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        基于正交設(shè)計(jì)的弱膨脹性泥巖相似材料配比試驗(yàn)研究

        2022-11-07 05:28:12胡俊卿李旭慶張立憲王寶成
        河南科技 2022年18期
        關(guān)鍵詞:因素分析

        胡俊卿 李旭慶 張立憲 王寶成

        (1.甘肅建投建設(shè)有限公司,甘肅 蘭州 730050;2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

        0 引言

        正交試驗(yàn)是一種研究多因素、尋求新規(guī)律的探索性試驗(yàn)的科學(xué)試驗(yàn)方法,具有高效、經(jīng)濟(jì)、快速的優(yōu)點(diǎn)。相似理論[1]是揭示相似的物理現(xiàn)象之間存在的固有關(guān)系,說(shuō)明自然界和工程中相似現(xiàn)象的學(xué)說(shuō)。模型試驗(yàn)是以相似理論為基礎(chǔ)的一種模型試驗(yàn)技術(shù)[2],是一種用來(lái)研究巖體介質(zhì)物理力學(xué)特性的試驗(yàn)方法,也是解決復(fù)雜工程課題的重要手段,在巖土工程研究中已得到廣泛應(yīng)用[3-4]。

        膨脹性泥巖是軟巖[5]的一種,其地層在我國(guó)廣泛分布,具有吸水膨脹、失水收縮以及泥化等不良地質(zhì)特性,工程性質(zhì)較差。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于弱膨脹性泥巖相似材料的實(shí)驗(yàn)室研究較少。楊旭等[6]以鐵粉、鋇粉等為原材料模擬出紅層軟巖相似材料;竇遠(yuǎn)明等[7]利用膨潤(rùn)土、重晶石粉等材料模擬出軟弱土質(zhì)相似材料;刁心宏等[8]采用膨潤(rùn)土、松香酒精溶液等材料配制了膨脹巖相似材料。

        這主要有以下3 個(gè)原因:①弱膨脹性泥巖引起的形變較小,在普通鐵路及公路建設(shè)中不受重視;②原樣土多位于干旱地區(qū),采集困難;③實(shí)驗(yàn)室研究困難,要求精度高。然而隨著高速鐵路的發(fā)展,對(duì)路基形變的要求越來(lái)越嚴(yán)格,由弱膨脹性泥巖引起的一系列工程質(zhì)量問(wèn)題便凸顯出來(lái)。

        鑒于以上原因,本試驗(yàn)以膨潤(rùn)土、重晶石粉、石英砂、松香酒精溶液、石膏為試驗(yàn)原材料,選取干密度、干燥飽和吸水率、無(wú)荷膨脹率、膨脹力等物理力學(xué)參數(shù)為判別指標(biāo)。通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行相似材料試驗(yàn),采用極差分析法研究各因素對(duì)試樣物理力學(xué)參數(shù)的影響,并在此基礎(chǔ)上利用SPSS 軟件對(duì)判別指標(biāo)與其主導(dǎo)因素進(jìn)行線性回歸分析,探究?jī)烧咧g的數(shù)學(xué)關(guān)系。

        1 相似材料配比及試驗(yàn)過(guò)程

        1.1 正交設(shè)計(jì)方法

        正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是用于多因素試驗(yàn)的方法,根據(jù)正交性從試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn),這些試驗(yàn)點(diǎn)具備“均勻分散,齊整可比”的特點(diǎn),使得試驗(yàn)過(guò)程具有高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)[9]。試驗(yàn)時(shí),把所要考察的結(jié)果稱為指標(biāo),把對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)可能有影響的因素簡(jiǎn)稱為因素,把每個(gè)因素在試驗(yàn)中要比較的具體大小稱為水平。一次試驗(yàn)的次數(shù)由因素及其水平所確定,并選取合適的正交表來(lái)安排試驗(yàn)。

        1.2 試驗(yàn)材料選取

        選用的試驗(yàn)材料一般應(yīng)符合以下基本原則[10]:材料均勻、各向同性并連續(xù);試驗(yàn)過(guò)程中材料的力學(xué)性能穩(wěn)定,不易受溫度、濕度等外界條件的影響;改變材料配比,可調(diào)整材料的某些性質(zhì)以適應(yīng)相似條件的需要;制作方便,成型容易,凝固時(shí)間短;成本低,來(lái)源豐富。根據(jù)相關(guān)研究[6-8,11],結(jié)合本試驗(yàn)實(shí)際情況,選取鈉基膨潤(rùn)土(主要礦物成分為蒙脫石,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%~90%)為膨脹性材料、重晶石粉(BaSO4)以及石英砂(主要成分是SiO2)為骨料;以松香酒精溶液(體積分?jǐn)?shù)為98%)為膠結(jié)劑;石膏(主要成分為CaSO4)用作緩凝劑進(jìn)行相似材料的制備。

        1.3 試驗(yàn)安排

        正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)于研究關(guān)系復(fù)雜的多因素試驗(yàn)、尋求新規(guī)律的探索性試驗(yàn)、力求縮短試驗(yàn)時(shí)間的試驗(yàn)而言,是一種科學(xué)的試驗(yàn)方法[12]。本次正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法考慮以下4 種因素(質(zhì)量比),每種因素設(shè)定4 個(gè)水平:膨潤(rùn)土摻量(膨潤(rùn)土/總質(zhì)量)、重晶石粉摻量(重晶石粉/總質(zhì)量)、石膏摻量(石膏/總質(zhì)量)、膠結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)。各因素水平如下:膨潤(rùn)土質(zhì)量占5%~20%,水平跨度5%;重晶石粉質(zhì)量占10%~40%,水平跨度10%;膠結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%~60%,水平跨度10%;石膏質(zhì)量占0%~3%,水平跨度1%。即選用四因素四水平的組合,如表1 所示,采用按L16(44)正交表進(jìn)行試驗(yàn),進(jìn)行16組試驗(yàn)即可滿足要求,其中正交試驗(yàn)點(diǎn)的選擇如表2 所示,試驗(yàn)判別指標(biāo)為相似材料的干密度、干燥飽和吸水率、無(wú)荷膨脹率和膨脹力。

        表1 各因素正交水平設(shè)計(jì)

        表2 正交試驗(yàn)點(diǎn)選擇

        1.4 試驗(yàn)過(guò)程

        試驗(yàn)過(guò)程分試樣制作和指標(biāo)測(cè)量?jī)刹糠?,具體過(guò)程如下。

        1.4.1 試樣制作。參考《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)范規(guī)程》(TB 10102—2010)[13],采用擊實(shí)法制備試樣,試樣制作步驟如下。

        ①按照方案稱取原材料,原材料過(guò)0.5 mm篩。

        ②原材料攪拌均勻后,加入膠結(jié)劑充分?jǐn)嚢柚苽錆裢翗印?/p>

        ③將制備好的濕土樣加入涂有凡士林的環(huán)刀中利用擊樣器擊實(shí),環(huán)刀尺寸為Φ61.8 mm×20 mm;擊樣器落錘底面尺寸為Φ38 mm,質(zhì)量為487 g,下落高度為250 mm。其中用于吸水特性試驗(yàn)的試樣需要利用推土器從環(huán)刀中取出,以消除套箍效應(yīng)對(duì)試樣吸水能力的影響。

        ④將制備好的試樣在80 ℃恒溫烘干箱內(nèi)靜置1 d后進(jìn)行指標(biāo)測(cè)量。

        1.4.2 指標(biāo)測(cè)量。具體步驟如下。

        ①稱量烘干后的試樣質(zhì)量,記錄并計(jì)算得出干密度。

        ②將用于測(cè)量無(wú)荷膨脹率及膨脹力的試樣分別放置于WZ-2 土壤膨脹儀、三聯(lián)高壓固結(jié)儀中;將用于測(cè)量干燥飽和吸水率的試樣放置于盛有水的燒杯中,試樣下墊設(shè)透水石及濾紙,燒杯液面與試樣下表面齊平。

        ③向土壤膨脹儀及固結(jié)儀中加水,調(diào)整千分表讀取初始數(shù)據(jù)并記錄。

        ④觀察土壤膨脹儀與固結(jié)儀的千分表讀數(shù),前4 h 每30 min 記錄一次,此后每1 h 記錄一次,直至千分表2 h 內(nèi)變化不超過(guò)0.01 mm 時(shí)為止;觀察用于測(cè)量干燥飽和吸水率試驗(yàn)的試樣,在試樣崩解時(shí)停止試驗(yàn),稱量試樣質(zhì)量。

        試驗(yàn)中16 種材料配比即為16 組試驗(yàn),每組試驗(yàn)3 個(gè)試樣,每個(gè)試樣另需要3 個(gè)平行試樣,即一組試驗(yàn)需要12 個(gè)試樣,共制作192 個(gè)環(huán)刀試樣(見圖1)。

        圖1 環(huán)刀試樣

        2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

        2.1 試驗(yàn)結(jié)果

        按照正交設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了16 組試驗(yàn),對(duì)每組試樣及其平行試樣進(jìn)行測(cè)量,取其平均值作為參考,試驗(yàn)結(jié)果見表3。

        表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

        2.2 敏感性分析

        敏感性分析[14]是通過(guò)對(duì)指標(biāo)與影響因素構(gòu)建假設(shè)模型,研究和預(yù)測(cè)因素變動(dòng)對(duì)指標(biāo)的影響。其核心目的是通過(guò)對(duì)模型因素進(jìn)行分析,得到各因素敏感性大小,通過(guò)篩選敏感性較小的因素,重點(diǎn)考慮敏感性較大的因素,可以大幅度降低問(wèn)題的復(fù)雜度。根據(jù)正交試驗(yàn)理論,使用極差分析法(又稱為R法)對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行敏感性分析。

        極差分析法的主要步驟是計(jì)算和判斷,該方法的計(jì)算流程見圖2。

        圖2 R法流程圖

        在圖2 中,yjk表示第j因素k水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo),yˉjk為yjk的平均值,根據(jù)yˉjk的大小可以判斷j因素的優(yōu)水平,不同因素優(yōu)水平的組合即為最優(yōu)組合;Rj為j因素的極差,極差的計(jì)算公式如式(1)。

        即將各個(gè)因素相同水平結(jié)果平均,由平均水平中的最大值減去最小值求得極差。極差值大,說(shuō)明此因素不同水平導(dǎo)致的試驗(yàn)結(jié)果差異較大,是主導(dǎo)因素,對(duì)試驗(yàn)判別指標(biāo)影響明顯,反之亦然。

        下面通過(guò)極差分析法對(duì)各因素影響材料性質(zhì)的敏感性進(jìn)行分析[15-16],極差分析結(jié)果見表4。根據(jù)極差分析表可以得出各判別指標(biāo)的主導(dǎo)因素,為了更加直觀地反映其規(guī)律性,繪制膨潤(rùn)土摻量、重晶石粉摻量、膠結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和石膏摻量4 個(gè)因素的不同水平對(duì)目標(biāo)物理力學(xué)參數(shù)的敏感性走勢(shì)折線圖,如圖3(a)至圖3(d)所示。下文中以字母A~D 分別代表試驗(yàn)因素膨潤(rùn)土摻量、重晶石粉摻量、膠結(jié)劑濃度和石膏摻量,以數(shù)字1~4 來(lái)表示各因素的4種水平。

        表4 極差分析表

        圖3 目標(biāo)物理力學(xué)參數(shù)的敏感性走勢(shì)折線圖

        由表4 可知,各因素對(duì)試樣干密度的敏感性大小為B?D?A?C,其中重晶石粉摻量的極差最大,敏感性最大,故為干密度的主導(dǎo)因素,由趨勢(shì)折線圖3(a)可以更直觀地看出,干密度與重晶石粉摻量之間呈現(xiàn)出正相關(guān)趨勢(shì)。對(duì)于干燥飽和吸水率而言,各因素對(duì)試樣干燥飽和吸水率的敏感性大小為A?C?B?D,故敏感性最大的因素是膨潤(rùn)土摻量,同時(shí)由趨勢(shì)折線圖3(b)可以看出,兩者之間呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì),其他因素對(duì)干燥飽和吸水率也具有較大的敏感性,但并未表現(xiàn)出線性相關(guān)關(guān)系。對(duì)無(wú)荷膨脹率敏感性最大的因素為膨潤(rùn)土摻量,通過(guò)對(duì)趨勢(shì)折線圖3(c)分析,二者存在明顯的正相關(guān)關(guān)系,其他因素對(duì)該指標(biāo)的極差值較小,敏感性也較小。對(duì)膨脹力的主導(dǎo)因素為膨潤(rùn)土摻量,由趨勢(shì)折線圖3(d)分析得出,兩者表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系,同時(shí)發(fā)現(xiàn)膠結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)該指標(biāo)也具有較大影響,表現(xiàn)出近似正相關(guān)關(guān)系。以上結(jié)果表明:可以通過(guò)調(diào)節(jié)重晶石粉的摻量控制試樣干密度;通過(guò)調(diào)節(jié)膨潤(rùn)土的摻量控制試樣干燥飽和吸水率、無(wú)荷膨脹率和膨脹力。

        2.3 基于SPSS的一元線性回歸分析

        線性回歸分析研究的是因素與變量之間的關(guān)系,它可以判斷出兩者的相關(guān)性大小,并擬合得出兩者之間的數(shù)學(xué)方程。本試驗(yàn)應(yīng)用SPSS 軟件采用一元線性回歸分析方法,將試驗(yàn)判別指標(biāo)作為因變量,其各自對(duì)應(yīng)的主導(dǎo)因素作為自變量,對(duì)上述敏感性分析結(jié)果進(jìn)一步分析,旨在擬合出判別指標(biāo)與其主導(dǎo)因素間的線性回歸方程。

        對(duì)得到的相似材料正交試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(EXCEL 格式文件),導(dǎo)入到SPSS軟件中,依次點(diǎn)擊“分析”“回歸”“線性”選項(xiàng),將所有判別指標(biāo)導(dǎo)入到“因變量”中,其對(duì)應(yīng)的主導(dǎo)因素導(dǎo)入到“自變量”中進(jìn)行線性回歸分析。模型摘要見表5。

        表5 模型摘要

        表5 中模型的R主要用于測(cè)定線性回歸的擬合度,R取值范圍為0<|R|≤1。R越大,因變量與自變量間的線性關(guān)系越顯著,當(dāng)R的值接近1 為最佳[17]。具體判別標(biāo)準(zhǔn)如下:|R|≥0.7 時(shí),為高度線性相關(guān);0.3<|R|<0.7,為中度線性相關(guān);|R|≤0.3,為低度線性相關(guān)。由表5 可知,各判別指標(biāo)與其主導(dǎo)因素之間的線性相關(guān)系數(shù)最低為0.925,最高為0.983,判定指標(biāo)與主導(dǎo)因素之間具有高度相關(guān)的線性相關(guān)關(guān)系。

        由表5 可知,表中所有模型方差檢驗(yàn)中的F值對(duì)應(yīng)的概率P均小于顯著性水平0.05,說(shuō)明在95%的置信水平下,自變量與因變量之間存在顯著的線性關(guān)系,從而驗(yàn)證了本試驗(yàn)所得一元線性回歸方程的有效性,所得一元線性回歸方程見表6。為了更直觀地看出各試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線之間的擬合程度及線性關(guān)系,以x表示主導(dǎo)因素,y表示判別指標(biāo)做出線性回歸曲線。線性回歸曲線見圖4至圖7。

        圖7 膨脹力回歸分析

        表6 線性回歸分析表

        圖4 干密度回歸分析

        3 結(jié)論

        本研究基于正交試驗(yàn)理論,結(jié)合SPSS 一元線性回歸分析,采用膨潤(rùn)土、重晶石粉、石英砂、石膏和松香酒精溶液來(lái)研制弱膨脹性泥巖,通過(guò)試驗(yàn)研究,得出以下結(jié)論。

        圖5 干燥飽和吸水率回歸分析

        圖6 無(wú)荷膨脹率回歸分析

        ①采用極差分析法分析各因素對(duì)相似材料目標(biāo)參數(shù)的敏感性,并結(jié)合繪制的各因素不同水平對(duì)目標(biāo)參數(shù)的影響趨勢(shì)折線圖分析了各因素對(duì)目標(biāo)參數(shù)影響的規(guī)律,發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土摻量對(duì)干燥飽和吸水率、無(wú)荷膨脹率、膨脹力起主導(dǎo)作用;重晶石粉摻量對(duì)干密度起主導(dǎo)作用;干燥飽和吸水率、無(wú)荷膨脹率、膨脹力與膨潤(rùn)土摻量之間呈線性正相關(guān)趨勢(shì),干密度與重晶石粉摻量之間呈線性正相關(guān)趨勢(shì)。

        ②應(yīng)用SPSS 軟件對(duì)判別指標(biāo)與其主導(dǎo)因素進(jìn)行線性回歸分析,擬合出了兩者間的線性回歸曲線并得到了回歸方程,計(jì)算出其相關(guān)系數(shù)最低為0.925,最高為0.983,判斷其相關(guān)關(guān)系為高度相關(guān)。

        ③本研究為解決弱膨脹性泥巖采集困難的問(wèn)題提供了理論依據(jù)與實(shí)踐操作方法,有利于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立弱膨脹性泥巖相似材料模型。

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