曹?，摚?賀，吳吉賢，李雨濃

(燕山大學(xué) 建筑工程與力學(xué)學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

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上硬下軟型雙層路基動(dòng)力穩(wěn)定性影響因素

曹?，摚?賀，吳吉賢，李雨濃

(燕山大學(xué) 建筑工程與力學(xué)學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

為了研究上硬下軟型雙層路基動(dòng)力穩(wěn)定性在交通運(yùn)營(yíng)期內(nèi)多個(gè)影響因素排序的技術(shù)問題，在室內(nèi)模型試驗(yàn)、動(dòng)三軸試驗(yàn)以及掃描電鏡試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)、專家打分法與三標(biāo)度法相結(jié)合，以車輛荷載參數(shù)、土層分布特征及力學(xué)參數(shù)、土體物理參數(shù)和循環(huán)作用參數(shù)為準(zhǔn)則層，構(gòu)建出層次結(jié)構(gòu)模型。借助MATLAB程序?qū)ε袛嗑仃囘M(jìn)行計(jì)算處理，獲得各影響因素的權(quán)重大小，其重要性程度由大到小依次為荷載循環(huán)次數(shù)、硬殼層厚度、荷載循環(huán)頻率、車重、硬殼層硬度、軟土含水率、行車速度和硬土含水率，軟土層是控制路基穩(wěn)定性的關(guān)鍵層。

道路工程；影響因素排序；三標(biāo)度法；雙層路基；動(dòng)力穩(wěn)定性；室內(nèi)模型試驗(yàn)

0 引言

上硬下軟型雙層路基是一種典型的路基土分布形式，由于其硬殼層具有應(yīng)力擴(kuò)散等力學(xué)性質(zhì)，一直被工程技術(shù)人員廣泛關(guān)注。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)上硬下軟型雙層路基的動(dòng)力響應(yīng)[1]、應(yīng)力擴(kuò)散作用[2]、破壞模式[3]、沉降特性[4]以及極限承載力[5]等進(jìn)行了深入的研究。在穩(wěn)定性方面，文獻(xiàn)[6]針對(duì)上覆硬殼層軟土夾層路基穩(wěn)定性缺乏判定標(biāo)準(zhǔn)的問題，提出了填筑期與非填筑期分階段研究模式；文獻(xiàn)[7]通過(guò)室內(nèi)循環(huán)三軸試驗(yàn)，進(jìn)行了路基動(dòng)態(tài)條件下穩(wěn)定性的研究；文獻(xiàn)[8]采用二維有限差分法對(duì)碎石樁加固軟土地基的樁基礎(chǔ)和等效面積模型進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并對(duì)其深層次的破壞因素進(jìn)行了估算。由于影響因素眾多，且不易被量化處理，有關(guān)上硬下軟型雙層路基動(dòng)力穩(wěn)定性影響因素方面的研究還鮮見報(bào)道。

層次分析法屬于一門交叉學(xué)科，目前已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域[9-11]。在巖土工程領(lǐng)域，文獻(xiàn)[12]運(yùn)用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論確定了凍土區(qū)路基穩(wěn)定狀況的模糊綜合評(píng)價(jià)模型，提出了基于安全可靠度的用于評(píng)價(jià)多年凍土區(qū)路基穩(wěn)定的模糊綜合評(píng)價(jià)方法；文獻(xiàn)[13]針對(duì)目前常用的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法存在的問題，提出采用專家調(diào)查法與層次分析法相結(jié)合的大跨淺埋公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法。一般情況下，傳統(tǒng)層次分析法都是通過(guò)專家打分法得到判斷矩陣，該方法具有主觀性，受人為因素影響較大，針對(duì)這一不足，在室內(nèi)模型試驗(yàn)、動(dòng)三軸試驗(yàn)以及掃描電鏡試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)、專家打分與三標(biāo)度法相結(jié)合，構(gòu)建出層次結(jié)構(gòu)模型，以獲得各影響因素的權(quán)重排序。

1 三標(biāo)度法

傳統(tǒng)的層次分析法采用1～9個(gè)標(biāo)度將各個(gè)影響因素量化，9個(gè)標(biāo)度跨越度太大，已經(jīng)超過(guò)了人的正常判斷能力，會(huì)給判斷結(jié)果帶來(lái)很大的誤差。而三標(biāo)度法采用0,1,2共3個(gè)標(biāo)度來(lái)衡量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系各個(gè)因素之間的相互關(guān)系，可以減小判斷的難度，從而提供較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。三標(biāo)度法的分析步驟如下：建立層次分析模型；構(gòu)造三標(biāo)度矩陣；計(jì)算排序指數(shù)；構(gòu)造層次分析法的間接判斷矩陣；求解各因素權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[9]。

2 模型構(gòu)建與計(jì)算處理

2.1 層次模型的建立

根據(jù)上硬下軟型雙層路基的工程特點(diǎn)，將車輛荷載參數(shù)、土層分布特征及力學(xué)參數(shù)、土的物理參數(shù)以及循環(huán)作用參數(shù)4個(gè)方面入手，將這4個(gè)方面作為層次結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)則層。

(1)車輛荷載參數(shù)

車輛荷載參數(shù)主要包括車重和行車速度。車輛在行駛的過(guò)程中，隨著車重的變化，動(dòng)應(yīng)力、沉降和剪應(yīng)力也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。車輛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的震動(dòng)，速度的改變也會(huì)使動(dòng)應(yīng)力等產(chǎn)生相應(yīng)的改變。故車重和行車速度是影響路基穩(wěn)定性的兩個(gè)主要車輛荷載參數(shù)。

(2)土層分布特征及力學(xué)參數(shù)

土層分布特征主要考慮硬殼層厚度，土層力學(xué)參數(shù)主要指硬殼層硬度。硬殼層的厚度和硬度是硬殼層的兩個(gè)重要指標(biāo)，硬殼層的厚度和硬度越大，其應(yīng)力擴(kuò)散作用越明顯，越有利于路基的穩(wěn)定性。其中硬殼層硬度是土體力學(xué)參數(shù)的綜合反映，主要受土體動(dòng)彈性模量、壓實(shí)度及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)等多種因素的影響。

(3)土的物理參數(shù)

土體含水率是影響路基穩(wěn)定性的重要因素，可能會(huì)引起土體膨脹導(dǎo)致土體密實(shí)度降低，同時(shí)引起強(qiáng)度下降[14]，因此土的物理參數(shù)主要考慮含水率。上硬下軟型雙層路基分為上覆硬殼層和下伏軟土層，又將含水率細(xì)分為硬土含水率和軟土含水率。

(4)循環(huán)作用參數(shù)

交通運(yùn)營(yíng)期是一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的過(guò)程，路基土在荷載反復(fù)作用下變形會(huì)逐步積累[15]。對(duì)交通運(yùn)營(yíng)期的路基進(jìn)行穩(wěn)定性分析要考慮循環(huán)作用參數(shù)，主要涉及荷載作用頻率和荷載作用次數(shù)兩個(gè)方面。

綜上所述，構(gòu)建的層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 層次結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Hierarchical structure model

其中，上硬下軟型雙層路基動(dòng)力穩(wěn)定性評(píng)價(jià)為目標(biāo)層，用A表示；車輛荷載參數(shù)、土層分布特征及力學(xué)參數(shù)、土的物理參數(shù)和循環(huán)作用參數(shù)為準(zhǔn)則層，分別用B1，B2，B3和B4表示；車重、行車速度、硬殼層厚度、硬殼層硬度、軟土含水率、硬土土含水率、荷載作用次數(shù)和荷載作用頻率為因素層，分別用C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7和C8表示。

2.2 構(gòu)造三標(biāo)度矩陣

(1)準(zhǔn)則層三標(biāo)度矩陣的建立

由于準(zhǔn)則層無(wú)法用試驗(yàn)?zāi)M，故準(zhǔn)則層采用專家打分法來(lái)確定其三標(biāo)度矩陣。通過(guò)對(duì)多位專家進(jìn)行咨詢，專家通過(guò)將準(zhǔn)則層4個(gè)因素進(jìn)行兩兩比較，使得這4個(gè)因素之間的相對(duì)重要性按照三標(biāo)度進(jìn)行量化，為了使得到的結(jié)論更為準(zhǔn)確，在咨詢專家之前，為專家提供與上硬下軟型雙層路基動(dòng)力穩(wěn)定性有關(guān)的信息，使專家能有足夠的依據(jù)做出合理的判斷。為了減少專家主觀因素對(duì)判斷矩陣的影響，將多位專家的意見和結(jié)論進(jìn)行匯總和篩選，最后得出準(zhǔn)則層因素的重要性程度從高到低依次為循環(huán)作用參數(shù)、土層分布特征及力學(xué)參數(shù)、車輛荷載參數(shù)和土的物理參數(shù)。

(2)因素層三標(biāo)度矩陣的建立

① B1和B2中因素層的比較

室內(nèi)模型試驗(yàn)以邢臨高速K33+650～ K33+800區(qū)間為工程背景，模型土體為現(xiàn)場(chǎng)采集的原狀土。路堤頂寬取26 m，路堤高度取2.0 m，按照1∶1.5放坡；選取橫斷面寬度為60 m，縱斷面長(zhǎng)度為120 m，路基土厚度為15 m。綜合考慮經(jīng)濟(jì)條件、試驗(yàn)設(shè)備及空間條件，幾何相似常數(shù)定為1/100，即室內(nèi)模型尺寸長(zhǎng)1.2 m×寬0.6 m×高0.17 m(含路堤高度)，為了消除邊界效應(yīng)，最終模型箱尺寸長(zhǎng)1.3 m×寬0.7 m×高0.30 m。為保持土體的原狀特性，試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯馏w在模型箱內(nèi)靜置3個(gè)月，密封完好。沿路基土埋深方向埋設(shè)多個(gè)微型動(dòng)態(tài)土壓力盒，以監(jiān)測(cè)車輛荷載產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力。試驗(yàn)分別采用不同的硬殼層厚度、硬殼層硬度(用動(dòng)彈性模量表征)、車重和行車速度，測(cè)得路基土中硬軟土層交界面處的動(dòng)應(yīng)力峰值。動(dòng)應(yīng)力峰值越大，路基越容易失穩(wěn)，故在確定B1和B2中因素層的判斷矩陣時(shí)，采用動(dòng)應(yīng)力峰值作為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。室內(nèi)模型試驗(yàn)如圖2所示。

圖2 室內(nèi)模型試驗(yàn)Fig.2 Laboratory model test

將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)通過(guò)正交分析法進(jìn)行處理，處理結(jié)果如表1所示。

表1 正交分析表Tab.1 Orthogonal analysis table

在表1中，Rj為極差，通過(guò)比較Rj的大小可以判斷出各因素變化對(duì)動(dòng)應(yīng)力峰值影響的重要性程度，Rj越大，表示該因素對(duì)動(dòng)應(yīng)力的影響越大，即因素越重要。由表1可知，硬殼層厚度和硬殼層硬度相比，前者較為重要；車重和行車速度相比，車重較為重要。從另一個(gè)角度講，Ra>Rc，Rb>Rd，這說(shuō)明整體上土層分布特征及力學(xué)參數(shù)較車輛荷載參數(shù)更為重要，進(jìn)一步證實(shí)了準(zhǔn)則層判斷矩陣的準(zhǔn)確性。

② B3中因素層的比較

從微觀的角度分析了不同含水率軟土和硬土的微觀特性，采用Hitachi-3400N型掃描電鏡觀察動(dòng)三軸試驗(yàn)后的土樣的微觀特征，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)當(dāng)放大倍數(shù)為1 000 倍時(shí)，土體中土顆粒和孔隙形態(tài)最為清晰。

掃描電鏡典型圖片如圖3、圖4所示。

圖3 硬土放大1 000倍圖像Fig.3 Picture of hard soil magnified 1 000 times

圖4 軟土放大1 000倍圖像Fig.4 Picture of soft soil magnified 1 000 times

對(duì)圖像通過(guò)MATLAB進(jìn)行剪裁、灰度處理、對(duì)比度調(diào)整、圖像二值化以及圖像降噪等一系列處理后，求得不同含水率狀態(tài)下的孔隙率和分形維數(shù)如圖5、圖6所示。

圖5 不同含水率硬、軟土的孔隙率比對(duì)曲線(單位：%)Fig.5 Comparison curve of void ratio of hard and softsoil with different moisture contents(unit:%)

圖6 不同含水率硬、軟土分形維數(shù)比對(duì)曲線Fig.6 Comparison curve of fractal dimension of hard andsoft soil with different moisture contents

由圖5可知，硬、軟土的孔隙率與含水率均呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中軟土的變化極差大，為1.662%；而硬土的變化極差較小，為1.02%。由圖6可知，軟土的分形維數(shù)隨著含水率的增大而呈線性增大，而硬土則有下降的趨勢(shì)，但是下降得較為緩慢。綜上所述，可得硬土含水率與軟土含水率相比，軟土含水率更為重要。

③ B4中因素層的比較

同樣利用邢臨高速K33+650～K33+800區(qū)間原狀土，采用靜壓法取樣，將取樣器分別下沉至硬土層(硬土層頂部以下0.5 m處)和軟土層(軟土層頂部以下0.5 m處)取樣。借助動(dòng)三軸試驗(yàn)，模擬了不同頻率下荷載作用次數(shù)與土體累積變形的關(guān)系曲線。試驗(yàn)土樣如圖7所示，不同頻率下硬、軟土累積變形如圖8(a)、(b)所示。由圖8可知，當(dāng)頻率為1 Hz時(shí)，荷載作用50 000次后硬、軟土累積應(yīng)變分別為0.12%和0.2%；頻率為2 Hz時(shí)，荷載作用50 000次后硬、軟土累積應(yīng)變分別為0.10%和0.16%；頻率為3 Hz時(shí)，荷載作用50 000次后硬、軟土累積應(yīng)變分別為0.06%和0.12%。當(dāng)荷載作用次數(shù)為50 000次時(shí)，隨著荷載作用頻率的變化，硬、軟土累積應(yīng)變的變化量分別為0.06%和0.08%之間。顯然，荷載作用次數(shù)與荷載作用頻率相比，荷載作用次數(shù)更為重要。

圖7 動(dòng)三軸試驗(yàn)土樣Fig.7 Soil samples for dynamic triaxial test

圖8 不同頻率硬土和軟土累積變形Fig.8 Cumulative deformation of hard soil and soft soil atdifferent loading frequencies

2.3 求解間接判斷矩陣與因素權(quán)重

表2 準(zhǔn)則層A的間接判斷矩陣及權(quán)重Tab.2 Judgment matrix and weights of criterion layer A

表3 因素層B1的間接判斷矩陣及權(quán)重Tab.3 Judgment matrix and weights of factor layer B1

2.4 工程指導(dǎo)意義

依據(jù)各因素的分類及權(quán)重大小，可以把準(zhǔn)則層B1和B4統(tǒng)一歸結(jié)為交通荷載對(duì)于路基穩(wěn)定性的影響，繼而做出如下判斷：交通荷載的作用次數(shù)權(quán)重最大，車重排在第4位，而行車速度影響很小，故在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)可通過(guò)控制車流量和超載來(lái)延長(zhǎng)路基使用壽命，控制車速對(duì)于保障路基穩(wěn)定性意義不明顯。同理，可以把準(zhǔn)則層B2和B3統(tǒng)一歸結(jié)為地基土對(duì)于路基穩(wěn)定性的影響，繼而做出如下判斷：硬殼層厚度所占權(quán)重位于第2位，而硬殼層硬度權(quán)重僅排第5位，因此，對(duì)于硬殼層厚度不足(小于1.5 m)的斷面，即使土層力學(xué)性質(zhì)很好，也存在較大的失穩(wěn)破壞隱患，在設(shè)計(jì)和施工階段應(yīng)引起足夠重視；軟土含水率的權(quán)重雖然排在第6位，但是其權(quán)重值卻為硬土含水率的3倍，可見下臥軟土層對(duì)于路基穩(wěn)定性的影響不容忽視，對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的路基而言，由于下臥軟土層抗剪強(qiáng)度低、孔壓逐漸累積，極有可能成為控制穩(wěn)定性的關(guān)鍵層。

3 結(jié)論

(1) 在三標(biāo)度法中將不易量化的準(zhǔn)則層采用專家打分法確定排序，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步確定各影響因素的權(quán)重大小，該思路較傳統(tǒng)方法，較大限度地消除人為因素的干擾，計(jì)算結(jié)果具有較高的可信度。

(2) 依據(jù)各影響因素的權(quán)重排序可以對(duì)運(yùn)營(yíng)期高速公路長(zhǎng)期穩(wěn)定性和壽命評(píng)估提供有益借鑒和指導(dǎo)，以便采取相應(yīng)措施有效控制可能存在的隱患。

(3) 經(jīng)驗(yàn)判斷在土木工程中的地位不可忽視，本文方法得出的結(jié)論需結(jié)合具體工程加以修正和改進(jìn)。在試驗(yàn)方法中出現(xiàn)了宏、細(xì)觀兩種維度數(shù)據(jù)的綜合運(yùn)用模式，而傳統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)模型并未提及其適用性，這也是今后需要進(jìn)一步研究的領(lǐng)域。

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Influencing Factors on Dynamic Stability of Two-layered Soil Subgrade with Upper Dry Crust and Underlying Soft Layer

CAO Hai-ying, WU He, WU Ji-xian, LI Yu-nong

(School of Architectural Engineering and Mechanics, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China)

In order to study the technology of multiple influencing factor ordering about the dynamic stability of 2-layered soil subgrade with upper dry crust and underlying soft layer in traffic operation period, the hierarchical structure model is built by virtue of three-mark method combining experimental data and expert scoring on the basis of laboratory model test, dynamic triaxial test and scanning electron microscope test, in which the criterion layer consists of vehicle load parameters, soil layer distribution feature and mechanical parameters, soil physical parameters and cyclic action parameters. The weight order of multiple influencing factors is obtained after the judgment matrix is calculated by MATLAB procedure, the order from large to small are load cycles times, dry crust thickness, load cycles frequency, vehicle weight, dry crust hardness, soft clay moisture content, driving speed and dry crust moisture content, and the soft soil layer is the key one to control the subgrade’s stability among them.

road engineering; influencing factor ordering; three mark method; two-layer subgrade; dynamic stability; laboratory model test

2015-12-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51308486)；河北省博士后擇優(yōu)科研項(xiàng)目(D2014003010)；燕山大學(xué)博士基金項(xiàng)目(B712)

曹?，?1979-)，男，河北文安人，博士后,副教授.(chyysu79@126.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.11.002

U416.1

A

1002-0268(2016)11-0008-06