粗粒土蠕變影響因素正交試驗(yàn)研究

程煥達(dá) 劉 群

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081）

隨著我國(guó)交通設(shè)施的快速發(fā)展，鐵路建設(shè)不斷向山區(qū)延伸，受地形條件限制，大量高填方路堤不斷涌現(xiàn)。粗粒土具有壓實(shí)性能好、抗剪強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在山區(qū)鐵路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。粗粒土高填路堤的蠕變變形是眾多因素綜合作用的結(jié)果，包括土的類別、含水率、填土高度等。過(guò)去對(duì)蠕變影響因素的研究多集中于巖石、軟土、黃土、膨脹土等［1－4］，而涉及粗粒土的研究較少。基于前人研究，通過(guò)大型單軸固結(jié)儀，設(shè)計(jì)蠕變影響因素正交試驗(yàn)，研究滬昆客運(yùn)專線砂質(zhì)板巖粗粒土填料的蠕變特性。

1 正交試驗(yàn)方案

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法［5］是采用獨(dú)有的“正交表”開展科學(xué)地布置、剖析多個(gè)影響因素試驗(yàn)的方法，其優(yōu)勢(shì)是可以從大量的試驗(yàn)方案中，提選出來(lái)具有較強(qiáng)典型性的、不是很多的試驗(yàn)方案，對(duì)比討論這些方案的結(jié)果，從而得到所要研究問(wèn)題的最優(yōu)方案，并且能深入剖析獲得更多的、與各個(gè)影響因素相關(guān)的情報(bào)。一般地，研究正交試驗(yàn)結(jié)果的途徑有2條：第一條途徑是直觀法，第二條途徑是方差法。本文采用直觀法探討蠕變影響因素（含水率、顆粒組成和壓實(shí)系數(shù)）的主次因素和最優(yōu)方案。

（1）選表。正交試驗(yàn)主要考慮含水率、顆粒組成和壓實(shí)系數(shù)等3個(gè)蠕變影響因素的作用，每個(gè)蠕變影響因素都具有3個(gè)水平，同時(shí)忽略各個(gè)因素之間的相互影響，故選用L9（34）的正交表來(lái)布置試驗(yàn)。

表1 蠕變影響因素與水平表 %

（2）表頭設(shè)計(jì)。本文忽略各個(gè)因素之間的相互影響，從而只要把含水率、顆粒組成和壓實(shí)系數(shù)等3個(gè)蠕變影響因素依次安排到L9（34）正交表的上方與列號(hào)相應(yīng)的地方，含水率、顆粒組成和壓實(shí)系數(shù)等3個(gè)蠕變影響因素各占1列，共3列。一般要求正交表設(shè)置1個(gè)空白列（或誤差列），因此第4列設(shè)置為空白列。蠕變正交試驗(yàn)的標(biāo)頭設(shè)計(jì)見表2。

表2 蠕變正交試驗(yàn)的表頭設(shè)計(jì)

（3）明確試驗(yàn)方案。設(shè)計(jì)完蠕變正交試驗(yàn)的表頭設(shè)計(jì)后，將含水率、顆粒組成和壓實(shí)系數(shù)等3個(gè)蠕變影響因素的數(shù)值大小依次排序，并將表1中的水平列中的數(shù)字1，2，3分別對(duì)應(yīng)其他因素列的水平大小，1個(gè)試驗(yàn)方案相當(dāng)于正交試驗(yàn)表中的1行，故共需要做9個(gè)蠕變?cè)囼?yàn)，見表3。例如，本試驗(yàn)的第2個(gè)試驗(yàn)方案A1，B2，C3相當(dāng)于蠕變影響因素取“含水率0%、顆粒組成30%、壓實(shí)系數(shù)95%”。

2 正交試驗(yàn)及結(jié)果分析

（1）按規(guī)定的方案做試驗(yàn)。本文按照表3人工配制砂質(zhì)板巖粗粒土試樣，選用直徑為280 mm、高為230mm的大型固結(jié)儀，采用400kPa的逐級(jí)加載方式，以1d內(nèi)變形不超過(guò)0.01mm為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一維壓縮蠕變?cè)囼?yàn)。正交試驗(yàn)結(jié)果見圖1，蠕變壓縮量μ定義為蠕變開始到蠕變穩(wěn)定之間的相對(duì)豎向位移，計(jì)算結(jié)果見表3。

圖1 正交試驗(yàn)蠕變壓縮量－時(shí)間曲線

表3 蠕變正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果分析

蠕變影響因素各列的極差Rj在一般情況下是不相等的，這反映出當(dāng)含水率、顆粒組成和壓實(shí)系數(shù)等3個(gè)蠕變影響因素的水平發(fā)生變化時(shí)，蠕變因素對(duì)一維蠕變壓縮量的影響程度是不同等的。某個(gè)蠕變影響因素的極差Rj比其他影響因素要大，這表明它的水平變化對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果的影響程度比其他因素的也要大，極差Rj最大的列便是粗粒土蠕變的最主要的影響因素，表3列出了正交試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果，其中R3＞R2＞R1，因此蠕變各因素的主次順序?yàn)?/p>

（3）最優(yōu)方案的確定。篩選蠕變影響因素的優(yōu)水平跟正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的指標(biāo)（蠕變壓縮量）相關(guān)。如果正交試驗(yàn)要求的指標(biāo)數(shù)值越大越有利，那么必須得選擇致使指標(biāo)數(shù)值較大的各因素的水平，也就是說(shuō)各列K1j，K2j，K3j，（或，）中最大的那個(gè)水平，反之亦反。本蠕變正交試驗(yàn)設(shè)置的目標(biāo)是減小蠕變壓縮量μ，即指標(biāo)μ越小越有利，因此篩選每個(gè)蠕變影響因素的K1j，K2j，K3j中最小的那個(gè)水平。故得最優(yōu)方案為C3B2A3，即壓實(shí)系數(shù)97%，細(xì)顆粒含量30%，含水率8.26%。

（4）試驗(yàn)驗(yàn)證。從理論上分析蠕變影響因素的正交試驗(yàn)，獲得減小蠕變壓縮量μ的最優(yōu)方案為C3B2A3，但是在真正將該方案運(yùn)用到實(shí)際工程中去之前，必須對(duì)該理論最優(yōu)方案實(shí)施對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)。將最優(yōu)方案C3B2A3編號(hào)為10號(hào)，試驗(yàn)結(jié)果見圖1，從圖中可得蠕變壓縮量μ＝6.82mm，比正交表中9個(gè)試驗(yàn)的蠕變壓縮量都小，故所確定的方案C3B2A3就是真正的最優(yōu)方案。

3 結(jié)論

本文從眾多粗粒土填料蠕變影響因素中選取含水率、顆粒組成和壓實(shí)系數(shù)等3個(gè)因素，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)L9（34）研究該3因素對(duì)蠕變的影響，得到如下結(jié)論：

（1）正交試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)砂質(zhì)板巖粗粒土蠕變影響因素的主次順序?yàn)椋簤簩?shí)系數(shù)（主因）、顆粒組成、含水率（次因）。

（2）蠕變最優(yōu)方案為：壓實(shí)系數(shù)97%、細(xì)顆粒含量30%、含水率8.26%。

本文不足之處在于研究的是粗粒土的一維壓縮蠕變，今后應(yīng)考慮深入研究三維受力情況下的粗粒土蠕變正交試驗(yàn)。

［1］ 邱平華.膨脹土直剪蠕變特性及長(zhǎng)期強(qiáng)度研究［D］.株洲：湖南工業(yè)大學(xué)，2012.

［2］ 胡 華.含水率對(duì)軟土流變參數(shù)的影響特性及其機(jī)理分析［J］.巖土工程技術(shù)，2005，19（3）：134－136.

［3］ 楊彩紅，王永巖，李劍光，等.含水率對(duì)巖石蠕變規(guī)律影響的試驗(yàn)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007，32（7）：695－699.

［4］ 李廣冬.黃土的三軸蠕變特性試驗(yàn)研究［D］.西安：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2011.

［5］ 莊楚強(qiáng)，何春雄.應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)［M］.3版.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2006.