巨粒土路基施工与工后沉降控制技术研究

'巨粒土路基施工与工后沉降控制技术研究巨粒土路基施工与工后沉降控制技术成果报告完成单位：中铁十八局集团第四工程有限公司依托项目：负责人：资兴高速公路二零一四年四月十七日目录第一章绪论........................................................21.1国内外现状..................................................21.2施工技术难点................................................3第二章工程概况....................................................42.1工程概况....................................................42.2地形地貌....................................................42.3工程地质....................................................42.4水文地质....................................................52.5主要研究内容................................................5第三章V型冲沟高填路堤施工技术.....................................6 3.1施工方案....................................................63.2施工技术....................................................73.2.1抗滑桩施工............................................73.2.3桩板式挡土墙施工......................................73.2.4格宾网施工............................................73.2.5路堤填筑..............................................8第四章巨粒土高填路堤参数反演及沉降预测............................94.1概述........................................................94.2正交试验设计方法的理论研究..................................94.2.1试验设计反分析方法....................................94.2.2正交试验设计方法原理与特点...........................114.2.3正交试验设计方法基本步骤.............................124.3基于正交试验法的巨粒土高填路堤沉降参数反演................174.3.1因素及其水平选择.....................................174.3.2正交表设计反演模拟试验方案及试验指标结果.............174.3.3正交试验结果与沉降预测分析...........................18第五章本项目创新点...............................................22第六章经济社会效益...............................................231第一章绪论1.1国内外现状近年来，我国公路建设突飞猛进，尤其是高等级公路的大量兴建。高速公路被誉为一个国家走向现代化的桥梁，是发展现代交通业的必经之路， 作为重要的交通基础设施，其快速建设对我国国民经济的总体发展起到了举足轻重的作用。随着我国高速公路网的逐渐扩大，高速公路建设不断向山区延伸。在山区修建公路，所面临的地形、地质条件越来越复杂，会途经许多填方高度过大、挖方深度过深的路段，于是高填方路堤成为公路的一种常见的结构形式。我国的公路规范中并没有明确的定义高路堤，一般情况认为，路堤填料为碎石、粗砂、中砂时填筑高度达到12m或者其他填料时达到20m，可称为高路堤。相比普通路堤，高填方路堤具有：填筑高度大，工后沉降量大，沉降时间长等特点。若下部地基的变形较小，高填方填筑体自身的沉降就会成为高填方路堤整体沉降的主要部分。如何对高填方路堤的工后沉降进行有效的计算与估计，以此来消除山区公路建设中因为路堤沉降而造成公路使用过程中可能发生的不良影响和危害，成为了当前道路建设领域中的一个重要研究方向。公路规范把试样中巨粒含量占总体50%以上的土体，定义为巨粒土。按照这种土体分类标准，对于巨粒土的界定是很明确的，可是在实际应用过程中，国内外的研究中却很少使用巨粒土的概念，而往往更广义地称之为粗粒料，或者粗粒土、土石混合体等，但本质上，这些都属于巨粒土的范畴。由于巨粒土具有压实性能好、透水性强、填筑密度大、抗剪强度高、沉陷变形小以及承载力高等良好的工程特性，因此作为路堤填料，被逐渐广泛应用于公路中。路堤填料的选用，一般都采取因地制宜、就地取材的方式，大量的石质挖方和隧道弃方就成为了路堤填料的主要来源，以挖方区开挖所产生的 石料为主，其中最常见的是巨粒土填料。爆破开采石料及隧道弃渣等，具有粒径较粗、压缩性低、强度高、孔隙率大、透水性强、力学性质稳定等特点，利用石料修筑路堤，充分利用其优良的筑路性能，不仅减少了土石方运输，极大的降低了工程造价，同时也有效的保护了生态环境。21.2施工技术难点高填方路堤具有沉降大、沉降时间长、对地基承载力要求高等特点。巨粒土高填路堤由于填筑体自重过大，填料性能又复杂多样，其工后沉降更是一个不容忽视的问题。路堤沉降严重影响着道路的良好使用，为了保证公路使用的安全性和舒适性，有效地降低路堤沉降，消除路堤沉降所带来的危害已成为公路建设科技领域的一个重要课题。因此，当前在山区修建巨粒土高填方公路时，路堤的沉降计算及预测成为必须解决的关键问题之一。巨粒土的特征决定了在高路堤的施工中我们要解决的技术问题，主要有以下两点：(1) 颗粒粒径大。根据土体分类定义可以发现，相对于其他类型土体，巨粒土自身颗粒直径大很多，这就给土体试验带来了一定的困难。在实验室对巨粒土进行实验研究，考察其土体性能、力学表现特性是很不容易的。虽然为了达到实现实验目的，研究者也曾通过扩大实验仪器尺寸来进行尝试，但也不能将一些原型材料的级配概括进来，只能用相似级配法、等量替代法、剔除法等方法将试样缩小后进行试验，以此来估计现场原型材料的力学性质。巨粒土力学性质的不确定性就要求我们在施工过程中尽可能按照施工标准，因时因地的进行施工。(2)颗粒破碎。颗粒破碎是指组成土体的颗粒在外部荷载作用下产生结构破坏或破损，分裂成粒径相等或不等的多个颗粒。颗粒破碎会引起土体级配的改变，从而使其物理力学性质发生变化。会发生颗粒破碎的路堤填筑材料不只是巨粒土，如石英砂、钙质砂在一定的围压水平下就会产生颗粒破碎。与这些材料相比，巨粒土容易产生较高颗粒破碎率的主要原因是由于其材质的来源存在潜在缺陷及棱角丰富，巨粒土在较低的围压下就会产生颗粒破碎。因此，这就给我们在施工过程中的压实标准和压实指标提出了更为严格的要求。3第二章工程概况2.1工程概况广西资源至兴安高速公路是安（康）至北（海）公路重要组成部分，是广西高速公路网规划“6横7纵8支线”中纵2—资源（梅溪）至铁山港高速公路的组成部分，这条沟通湘桂两省的高速公路，将形成连接桂林喀斯特峰林地貌、八角寨丹霞地貌和张家界砂岩地貌三种我国极具代表性自然景观的大旅游新通道。广西资源至兴安高速公路作为广西东部纵向重要的公路通道之一，是国家高速路网中泉南高速、厦蓉高速、上瑞高速、包茂高速、二广高速的联络线。建成后，它将通过南宁至友谊关高速公路连接东盟各国，成为我国内陆地区通往广西沿海港口及东盟国家最便捷的通道之一。项目的建设对构建广西连接多区域的国际大通道综合交通网络，推进桂林国际旅游胜地建设具有重要意义。 本标段路线起点于广西壮族自治区资源县梅溪乡鸭头村，顺古岭隧道出口处。路线此处设八角寨互通式立交，并设连接线与既有S202相接；之后路线向南经全栗湾，于垫子背设青云隧道至青云桥水电站东侧，后经井水湾、石亭，于瓦窑坪西侧设大湾大桥至标段终点。2.2地形地貌地质构造特征具有扬子准地台和南华准地台的两重性。线路走行于低山区，地形起伏较大，植被发育；线路主要以路基、桥梁形式通过。本段通过区域断裂资新断裂（F1）。受构造影响，花岗岩具糜棱化、碎裂化现象。受地质构造影响，工程地质条件一般。所在地区属中亚热带季风湿润区，受地形地势影响，具有明显的山地立体气候特征。四季分明，相对气温低，光热少，雨量多，湿度大，霜、雪、冰期长是本地区气候条件的重要表现。2.3工程地质(1)地层岩性4坡积粉质黏土、碎石土为主，下伏加里东期花岗岩、震旦系灯影组硅质岩、白垩系砾岩。(2)地质构造此段区域位于江南地轴南缘与湘桂褶皱带交汇处，为扬子准地台和南华准地台的过渡地段。(3)不良地质主要不良地质现象为：泥石流、滑坡。特殊岩土为软土地基、岩溶 (4)地震动参数，根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）,路线所在区域地震动峰值加速度小于0.05g，抗震设防烈度小于VI度。2.4水文地质普遍具风化带网状裂隙水特征。由大气降水的渗入而形成，赋存于风化裂隙及构造裂隙之中，地下水埋藏较浅，属浅层潜水，其中植被是最重要的控制因素。本段属于中亚热带季风湿润气候区，海拔在800米以上，因地形地势关系，具有明显的山地“立体气候”特征，是广西气温最低，光热最少，雨量较多，湿度最大，气候温和，四季宜人，年均气温16.8℃，年平均降雨量在1735-1875.5mm之间，年平均相对湿度82%，年平均日照时数1307小时。2.5主要研究内容（1）根据巨粒土高填土路堤的工程特点与机理，探讨使用巨粒土进行路堤填筑过程中可能出现的问题以及具体的解决办法，从而选择最优解决方案和施工技术，为巨粒土高填路堤的工程实践提供经验。（2）根据巨粒土自身的物理和力学特点，研究使用巨粒土进行填筑的高路堤在施工完成后的产生的工后沉降问题，从而在施工过程中控制好路堤的压实，达到规范要求的工后沉降标准。（3）通过参数反演试验模拟工后沉降，调整填土厚度和压实标准，最终使工后沉降控制在规范允许范围内。5第三章V型冲沟高填路堤施工技术 3.1施工方案路堤填筑采用分级填筑方式，一级路堤高度8.0m，坡比采用1:0.75，平台宽度3.0m，二级至三级坡比1:0.75，高度控制10.0m，三级平台采用3.0m，根据路堤应力应变特征，二级平台采用卸荷宽缓平台处治方式，平台宽度5.0m，四级路堤坡比仍采用1:0.75。一级路堤拟采用土石混填方式填筑，二级、三级、四级路堤均要求采用填石路堤。施工方案如图1所示。图1施工方案图采用格宾挡墙进行护坡，路基中部铺设宾格网+GCL进行强腰，路面结构层下方铺设土工格栅减小路面开裂，坡脚采用板桩结合挡土板进行强脚，格宾挡墙能有效的提高边坡整体及局部稳定性，而且透水性良好，与填石路堤配合使用能尽快的排出由于降雨而渗透到路基内部的水；路基腰部的格宾网及路面结构层下面的土工格栅能增加路基岩土体的整体性，有效地减小路基变形，防止路面开裂而影响道路行车安全。板桩挡墙及抗滑挡墙对坡脚能进行有效的防护，提高边坡整体稳定性。63.2施工技术3.2.1抗滑桩施工抗滑桩采用采用1.75mx2.5m截面，桩长10m左右;嵌于基岩层上，间距5.0m，C25混凝土浇筑。抗滑桩采用C25钢筋混凝土护壁，护壁厚度20cm。作业顺序如图2。 图2作业顺序3.2.3桩板式挡土墙施工填方坡脚位于应力集中位置，适当加强坡脚防护是路堤填筑成功的关键所在，基于此，经综合比较分析，坡脚采用桩板式挡土墙进行加固。桩间设挡土板为矩形板，采用C30钢筋混凝土预制板。桩后填筑1.0m砂砾层，背侧路堤采用码砌片块石方式填筑，且应保证片块石合紧密。3.2.4格宾网施工为稳定边坡，降低不均匀沉降的影响，采用分层铺设格宾网+GCL进行处理，在边坡处每50cm铺一层，在路床底面往下铺设6层，层间距为0.5m。(1)平整路基:格宾网铺设前，对己铺设的垫层进行清理平整，保证格宾网能7均匀、平整的铺设，铺设时将强度高的方向垂直于路堤轴线方向布置。(2)铺设剪裁：单向格宾网，剪裁长度为设计长度+每层格宾网间距+反包长度(在错台处加错台宽度2m)。对于第一层，将剪裁好的单向格宾网铺设在己经处理好地基上，并将反包长度部分置于线以外，回填后将反包格宾网进行反包，与上一层新铺设的格宾网用连接棒进行连接。(3)GCL防渗：在第一层格宾网下层，铺设一层厚度为20cm的细沙压实后加铺10mm的GCL。(4)张拉固定：按照设计坡面线固定一端，同时在单向格宾网远离坡面一端进行张拉，拉紧后用木锲固定，此时，格宾网处于绷紧状态，不出现褶皱现象。 (5)回填：在格宾网铺设后应及时进行回填，避免阳光直接暴晒，回填时从两端向中间铺填。回填料粒径控制200mm以下，整平后进行洒水碾压，用振动碾压机碾压8遍，碾压时垂直格宾网铺设方向进行碾压。(6)格宾网铺设完成后，严禁一切施工车辆和施工机械行聆或停留在已铺奸的格宾网上。3.2.5路堤填筑路堤填筑采用分级填筑方式，一级路堤高度8.0m，坡比采用1:0.75，平台宽度3.0m，二级至三级坡比1:0.75，高度控制10.0m，三级平台采用3.0m，根据路堤应力应变特征，二级平台采用卸荷宽缓平台处治方式，瓶体宽度5.0m，四级路堤坡比仍采用1:0.75。一级路堤拟采用土石混填方式填筑，以可采用填筑质量更佳的填石路基方案，二级、三级、四级路堤均要求采用填石路堤。（1）路堤压实本项目填石路基采用沉降差法控制填筑压实质量，通过监测填层沉降数据，最后一遍与倒数第二遍同点标高高差不大于3mm，与倒数第三遍高差不大于5mm，即认为路堤填筑是密实的。松铺厚度30cm，采用18t振动压路机振压6遍便可满足压实要求。（2）地基防排水地基处理后开始修筑防排水系统。在冲沟原地面上设左、中、右3条排水盲沟，沟截面100cmx100cm，沟内材料采用级配碎石加中粗砂，四周铺土工布，盲沟出口接挡墙排水孔，排水纵坡大于4%，用于排出沟谷上游渗流下来的水。 8第四章基于正交试验法的巨粒土高填路堤参数反演4.1概述计算模型参数的取值直接影响高填方路堤沉降计算及预测分析的精度和可靠性。对于广义Kelvin模型只要确定常应力状态下填筑体EH、EK、?K这3个参数，则上述粘弹性本构模型就可以确定。到目前为止，还没有一个成熟的方法对蠕变材料模型参数进行可靠的直接取值。一般来说，针对具体工程实际进行的室内蠕变试验确定的参数是可靠的。但是由于室内蠕变试验的时间跨度大，成本高，在工期很紧的工程实践中往往很难被采用，考虑到不同工程所采用填筑体的变异性，这种试验确定的参数对实际工程的借鉴性很小。实践表明，通过工程类比法确定模型参数，往往无法获得较高精度的计算结果。在有沉降监测资料的条件下，采用参数反演的方法研究填筑体的材料特性，并用反演所得的参数值，建立预测模型，去进一步预测高填方路堤的长期工后沉降，可使计算结果和实测数据相互验证，能够克服单纯的室内试验或者工程类比法的不足，具有实用、可靠的优点，并能获得较高的计算精度。4.2正交试验设计方法的理论研究4.2.1试验设计反分析方法前文已经提到，正交试验设计反演方法是试验设计反分析方法的一种。正交设计、均匀设计、稳健性设计等均可归为试验设计反演方法，由其各自推演出的方法分别称为正交设计反演法、均匀设计反演法和稳健设计反演法。 试验设计反分析法的反演过程可简述为：确定主要因素(反演参数)及其水平?正确选择试验评价指标?合理安排试验方案?按方案进行数值模拟试验?进行试验结果分析?确定反演结果。其中正交试验设计具有均匀分散性和整齐可比性两大特点，可以通过至少安排因素水平数的平方个试验由直观分析获取最佳参数。而均匀设计只具有均匀分散性，数值模拟试验的数目可以是因素的水平数目，或者是因素水平数目的倍数，试验次数比正交试验次数少得多，但由于它不具有整齐可比性，其实验结果需要用回归分析等方法进行试验数据的统计分析，以推断最优参数组合。另外，由于岩土工程力学行为受多种不可预知的外部干扰，数值模拟试验指标达到最优值的因素水平的组合方式也常常不是唯一组合，9稳健性设计就是致力于改进参数内部结构，用试验设计找出一组对各种干扰因素具有最强抵抗能力的参数组合方式。试验设计反分析过程如图4-1所示。该过程可用于更广泛意义上的参数反演，如岩体工程设计参数、开挖施工参数。岩层初始地应力场与物理力学参数、边界荷载分布形式等。对于设计参数的反演，可根据岩体工程的可行设计方案和控制变形限值反演最佳设计参数。对于开挖施工参数的反演，可根据施工设备与环境条件等，通过数值模拟试验反演合理的开挖施工方式与方法等。在进行设计或开挖施工参数的试验设计反演时，其结果分析在很大程度上取决于正确的选择评价指标，不同评价指标可能会给出不同的结果。因此，当工程需要有多项约束条件或评价指标时，还需要综合多指标的分析结果，给出最佳反演参数。 图4-1试验设计反演基本过程104.2.2正交试验设计方法原理与特点正交设计法是一种重要的数学方法，用于研究多因子试验问题，并在工程研究领域被广泛使用，最显著特点就是对正交表的合理使用[69]。通过借助正交表，从众多的试验条件中选出若干个代表性较强的试验条件，科学地安排试验，然后对试验进行整体分析、综合对比、统计分析。通过对理论认识和实际经验的把握选择最符合条件的正交表，并通过正交表筛选出必须的试验搭配，再通过数理统计分析的方法进行全面试验。正交试验设计用较少的试验次数，找出试验因素的最佳水平组合，了解试验因素的重要性及交互作用情况，减少试验的盲目性，避免试验浪费等，而且由正交试验寻找出的优化参数与全面试验所找出的最优条件有一致的趋势。为了更迅速准确的筛选出试验的最优方案，达到最终目的，需要对每一种组合逐一进行分析试验。因为所要考虑的因素繁多，造成需要做的试验次数会成倍增加。比如对三个5水平的因素，如果将三个因素的各个水平都互相搭配进行全面试验，要做53=125次试验，而四个5水平的因素，就要做54=625次试验，这样的话，对六个5水平的因素，进行全面试验就要做56=15625次试验，要进行数量如此庞大的试验，不仅需要消耗巨大的人力，物力，还会消耗更多的时间。而正交试验设计能够安排多因素试验，能够寻求最优水平组合，而且是一种不需要全面试验的高效率试验设计方法，这种方法已经被广泛应用在实际当中。经正交试验设计，对六个5水平的因素，只需要进行25次试验即可。 正交试验设计中的基本概念主要有试验指标、因素和水平。试验指标是目标的分解，是用来衡量试验结果的量。因素是指直接影响试验结果的需要进行考察的不同原因、成分。水平是指一个因素在试验中的状态。正交表安排试验具有均匀分散性和整齐可比性的特点。也就是说，经过正交表的合理安排，试验方案是比较均匀地分散到各个水平组合的方案当中，有利于优秀方案的选出；另外，在正交表中，对于某一个因素的某一列，在各个水平下的结果和中，其它因素的各个水平的出现次数是相同的，这样的安排才使这个因素的几个水平间有了可比性。正因为正交表安排试验具有以上特点，才能取得减少试验次数的良好效果。由此可见，正交试验设计主要优点表现在如下几个方面：(1)可以考虑多个因素，多个指标，能够全面地考虑到可能的因素水平组合，能在所有试验方案中均匀地挑选出代表性强的少数试验方案。(2)由于设计后的试验次数少，试验周期短，能够较快的得到计算结果，通过对试验结果进行统计分析，可以推出较优的方案，而且所得到的较优方案往往不包含在这些少数试11验方案中。(3)对试验结果作进一步的分析，可以得到试验结果之外的更多信息，如各试验因素对试验结果影响的重要程度、各因素对试验结果的影响趋势等。(4)节省时间，节约费用。4.2.3正交试验设计方法基本步骤1）选择试验评价指标 任何一个试验都是为了解决某一个问题，或是为了得到某些结论而进行的，所以任何一个正交试验都应该有一个明确的目的，这是正交试验设计的基础，而表征这个目的需要一个量化的指标——试验指标。试验指标是表示试验结果特性的值。根据试验分析的内容选择或定义试验评价指标，如选择岩体工程分析过程中某种评价参数或评价几何区域(如最大位移量、塑性区面积、受拉区面积等)，或试验分析所得位移与量测位移残差平方和等均可作为试验评价指标，下式是常用的3种评价指标的分析算式。yp??Api(4-1)i?1nmRcm??(uc?um)i2(4-2)i?1umax?max(u1,u2,...,uN)(4-3)式中，yp——为数值模拟试验中的评价指标，如塑性区域或受拉区域的总面积；Api——第i个符合评价指标的单元面积；m——评价指标的单元总数；umax——为当前试验中位移分量的最大值；uc——为观察点的试验模拟值；um——为观察点的测试值；N——为位移分量的总数。2）确定因素及其水平 正交试验设计要综合考虑反演参数的选择，反演参数的计算区间以及各参数的水平数。反演参数的选择应抓住问题的主要因素，忽略次要因素。影响实测位移量的因素往往是多方面的，也是综合的，如果面面俱到，选择的反演参数过多，会引起数学上的困难，出现12诸如解不唯一等问题。一般说来，计算模型越简单，模型参数越少，参数反演的适定性也越强。各参数的取值区间的选择，直接关系到最后参数反演的可靠度。可以根据室内外试验数据或者类似工程的经验数据来初步确定，并可适当放宽其上下限，以避免遗漏掉边界处的参数组合。最后确定每一个反演参数的水平数。正交试验设计法中每一个参数的水平数至少是2个，即参数计算区间的上下限。为了更加有效的反映问题，可采用3个或者3个以上的水平数。但是，当影响试验的因素较多时，反演参数水平数的增加将极大地增大试验工作量。因此，反演参数水平数的确定，应综合考虑计算精度和计算成本的双重影响。试验指标同样需要考虑众多因素的共同作用。但是，如同刚才提到的情况一样，由于条件有限，对试验进行全面把握考虑是不可能的。因此，应该联系实际情况，结合试验想要取得的最终目的，进行具体问题具体分析，找准主要问题，忽略次要问题，最终达到降低考虑因素数，减小工作量的目的。当然，如果问题比较复杂，则可以通过适度添加因素数进行多角度分析，在灵活取值的时候应注意把握试验的根本，绝不要漏掉任何一个产生大影响的因素。在因素水平数确定的过程中，为了实验数据处理方便，通常最大限度的取相等的水平数个数。 首先根据工程特征及反演分析目的等，确定正交试验因素及水平，列出因素水平表。再选取与因素水平相同的正交表，其次是根据因素数选择正交表的列数。根据所选择的计算模型、因素水平和试验评价指标，由正交表选取的一般方法，即正交表中的水平数应与每个因素数水平数相等，正交表中的因素数应大于或等于实际因素数，在满足这两个条件的前提下，尽可能选用实验次数较小的正交表。正交表是已规范化的表格，它的符号表达是Ln(mk)，L表示正交表；n是正交表的横行数，即安排的实验次数；k是正交表的列数，即试验的因素个数；m是各个实验因数的水平数。对于水平数相同的正交表，若满足n?1??(mj?1)(4-4)j?1k则此正交表为饱和正交表，相应的试验称为饱和正交试验，即正交表的列数已达最大值。在饱和正交表Ln(mk)中，n、m、k之间有如下关系k?3）数值模拟试验n?1(4-5)m?1完成正交表设计之后，将正交表中各列上的数字分别看成是该列所填因素在各个试验中的水平数，这样正交表的每一行就对应着一个试验方案，即各因素的水平组合，根据因13素水平表中给定的方案及各方案中参与模拟分析的因素水平进行模拟试验。进行试验时，如果每个因素的水平序号从小到大时，因素水平的数值总是按由小到大或由大到小的顺序排列，那么按正交表做试验时，所有的 1水平要碰到一起，这样的极端情况有时并不希望出现。因此在排列因素水平表时，最好不要简单地按因素数值由小到大或由大到小排列，最好使用随机化方法使因素水平表顺序随机排列。必须严格按照规定的方案完成每一号试验，因为每一号试验都从不同角度提供有用信息，而且在试验中要对试验条件做到严格控制，尤其是在水平的数值差别不大时。4）正交设计方案直观分析对正交试验结果的分析，通常采用两种方法：一种是直观分析法；一种是方差分析法。由于方差分析涉及较多的数理统计知识，在分析中并不具有特别重要的意义，在实际中，由于直观分析法简便易行，所以应用比较广泛。直观分析方法是指对试验结果运用简单的数学运算进行分析的方法，又称为极差法。极差是指因素在不同水平下的试验指标值的最大值与最小值之间的差值。正交试验中每一因素有几个水平，就有几个试验结果之和，这几个和的数值就组成了一组数据，这组数据中最大值与最小值的差，就是每一因素各个水平试验结果之和的极差。极差是划分关键因素、重要因素和可能最优试验方案的根据。极差的大小说明相应因素作用的大小，极差大表明该因素的变化对结果影响大，是主要因素；反之，极差小表明该因素的变化对试验结果的影响小，为次要因素或是不重要因素。直观分析法简单易懂，实用性强，应用较为广泛。基本步骤如下：(1)计算各因素不同水平的试验指标和Bij(即水平和)：Bij???iAj(k)?yk(4-6)式中，Aj(k)——第j个因素中第k试验号所对应的水平号； yk——第k试验号所对应的试验指标值；?iA(k)——Kronecker符号。j(2)计算指标均值kij(即水平均值)：kij?Bij/ll?n/s(4-7)式中，s为水平数。(3)计算各因素的水平均值的极差R：jRj?max(kij)?min(kij)(4-8)14式中，i?1,2,...,s(水平数)，j?1,...,r(实际因素数)。(4)评定因素重要性顺序。根据指标均值的极差将各因素的重要性进行排序。5）选出最优因素组合方案最优方案是指在已选用的各因素的水平中，优秀水平组合成的实验方案。所各因素较优水平的确定于试验指标，若指标越大越好，则应选取使指标大的水平，即各列ki中最大的那个值对应的水平；反之，若指标越小越好，则应选取使指标小的那个水平。根据试验指标的要求找出最优水平，将各因素的最优水平组合起来，即为最优因素(参数)组合方案，也即为正交设计反演结果。最优方案有时就是直接分析的最好方案，有时候可能最优方案并不在已经做过的实验中。 上述最优方案是在给定的因素和水平的条件下得到的，若不限定给定的水平，有可能得到更好的试验方案，所以当所选的因素和水平不恰当时，该优方案也可能达不到试验的目的，不是真正意义上的优方案，这是就应该对所选的因素和水平进行适当的调整，以找到新的更优方案。可以通过趋势图实现这个目的。将因素水平作为横坐标，以试验指标的平均值kij作为纵坐标，画出因素与指标的关系图，即趋势图。根据趋势图可以对一些重要因素的水平做适当调整，选取更优的水平，再安排一批新的试验。新的正交试验可以只考虑一些主要因素，次要因素则可固定在某个较好的水平上，另外还应考虑漏掉的重要因素，所以新一轮正交试验的因素数和水平将会更合理，也会得到更优的试验方案。根据上述分析过程，正交试验设计反演基本思路及具体流程如图4-2所示。15图4-2正交试验设164.3基于正交试验法的巨粒土高填路堤沉降参数反演相对于一般路堤，高填方路堤填筑高度大，一些重要的物理力学参数，不易直接通过正分析方法得到。位移量是描述物体受力变形形态的一类重要的物理量。上文已经提到，由于位移变形值比较容易获取，其反分析法比常规现场试验简便和经济，目前己被用做反演分析确定参数的主要依据。因此，本章利用现场实测的巨粒土高填路堤的沉降位移值，依照正交试验设计方法的步骤来反算巨粒土填料的一些力学参数，进而用于沉降计算。4.3.1因素及其水平选择考虑到本文中模拟填筑体沉降时应用的是广义Kelvin模型，最后选用填筑材料反映瞬时弹性变形的弹性模量EH，反映粘弹性变形的弹性模量EK ，粘滞系数?K以及填筑体的容重?作为正交试验的影响因素，每个因素取4个水平数。参照资兴高速公路K54+980断面相关数据和实际类似工程经验确定每个参数的计算区间，见表4-1。表4-1正交数值试验设计因素水平表因素水平水平1水平2水平3水平4因素(反演参数)E/MPa50455540E/MPa70607565?/(MPa?月)500600700800?/(kN?m?3)23.522.522.021.54.3.2正交表设计反演模拟试验方案及试验指标结果此处不考虑各因素之间的交互作用，由于是4个因素4个水平的试验，应安排16次实验，所以选用L16(44)正交表，试验方案见表4-2。将由正交表安排的各组参数值，分别转换成ABAQUS参数输入形式，依次输入到有限元模型中，计算得到不同参数组合下路堤填筑完成15d后路面的最大沉降模拟计算值un(mm)，见表4-3。表4-2正交表设计反演模拟试验方案L(44)实验方案12345 因素及编号因素A(E)1(50)1112(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)3176789101112131415162223(55)3334(40)444234123412341433412432141243212143表4-3各试验方案在ABAQUS中的输入参数及试验指标结果实验方案12345678910111213141516ABAQUS输入参数试验指标E/MPa50505050454545455555555540404040?0.300.300.300.300.300.300.300.300.300.300.300.300.300.300.300.30g0.4520.4350.4900.4700.4260.4090.4640.4440.4760.4580.5140.4940.3970.3810.4350.415 ?3.9164.5225.9486.5204.9213.9397.1485.9875.2455.7784.0504.6716.8875.7785.6524.498?/(kN?m?3)23.522.522.021.522.021.523.522.521.522.022.523.522.523.521.522.0u/mm-2.642-2.525-2.362-2.173-2.594-2.598-2.639-2.514-2.020-2.063-2.187-2.193-2.977-3.224-2.802-2.9314.3.3正交试验结果与沉降预测分析根据正交设计方案的直观分析法，可得到如下结果，见表4-4：表4-4正交设计反演模拟试验方案直观分析结果指标和/指标均值1234E/MPa-9.702-10.345-8.463-11.934E/MPa-10.233-10.410-9.990-9.81118 ?/(MPa?月)-10.358-10.114-10.120-9.852?/(kN?m?3)-10.698-10.203-9.950-9.593B1jB2jB3jB4jk1jk2jk3jk4jRj-2.426-2.586-2.116-2.9840.868-2.558-2.679-2.498-2.6530.181-2.590-2.529-2.530-2.4630.127-2.675-2.551-2.488-2.3980.277表中，Bij是j因素在i水平下的试验指标和，如B11=u1?u2?u3?u4=-9.702B21=u5?u6?u7?u8=-10.345B23=u2?u5?u12?u15=-10.114同理算的第j列上第i个水平的试验结果Bij填入表中相应位置。kij是i水平下j因素的试验指标均值，根据式4-5，l=16/4=4，于是1Kij?Bij4则11B1=-2.42641K21?B21=-2.586 41K23?B23=-2.5294K11?同理算得第j列上第i个水平的试验结果填入表中相应位置。由式4-2计算各因素的水平均值极差R。如：jR1??max(K11,K21,K31,K41)?min(K11,K21,K31,K41)??0.868同理，将其它的极差算出来并填入表格相应位置。从表4-3各参数的极差值R的大小可知，填筑体的弹性模量EH的极差最大，而粘滞系数?K的极差最小，说明EH对路堤沉降的影响最大，而?K的影响最小。在本计算实例中，按极差大小，影响路堤沉降的参数的主次顺序为A?D?B?C。由于要求指标值即路堤沉降值越小越好，所以选取每个因素中使指标均值ki最小的那个水平，考虑到本次计算中沉降值用负数表示，因此在表4-3中，应选取指标均值最大的水平，故选取的最优水平组合是A3B3C4D4，模型的最佳参数见表4-5。表4-5基于正交试验设计的巨粒土路堤最佳力学参数组合E/MPa55E/MPa75?/(MPa?月)800 ?/(kN?m?3)21.5该最优方案是通过直观分析得到的，但其实际上是不是真正的最优方案还需要进一步的19验证。将该最优方案A3B3C4D4与正交表中最好的第9号试验A3B1C3D4作对比试验，若方案A3B3C4D4比第9号试验更好，通常可认为A3B3C4D4是真正的最优方案，否则第9号试验A3B1C3D4就是所需的优方案。因此，将方案A3B3C4D4的水平组合参数输入到模型中，计算得到路堤填筑完成2d后路面的最大沉降模拟计算值un=-2.002mm，则该方案计算所得的沉降值小于第9号试验的计算值，计算结果更优，说明A3B3C4D4是真正的最优方案。若出现后一种情况，一般来说原因可能有三个方面：(1)试验误差过大造成；(2)另有影响因素没有考虑进去；(3)因素的水平选择不当。遇到这种情况则要分析原因，再做试验，直到得出计算分析最优条件，才能说明考察指标是最优。为直观起见，以参数的水平作为横坐标，以试验指标的平均值kij作为纵坐标，绘制参数与指标的趋势图，如图4-3。在趋势图中，横坐标按照水平的实际大小顺序排列，并将各坐标点连成折线图，这样就很容易看出指标随因素数值增大时的变化趋势。由此可知，对于巨粒土高填路堤，填料的弹性模量EH对沉降的影响最大，弹性模量越大，沉降越小；其次是容重?，?增大时路堤沉降会有较为明显的增大；粘弹性模量EK增大时，路堤沉降会减小，但是变化幅度较小；粘滞系数?K 的变化对路堤的沉降没有明显的影响。交试验设计的优越性。将得到的这组最优解输入到有限元模型中，即可预测巨粒土高填路堤的长期工后沉降。将该断面路堤填筑完成半年后实测沉降与计算沉降进行比较，如图4-4所示。由计算结果可以看出，虽然实测沉降值略小于计算沉降，但是有限元模拟计算获得的路面沉降值变形过程曲线趋势与实测曲线相同，说明基于正交试验设计法的参数反演方法是可靠的。由图4-4可知，虽然路面的沉降变形仍在发展中，但在路堤施工完成200d以后沉降就基本趋于稳定，路面沉降变形随时间的增长速率已明显减缓。20沉降(mm)·实测沉降20406080100120140160180200220240260280300时间/d21第五章本项目创新点（1）对于低山区的V型冲沟高路堤填土，采用特殊的格宾网进行边坡维护，确保边坡的稳定性。（2）通过正交对比试验近似确定工后沉降，免去了现场试验的巨大经济和人力资源的浪费。22第六章经济社会效益 本项目依托的资兴高速公路，是加快我国高速公路建设的重要工程，为解决隧道进洞施工条件问题，同时解决洞渣堆置及合同段内大量弃方处理问题，以达到综合降低工程造价，缩短工期的目的，直接采用隧道弃渣为路基填料，不运不弃，就近利用，变废为宝，与桥梁形式跨越冲沟填方区相比，节约了土地资源，降低了工程造价，据测算，优化后节约用地近50亩，节省工程造价约300万元，直接经济效益可达500万元，同时也解决工程中易引发泥石流污染下游饮用水源及下方民房安全，以及解决隧道进洞施工条件问题；并为依托工程的顺利建成和日后的安全营运提供了技术支撑，为山区类似工程的建设提供了可靠的理论依据。2324'