粗顆粒硫酸鹽漬土溶陷變形影響因素的顯著性分析

劉亞峰,楊　鵬,米海珍,劉志義

(1.中國能建集團甘肅省電力設(shè)計院,甘肅 蘭州　730050;

2.蘭州理工大學 土木工程學院,甘肅 蘭州　730050)

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粗顆粒硫酸鹽漬土溶陷變形影響因素的顯著性分析

劉亞峰1,楊鵬2,米海珍2,劉志義2

(1.中國能建集團甘肅省電力設(shè)計院,甘肅 蘭州730050;

2.蘭州理工大學 土木工程學院,甘肅 蘭州730050)

摘要建立粗顆粒硫酸鹽漬土溶陷變形量的計算公式,首先需要對影響溶陷的因素進行篩查和排序,目前雖已知含鹽量、含水量、土體結(jié)構(gòu)、上部荷載等因素對溶陷變形產(chǎn)生影響,但是哪些因素是主要因素,及隨其水平增加如何變化等問題尚需深入研究。采用正交實驗的方法,選用L16(45)的正交實驗表進行實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn),對粗顆粒硫酸鹽漬土溶陷變形影響因素的主次排序為:含水量(因素B)、含鹽量(因素A)和荷載(因素D)、孔隙比(因素C),并得出了各因素隨水平變化的效應曲線。發(fā)現(xiàn)在其他因素相同的條件下,含水量5%所對應的溶濾變形系數(shù)最小,該含水量應為粗顆粒硫酸鹽漬土的最優(yōu)含水率。

關(guān)鍵詞正交實驗;粗顆粒;鹽漬土;溶陷;顯著性

溶陷變形是粗顆粒硫酸鹽漬土的主要病害特征,從工程實際出發(fā),如果可以建立粗顆粒硫酸鹽漬土溶陷變形量的計算公式,將對該工程病害的治理與預警提供理論支持。但在建立公式之前,首先需要對影響溶陷變形的因素進行篩選和排序。目前,就影響因素的研究已取得了一定的進展,一些在粗顆粒硫酸鹽漬土地區(qū)開展的現(xiàn)場實驗結(jié)果表明[1],粗顆粒硫酸鹽漬土地基溶陷變形的影響因素除了含鹽量與含水量之外,也與粗粒含量、地基密實度和滲透系數(shù)等因素有關(guān);室內(nèi)模擬實驗的結(jié)果不僅驗證了以上因素,還提出土體結(jié)構(gòu)、含鹽類型和浸水量等因素對溶陷變形的影響[2-4];將鹽漬土化學潛蝕溶陷變形過程劃分為三狀態(tài)二階段進行分析[5],根據(jù)階段變化規(guī)律總結(jié)出不同狀態(tài)時土體物理指標間的相互關(guān)系。通過該關(guān)系分析并驗證了土體的孔隙比、含鹽率以及土體的結(jié)構(gòu)組成形式都是影響鹽漬土潛蝕溶陷變形的重要因素。

雖然通過以上研究可以發(fā)現(xiàn),含鹽量、含水量、土體密實度(孔隙比)、浸水時長、滲透系數(shù)等因素都對溶濾變形指標產(chǎn)生某種程度的影響。但究竟哪種因素是主要因素,哪種因素是次要因素,它們對溶陷變形影響的顯著性如何,尚無明確說法。因此,實驗將含鹽量、含水量、孔隙比、上覆荷載、滲透系數(shù)等因素作為研究對象,通過室內(nèi)實驗的辦法來研究它們對溶陷變形的影響程度,并依據(jù)影響的顯著性對各因素進行排序,為進一步建立溶陷變形的計算公式提供理論依據(jù)。

1實驗目的與方法

1.1實驗設(shè)計

實驗使用圖 1所示的儀器來測量不同的含鹽量、含水量、孔隙比、上覆荷載等因素在不同組合下試樣的溶濾變形系數(shù),使用該儀器同時可以測量土樣的滲透系數(shù),通過分析各因素與溶濾變形系數(shù)之間的關(guān)系,分清各因素的主次順序,判斷因素對實驗指標影響的顯著程度;分析因素與實驗指標之間的關(guān)系,即當某因素變化時,實驗指標是如何變化的;估計實驗誤差的大小。找出指標隨因素變化的規(guī)律和趨勢,為進一步實驗指明方向。

1.土樣;2.砂石反濾層;3.實驗桶外包水槽(用于循環(huán)制冷液);4.帶圓孔的金屬圓板;5.溢水口;6.出水口;7.帶刻度的測液管;8.制冷液入口;9.制冷液出口;10.外保溫層;11.桶蓋承壓桿;12.百分表;13.帶漏水孔的桶蓋圖1　實驗裝置Fig.1　Sketch map of experimental apparatus

如果將上述5個因素各選4個水平進行全面實驗,共需要進行45=1 024個試樣,其數(shù)量之巨幾乎難以完成。所以本次實驗選用正交實驗的方法來進行。

1.2實驗參數(shù)選擇

在不考慮交互作用的情況下,實驗數(shù)量可大量減少。實驗選用L16(45)的正交實驗表,實驗選擇的因素及水平如表1所列,實驗所用的土樣全部為重塑土。

表1中所列孔隙比是在實驗室實測求得的,同時根據(jù)在敦煌機場采樣結(jié)果[6],選取了6種具有代表性的砂土土樣,并依據(jù)其篩分結(jié)果在實驗室配置了與其級配相近的土樣,實驗所選土樣的級配與孔隙比的對應關(guān)系如表2所列。

表1　實驗因素水平表

表2　實驗選用土樣級配及孔隙比

2實驗結(jié)果與分析

2.1各因素的主次順序

正交實驗結(jié)果如表3所列。表3中R值為同一因素各水平下溶濾變形系數(shù)的極差(極差=平均溶濾系數(shù)的最大值-平均溶濾系數(shù)的最小值)。極差大就表示該因素的水平變動對實驗結(jié)果的影響大,極差小就表示該因素的水平變動對實驗結(jié)果的影響小。通過直觀分析法可知,表3中各因素的主次順序依次為含水量(因素B)、含鹽量(因素A)、荷載(因素D)、孔隙比(因素C)。根據(jù)極差法對各因素影響程度的排序可以看出,水是誘發(fā)溶陷的主要因素。含鹽量和荷載對溶陷變形的影響僅次于含水量,而孔隙比(即土體結(jié)構(gòu))對溶陷的影響相對較小。

表3　粗顆粒漬土溶濾變形系數(shù)實驗結(jié)果 L16(45)

2.2因素對實驗指標影響的顯著程度

雖然通過直觀分析法可以知道各因素對溶陷變形影響的主次順序,但是對其顯著性的判斷則需要通過方差分析法[7,8]。該實驗求得的因子均比方F值如表3最后一行所列?？梢钥闯?F(含水量)最大,F(含鹽量)和F(荷載)次之,F(孔隙比)最小,該排序與直觀分析法中的極差R排序相同。但F均極小,說明這幾個因素顯著性都不明顯。

2.3因素與實驗指標之間的關(guān)系

通過對以上各因素進行顯著性分析,還可以獲知各因素隨水平變化時的效應曲線,如圖2所示。由圖2可知,對于粗顆粒硫酸鹽漬土而言,隨著含鹽量的增加,其溶陷變形量將單調(diào)遞增,而隨著自重荷載的增加,其溶陷變形量將單調(diào)遞減,即說明在其他因素不變的情況下鹽漬土地基的溶陷變形量將沿深度方向逐漸減小。溶濾變形系數(shù)隨著含水量的增加呈現(xiàn)出先減小后增加大趨勢,在其他因素不變的情況下含水量為5%時,粗顆粒硫酸鹽漬土地基溶濾變形最小,該含水量應為粗顆粒硫酸鹽漬土的最優(yōu)含水量。而隨著孔隙比的增大,溶濾變形系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,這說明溶濾變形并不隨著孔隙比的增大而單調(diào)遞增,孔隙比(土體結(jié)構(gòu))對溶濾變形系數(shù)的影響較為復雜。

圖2　效應曲線Fig.2　Chart of effect curve

3結(jié)論

實驗經(jīng)過極差分析法可以得出含鹽量(因素A)、含水量(因素B)、孔隙比(因素C)和荷載(因素D)四個因素對粗顆粒硫酸鹽漬土溶濾變形系數(shù)影響的主次順序,結(jié)果顯示:上述因素的主次順序依次為含水量(因素B)、含鹽量(因素A)、荷載(因素D)、孔隙比(因素C)。由此可見,水是誘發(fā)溶陷的主要因素,含鹽量和荷載對溶陷變形的影響僅次于含水量,而孔隙比(即土體結(jié)構(gòu))對溶陷變形的影響相對較小。

通過方差分析法可知四個因素對溶濾變形系數(shù)的影響都不顯著。究其原因可能是實驗存在誤差且誤差自由度小(僅為3),使檢驗的靈敏度低,從而掩蓋了考察因素的顯著性。

通過各因素的效應曲線可知各因素增大時的變化趨勢。即溶濾變形系數(shù)會隨著含鹽量增大而遞增,隨著自重荷載的遞增而減小,并會隨著含水量的遞增先減小后增大,由此認為5%含水量應為粗顆粒硫酸鹽漬土最優(yōu)含水率,即在此含水量附近時,溶濾變形系數(shù)最小,同時發(fā)現(xiàn)溶濾變形系數(shù)并不會隨著孔隙比的增大而呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢,土體結(jié)構(gòu)對溶濾變形的影響更為復雜,有必要進行更加深入細致地研究。

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Significance Analysis on Influence Factors of Coarse Particle Sulphate Salty Soil’s Dissolve Settlement and Deformation

Liu Yafeng1,Yang Peng2,Mi Haizhen2,Liu Zhiyi2

(1.TheElectricPowerDesignInstituteofGansuinChinaEnergyEngineeringGroupCo.,Ltd,Lanzhou730050,China;2.SchoolofCivilEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China)

AbstractTo establish a calculation formula of the dissolve settlement and deformation amount of coarse particle sulphate salty soil,we first need to screen and sort the influence factors of dissolve settlement.Currently,although the effects of salinity,water content,soil structure,upper load and other factors on dissolve settlement and deformation are known,questions including what are the main factors,and how will it change with the increased level still need further study.The test uses the orthogonal experiment method,and selects the orthogonal experiment table of L26(45) for experiment.It is found that the primary and secondary order of the influence factors of coarse particle sulphate salty soil’s dissolve settlement and deformation is as follows:water content (factor B),salinity (factor A),load (factor D),void ratio (factor C).Besides,the effect curve about how each factor changes with levels is also achieved.It is found that in the case of same other factors,the 5% water content corresponds to the minimum dissolve settlement and deformation coefficient,and this water content should be the optimum moisture content of coarse particle sulphate salty soil.

Key wordsOrthogonal experiment;Coarse particle;Salty soil;Dissolve settlement;Significance

中圖分類號:U491.5

文獻標志碼:A

文章編號:1004-0366(2016)01-0105-05

作者簡介:劉亞峰(1971-),男,甘肅慶陽人,博士,高級工程師,研究方向為巖土工程勘察.E-mail:zhoushur@yahoo.com.cn.

基金項目:甘肅省電力設(shè)計院與蘭州理工大學合作研究項目“河西粗顆粒鹽漬土地基鹽脹病害與防治措施研究”(2011620111000485).

收稿日期:2014-07-03;修回日期:2014-09-17.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.01.023.

引用格式:Liu Yafeng,Yang Peng,Mi Haizhen,etal.Significance Analysis on Influence Factors of Coarse Particle Sulphate Salty Soil’s Dissolve Settlement and Deformation[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(1):105-109.[劉亞峰,楊鵬,米海珍,等.粗顆粒硫酸鹽漬土溶陷變形影響因素的顯著性分析[J].甘肅科學學報,2016,28(1):105-109.]