粗粒土蠕變影響因素正交試驗研究

程煥達 劉 群

（貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081）

隨著我國交通設施的快速發展，鐵路建設不斷向山區延伸，受地形條件限制，大量高填方路堤不斷涌現。粗粒土具有壓實性能好、抗剪強度高等特點，在山區鐵路建設中得到了廣泛應用。粗粒土高填路堤的蠕變變形是眾多因素綜合作用的結果，包括土的類別、含水率、填土高度等。過去對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?；谇叭搜芯?，通過大型單軸固結儀，設計蠕變影響因素正交試驗，研究滬昆客運專線砂質板巖粗粒土填料的蠕變特性。

1 正交試驗方案

正交試驗設計方法［5］是采用獨有的“正交表”開展科學地布置、剖析多個影響因素試驗的方法，其優勢是可以從大量的試驗方案中，提選出來具有較強典型性的、不是很多的試驗方案，對比討論這些方案的結果，從而得到所要研究問題的最優方案，并且能深入剖析獲得更多的、與各個影響因素相關的情報。一般地，研究正交試驗結果的途徑有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、顆粒組成和壓實系數）的主次因素和最優方案。

（1）選表。正交試驗主要考慮含水率、顆粒組成和壓實系數等3個蠕變影響因素的作用，每個蠕變影響因素都具有3個水平，同時忽略各個因素之間的相互影響，故選用L9（34）的正交表來布置試驗。

表1 蠕變影響因素與水平表 %

（2）表頭設計。本文忽略各個因素之間的相互影響，從而只要把含水率、顆粒組成和壓實系數等3個蠕變影響因素依次安排到L9（34）正交表的上方與列號相應的地方，含水率、顆粒組成和壓實系數等3個蠕變影響因素各占1列，共3列。一般要求正交表設置1個空白列（或誤差列），因此第4列設置為空白列。蠕變正交試驗的標頭設計見表2。

表2 蠕變正交試驗的表頭設計

（3）明確試驗方案。設計完蠕變正交試驗的表頭設計后，將含水率、顆粒組成和壓實系數等3個蠕變影響因素的數值大小依次排序，并將表1中的水平列中的數字1，2，3分別對應其他因素列的水平大小，1個試驗方案相當于正交試驗表中的1行，故共需要做9個蠕變試驗，見表3。例如，本試驗的第2個試驗方案A1，B2，C3相當于蠕變影響因素取“含水率0%、顆粒組成30%、壓實系數95%”。

2 正交試驗及結果分析

（1）按規定的方案做試驗。本文按照表3人工配制砂質板巖粗粒土試樣，選用直徑為280 mm、高為230mm的大型固結儀，采用400kPa的逐級加載方式，以1d內變形不超過0.01mm為穩定標準進行一維壓縮蠕變試驗。正交試驗結果見圖1，蠕變壓縮量μ定義為蠕變開始到蠕變穩定之間的相對豎向位移，計算結果見表3。

圖1 正交試驗蠕變壓縮量－時間曲線

表3 蠕變正交試驗方案及試驗結果分析

蠕變影響因素各列的極差Rj在一般情況下是不相等的，這反映出當含水率、顆粒組成和壓實系數等3個蠕變影響因素的水平發生變化時，蠕變因素對一維蠕變壓縮量的影響程度是不同等的。某個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正交試驗結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列出了正交試驗的計算結果，其中R3＞R2＞R1，因此蠕變各因素的主次順序為

（3）最優方案的確定。篩選蠕變影響因素的優水平跟正交試驗設計的指標（蠕變壓縮量）相關。如果正交試驗要求的指標數值越大越有利，那么必須得選擇致使指標數值較大的各因素的水平，也就是說各列K1j，K2j，K3j，（或，）中最大的那個水平，反之亦反。本蠕變正交試驗設置的目標是減小蠕變壓縮量μ，即指標μ越小越有利，因此篩選每個蠕變影響因素的K1j，K2j，K3j中最小的那個水平。故得最優方案為C3B2A3，即壓實系數97%，細顆粒含量30%，含水率8.26%。

（4）試驗驗證。從理論上分析蠕變影響因素的正交試驗，獲得減小蠕變壓縮量μ的最優方案為C3B2A3，但是在真正將該方案運用到實際工程中去之前，必須對該理論最優方案實施對比驗證試驗。將最優方案C3B2A3編號為10號，試驗結果見圖1，從圖中可得蠕變壓縮量μ＝6.82mm，比正交表中9個試驗的蠕變壓縮量都小，故所確定的方案C3B2A3就是真正的最優方案。

3 結論

本文從眾多粗粒土填料蠕變影響因素中選取含水率、顆粒組成和壓實系數等3個因素，設計正交試驗L9（34）研究該3因素對蠕變的影響，得到如下結論：

（1）正交試驗結果發現砂質板巖粗粒土蠕變影響因素的主次順序為：壓實系數（主因）、顆粒組成、含水率（次因）。

（2）蠕變最優方案為：壓實系數97%、細顆粒含量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，今后應考慮深入研究三維受力情況下的粗粒土蠕變正交試驗。

［1］ 邱平華.膨脹土直剪蠕變特性及長期強度研究［D］.株洲：湖南工業大學，2012.

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

［3］ 楊彩紅，王永巖，李劍光，等.含水率對巖石蠕變規律影響的試驗研究［J］.煤炭學報，2007，32（7）：695－699.

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

［5］ 莊楚強，何春雄.應用數理統計基礎［M］.3版.廣州：華南理工大學出版社，2006.