粗颗粒硫酸盐渍土溶陷变形影响因素的显著性分析

刘亚峰,杨　鹏,米海珍,刘志义

(1.中国能建集团甘肃省电力设计院,甘肃 兰州　730050;

2.兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州　730050)



粗颗粒硫酸盐渍土溶陷变形影响因素的显著性分析

刘亚峰1,杨鹏2,米海珍2,刘志义2

(1.中国能建集团甘肃省电力设计院,甘肃 兰州730050;

2.兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州730050)

摘要建立粗颗粒硫酸盐渍土溶陷变形量的计算公式,首先需要对影响溶陷的因素进行筛查和排序,目前虽已知含盐量、含水量、土体结构、上部荷载等因素对溶陷变形产生影响,但是哪些因素是主要因素,及随其水平增加如何变化等问题尚需深入研究。采用正交实验的方法,选用L16(45)的正交实验表进行实验。结果发现,对粗颗粒硫酸盐渍土溶陷变形影响因素的主次排序为:含水量(因素B)、含盐量(因素A)和荷载(因素D)、孔隙比(因素C),并得出了各因素随水平变化的效应曲线。发现在其他因素相同的条件下,含水量5%所对应的溶滤变形系数最小,该含水量应为粗颗粒硫酸盐渍土的最优含水率。

关键词正交实验;粗颗粒;盐渍土;溶陷;显著性

溶陷变形是粗颗粒硫酸盐渍土的主要病害特征,从工程实际出发,如果可以建立粗颗粒硫酸盐渍土溶陷变形量的计算公式,将对该工程病害的治理与预警提供理论支持。但在建立公式之前,首先需要对影响溶陷变形的因素进行筛选和排序。目前,就影响因素的研究已取得了一定的进展,一些在粗颗粒硫酸盐渍土地区开展的现场实验结果表明[1],粗颗粒硫酸盐渍土地基溶陷变形的影响因素除了含盐量与含水量之外,也与粗粒含量、地基密实度和渗透系数等因素有关;室内模拟实验的结果不仅验证了以上因素,还提出土体结构、含盐类型和浸水量等因素对溶陷变形的影响[2-4];将盐渍土化学潜蚀溶陷变形过程划分为三状态二阶段进行分析[5],根据阶段变化规律总结出不同状态时土体物理指标间的相互关系。通过该关系分析并验证了土体的孔隙比、含盐率以及土体的结构组成形式都是影响盐渍土潜蚀溶陷变形的重要因素。

虽然通过以上研究可以发现,含盐量、含水量、土体密实度(孔隙比)、浸水时长、渗透系数等因素都对溶滤变形指标产生某种程度的影响。但究竟哪种因素是主要因素,哪种因素是次要因素,它们对溶陷变形影响的显著性如何,尚无明确说法。因此,实验将含盐量、含水量、孔隙比、上覆荷载、渗透系数等因素作为研究对象,通过室内实验的办法来研究它们对溶陷变形的影响程度,并依据影响的显著性对各因素进行排序,为进一步建立溶陷变形的计算公式提供理论依据。

1实验目的与方法

1.1实验设计

实验使用图 1所示的仪器来测量不同的含盐量、含水量、孔隙比、上覆荷载等因素在不同组合下试样的溶滤变形系数,使用该仪器同时可以测量土样的渗透系数,通过分析各因素与溶滤变形系数之间的关系,分清各因素的主次顺序,判断因素对实验指标影响的显著程度;分析因素与实验指标之间的关系,即当某因素变化时,实验指标是如何变化的;估计实验误差的大小。找出指标随因素变化的规律和趋势,为进一步实验指明方向。

1.土样;2.砂石反滤层;3.实验桶外包水槽(用于循环制冷液);4.带圆孔的金属圆板;5.溢水口;6.出水口;7.带刻度的测液管;8.制冷液入口;9.制冷液出口;10.外保温层;11.桶盖承压杆;12.百分表;13.带漏水孔的桶盖图1　实验装置Fig.1　Sketch map of experimental apparatus

如果将上述5个因素各选4个水平进行全面实验,共需要进行45=1 024个试样,其数量之巨几乎难以完成。所以本次实验选用正交实验的方法来进行。

1.2实验参数选择

在不考虑交互作用的情况下,实验数量可大量减少。实验选用L16(45)的正交实验表,实验选择的因素及水平如表1所列,实验所用的土样全部为重塑土。

表1中所列孔隙比是在实验室实测求得的,同时根据在敦煌机场采样结果[6],选取了6种具有代表性的砂土土样,并依据其筛分结果在实验室配置了与其级配相近的土样,实验所选土样的级配与孔隙比的对应关系如表2所列。

表1　实验因素水平表

表2　实验选用土样级配及孔隙比

2实验结果与分析

2.1各因素的主次顺序

正交实验结果如表3所列。表3中R值为同一因素各水平下溶滤变形系数的极差(极差=平均溶滤系数的最大值-平均溶滤系数的最小值)。极差大就表示该因素的水平变动对实验结果的影响大,极差小就表示该因素的水平变动对实验结果的影响小。通过直观分析法可知,表3中各因素的主次顺序依次为含水量(因素B)、含盐量(因素A)、荷载(因素D)、孔隙比(因素C)。根据极差法对各因素影响程度的排序可以看出,水是诱发溶陷的主要因素。含盐量和荷载对溶陷变形的影响仅次于含水量,而孔隙比(即土体结构)对溶陷的影响相对较小。

表3　粗颗粒渍土溶滤变形系数实验结果 L16(45)

2.2因素对实验指标影响的显著程度

虽然通过直观分析法可以知道各因素对溶陷变形影响的主次顺序,但是对其显著性的判断则需要通过方差分析法[7,8]。该实验求得的因子均比方F值如表3最后一行所列。可以看出,F(含水量)最大,F(含盐量)和F(荷载)次之,F(孔隙比)最小,该排序与直观分析法中的极差R排序相同。但F均极小,说明这几个因素显著性都不明显。

2.3因素与实验指标之间的关系

通过对以上各因素进行显著性分析,还可以获知各因素随水平变化时的效应曲线,如图2所示。由图2可知,对于粗颗粒硫酸盐渍土而言,随着含盐量的增加,其溶陷变形量将单调递增,而随着自重荷载的增加,其溶陷变形量将单调递减,即说明在其他因素不变的情况下盐渍土地基的溶陷变形量将沿深度方向逐渐减小。溶滤变形系数随着含水量的增加呈现出先减小后增加大趋势,在其他因素不变的情况下含水量为5%时,粗颗粒硫酸盐渍土地基溶滤变形最小,该含水量应为粗颗粒硫酸盐渍土的最优含水量。而随着孔隙比的增大,溶滤变形系数呈现先增大后减小的趋势,这说明溶滤变形并不随着孔隙比的增大而单调递增,孔隙比(土体结构)对溶滤变形系数的影响较为复杂。

图2　效应曲线Fig.2　Chart of effect curve

3结论

实验经过极差分析法可以得出含盐量(因素A)、含水量(因素B)、孔隙比(因素C)和荷载(因素D)四个因素对粗颗粒硫酸盐渍土溶滤变形系数影响的主次顺序,结果显示:上述因素的主次顺序依次为含水量(因素B)、含盐量(因素A)、荷载(因素D)、孔隙比(因素C)。由此可见,水是诱发溶陷的主要因素,含盐量和荷载对溶陷变形的影响仅次于含水量,而孔隙比(即土体结构)对溶陷变形的影响相对较小。

通过方差分析法可知四个因素对溶滤变形系数的影响都不显著。究其原因可能是实验存在误差且误差自由度小(仅为3),使检验的灵敏度低,从而掩盖了考察因素的显著性。

通过各因素的效应曲线可知各因素增大时的变化趋势。即溶滤变形系数会随着含盐量增大而递增,随着自重荷载的递增而减小,并会随着含水量的递增先减小后增大,由此认为5%含水量应为粗颗粒硫酸盐渍土最优含水率,即在此含水量附近时,溶滤变形系数最小,同时发现溶滤变形系数并不会随着孔隙比的增大而呈现单调递增的趋势,土体结构对溶滤变形的影响更为复杂,有必要进行更加深入细致地研究。

参考文献:

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[5]耿鹤良,杨成斌.盐渍土化学潜蚀溶陷过程阶段化模型分析[J].岩土力学,2009,30(S2):232-234.

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[8]柯志华,蒋红英,段庆勇,等.基于正交试验和层次分析法的散体材料堆实验研究[J].甘肃科学学报,2009,21(3):131-133.

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

中图分类号:U491.5

文献标志码:A

文章编号:1004-0366(2016)01-0105-05

作者简介:刘亚峰(1971-),男,甘肃庆阳人,博士,高级工程师,研究方向为岩土工程勘察.E-mail:zhoushur@yahoo.com.cn.

基金项目:甘肃省电力设计院与兰州理工大学合作研究项目“河西粗颗粒盐渍土地基盐胀病害与防治措施研究”(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.[刘亚峰,杨鹏,米海珍,等.粗颗粒硫酸盐渍土溶陷变形影响因素的显著性分析[J].甘肃科学学报,2016,28(1):105-109.]