地质统计学在地层岩土参数分布规律研究中的应用

摘要

随着改革开放的日益深入，房地产业在市场经济中占据着日趋重要的地位，并长期受到全社会的广泛关注。尤其近几年来，城市建设的步伐不断加速，高层超高层建筑越来越多，旧城改造新建楼房也是见缝插针。建筑业的蓬勃发展也带动了相关领域工程技术的不断进步，如基础勘测、基坑工程、地下工程、地基处理等等。加强对地层空间不确定性因素与确定性因素的研究是实现工程建设稳步进行的根本途径。在我国经济富庶的东南沿海地区，地层土壤空间分布规律是制约土地规划和工程建设的重要因素，同区域环境一起影响着该区土地利用和经济发展。在区域尺度下，对于整个研究区域地块内地层岩土参数空间分布特征及其影响因素进行系统而科学地认识，是工程顺利实施的有力保证，对区域单元上的宏观决策问题具有重要的指导作用。本文以典型的滨海相沉积地层为研究区域，旨在摸清现阶段主要地层参数的整体变异状况，明晰其空间变异特征及空间分布格局，并揭示不同尺度下地层岩土参数与相关环境因素之间的关系。岩土参数取自《江苏省阜宁县向阳花苑1＃～22＃楼勘探报告》，主要研究地层有第3层淤泥质粉质粘土层，计有43个勘探孔；第8层粉质粘土层，计有43个勘探孔，层厚4.0～5.3m；第9层粘土层，计有29个勘探孔。采用经典统计学(整体特征变异、方差比较、均值分析等)、地质统计学(变差函数、克里格空间插值)、状态空间数值模拟等方法，对各主要研究地层岩土参数的空间变异特征、空间数值模拟及预测、不同研究尺度下的相关影响因素进行了细致的分析。
　　本研究主要内容包括：⑴研究区域地层岩土参数的含量整体变化水平在本区域处于中等偏弱变异水平。地质统计学分析表明，淤泥质粉质粘土层岩土参数液限、塑限、液性指数为中等变异参数，块金系数小于0.25；粉质粘土地层参数表现为中等变异的有孔隙比、压缩模量，块金系数在0.25～0.75之间；粘土层地层岩土参数表现为中等变异的有压缩模量，X方向与Y方向块金系数在0.25～0.75之间。变异函数分析比较发现，各主要地层岩土参数在区域勘测尺度上无明显各向异性。⑵研究了地层岩土参数间的空间相关性规律：淤泥质粉质粘土地层含水率与孔隙比存在强正相关关系，相关系数0.9410，压缩系数与压缩模量存在强负相关关系，相关系数-0.9450；含水率、孔隙比、液性指数、压缩系数等参数指标在不同方向上存在较好的空间协相关性，X方向变程a接近于5.7m，Y方向变程a接近于7.1m；含水率和孔隙比自相关性较好，全局变程值范围设为7m。粉质粘土地层含水率与孔隙比、液性指数为强正相关关系，相关系数大于0.73，压缩系数与压缩模量为负相关关系，负相关系数为-0.9527；含水率与液性指数、压缩系数指标在不同方向上存在较好的空间协相关性，其相互协相关性变程值均接近于5m；液限、塑限、压缩模量存在着较强的空间自相关性，其全局变程值可设为7 m。粘土地层含水率与孔隙比、液限、塑限间存在较强的正相关关系；液限与塑限、塑性指数间存在较强的正相关关系；粘土地层含水率与孔隙比、液限、塑性指数、液性指数等参数指标在不同方向上的变化有着较好的空间协调性，其协相关性变程值可确定为5.5 m；含水率、液限、塑限、塑性指数、液性指数有着较强的空间自相关性，其全局变程值可设为6m。⑶相关地层岩土参数尺度下的研究及最优尺度的选择分析表明，含水率、液性指数、压缩系数的变差函数模型，在不同的尺度下不具有可比较性。含水率、液性指数、压缩系数的空间变化对各个尺度的响应各不相同；含水率与压缩系数的空间最优尺度设为8m为宜，液性指数设为10m为宜。⑷对研究区域内不良地层的研究，重点阐述了地质统计学在勘测设计与施工中的应用。分析表明，淤泥质土地层液限、塑限、液性指数变异性较大，应加密勘测；不同方向空间变异规律研究显示，淤泥质土地层Y方向的空间变异性较大，对该方向应进行重点勘测。通过最优无偏空间插值，即克里格插值，绘制了主要地层压缩系数空间分布图，对指导进一步的勘测设计与施工有一定的实际应用意义。⑸区域尺度上，自然因素，如大气降水、明塘、暗塘、河流分布、土壤组成成分等，对地层岩土参数具有显著影响；人为因素，如勘测误差、实验测试方法，与上述自然因素之间也存在相互关系，并显著影响各岩土参数指标。整体来看，地层土壤参数指标具有中等偏弱的空间变异性，分布较为稳定。

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第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.3存在的问题

第二章 研究区域概况、研究内容和方法

2.1 研究区域概况

2.2 研究内容

2.3 研究方法

2.4 技术路线

2.5 实验主要仪器及数据获取方法

第三章 地层岩土参数空间变异性研究及其影响因素

3.1 引言

3.2 研究区域介绍

3.3 野外采样和室内分析

3.4 数据处理和统计分析

3.5 结果与讨论

3.6 本章小结

第四章 研究区域地层岩土参数空间相关性分析

4.1 引言

4.2研究区域介绍

4.3野外采样和室内分析

4.4数据处理和统计分析

4.5 结果与讨论

4.6本章小结

第五章 地层岩土参数尺度性研究及最优尺度估计

5.1 引言

5.2 研究区域介绍

5.3 野外采样和室内分析

5.4 数据处理和统计分析

5.5 结果与讨论

5.6 本章小结

第六章 相关研究在勘察设计及施工中可能的应用

6.1 引言

6.2 研究区域介绍

6.3 野外采样和室内分析

6.4 数据处理和统计分析

6.5 结果与讨论

6.6 本章小结

第七章 主要结论、进展及有待进一步研究的问题

7.1 主要结论

7.2 主要进展

7.3 有待进一步研究的问题

参考文献

致谢

附录

附录 1：课题 Matlab Matlab程序

附录2：课题变差函数图及其参数

附录3：课题等值线平面与立体图

作者简历