路堤碾压实验设计

路堤碾压实验设计一试验路段概况由于通平高速线路较长，根据风化花岗岩分布情况及现场试验条件，拟选定第3、4、7、9合同段进行碾压正交实验。1第3合同段试验路情况木合同段全幅填方路基整段长度均小于100米，通过比选，此合同段选择的试验路段起点为K12+910、终点为K13+000，长90米。该路段为种植土，为农田常年积水形成，浅灰色，软塑〜流塑，具有高含水量、高孔隙比、低强度等特性，为不适宜路基土。清淤换填1.7米后可进行路基填筑。填料为砂砾粘性土和全风化花岡岩。计划全幅填筑,填土高度最高为7米。该路段相对木合同段其他范围，便于施工现场观察和分析总结，具备作试验路段的条件。范围妞积较其它地段大，施工干扰较小，其地质条件和断面形式具冇一定的代表性。该段填料来源于K12+638〜+890段，填料良好。土工试验取土于K12+470挖方段，为级配良好砾土，液限35.1，塑性指数8.9,为低液限土，CBR试验结果为98击，5.0;50击为4.0;30击为3.0。2第4合同段试验路情况合同段位于平江县梅仙镇、南江镇境A，路线所经地带主要为丘陵、 低山和丘岗地貌，起讫桩号为K18+940〜K25+543.955,全长6.604km。根据合同段的实际情况，选择了K20+950〜K21+100(150m)和K24+600〜K24+750(150m)两处具有代表性的填力*路基作为试验路段，其地质情况具有以下特点：(1)两处试验路均处在谷地、冲沟等地势低洼处，(2)地表植被发育，软土厚度在1〜3m间，具有含水量髙、压缩性高、承载力低等特点，不能作为填方路基持力层，必须换填，软土以下山体为强风化花岡岩地质；(3)试验路段地势低洼，地下水相对丰富；(4)K20+950〜K21+100填土高度最大9〜17m间，试验填土来自k20+200-k20+320挖方；K24+600〜K24+750填土高度在9~12m间，试验填土来自k24+320-k24+520挖方路段。该路段要先淸淤后进行路基填筑，填筑方案采取全幅施工，相对本合同段其它路基而言，该路段的施工工艺、地质条件、断面形式以及路基填料具有广泛代表性，施工干扰较小，冇利于施工和分析总结，具备作为试验路段的条件。路基填料为路基挖方：土质为全风化花岗岩，呈松散颗粒，含有长石和少量云母、高岭土。该合同段于K20+180、K24+230取土试验，试验结果显示粗粒组含量大，细粒组含量小于7%，液限为35.4,塑性指数为17.2,为低液限土；CBR试验：93区为11，94区为12.2,96区为14.5。 3第7合同段试验路情况项目部准备在K37+850〜K38+050段进行路基土方填筑的试验路施工。(1)项目部经现场查看，选定K37+850—K38+050段作为试验路段。试验路段填料选取就近的挖方段，最远运距不超过100m。对己选定的试验路段，进行了开沟排水，确保清淤前路基范围内无积水。试验室已准备对该路段进行触探试验，取土场土源的颗粒分析，液塑限，天然含水量，击实试验(确定最大密度和最佳含水量)，CBR试验等各种土工试验。试验结果显示：细粒组含量较大，最佳含水量为10.5%,最大干密度为1.96,液限为34.9,塑限为34.7,塑性指数为10.2,为低液限土，还需CBR试验。施工放样，正准备利用水准仪测出淸表、清淤前后的地面标高。根据实测标高，利用全站仪放出中线及各坡脚控制桩。(每边加宽50cm)4第9合同段试验路情况(1)在土石方路堤施工全面开工前，选择不小于200m的路段作为试验路段，位置应选择在地质条件、断面型式均具有代表性的地段。经比选选择在K55+500〜K55+700地段做试验路段，该地段属填方区。挖方250m3、填方54329m3,基本包含路堤填筑施工的全过程。通过此试验路段的施工，可较为全面的对本段以后的施工起到指导作用。本路段的填料采用K55+189至K55+300段路基挖方，平均运距200m。 (1)该段于CK0+120处取土试验，试验结果显示粗砂含量较大，液限为48.6，塑限为28.3，塑性指数为20.3;CBR试验结果为93区9.2，94区10.3,96区12.9。二正交实验设计1前言现场碾压实验段是在真实环境下探寻最优碾压力*案的首选平台，通过定性地分析松铺厚度、填筑含水量、压实机械等因素对压实效果的影响，从而为制订合理的碾压工艺提供重要依据。由于影响压实效果的因素较多,这里引入实验设计理论来安排实验中各个因素，并对其实验结果进行分析，从而得到较为适宜的碾压工艺，为实际施工提供依据。2影响路堤压实的因素1.1土体性质因素1.1.1土体类别不同类型的土的压实性能是不一样的。就填筑路堤而言，最合适的土是砂砾土、砂土与低液限粘土。这些土容易压实，有足够的稳定性，遇水不致过分泡软。用这些土填筑的路堤，沉陷较小，可作为路面的良好基础。在沼泽地以及受水泡软的低洼地，用砂砾土填筑路堤最合适。除颗粒均匀的砂土外，这些土的特点是干容重大，塑性小。粉质土在饱水情况下，容易变成流动状态，沖失去承载能力。压实不足时，会由于过分饱水而失去稳定性。在不利的水文地质和气候条 件下，容易发生冻胀。高液限粘土最难于压实。它的特点是液限大，最佳含水量火而最大干密度小。2.1.2颗粒级配压实的过程就是土体颗粒进行重新排列，趋于密实的过程。因而级配良好的土体，在压实过程中，除了各种颗粒在外力作用下，逐渐互相靠近趋于密实外，大小颗粒互相镶嵌，小颗粒进入大颗粒的缝隙之屮，使总体空隙体积减小，密实度提高，所以呈现了较好的压实特性，对于单一颗粒尺寸的土体，由于缺乏这一特点，因而压实困难。2.1.3含水量在较大含水量范围内，大部分的土体都会变现出如下压实特点：(1)干燥区域：当含水量小于?0时，随着含水量的增加，水的润滑作用增强以及土体基质吸力的减小，土体内摩阻力减小，土颗粒重新排列，单位土体内空气的体积逐渐减小，而固体和水的体积则逐渐增加，土体干密度随含水量增加而增长，直到土体含水量达到最优含水量?0值；(2)湿润区域：当含水量大于?0，随着含水量的继续增加，过多的水分会使空隙中的水的体积增加，饱和度增大，击实引起的空隙压力越来越大，消散了大部分击实功，当含水量趋于饱和状态时，水的浮力增大，击实功主要由水来承担，颗粒错位不能重排列，最大干密度值下降。 2.2现场碾压因素2.2.1松铺厚度从压实度的角度出发对某一确定的压路机，薄铺层的土层较厚铺层的土体易于获得高的压实度。从整个压实施工来看，铺层薄虽然压实度提高,但压实生产效率低，使施工成本增加。因而，在施工中，必须根据具体施工，设备情况，选择合适的松铺厚度。2.2.2碾压遍数在压实施工中，疏松的土体随着碾压遍数的增加，压实度会随之增加,但当压实度达到某一程度时，碾压遍数再增加，一般土体压实度的增加很小或不再变化；对于粉砂土甚至有可能在过多的碾压遍数后，在碾压表妞土层发生开裂，引起压实度的降低。2.2.3碾压速度在松铺淳度一定时，压路机传给土体填方内的能量与碾压遍数和碾压速度之比值成正比。较低的碾压速度时，单位面积内的振动次数比碾压速度高时要多，因而使土体更容易达到密实。然而碾压速度还与生产率有着密切的关系，所以碾压速度存在一个最佳值，即在保证压实质量的前提下，选择尽可能高的碾压速度，以保证压路机有较高的生产率。秦四成建议5T以上的振动压路机的碾压速度取3〜6km/h;3〜5T的振动压路机的碾压速度取2〜4km/h;2T的振动压路机的碾压速度应低于3km/h。2.2.4压路机的振动频率和振幅 由于振动压实理论的不完善与振动压实工况的随机性，以及土体物理特性的多变引起铺层土体的刚度具有随机性，这些都使得振动参数的选择很复杂。目前的做法是，通过大量的实验和统计分析，对各项振动参数给出一个合理的取值范围。李冰等认为振动频率为30-45HZ的压实效果最好，过高反而会降低压实效果；振幅越大，压实影响深度就越大；但过高的压实能量反而会使已压实的土体表层产生松散现象。用振动压路机碾压路堤土时，其振幅为0.7〜1.8mm。秦四成建议压实路床路堤时，工作频率为25〜30Hz，振幅为1.4〜2.0mm。现场实验要根裾施工屮实际应用的压路机和碾压土体的实际特性，结合现场环境等其他各方面因素，来选择合理的振动参数。针对低液限粉土路堤的压实，申爱琴提出振动频率为30-40HZ,松铺厚度20〜30cm，现场碾压时，应采用变频方法，首先低频强振，然后再提高频档、弱振。正是由于上面多种因素对压实效果影响的存在，为了更好地研究现场碾压工艺，引入实验设计理论方法对实验过程屮压实各因素进行了合理安排。下面介绍实验设计理论。3实验设计理论3.1实验设计3.1.1实验设计的定义实验设计(DesignofExperiments,DOE)，就是对试验进行科学合理的安排，以达到最好的效果。一个科学而完善的实验设计，能够合理地安排各种试验因素，严格地控制试验误差，并且能够有效地分析试验数据，从 而用较少的人力、物力和时间，最大限度地获得丰富而可靠的资料。反之，如果试验设计存在缺点，就必然造成不应有的浪费，减少研宄结果的价值。3.1.2实验设计的耍素(1)实验因素简称为因素或因子，是实验的设计者希望考察的实验条件。因素的具体取值称为水平。(2)按照因素的给定水平对实验对象所做的操作称为处理。接收处理的实验对象称为实验单元。(1)衡量实验结果好坏程度的指标称为实验指标，也称为响应变量。实验因素的数目可以是一个、两个或多个，分别称为单因素实验、双因素和多因素实验。3.1.3实验设计的方法统计实验设计的方法有很多，如单因素优化实验、多因素优化实验、正交实验设计、稳健实验设计、均匀实验设计等。古典的实验方法，通常取的实验范围不大，故可以用比较简单的统计模型来描绘。在诸方法中，正交实验设计时应用最广的方法之一。正交实验设计建立于方差分析模型的基础之上，当所考虑因素的水平不多，实验范围不大时，是非常有效的实验设计方法。3.2正交设计理论正交设计是多因素的优化实验设计方法，也称为正交实验设计。它是从全面实验的样本点中挑选部分有代表性的样本点做实验，这些代表点具有正交性。其作用是只用较少的实验次数就可以找岀因素水平间的最优搭配或由实验结果通过计算推断出最优搭配。 在20世纪40年代后期，円本统计学家田口玄一博士使用设计好的正交表安排实验，这种方法简便易行，从此正交设计在世界范围内普遍推广使用。3.2.1正交设计的定义(1)正交实验设计就是使用正交表(orthogonalarray)来安排实验的方法。(2)正交表是按正交性排列好的用于安排多因素实验的表格。3.2.2正交表1正交表的构造正交表的一般记法为Ln(ap)其屮p是表的列数，n是表的行数，表屮数字都由1到3这3个整数构成，字母L表示正交表。常用的正交表有:L4(23)、L8(27)L16(215)、L27(313)、L16(45)、L25(56)以及混合水平L18(21?37)、L36(23?313)等。例如表1就是一张正交表，记做L9(34)。这张正交表的主题部分由9行4列，由1,2,3这3个数字构成。用这张表安排实验最多可以安排4个因素，每个因素取3个水平，需要做9次实验。用正交表安排实验就是把实验的因素安排到正交表的列，允许有空白列，把因素水平拍到正交表的行。具体来说，正交表的列用来安排因素，正交表中的数字表示因素的水平。用正交表Ln(ap)最多可以安排p个水平数目为a的因素，需要做n次实验。 表1L9(34)正交表2正交性正交表的列之间具有正交性，正交性可以保证每两个因素的水平在统计学上是不相关的。正交性具体表现在两个方面，分别是：(1)均匀分散性：在正交表的每一列中，不同数字出现的次数相等。例如L9（34）表中，数字1、2、3在每例中各出现3次。（2）整齐可比性：对于正交表的任意两列，将同一行的两个数字看作有序数对，每种数对出现的次数是相等的，例如L9（34）表，有序数对共有9个：（1，1）、（1，2）、（1,3）、（2,1）、（2，2）、（2，3）、（3，1）、（3、2）、（3，3）它们各出现一次。3.3均匀设计理论20世纪70年代方开泰研宂员和王元院士在正交实验设计的基础上共同提出了“均匀设计”（uniformdesign,UD）。由于正交设计是根据正交性准则来挑选代表点，挑选时有两个特点:均匀分散性，使试验点有代表性；整齐可比性，便于实验数据的分析。均匀设计就只考虑实验点在实验范围内的均匀分散性，而去掉整齐可比性的一种实验设计方法。它的优点是当因素数目较多时所需的实验次数也不多；当然由于其不具冇整齐可比性，对均匀设计的实验结果不能做直观分析，需要用回归分 析的方法对实验数据做统计分析，以推断最优的实验条件。均匀设计和正交设计一样，也是使用一套精心设计的表格安排实验。每~*个*均匀设计表有一个代号Un（qs）或Un（qs），其中“U”表示均匀设计,n表示要做n次实验，q表示每个因素有q个水平。实验次数就是因素水平数冃的均匀设计*表，记为Un（qs）或Un（qs）;s表示该表有s列。表2是均匀设计表117（74），它告诉我们，用这张表安排实验要做7次实验，这张表共有4列，最多可以安排4个因素。表2U7(74)正交表4表3均匀设计表U7(7)的使用表每个均匀设计表都有一个使用表，指示我们如何从设计表中选用适当的列，以及由这些列所组成的实验方案的均匀度。表3是均匀设计表U7(74)的使用表。从使用表中看到，如有2个有音速，应选用1、3列来安排实验；若有3个因素，应选用1、2、3这2列；若有4个因素，应选用1、2、3、4这4列安排实验。 均匀设计采用偏差D作为均匀性评价指标，偏差的大小对应均匀性的优劣。常用的均匀设计可以査均匀设计表获得。每个均匀设计表有一个代号Un(qs)或*Un(qs),其中，“U”表示均匀设计，表示水平数亦表示实验次数，q表示该表最多可安排的因素数量。U的右上角叫“*”和不叫代表两种不同类型的均匀设计表。通常加的均匀设计表具有更好的均匀性，应优先选用。均匀设计表的列是不平等的，每次实验选取的列与实验因素的数冃密切相关。因此，每个均匀设计表都有一个使用表供参考，而且适合相同因素的均匀设计表通常不只一个，人们可以根据使用表挑选既满足自己实验因素要求的、均匀性好的(即偏差小的），同时又是实验次数相对较少的均匀设计表。4粉砂土路堤的现场碾压实验4.1基于实验设计理论的碾压实验在进行具体的实验之前，要对实验的有关影响因素和环节做出全面的研究和安排，从而制定出行之有效的实验方案。4.1.1实验路段概况课题组选取具有代表性的3、4、7、9标段为实验路段，宽30米，长200米，分为两个小实验段，每个100米。取土场根据具体情况选定，土场调查结果显示，该土场土体与前期室内实验采用的土体属于同一种土质。物理性指标基本一致。 4.1.2碾压前的准备取土坑形状要规则，坑底设置纵横向坡度和完善的排水系统，取土时不得使作业证积小，取土场应该全线统一规划，合理布局。取土前将表层清理干净，严禁混入表层耕植土，弃土应堆放在指定的地点。当进行开挖时测量挖方土的含水量。路堤施工前做好截、排水沟和防渗设施。路堤用地范围内的所有残渣及原地面以下0.2m的草皮树根等均要清理干净。水田及低洼地带清理深度为0.3m,场地清理完毕后进行全面静压。水田及低洼路段设置30〜50cm厚的砂石垫层，以降低土中水的毛细上升高度。4.1.3碾压实验方案制定针对该实验路段所在工区的实际情况，施工机具尽量采用施工单位现有的设备，没有进行不同施工机具组合的施工工艺对比研宂，以便实验段的现场碾压实验研究成果能够在该标段更好地应用。1施工控制参数现场碾压实验主要考虑了如下六个因素对土体压实效果的影响：含水量（3水平）；松铺厚度（3水平）；碾压遍数（3水平）；碾压速度（3水平）；振动频率（2水平）；振动振幅（2水平）。（见表5）由于各因素的水平不同，本次实验采用基于混合水平的实验设计方法,即取个不相同水平数的公约数作为标准的水平数。假如采用基于混合水平的正交设计，选用L36（23?313）,需要36次实验，实验次数过多；考虑次数较多；考虑到此次实验的实际情况，本实验采用基于混合水平的均匀设 计方法，考虑到此次实验的实际情况，本实验采用6因素、6水平、12次实验。表5实验方案各因素的水平表表6基于混合水平的均匀实验方案组合表表6中的含水量，松铺厚度，碾压遍数，碾压速度等因素的1、2水平表示的是表5中的1水平，表6中的振动频率，振动振幅的1、2、3水平表示的是表5中的1水平，其他以此类推。2路堤压实实验段设计实验段总宽为30米，轮款1.8米，每个实验小区宽度为2.5倍的碾压轮；每个实验段长100米，两个压实实验段共200米。在实验路段周围应该拓宽0.5米的边緣保证实验路段的碾压宽度。根据不同压实因素，将路堤每个压实实验段横向分为6个压实段（如图1），每个压实试验段内可以安排不同因子和水平组合的均匀压实实验6个，两个实验段共可安排12个均匀压实实验。4.1.4填筑松铺时，松铺厚度应通过设置控制标志的方法严格控制在20〜30cm之间，松铺厚度应均匀一致。为保证路堤边缘的压实，路堤两侧设计各宽填0.5m，松铺后必须用平地机进行整平，个别不平处应配合人工找平，避免出现压实后土体厚度严重不均的现象，并确保层间的接合良好。实验段1图1现场碾压实验段分区示意图具体碾压时，影响压实效果的因素主要有：松铺厚度、土料含水量、 压实机械、行车速度、压实时不同的频率和振幅等。由于要分析每个因子对碾压的效果影响是否显著，故耍求各因子水平的搭配比较均匀。因此，采用基于数理统计科学的均匀实验设计思路，以探讨各因素对公路路堤压实度的影响人小。为了方便施工，压路机的施工顺序是纵向碾压，在不同的压实试验段内，以不同的行车速度、频率振幅等不同的松铺厚度、含水量的土料进行碾压。不同压实试验段内组合水平的安排根据表6来安排，这样不但加快丫碾压施工速度，而且降低了碾压机具频繁短距离进退的困难和对己成型土体的影响。为保证碾压达到预期的快捷经济效果，现场碾压过程中需要在以下几方面严格控制：(1)路基压实试验控制在5层填土之内，每层填土都必须做成4%的双向横向排水坡，碾压应大致平整，应及时疏通排水沟，当天填筑必须当天压实。(2)碾压时应由两侧向中间推进，压路机碾压轮重叠轮宽20〜30cm，做到无漏压、无死角，以确保碾压均匀。⑶当振动压路机进行碾压时，第一遍应采用静碾便于碾压，最后一遍采用静碾用于收光。压路机的行驶速度最大不超过4km/h。(4)因施工不当产生的土皮、土屑应及时清理干净，才能进行下一道工序。