基于巖土空間變異性的勘察與土工參數可靠性定量研究

摘 要：巖土工程的質量和巖土空間變異性勘察效果、土工參數的可靠程度密切相關，提高勘察技術和研究技術是當務之急。本文主要結合實例論述了巖土空間變異性勘察策略和土工參數可靠性定量分析方法，以期能夠為相關的實踐提供些許理論參考。

關鍵詞：巖土空間；變異性勘察；土工參數定量研究

巖土空間變異性的準確勘察以及獲取土工參數的可靠性對提高巖土工程質量有著舉足輕重的影響，若勘察工作和參數分析工作沒有做到位，不僅會增大巖土工程基礎設計的成本支出，也會給巖土工程在投入使用后埋下諸多安全隱患。因此在經濟條件允許的情況下，應當提高對巖土空間變異性的勘察力度，也要提高土工參數獲得的準確性，這是巖土工程師應當履行的職責，切實增強巖土工程勘察參數的有效性。

1 基于巖土空間變異性勘察與土工參數可靠性定量研究意義

通常情況下，巖土工程師在設計時都會遇到一個問題，也即如何更加準確地獲得巖土工程基礎部分建設過程中所需要的、精準程度較高的施工現場數據資料，并且要充分確保獲得的數據資料具有很強的代表性。但是，實際情況卻不盡人意，在大多數條件下，勘察的數據總會由于各種原因而出現一系列的問題，有些是勘察的數據存在些許缺失，有些數據本身比較完整，卻不具備充分的代表性，有些數據的獲取途徑科學性不足，存在一定程度的主觀性和片面性，這些原因歸根結底是因為對巖土工程參數的空間變異性分析不足所致，故在實際的操作中，需對巖土工程的勘察范圍和具體位置的選擇作出周密的部署與安排，這樣才能達到預期的目的。例如在對垂直鉆孔方向的相關數據進行采集時，或者對采樣的距離進行合理規劃時，不僅要根據工程的需要設定最佳的鉆孔間距，同時也要充分考慮巖土勘察工程本身的場地情況，做最為適宜的采樣與測試安排，在提高工程安全效益的同時也要注重勘察工程的經濟投入。傳統的勘察方案總是較少考慮過程的有效性，因此獲得的土工參數在科學性和準確性方面都存在著不足，以后的設計方案要著重考慮勘察的有效性，尤其是要注意采取合理的措施，對巖土工程性質的空間變異性以及不穩定性作出比較準確的評價，充分確保數據采集的效率，同時也可以最大限度提高巖土工程設計的可靠性和穩定性，為工程的效益奠定堅實的基礎。

現行《巖土工程勘察規范》GB50021-2001對詳細勘察采取土試樣只作了定性及部分定量的規定，但這是對每個巖土工程勘察項目的最低要求。如規范規定每個場地不少于3個取樣孔，每一主要土層不少于6件土試樣等。它常常不能滿足對復雜多變的巖土性質的評價。在實際工作中，單個取樣鉆孔中取樣的垂直間距也往往簡單化，常規定主要持力層為1～2m，其它土層為2～3m，缺乏空間分布的科學性，會出規該取樣的部位不取樣，而本可少取的部位又重復取樣的浪費現象，從而也影響了對整個場地進行巖土評價的準確性。所以在對具一定規模的工程項目勘察綱要編制時，宜進行場地的巖土空間變異性與土工參數可靠性定量研究，以確定最佳的取樣方案。

2 基于巖土空間變異性勘察與土工參數可靠性定量研究實踐

以某巖土工程為例來說明基于巖土參數的空間變異性的勘察方案的制定策略。該巖土工程施工范圍內的土層類型包括粘土層、粉質粘土層、含粘土砂層以及砂土層，厚度分別為14m、20m、9m、12m。在設計勘察方案時，將率先采集的數據進行了歸納，重新設立了新的巖土工程勘察數據庫，為工程參數的設計提供科學的依據。

根據相關的實踐研究可知，在巖土工程特性設計方面，對其設計參數的準確性影響最大的因素主要包括巖土參數空間變異性、參數統計結果的不確定性以及測量中產生的誤差。巖土參數空間變異性是重點研究的因素。在不同的自然環境條件下，同一時期形成的巖土性質會發生變化；從一個特定的位置，轉移到另一個特定的位置后，縱然處于同樣均勻的土層之中，巖土的性質也會產生顯著的變化；這與巖土長期形成的物理性質的改變密切相關，巖土性質發生的變異現象就被稱作是巖土空間變異性。位置的不同會導致巖土性質的不同，同理可知在空間位置非常接近的條件下，則巖土工程沿途的性質也會呈現出明顯的相似性，隨著空間距離的逐漸增大，差異性也就逐漸顯現出來。

實際勘察過程中，先是要科學把握巖土參數空間變異性的概率特點，通過大靜力觸探試驗方式，計算出巖土空間變異性的土體參數值，包括平均值、變異的系數，并求出在垂直方向和水平方向上的相關距離大小等，然后綜合考慮各種因素，對巖土工程的采樣和勘察方案進行合理的分析，選出最佳的垂直間距和水平距離，不斷完善勘察的方案，從而最大限度降低工程勘察的可變性因素，提高勘察與分析研究的準確性。

在設定勘察方案時，最關鍵的研究指標就是相關距離，也是比較實用的指標，借助該指標可以判斷取樣的具體距離，為保證樣本采集過程中的獨立性，就要依據相關距離的特點，小于相關距離的取樣，會導致樣本性質的趨同性，數據的采集工作就顯得比較多余，這是因為在距離較近的范圍內，土體的性質大概保持一致。所以根據不同的需求來確定采樣或者勘察的距離，若是為了獲得較為合理的勘察方案，采樣的距離要比相關距離稍大，若是為了進一步判斷土工特性之間的相互關系，則要求采樣的距離小于相關距離，這樣可以更加準確地獲得土體強烈的相關性。在該巖土工程中，根據計算可得，粘土層的垂直相關距離為0.48m，水平相關距離則為130m；在粉質粘土層中，垂直相關距離為0.44m，水平相關距離則為125m；含粘土砂層中，垂直相關距離為0.32m，水平相關距離則為122m；而在砂土層中，垂直相關距離為0.35m，水平相關距離則為98m。依據勘察的原則，可以將粘土層的勘察間距設定為0.5m，粉質粘土層的采樣間距可以設定為0.45m，含粘土砂層和砂土層的間距都為0.35m，在鉆孔的過程中，各個土層都要受到鉆孔的影響，因此只要選定一個水平間距即可達到勘察工程所需的效果，水平間距可以設定為小于130m。

一般的巖土工程中，包括很多類型的土性參數，有些參數和巖土工程整體結構的穩定性能有著很大的關系，諸如砂土的摩擦角大小、粘土不排水性能和其產生的剪力強度值等，上述的土工參數均可以在實驗室中獲得，也可以通過原位試驗獲得，或者是通過相關的公式計算獲得。在實際的操作過程中，由于巖土工程中還有著許多尚未確定的影響因素，導致這些參數在實際應用過程中的精準程度很低，因此要對土工參數的可靠性進行定量的分析與研究。當前，在原位測試法應用基礎上，形成了對巖土工程參數的進一步調研與分析，這些測試可以為巖土工程項目提供更多的參考數據，且測試的成本比較低，但是這種測試方式和分析方案通常是采用相關的公式，將測量中獲得的數據作為巖土工程的設計參數來應用，而土體本身固有的空間變異性以及公式轉換過程中的不確定性，使得分析與應用過程也充滿著很多的不確定因素。因此在該工程中，可以通過檢驗不排水剪力強度來判斷土工參數，將其不確定性進行量化分析。

3 結 語

綜上所述，巖土工程基礎設計過程中，影響施工質量的因素包括巖土空間變異性勘察效果和土工參數的可靠性定量分析效果，為了加強巖土工程的施工質量，必須采取相關的措施，增強現場勘察的力度和效率，不斷提高土工參數的分析研究精準程度，以便為巖土工程的施工提供切實可靠的數據，為優化資源配置奠定良好的基礎，同時也可以有效提高工程建設的整體質量，將經濟效益與社會效益有機統一起來。

作者簡介：楊定國 （1958-），男，漢族，浙江諸暨人，水文地質與工程地質專業，高級工程師，現任浙江省巖土力學與工程學會理事、浙江土力工程勘測院院長，主要從事巖土工程與地基處理方面的研究工作。