巨粒土路基施工與工后沉降控制技術(shù)研究

1、巨粒土路基施工與工后沉降控制技術(shù)研究 巨粒土路基施工與工后沉降控制技術(shù) 成 果 報 告 完成單位：中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司 依托項目： 負(fù)責(zé)人： 資興高速公路 二零一四年四月十七日 目 錄 第一章 緒論 . 2 1.1國內(nèi)外現(xiàn)狀 . 2 1.2 施工技術(shù)難點 . 3 第二章 工程概況 . 4 2.1 工程概況 . 4 2.2 地形地貌 . 4 2.3 工程地質(zhì) . 4 2.4 水文地質(zhì) . 5 2.5 主要研究內(nèi)容 . 5 第三章 V型沖溝高填路堤施工技術(shù) . 6 3.1 施工方案 . 6 3.2 施工技術(shù) . 7 3.2.1 抗滑樁施工 . 7 3.2.3 樁板式擋土墻施工 . 7 3

2、.2.4 格賓網(wǎng)施工 . 7 3.2.5 路堤填筑 . 8 第四章 巨粒土高填路堤參數(shù)反演及沉降預(yù)測 . 9 4.1 概述 . 9 4.2 正交試驗設(shè)計方法的理論研究 . 9 4.2.1 試驗設(shè)計反分析方法 . 9 4.2.2 正交試驗設(shè)計方法原理與特點 . 11 4.2.3 正交試驗設(shè)計方法基本步驟 . 12 4.3 基于正交試驗法的巨粒土高填路堤沉降參數(shù)反演 . 17 4.3.1 因素及其水平選擇 . 17 4.3.2 正交表設(shè)計反演模擬試驗方案及試驗指標(biāo)結(jié)果 . 17 4.3.3 正交試驗結(jié)果與沉降預(yù)測分析 . 18 第五章 本項目創(chuàng)新點 . 22 第六章 經(jīng)濟(jì)社會效益 . 23 1 第

3、一章 緒論 1.1國內(nèi)外現(xiàn)狀 近年來，我國公路建設(shè)突飛猛進(jìn)，尤其是高等級公路的大量興建。高速公路被譽為一個國家走向現(xiàn)代化的橋梁，是發(fā)展現(xiàn)代交通業(yè)的必經(jīng)之路，作為重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，其快速建設(shè)對我國國民經(jīng)濟(jì)的總體發(fā)展起到了舉足輕重的作用。隨著我國高速公路網(wǎng)的逐漸擴大，高速公路建設(shè)不斷向山區(qū)延伸。在山區(qū)修建公路，所面臨的地形、地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，會途經(jīng)許多填方高度過大、挖方深度過深的路段，于是高填方路堤成為公路的一種常見的結(jié)構(gòu)形式。 我國的公路規(guī)范中并沒有明確的定義高路堤，一般情況認(rèn)為，路堤填料為碎石、粗砂、中砂時填筑高度達(dá)到12 m或者其他填料時達(dá)到20 m，可稱為高路堤。相比普通路堤，高填方路

4、堤具有：填筑高度大，工后沉降量大，沉降時間長等特點。若下部地基的變形較小，高填方填筑體自身的沉降就會成為高填方路堤整體沉降的主要部分。如何對高填方路堤的工后沉降進(jìn)行有效的計算與估計，以此來消除山區(qū)公路建設(shè)中因為路堤沉降而造成公路使用過程中可能發(fā)生的不良影響和危害，成為了當(dāng)前道路建設(shè)領(lǐng)域中的一個重要研究方向。 公路規(guī)范把試樣中巨粒含量占總體50%以上的土體，定義為巨粒土。按照這種土體分類標(biāo)準(zhǔn)，對于巨粒土的界定是很明確的，可是在實際應(yīng)用過程中，國內(nèi)外的研究中卻很少使用巨粒土的概念，而往往更廣義地稱之為粗粒料，或者粗粒土、土石混合體等，但本質(zhì)上，這些都屬于巨粒土的范疇。由于巨粒土具有壓實性能好、透水

5、性強、填筑密度大、抗剪強度高、沉陷變形小以及承載力高等良好的工程特性，因此作為路堤填料，被逐漸廣泛應(yīng)用于公路中。 路堤填料的選用，一般都采取因地制宜、就地取材的方式，大量的石質(zhì)挖方和隧道棄方就成為了路堤填料的主要來源，以挖方區(qū)開挖所產(chǎn)生的石料為主，其中最常見的是巨粒土填料。爆破開采石料及隧道棄渣等，具有粒徑較粗、壓縮性低、強度高、孔隙率大、透水性強、力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點，利用石料修筑路堤，充分利用其優(yōu)良的筑路性能，不僅減少了土石方運輸，極大的降低了工程造價，同時也有效的保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。 2 1.2 施工技術(shù)難點 高填方路堤具有沉降大、沉降時間長、對地基承載力要求高等特點。巨粒土高填路堤由于填筑體

6、自重過大，填料性能又復(fù)雜多樣，其工后沉降更是一個不容忽視的問題。路堤沉降嚴(yán)重影響著道路的良好使用，為了保證公路使用的安全性和舒適性，有效地降低路堤沉降，消除路堤沉降所帶來的危害已成為公路建設(shè)科技領(lǐng)域的一個重要課題。因此，當(dāng)前在山區(qū)修建巨粒土高填方公路時，路堤的沉降計算及預(yù)測成為必須解決的關(guān)鍵問題之一。 巨粒土的特征決定了在高路堤的施工中我們要解決的技術(shù)問題，主要有以下兩點： (1)顆粒粒徑大。根據(jù)土體分類定義可以發(fā)現(xiàn)，相對于其他類型土體，巨粒土自身顆粒直徑大很多，這就給土體試驗帶來了一定的困難。在實驗室對巨粒土進(jìn)行實驗研究，考察其土體性能、力學(xué)表現(xiàn)特性是很不容易的。雖然為了達(dá)到實現(xiàn)實驗?zāi)康?，?/p>

7、究者也曾通過擴大實驗儀器尺寸來進(jìn)行嘗試，但也不能將一些原型材料的級配概括進(jìn)來，只能用相似級配法、等量替代法、剔除法等方法將試樣縮小后進(jìn)行試驗，以此來估計現(xiàn)場原型材料的力學(xué)性質(zhì)。巨粒土力學(xué)性質(zhì)的不確定性就要求我們在施工過程中盡可能按照施工標(biāo)準(zhǔn)，因時因地的進(jìn)行施工。 (2)顆粒破碎。顆粒破碎是指組成土體的顆粒在外部荷載作用下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞或破損，分裂成粒徑相等或不等的多個顆粒。顆粒破碎會引起土體級配的改變，從而使其物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。會發(fā)生顆粒破碎的路堤填筑材料不只是巨粒土，如石英砂、鈣質(zhì)砂在一定的圍壓水平下就會產(chǎn)生顆粒破碎。與這些材料相比，巨粒土容易產(chǎn)生較高顆粒破碎率的主要原因是由于其材質(zhì)的來源

8、存在潛在缺陷及棱角豐富，巨粒土在較低的圍壓下就會產(chǎn)生顆粒破碎。因此，這就給我們在施工過程中的壓實標(biāo)準(zhǔn)和壓實指標(biāo)提出了更為嚴(yán)格的要求。 3 第二章 工程概況 2.1 工程概況 廣西資源至興安高速公路是安（康）至北（海）公路重要組成部分，是廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃“6橫7縱8支線”中縱2資源（梅溪）至鐵山港高速公路的組成部分，這條溝通湘桂兩省的高速公路，將形成連接桂林喀斯特峰林地貌、八角寨丹霞地貌和張家界砂巖地貌三種我國極具代表性自然景觀的大旅游新通道。廣西資源至興安高速公路作為廣西東部縱向重要的公路通道之一，是國家高速路網(wǎng)中泉南高速、廈蓉高速、上瑞高速、包茂高速、二廣高速的聯(lián)絡(luò)線。建成后，它將通過南寧

9、至友誼關(guān)高速公路連接?xùn)|盟各國，成為我國內(nèi)陸地區(qū)通往廣西沿海港口及東盟國家最便捷的通道之一。項目的建設(shè)對構(gòu)建廣西連接多區(qū)域的國際大通道綜合交通網(wǎng)絡(luò)，推進(jìn)桂林國際旅游勝地建設(shè)具有重要意義。 本標(biāo)段路線起點于廣西壯族自治區(qū)資源縣梅溪鄉(xiāng)鴨頭村，順古嶺隧道出口處。路線此處設(shè)八角寨互通式立交，并設(shè)連接線與既有S202相接；之后路線向南經(jīng)全栗灣，于墊子背設(shè)青云隧道至青云橋水電站東側(cè)，后經(jīng)井水灣、石亭，于瓦窯坪西側(cè)設(shè)大灣大橋至標(biāo)段終點。 2.2 地形地貌 地質(zhì)構(gòu)造特征具有揚子準(zhǔn)地臺和南華準(zhǔn)地臺的兩重性。線路走行于低山區(qū)，地形起伏較大，植被發(fā)育；線路主要以路基、橋梁形式通過。本段通過區(qū)域斷裂資新斷裂（F1）。受

10、構(gòu)造影響，花崗巖具糜棱化、碎裂化現(xiàn)象。受地質(zhì)構(gòu)造影響，工程地質(zhì)條件一般。 所在地區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤區(qū)，受地形地勢影響，具有明顯的山地立體氣候特征。四季分明，相對氣溫低，光熱少，雨量多，濕度大，霜、雪、冰期長是本地區(qū)氣候條件的重要表現(xiàn)。 2.3 工程地質(zhì) (1)地層巖性 4 坡積粉質(zhì)黏土、碎石土為主，下伏加里東期花崗巖、震旦系燈影組硅質(zhì)巖、白堊系礫巖。 (2)地質(zhì)構(gòu)造 此段區(qū)域位于江南地軸南緣與湘桂褶皺帶交匯處，為揚子準(zhǔn)地臺和南華準(zhǔn)地臺的過渡地段。 (3)不良地質(zhì)主要不良地質(zhì)現(xiàn)象為：泥石流、滑坡。特殊巖土為軟土地基、巖溶 (4)地震動參數(shù)，根據(jù)中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（GB18306-2001）,

11、路線所在區(qū)域地震動峰值加速度小于0.05g，抗震設(shè)防烈度小于VI度。 2.4 水文地質(zhì) 普遍具風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水特征。由大氣降水的滲入而形成，賦存于風(fēng)化裂隙及構(gòu)造裂隙之中，地下水埋藏較淺，屬淺層潛水，其中植被是最重要的控制因素。 本段屬于中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，海拔在800米以上，因地形地勢關(guān)系，具有明顯的山地“立體氣候”特征，是廣西氣溫最低，光熱最少，雨量較多，濕度最大，氣候溫和，四季宜人，年均氣溫16.8，年平均降雨量在1735-1875.5mm之間，年平均相對濕度82%，年平均日照時數(shù)1307小時。 2.5 主要研究內(nèi)容 （1）根據(jù)巨粒土高填土路堤的工程特點與機理，探討使用巨粒土進(jìn)行路堤填

12、筑過程中可能出現(xiàn)的問題以及具體的解決辦法，從而選擇最優(yōu)解決方案和施工技術(shù)，為巨粒土高填路堤的工程實踐提供經(jīng)驗。 （2）根據(jù)巨粒土自身的物理和力學(xué)特點，研究使用巨粒土進(jìn)行填筑的高路堤在施工完成后的產(chǎn)生的工后沉降問題，從而在施工過程中控制好路堤的壓實，達(dá)到規(guī)范要求的工后沉降標(biāo)準(zhǔn)。 （3）通過參數(shù)反演試驗?zāi)M工后沉降，調(diào)整填土厚度和壓實標(biāo)準(zhǔn)，最終使工后沉降控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。 5 第三章 V型沖溝高填路堤施工技術(shù) 3.1 施工方案 路堤填筑采用分級填筑方式，一級路堤高度8.0m，坡比采用1:0. 75，平臺寬度3. 0m，二級至三級坡比1:0. 75，高度控制10. 0m，三級平臺采用3. 0m，

13、根據(jù)路堤應(yīng)力應(yīng)變特征，二級平臺采用卸荷寬緩平臺處治方式，平臺寬度5. 0m，四級路堤坡比仍采用1 :0. 75。一級路堤擬采用土石混填方式填筑，二級、三級、四級路堤均要求采用填石路堤。施工方案如圖1所示。 圖1 施工方案圖 采用格賓擋墻進(jìn)行護(hù)坡，路基中部鋪設(shè)賓格網(wǎng)+GCL進(jìn)行強腰，路面結(jié)構(gòu)層下方鋪設(shè)土工格柵減小路面開裂，坡腳采用板樁結(jié)合擋土板進(jìn)行強腳，格賓擋墻能有效的提高邊坡整體及局部穩(wěn)定性，而且透水性良好，與填石路堤配合使用能盡快的排出由于降雨而滲透到路基內(nèi)部的水；路基腰部的格賓網(wǎng)及路面結(jié)構(gòu)層下面的土工格柵能增加路基巖土體的整體性，有效地減小路基變形，防止路面開裂而影響道路行車安全。板樁擋墻

14、及抗滑擋墻對坡腳能進(jìn)行有效的防護(hù)，提高邊坡整體穩(wěn)定性。 6 3.2 施工技術(shù) 3.2.1 抗滑樁施工 抗滑樁采用采用1. 75m x 2. 5m截面，樁長10m左右;嵌于基巖層上，間距 5. 0m，C25混凝土澆筑。抗滑樁采用C25鋼筋混凝土護(hù)壁，護(hù)壁厚度20cm。作業(yè)順序如圖2。 圖2 作業(yè)順序 3.2.3 樁板式擋土墻施工 填方坡腳位于應(yīng)力集中位置，適當(dāng)加強坡腳防護(hù)是路堤填筑成功的關(guān)鍵所在，基于此，經(jīng)綜合比較分析，坡腳采用樁板式擋土墻進(jìn)行加固。樁間設(shè)擋土板為矩形板，采用C30鋼筋混凝土預(yù)制板。樁后填筑1. 0m砂礫層，背側(cè)路堤采用碼砌片塊石方式填筑，且應(yīng)保證片塊石合緊密。 3.2.4 格賓

15、網(wǎng)施工 為穩(wěn)定邊坡，降低不均勻沉降的影響，采用分層鋪設(shè)格賓網(wǎng)+GCL進(jìn)行處理，在邊坡處每50cm鋪一層，在路床底面往下鋪設(shè)6層，層間距為0.5m。 (1)平整路基:格賓網(wǎng)鋪設(shè)前，對己鋪設(shè)的墊層進(jìn)行清理平整，保證格賓網(wǎng)能 7 均勻、平整的鋪設(shè)，鋪設(shè)時將強度高的方向垂直于路堤軸線方向布置。 (2)鋪設(shè)剪裁：單向格賓網(wǎng)，剪裁長度為設(shè)計長度+每層格賓網(wǎng)間距+反包長度(在錯臺處加錯臺寬度2m)。對于第一層，將剪裁好的單向格賓網(wǎng)鋪設(shè)在己經(jīng)處理好地基上，并將反包長度部分置于線以外，回填后將反包格賓網(wǎng)進(jìn)行反包，與上一層新鋪設(shè)的格賓網(wǎng)用連接棒進(jìn)行連接。 (3)GCL防滲：在第一層格賓網(wǎng)下層，鋪設(shè)一層厚度為20c

16、m的細(xì)沙壓實后加鋪10mm的GCL。 (4)張拉固定：按照設(shè)計坡面線固定一端，同時在單向格賓網(wǎng)遠(yuǎn)離坡面一端進(jìn)行張拉，拉緊后用木鍥固定，此時，格賓網(wǎng)處于繃緊狀態(tài)，不出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象。 (5)回填：在格賓網(wǎng)鋪設(shè)后應(yīng)及時進(jìn)行回填，避免陽光直接暴曬，回填時從兩端向中間鋪填?；靥盍狭娇刂?00mm以下，整平后進(jìn)行灑水碾壓，用振動碾壓機碾壓8遍，碾壓時垂直格賓網(wǎng)鋪設(shè)方向進(jìn)行碾壓。 (6)格賓網(wǎng)鋪設(shè)完成后，嚴(yán)禁一切施工車輛和施工機械行聆或停留在已鋪奸的格賓網(wǎng)上。 3.2.5 路堤填筑 路堤填筑采用分級填筑方式，一級路堤高度8. 0m，坡比采用1:0.75，平臺寬度3. 0m，二級至三級坡比1 : 0. 75，

17、高度控制10. 0m，三級平臺采用3. 0m，根據(jù)路堤應(yīng)力應(yīng)變特征，二級平臺采用卸荷寬緩平臺處治方式，瓶體寬度5. 0m，四級路堤坡比仍采用1:0.75。一級路堤擬采用土石混填方式填筑，以可采用填筑質(zhì)量更佳的填石路基方案，二級、三級、四級路堤均要求采用填石路堤。 （1）路堤壓實 本項目填石路基采用沉降差法控制填筑壓實質(zhì)量，通過監(jiān)測填層沉降數(shù)據(jù)，最后一遍與倒數(shù)第二遍同點標(biāo)高高差不大于3mm，與倒數(shù)第三遍高差不大于5mm，即認(rèn)為路堤填筑是密實的。松鋪厚度30 cm，采用18t振動壓路機振壓6遍便可滿足壓實要求。 （2）地基防排水 地基處理后開始修筑防排水系統(tǒng)。在沖溝原地面上設(shè)左、中、右3條排水盲溝

18、，溝截面100cm x100cm，溝內(nèi)材料采用級配碎石加中粗砂，四周鋪土工布，盲溝出口接擋墻排水孔，排水縱坡大于4%，用于排出溝谷上游滲流下來的水。 8 第四章 基于正交試驗法的巨粒土高填路堤參數(shù)反演 4.1 概述 計算模型參數(shù)的取值直接影響高填方路堤沉降計算及預(yù)測分析的精度和可靠性。對于廣義Kelvin模型只要確定常應(yīng)力狀態(tài)下填筑體EH、EK、?K這3個參數(shù)，則上述粘彈性本構(gòu)模型就可以確定。到目前為止，還沒有一個成熟的方法對蠕變材料模型參數(shù)進(jìn)行可靠的直接取值。一般來說，針對具體工程實際進(jìn)行的室內(nèi)蠕變試驗確定的參數(shù)是可靠的。但是由于室內(nèi)蠕變試驗的時間跨度大，成本高，在工期很緊的工程實踐中往往很

19、難被采用，考慮到不同工程所采用填筑體的變異性，這種試驗確定的參數(shù)對實際工程的借鑒性很小。實踐表明，通過工程類比法確定模型參數(shù)，往往無法獲得較高精度的計算結(jié)果。在有沉降監(jiān)測資料的條件下，采用參數(shù)反演的方法研究填筑體的材料特性，并用反演所得的參數(shù)值，建立預(yù)測模型，去進(jìn)一步預(yù)測高填方路堤的長期工后沉降，可使計算結(jié)果和實測數(shù)據(jù)相互驗證，能夠克服單純的室內(nèi)試驗或者工程類比法的不足，具有實用、可靠的優(yōu)點，并能獲得較高的計算精度。 4.2正交試驗設(shè)計方法的理論研究 4.2.1 試驗設(shè)計反分析方法 前文已經(jīng)提到，正交試驗設(shè)計反演方法是試驗設(shè)計反分析方法的一種。正交設(shè)計、均勻設(shè)計、穩(wěn)健性設(shè)計等均可歸為試驗設(shè)計反

20、演方法，由其各自推演出的方法分別稱為正交設(shè)計反演法、均勻設(shè)計反演法和穩(wěn)健設(shè)計反演法。 試驗設(shè)計反分析法的反演過程可簡述為：確定主要因素(反演參數(shù))及其水平?正確選擇試驗評價指標(biāo)?合理安排試驗方案?按方案進(jìn)行數(shù)值模擬試驗?進(jìn)行試驗結(jié)果分析?確定反演結(jié)果。其中正交試驗設(shè)計具有均勻分散性和整齊可比性兩大特點，可以通過至少安排因素水平數(shù)的平方個試驗由直觀分析獲取最佳參數(shù)。而均勻設(shè)計只具有均勻分散性，數(shù)值模擬試驗的數(shù)目可以是因素的水平數(shù)目，或者是因素水平數(shù)目的倍數(shù)，試驗次數(shù)比正交試驗次數(shù)少得多，但由于它不具有整齊可比性，其實驗結(jié)果需要用回歸分析等方法進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，以推斷最優(yōu)參數(shù)組合。另外，由于

21、巖土工程力學(xué)行為受多種不可預(yù)知的外部干擾，數(shù)值模擬試驗指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)值的因素水平的組合方式也常常不是唯一組合， 9 穩(wěn)健性設(shè)計就是致力于改進(jìn)參數(shù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用試驗設(shè)計找出一組對各種干擾因素具有最強抵抗能力的參數(shù)組合方式。試驗設(shè)計反分析過程如圖4-1所示。 該過程可用于更廣泛意義上的參數(shù)反演，如巖體工程設(shè)計參數(shù)、開挖施工參數(shù)。巖層初始地應(yīng)力場與物理力學(xué)參數(shù)、邊界荷載分布形式等。對于設(shè)計參數(shù)的反演，可根據(jù)巖體工程的可行設(shè)計方案和控制變形限值反演最佳設(shè)計參數(shù)。對于開挖施工參數(shù)的反演，可根據(jù)施工設(shè)備與環(huán)境條件等，通過數(shù)值模擬試驗反演合理的開挖施工方式與方法等。在進(jìn)行設(shè)計或開挖施工參數(shù)的試驗設(shè)計反演時，其結(jié)

22、果分析在很大程度上取決于正確的選擇評價指標(biāo)，不同評價指標(biāo)可能會給出不同的結(jié)果。因此，當(dāng)工程需要有多項約束條件或評價指標(biāo)時，還需要綜合多指標(biāo)的分析結(jié)果，給出最佳反演參數(shù)。 圖4-1 試驗設(shè)計反演基本過程 10 4.2.2 正交試驗設(shè)計方法原理與特點 正交設(shè)計法是一種重要的數(shù)學(xué)方法，用于研究多因子試驗問題，并在工程研究領(lǐng)域被廣泛使用，最顯著特點就是對正交表的合理使用69。通過借助正交表，從眾多的試驗條件中選出若干個代表性較強的試驗條件，科學(xué)地安排試驗，然后對試驗進(jìn)行整體分析、綜合對比、統(tǒng)計分析。通過對理論認(rèn)識和實際經(jīng)驗的把握選擇最符合條件的正交表，并通過正交表篩選出必須的試驗搭配，再通過數(shù)理統(tǒng)計分

23、析的方法進(jìn)行全面試驗。正交試驗設(shè)計用較少的試驗次數(shù)，找出試驗因素的最佳水平組合，了解試驗因素的重要性及交互作用情況，減少試驗的盲目性，避免試驗浪費等，而且由正交試驗尋找出的優(yōu)化參數(shù)與全面試驗所找出的最優(yōu)條件有一致的趨勢。 為了更迅速準(zhǔn)確的篩選出試驗的最優(yōu)方案，達(dá)到最終目的，需要對每一種組合逐一進(jìn)行分析試驗。因為所要考慮的因素繁多，造成需要做的試驗次數(shù)會成倍增加。比如對三個5水平的因素，如果將三個因素的各個水平都互相搭配進(jìn)行全面試驗，要做53=125次試驗，而四個5水平的因素，就要做54=625次試驗，這樣的話，對六個5水平的因素，進(jìn)行全面試驗就要做56=15625次試驗，要進(jìn)行數(shù)量如此龐大的試

24、驗，不僅需要消耗巨大的人力，物力，還會消耗更多的時間。而正交試驗設(shè)計能夠安排多因素試驗，能夠?qū)で笞顑?yōu)水平組合，而且是一種不需要全面試驗的高效率試驗設(shè)計方法，這種方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在實際當(dāng)中。經(jīng)正交試驗設(shè)計，對六個5水平的因素，只需要進(jìn)行25次試驗即可。 正交試驗設(shè)計中的基本概念主要有試驗指標(biāo)、因素和水平。試驗指標(biāo)是目標(biāo)的分解，是用來衡量試驗結(jié)果的量。因素是指直接影響試驗結(jié)果的需要進(jìn)行考察的不同原因、成分。水平是指一個因素在試驗中的狀態(tài)。正交表安排試驗具有均勻分散性和整齊可比性的特點。也就是說，經(jīng)過正交表的合理安排，試驗方案是比較均勻地分散到各個水平組合的方案當(dāng)中，有利于優(yōu)秀方案的選出；另外，在

25、正交表中，對于某一個因素的某一列，在各個水平下的結(jié)果和中，其它因素的各個水平的出現(xiàn)次數(shù)是相同的，這樣的安排才使這個因素的幾個水平間有了可比性。 正因為正交表安排試驗具有以上特點，才能取得減少試驗次數(shù)的良好效果。由此可見，正交試驗設(shè)計主要優(yōu)點表現(xiàn)在如下幾個方面： (1)可以考慮多個因素，多個指標(biāo)，能夠全面地考慮到可能的因素水平組合，能在所有試驗方案中均勻地挑選出代表性強的少數(shù)試驗方案。 (2)由于設(shè)計后的試驗次數(shù)少，試驗周期短，能夠較快的得到計算結(jié)果，通過對試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，可以推出較優(yōu)的方案，而且所得到的較優(yōu)方案往往不包含在這些少數(shù)試 11 驗方案中。 (3)對試驗結(jié)果作進(jìn)一步的分析，可以

26、得到試驗結(jié)果之外的更多信息，如各試驗因素對試驗結(jié)果影響的重要程度、各因素對試驗結(jié)果的影響趨勢等。 (4)節(jié)省時間，節(jié)約費用。 4.2.3 正交試驗設(shè)計方法基本步驟 1）選擇試驗評價指標(biāo) 任何一個試驗都是為了解決某一個問題，或是為了得到某些結(jié)論而進(jìn)行的，所以任何一個正交試驗都應(yīng)該有一個明確的目的，這是正交試驗設(shè)計的基礎(chǔ)，而表征這個目的需要一個量化的指標(biāo)試驗指標(biāo)。試驗指標(biāo)是表示試驗結(jié)果特性的值。根據(jù)試驗分析的內(nèi)容選擇或定義試驗評價指標(biāo)，如選擇巖體工程分析過程中某種評價參數(shù)或評價幾何區(qū)域(如最大位移量、塑性區(qū)面積、受拉區(qū)面積等)，或試驗分析所得位移與量測位移殘差平方和等均可作為試驗評價指標(biāo)，下式是常

27、用的3種評價指標(biāo)的分析算式。 yp?Api (4-1) i?1 nm Rcm?(uc?um)i2 (4-2) i?1 umax?max(u1,u2,.,uN) (4-3) 式中，yp為數(shù)值模擬試驗中的評價指標(biāo)，如塑性區(qū)域或受拉區(qū)域的總面積；Api 第i個符合評價指標(biāo)的單元面積； m評價指標(biāo)的單元總數(shù)； umax為當(dāng)前試驗中位移分量的最大值； uc為觀察點的試驗?zāi)M值； um為觀察點的測試值； N為位移分量的總數(shù)。 2）確定因素及其水平 正交試驗設(shè)計要綜合考慮反演參數(shù)的選擇，反演參數(shù)的計算區(qū)間以及各參數(shù)的水平數(shù)。反演參數(shù)的選擇應(yīng)抓住問題的主要因素，忽略次要因素。影響實測位移量的因素往往是多方面的

28、，也是綜合的，如果面面俱到，選擇的反演參數(shù)過多，會引起數(shù)學(xué)上的困難，出現(xiàn) 12 諸如解不唯一等問題。一般說來，計算模型越簡單，模型參數(shù)越少，參數(shù)反演的適定性也越強。各參數(shù)的取值區(qū)間的選擇，直接關(guān)系到最后參數(shù)反演的可靠度?？梢愿鶕?jù)室內(nèi)外試驗數(shù)據(jù)或者類似工程的經(jīng)驗數(shù)據(jù)來初步確定，并可適當(dāng)放寬其上下限，以避免遺漏掉邊界處的參數(shù)組合。最后確定每一個反演參數(shù)的水平數(shù)。正交試驗設(shè)計法中每一個參數(shù)的水平數(shù)至少是2個，即參數(shù)計算區(qū)間的上下限。為了更加有效的反映問題，可采用3個或者3個以上的水平數(shù)。但是，當(dāng)影響試驗的因素較多時，反演參數(shù)水平數(shù)的增加將極大地增大試驗工作量。因此，反演參數(shù)水平數(shù)的確定，應(yīng)綜合考慮計

29、算精度和計算成本的雙重影響。 試驗指標(biāo)同樣需要考慮眾多因素的共同作用。但是，如同剛才提到的情況一樣，由于條件有限，對試驗進(jìn)行全面把握考慮是不可能的。因此，應(yīng)該聯(lián)系實際情況，結(jié)合試驗想要取得的最終目的，進(jìn)行具體問題具體分析，找準(zhǔn)主要問題，忽略次要問題，最終達(dá)到降低考慮因素數(shù)，減小工作量的目的。當(dāng)然，如果問題比較復(fù)雜，則可以通過適度添加因素數(shù)進(jìn)行多角度分析，在靈活取值的時候應(yīng)注意把握試驗的根本，絕不要漏掉任何一個產(chǎn)生大影響的因素。在因素水平數(shù)確定的過程中，為了實驗數(shù)據(jù)處理方便，通常最大限度的取相等的水平數(shù)個數(shù)。 首先根據(jù)工程特征及反演分析目的等，確定正交試驗因素及水平，列出因素水平表。再選取與因素

30、水平相同的正交表，其次是根據(jù)因素數(shù)選擇正交表的列數(shù)。根據(jù)所選擇的計算模型、因素水平和試驗評價指標(biāo)，由正交表選取的一般方法，即正交表中的水平數(shù)應(yīng)與每個因素數(shù)水平數(shù)相等，正交表中的因素數(shù)應(yīng)大于或等于實際因素數(shù)，在滿足這兩個條件的前提下，盡可能選用實驗次數(shù)較小的正交表。正交表是已規(guī)范化的表格，它的符號表達(dá)是Ln(mk)，L表示正交表；n 是正交表的橫行數(shù)，即安排的實驗次數(shù)；k是正交表的列數(shù)，即試驗的因素個數(shù)；m是各個實驗因數(shù)的水平數(shù)。 對于水平數(shù)相同的正交表，若滿足 n?1?(mj?1) (4-4) j?1k 則此正交表為飽和正交表，相應(yīng)的試驗稱為飽和正交試驗，即正交表的列數(shù)已達(dá)最大值。 在飽和正交

31、表Ln(mk)中，n、m、k之間有如下關(guān)系 k? 3）數(shù)值模擬試驗 n?1 (4-5) m?1 完成正交表設(shè)計之后，將正交表中各列上的數(shù)字分別看成是該列所填因素在各個試驗中的水平數(shù)，這樣正交表的每一行就對應(yīng)著一個試驗方案，即各因素的水平組合，根據(jù)因 13 素水平表中給定的方案及各方案中參與模擬分析的因素水平進(jìn)行模擬試驗。 進(jìn)行試驗時，如果每個因素的水平序號從小到大時，因素水平的數(shù)值總是按由小到大或由大到小的順序排列，那么按正交表做試驗時，所有的1水平要碰到一起，這樣的極端情況有時并不希望出現(xiàn)。因此在排列因素水平表時，最好不要簡單地按因素數(shù)值由小到大或由大到小排列，最好使用隨機化方法使因素水平表

32、順序隨機排列。必須嚴(yán)格按照規(guī)定的方案完成每一號試驗，因為每一號試驗都從不同角度提供有用信息，而且在試驗中要對試驗條件做到嚴(yán)格控制，尤其是在水平的數(shù)值差別不大時。 4） 正交設(shè)計方案直觀分析 對正交試驗結(jié)果的分析，通常采用兩種方法：一種是直觀分析法；一種是方差分析法。由于方差分析涉及較多的數(shù)理統(tǒng)計知識，在分析中并不具有特別重要的意義，在實際中，由于直觀分析法簡便易行，所以應(yīng)用比較廣泛。 直觀分析方法是指對試驗結(jié)果運用簡單的數(shù)學(xué)運算進(jìn)行分析的方法，又稱為極差法。極差是指因素在不同水平下的試驗指標(biāo)值的最大值與最小值之間的差值。正交試驗中每一因素有幾個水平，就有幾個試驗結(jié)果之和，這幾個和的數(shù)值就組成了

33、一組數(shù)據(jù)，這組數(shù)據(jù)中最大值與最小值的差，就是每一因素各個水平試驗結(jié)果之和的極差。極差是劃分關(guān)鍵因素、重要因素和可能最優(yōu)試驗方案的根據(jù)。極差的大小說明相應(yīng)因素作用的大小，極差大表明該因素的變化對結(jié)果影響大，是主要因素；反之，極差小表明該因素的變化對試驗結(jié)果的影響小，為次要因素或是不重要因素。直觀分析法簡單易懂，實用性強，應(yīng)用較為廣泛。基本步驟如下： (1)計算各因素不同水平的試驗指標(biāo)和Bij(即水平和)： Bij?iAj(k)?yk (4-6) 式中，Aj(k)第j個因素中第k試驗號所對應(yīng)的水平號； yk第k試驗號所對應(yīng)的試驗指標(biāo)值； ?iA(k)Kronecker符號。 j (2)計算指標(biāo)均值

34、kij(即水平均值)： kij?Bij/l l?n/s (4-7) 式中，s為水平數(shù)。 (3)計算各因素的水平均值的極差R： j Rj?max(kij)?min(kij) (4-8) 14 式中，i?1,2,.,s(水平數(shù))，j?1,.,r(實際因素數(shù))。 (4)評定因素重要性順序。根據(jù)指標(biāo)均值的極差將各因素的重要性進(jìn)行排序。 5）選出最優(yōu)因素組合方案 最優(yōu)方案是指在已選用的各因素的水平中，優(yōu)秀水平組合成的實驗方案。所各因素較優(yōu)水平的確定于試驗指標(biāo)，若指標(biāo)越大越好，則應(yīng)選取使指標(biāo)大的水平，即各列ki中最大的那個值對應(yīng)的水平；反之，若指標(biāo)越小越好，則應(yīng)選取使指標(biāo)小的那個水平。根據(jù)試驗指標(biāo)的要求找

35、出最優(yōu)水平，將各因素的最優(yōu)水平組合起來，即為最優(yōu)因素(參數(shù))組合方案，也即為正交設(shè)計反演結(jié)果。最優(yōu)方案有時就是直接分析的最好方案，有時候可能最優(yōu)方案并不在已經(jīng)做過的實驗中。 上述最優(yōu)方案是在給定的因素和水平的條件下得到的，若不限定給定的水平，有可能得到更好的試驗方案，所以當(dāng)所選的因素和水平不恰當(dāng)時，該優(yōu)方案也可能達(dá)不到試驗的目的，不是真正意義上的優(yōu)方案，這是就應(yīng)該對所選的因素和水平進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以找到新的更優(yōu)方案?？梢酝ㄟ^趨勢圖實現(xiàn)這個目的。將因素水平作為橫坐標(biāo)，以試驗指標(biāo)的平均值kij作為縱坐標(biāo)，畫出因素與指標(biāo)的關(guān)系圖，即趨勢圖。根據(jù)趨勢圖可以對一些重要因素的水平做適當(dāng)調(diào)整，選取更優(yōu)的水平

36、，再安排一批新的試驗。新的正交試驗可以只考慮一些主要因素，次要因素則可固定在某個較好的水平上，另外還應(yīng)考慮漏掉的重要因素，所以新一輪正交試驗的因素數(shù)和水平將會更合理，也會得到更優(yōu)的試驗方案。 根據(jù)上述分析過程，正交試驗設(shè)計反演基本思路及具體流程如圖4-2所示。 15 圖4-2 正交試驗設(shè) 16 4.3 基于正交試驗法的巨粒土高填路堤沉降參數(shù)反演 相對于一般路堤，高填方路堤填筑高度大，一些重要的物理力學(xué)參數(shù)，不易直接通過正分析方法得到。位移量是描述物體受力變形形態(tài)的一類重要的物理量。上文已經(jīng)提到，由于位移變形值比較容易獲取，其反分析法比常規(guī)現(xiàn)場試驗簡便和經(jīng)濟(jì)，目前己被用做反演分析確定參數(shù)的主要依

37、據(jù)。因此，本章利用現(xiàn)場實測的巨粒土高填路堤的沉降位移值，依照正交試驗設(shè)計方法的步驟來反算巨粒土填料的一些力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而用于沉降計算。 4.3.1 因素及其水平選擇 考慮到本文中模擬填筑體沉降時應(yīng)用的是廣義Kelvin模型，最后選用填筑材料反映瞬時彈性變形的彈性模量EH，反映粘彈性變形的彈性模量EK，粘滯系數(shù)?K以及填筑體的容重?作為正交試驗的影響因素，每個因素取4個水平數(shù)。參照資興高速公路K54+980斷面相關(guān)數(shù)據(jù)和實際類似工程經(jīng)驗確定每個參數(shù)的計算區(qū)間，見表4-1。 表4-1 正交數(shù)值試驗設(shè)計因素水平表 因素水平 水平1 水平2 水平3 水平4 因素(反演參數(shù)) E/MPa 50 45 55

38、 40 E/MPa 70 60 75 65 ?/(MPa?月) 500 600 700 800 ?/(kN?m?3) 23.5 22.5 22.0 21.5 4.3.2 正交表設(shè)計反演模擬試驗方案及試驗指標(biāo)結(jié)果 此處不考慮各因素之間的交互作用，由于是4個因素4個水平的試驗，應(yīng)安排16次實驗，所以選用L16(44)正交表，試驗方案見表4-2。將由正交表安排的各組參數(shù)值，分別轉(zhuǎn)換成ABAQUS參數(shù)輸入形式，依次輸入到有限元模型中，計算得到不同參數(shù)組合下路堤填筑完成15 d后路面的最大沉降模擬計算值un(mm)，見表4-3。 表4-2 正交表設(shè)計反演模擬試驗方案L(44) 實驗 方案 1 2 3 4

39、 5 因素及編號 因素A(E) 1(50) 1 1 1 2(45) 因素B(E) 1(70) 2(60) 3(75) 4(65) 1 因素C(?) 1(500) 2(600) 3(700) 4(800) 2 因素D(?) 1(23.5) 2(22.5) 3(22.0) 4(21.5) 3 17 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 2 2 2 3(55) 3 3 3 4(40) 4 4 4 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 4 3 3 4 1 2 4 3 2 1 4 1 2 4 3 2 1 2 1 4 3 表4-3 各試驗方案在ABAQUS中的輸入?yún)?shù)及試驗指

40、標(biāo)結(jié)果 實驗 方案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 ABAQUS輸入?yún)?shù) 試驗指標(biāo) E/MPa 50 50 50 50 45 45 45 45 55 55 55 55 40 40 40 40 ? 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 g 0.452 0.435 0.490 0.470 0.426 0.409 0.464 0.444 0.476 0.458 0.514 0.494 0.397 0.381 0.435 0.415 ?

41、 3.916 4.522 5.948 6.520 4.921 3.939 7.148 5.987 5.245 5.778 4.050 4.671 6.887 5.778 5.652 4.498 ?/(kN?m?3) 23.5 22.5 22.0 21.5 22.0 21.5 23.5 22.5 21.5 22.0 22.5 23.5 22.5 23.5 21.5 22.0 u/mm -2.642 -2.525 -2.362 -2.173 -2.594 -2.598 -2.639 -2.514 -2.020 -2.063 -2.187 -2.193 -2.977 -3.224 -2.802 -2

42、.931 4.3.3 正交試驗結(jié)果與沉降預(yù)測分析 根據(jù)正交設(shè)計方案的直觀分析法，可得到如下結(jié)果，見表4-4： 表4-4 正交設(shè)計反演模擬試驗方案直觀分析結(jié)果 指標(biāo)和 /指標(biāo)均值 1 2 3 4 E/MPa -9.702 -10.345 -8.463 -11.934 E/MPa -10.233 -10.410 -9.990 -9.811 18 ?/(MPa?月) -10.358 -10.114 -10.120 -9.852 ?/(kN?m?3) -10.698 -10.203 -9.950 -9.593 B1j B2j B3j B4j k1j k2j k3j k4j Rj -2.426 -2.5

43、86 -2.116 -2.984 0.868 -2.558 -2.679 -2.498 -2.653 0.181 -2.590 -2.529 -2.530 -2.463 0.127 -2.675 -2.551 -2.488 -2.398 0.277 表中，Bij是j因素在i水平下的試驗指標(biāo)和，如 B11=u1?u2?u3?u4= -9.702 B21=u5?u6?u7?u8= -10.345 B23=u2?u5?u12?u15= -10.114 同理算的第j列上第i個水平的試驗結(jié)果Bij填入表中相應(yīng)位置。 kij是i水平下j因素的試驗指標(biāo)均值，根據(jù)式4-5，l=16/4=4，于是 1Kij?B

44、ij 4 則 11 B1= -2.426 41 K21?B21= -2.586 41 K23?B23= -2.529 4K11? 同理算得第j列上第i個水平的試驗結(jié)果填入表中相應(yīng)位置。 由式4-2計算各因素的水平均值極差R。如： j R1?max(K11,K21,K31,K41)?min(K11,K21,K31,K41)?0.868 同理，將其它的極差算出來并填入表格相應(yīng)位置。 從表4-3各參數(shù)的極差值R的大小可知，填筑體的彈性模量EH的極差最大，而粘滯系數(shù)?K的極差最小，說明EH對路堤沉降的影響最大，而?K的影響最小。在本計算實例中，按極差大小，影響路堤沉降的參數(shù)的主次順序為A?D?B?C。由于要求指標(biāo)值即路堤沉降值越小越好，所以選取每個因素中使指標(biāo)均