業(yè)軟件也可以對(duì)這類數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以建立數(shù)學(xué)模型，但這種方法是建立在兩個(gè)鉆孔的數(shù)據(jù)之間是線性變化假定的基礎(chǔ)上，等于是進(jìn)行線性插入。如果有更多的數(shù)據(jù)，當(dāng)然可以擬合非線性的模型。這在數(shù)學(xué)上是不難做到的，但問(wèn)題是，這種追求數(shù)據(jù)處理高精度的方法與工程處理的控制要求是不相匹配的，與工程勘察方法的基本前提是不符合的，與土力學(xué)的許多計(jì)算公式的假定是相違背的。
如果采取這種方法分析數(shù)據(jù)，則在水平方向上怎么確定鉆孔的間距才能正確地反映這種不均勻性？現(xiàn)行規(guī)范的鉆孔間距的規(guī)定并沒(méi)有考慮這些因素。如果認(rèn)為在深度方向上也存在不均勻性，那在兩個(gè)取土點(diǎn)之間的不均勻性又如何把它探明？因此，在不均勻性假定的基礎(chǔ)上的勘察工作，連取土點(diǎn)確定都會(huì)有很大的爭(zhēng)議，事情部做不下去了。
在均質(zhì)土假定的基礎(chǔ)上，把各個(gè)勘探點(diǎn)、各個(gè)取樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)的差異看成是隨機(jī)因素造成而不是系統(tǒng)因素造成的，這些隨機(jī)因素包括當(dāng)年沉積時(shí)物質(zhì)的差異、年代的差異、沉積條件的差異、取土擾動(dòng)程度的差異、試驗(yàn)條件的差異等等，這就可以用統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)處理這些數(shù)據(jù)的隨機(jī)誤差了，數(shù)據(jù)的離散性或變異性是反映這種隨機(jī)因素影響的定量指標(biāo)，通過(guò)計(jì)算，可以估計(jì)這些隨機(jī)誤差對(duì)計(jì)算結(jié)果所造成的影響有多大，這就是誤差估計(jì)和可靠度分析。
因此在計(jì)算一幢建筑物的沉降時(shí)，一般都分層采用各層土的綜合壓縮曲線去確定其相應(yīng)壓力段的壓縮模量，而且對(duì)于一個(gè)場(chǎng)地，如果是同一個(gè)地質(zhì)單元，也只分層給出每層土的綜合壓縮曲線。如果發(fā)現(xiàn)某一個(gè)范圍存在明顯的指標(biāo)差異，那很可能是在地質(zhì)單元的劃分上出了問(wèn)題。例如，很早以前，在北京曾經(jīng)發(fā)
現(xiàn)建筑物開(kāi)裂的事故，從試驗(yàn)資料來(lái)看，物理指標(biāo)沒(méi)有明顯的差別，但壓縮性指標(biāo)存在明顯差別的兩個(gè)部分。后來(lái)研究的結(jié)果表明，那指標(biāo)比較差的部分的土是近代沉積的土層，地地質(zhì)單元上應(yīng)當(dāng)把它們劃分出來(lái)，認(rèn)識(shí)地層的不均勻性，采取必要的工程措施就不再出事了。但在把兩個(gè)地質(zhì)單元?jiǎng)澐忠院螅瑢?duì)每個(gè)地質(zhì)單元還是作為均質(zhì)體來(lái)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。
有些反映土層天然狀態(tài)的指標(biāo)，在深度方向上有明顯規(guī)律性的變化。例如，十字板強(qiáng)度反映了土的天然強(qiáng)度，對(duì)正常壓密的土層，隨著深度的增加，土的有效上覆壓力增大，天然強(qiáng)度隨之而增大�？梢援嫵鍪职鍙�(qiáng)度與深度的散點(diǎn)圖，統(tǒng)計(jì)兩者之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。但這是以力學(xué)機(jī)制為分析基礎(chǔ)的。這種變異的規(guī)律性也是要以地質(zhì)單元為子樣的母體進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算相關(guān)性與變異系數(shù)。《巖土工程勘察規(guī)范》規(guī)定：“相關(guān)型參數(shù)宜結(jié)合巖土參數(shù)與深度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，按下式確定剩余標(biāo)準(zhǔn)差，并用剩余標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算變異系數(shù)。”
說(shuō)一下實(shí)際工程中出現(xiàn)建筑物傾斜和開(kāi)裂的原因和防治的方法。事先防范事故的發(fā)生無(wú)疑是十分重要的，在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于那種十分明顯的不均勻地基，例如軟硬不均的地基、部分基巖出露的地基、半填半挖的地基、存在暗浜的地基等等，首先需要加以界定，劃分其界限，分別研究其壓縮性。而是否會(huì)產(chǎn)生有害的不均勻沉降，一般不是靠計(jì)算出來(lái)的，而是根據(jù)工程的判斷。解決的方法是采取工程措施，使其均勻化，一般也不是靠計(jì)算結(jié)果來(lái)保證工程安全的。產(chǎn)生不均勻沉降的因素很多，地基壓縮性的不均勻性僅是一個(gè)方面，而土層的厚度變化、荷載的差異、荷載的偏心、施工時(shí)的擾動(dòng)等可能是更重要的因素，它怎樣統(tǒng)計(jì)地基土的壓縮性指標(biāo)們所產(chǎn)生的不均勻沉降的數(shù)量級(jí)往往遠(yuǎn)大于壓縮性的不均勻。人們?cè)谑孪染_控制建筑物傾斜和開(kāi)裂的本領(lǐng)還不大，特別依靠沉降計(jì)算的結(jié)果來(lái)控制不均勻沉降更是不太現(xiàn)實(shí)。
為了保證工程的安全一般從兩個(gè)方面控制，一是采取工程措施來(lái)控制上述產(chǎn)生不均勻沉降的諸多因素，不使其發(fā)生，或降低其危害；二是控制計(jì)算中點(diǎn)
沉降量的數(shù)量級(jí)，即控制基礎(chǔ)底面的壓力值，這就是變形控制設(shè)計(jì)的常用方法。如果人們把注意力集中在壓縮性指標(biāo)變化的數(shù)學(xué)模型上，注意了似乎是高精度的計(jì)算，卻忽略了上面這些更重要的控制因素，那么可能是總體上會(huì)失去控制。
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