土石混填料路基沉降影响因素敏感性分析

收稿日期:2009-11-11作者简介:余 翔(1976-),男,工程师.文章编号:1674-0076(2009)06-0067-04土石混填料路基沉降影响因素敏感性分析余 翔1,刘婉珠2(1.江西省交通设计院,江西南昌330002;2.陕西高速集团西潼改扩建项目管理处,陕西西安710054)摘 要:采用灰色关联分析方法,建立影响土石混填料路基沉降因素敏感性的灰色关联模型,采用均值法对灰色关联数据序列进行归一化处理,计算敏感因子与路基最终沉降量之间的灰关联系数和灰色关联度,确定路基沉降的敏感因素.结合西潼改扩建高速公路土石混填料路基6个试验段的工程实例,对路基高度、路基压缩系数、土石混填料风化系数、土石混填料的不均匀系数等影响因素进行了敏感性分析.结果表明,路基压缩系数和竣工时沉降量是主要敏感性因素.在施工中,严格控制路堤填料的压实度、减少竣工时沉降量是控制土石混填料路基工后沉降的关键.关键词:土石混填料;路基沉降;灰色关联分析;敏感性因素中图分类号:U414 文献标识码:AInfluencing factors of earth rock mixture on foundation settlementYU Xiang 1,LI U Wan zhu 2(munication Design Institute of Jiangxi Province,Nanchang 330002,China;2.Shanxi Expressway Group,Xi an 710054,China)Abstract:Grey Correlation Method is employed to analyze the sensitivity of the factors influencing the settle ment of foundation with earth rock mixture.The grey c orrelation model of earth rock mixture foundation settle ment is set up,and the grey c orrelated data series elements are transformed to unitary parameters by avera ge method.This method has been applied to an earth rock mixture roadbed project in Xi an Tongguan Express way.Such influencing fac tors as roadbed height,roadbed coefficient of c ompressibility,Earth rock mixture uni formity coefficient,and Earth rock mixture weathering coefficient are c onsidered.The result shows that roadbed coefficient of compressibility and finishing sedimentation are the principal susceptive factors influencing the subgrade settle ment.Therefore,controlling the fills density strictly and decreasing the settlement in the con struction are critical measures to control post c onstruction settlement.Key words:earth rock mixture;foundation settlement;grey correlation analysis;sensitivity factor0 引 言土石混填料是山区修筑公路时隧道开挖或山体爆破产生的强度低、易风化的岩石填料[1].土石混填料公路路基沉降可分为施工期沉降和工后沉降,其中施工期沉降可采用超填等方法进行补救,对公路的使用性能影响不大.而一旦路面铺筑完成后,工后沉降较大时,特别是工后不均匀沉降较大,就可能导致路面开裂破坏,影响正常的交通运营,且修复也较困难.在土石混填料路基工程中,影响土石混填料路基工后沉降的因素较多,主要有路基高度、路基压缩系数、土石混填料风化系数、土石混填料的不均匀系数、路堤高度、竣工后沉降量等.在一定的路基工程地质条件下,这些因素对土石混填料路基工后沉降影响程度各不相同.灰色关联度分析具有计算简单,对数据要求不苛刻的特点.由于土石混填料的工程性质复杂,影响工程第28卷第6期2009年12月南昌工程学院学报Journal of Nanchang Insti tute of T echnology Vol.28No.6Dec.2009施工的因素较多,工程参数不易准确测定,任何一个模型的提出都是建立在许多假设的基础上,理论计算结果和实测结果往往会有一些差异[3].因此,结合国道主干线陕西省西安至汉中高速公路的土石混填料路基,运用灰色关联度分析法,就其沉降的各项影响因素的敏感性问题进行分析,从而探讨土石混填料路堤沉降的一些规律.采用灰色关联度对土石混填料路基沉降的影响因素进行分析比较,计算不同影响因素不同数值时的关联度,分析诸多影响因素对路基沉降量的影响程度,从而为工程施工提供设计参考.1 土石混填料路基沉降敏感性的灰色关联度模型的建立1.1 影响因素的归一化处理由于土石混填料路基沉降各个影响因素的计量单位不同,量纲也不同,因此在进行灰色关联度分析时,一般都要进行无量纲化的数据处理[4].原始数列无量纲化的方法,有初值化、均值化、中值化、公值化、区间相对值化等,本文采用均值法进行归一化处理.关联分析首先要确定参考序列(即数列).所谓参考序列就是作比较的 母序列!也就是土石混填料路基最终沉降量,常记为X 0.其他影响因素的序列依次记为X 1、X 2、∀、X n ,X 0(k )=X 0(1),X 0(2),X 0(3),∀,X 0(m)(k =1,2,∀,m ).均值化处理,是指同一数列的所有数据,均除以该数列的平均值,得到一个新的数列.这个新的数列是各个情况的数值相对于该数列平均值的倍数的数列:X 0=X 0(1)+X 0(2)+∀+X 0(i)m,(1){X 0(k )}=X 0(1)X 0,X 0(2)X 0,∀,X 0(m )X 0.(2)1.2 影响因素间关联系数的确定一般情况下的关联分析是对于土石混填料路基最终沉降量X 0,有若干个比较序列X 1、X 2、∀,X n .各比较序列与参考序列在各个情况的差,可表示为0i (k)=min i min k X 0(k)-X i (k )+P max i max k X 0(k)-X i (k )X 0(k )-X i (k)+P max i ma x k X 0(K )-X i (k ),(3)式中 0i (k)是第k 个情况下比较序列X i 与参考序列X 0的相对差值.这种形式的相对差值,就称为X i 对X 0在k 情况时的关联系数;X 0(k)-X i (k )为参考序列X 0与各比较序列X i 在第k 种情况的绝对差值,记为0i (k);min kX 0(k )-X i (k )为第一级的最小差,即在参考序列X 0与第i 个比较序列的绝对差值中选出一个最小的差值,记为 0i (min k );min i min kX 0(k )-X i (k )为第二级的最小差;即在参考序列X 0与所有比较序列X i 的最小绝对差值中再选出一个最小的差值,记为 min ;同理:ma x k X 0(k )-X i (k )为第一级的最大差,记为 0i (max k )max i max kX 0(k )-X i (k)为第二级的最大差,记为 max ;P 为分辨系数,是为了削弱最大绝对差值因为过大而失真的影响,以提高关联系数之间的差异显著性,是人为给定的系数,在一般情况下可取0.1~1.0.因此,式(3)可以简化为0i (k )= mi n +P max 0i (k )+P ma x .(4)1.3 土石混填料路基沉降敏感性因素的关联度计算由于关联系数是比较曲线与参考曲线在第k 个情况的相对差值,因此它的数值不止一个,信息过于分散,不便于从整体上进行比较.所以,就有必要将各个时刻的关联系数集中为一个值,也就是求其平均值,作为关联程度的数量表示.关联度记为r 0i ,其表达式为r 0i =1N #n k=1 0(k ),(5)68南昌工程学院学报2009年式中r 0为比较曲线X i 对参考曲线X 0的关联度,N 为比较序列的数据数.当比较序列有n 个时,相对的关联度也有n 个,按其值大小排列起来,即为关联序[5].关联度直接反映土石混填料路基沉降各影响因素对于最终沉降的优劣关系,并且通过关联度的比较可以直观的看出各影响因素对最终沉降量的影响程度.2 基于灰色关联度模型的土石混填料路基沉降敏感性因素分析西潼改扩建高速公路部分路段路基填料采用土石混合料,沿线土石混填料成因复杂,其强度特性、变形特性以及风化程度变异大[6].以西潼改扩建公路K39+450~K39+550试验段、K25+300~K25+450试验段、K54+850~K55+900试验段的6个土石混填料路基段进行预测计算(见表1).表1 土石混填料路基沉降实例及其最终沉降路基高度/m 路基压缩系数/MPa -1风化系数颗粒不均匀系数路堤高宽比施工工期/月竣工时沉降量/mm 最终沉降量/mm 4.30.0890.88 6.60.165 5.52530.04.20.0760.758.50.162 6.02737.38.50.0630.8623.40.32718.01822.25.50.0760.4533.20.21212.82035.478.20.0540.2325.40.31514.510.620.166.40.0680.5819.40.2467.01525.02.1 关联度计算1)数列无量纲化由表1分析可得参考序列:最终沉降量X 0=(30.0,37.3,22.2,35.47,20.16,25.0);路基高度X 1=(4.3,4.2,8.5,5.5,8.2,6.4);路基压缩系数X 2=(0.089,0.076,0.063,0.076,0.054,0.068);风化系数X 3=(0.88,0.75,0.86,0.45,0.23,0.58);颗粒不均匀系数X 4=(6.6,8.5,23.4,33.2,25.4,19.4);路堤高宽比X 5=(0.165,0.162,0.327,0.212,0.315,0.246);施工工期X 6=(5.5,6.0,18.0,12.8,14.5,7.0);竣工时沉降量X 7=(25,27,18,20,10.6,15).建立8个比较序列,根据式(2)、(3),可得各因素均一化序列:{X 0}={1.1,1.3,0.8,1.2,0.7,0.9}; {X 1}={0.7,0.7,1.4,0.9,1.3,1.0};{X 2}={1.3,1.1,0.9,1.1,0.8,1.0}; {X 3}={1.4,1.2,1.4,0.7,0.4,0.9};{X 4}={0.3,0.4,1.2,1.7,1.3,1.0}; {X 5}={0.7,0.7,1.4,0.9,1.3,1.0};{X 6}={0.5,0.6,1.7,1.2,1.4,0.7}; {X 7}={1.3,1.4,0.9,1.0,0.6,0.8}.2)土石混填料路基沉降敏感性因素分析(1)求差序列比较序列与参考序列的绝对差序列:{ 01(k )}={0.4,0.6,0.6,0.3,0.6,0.1}; { 02(k )}={0.2,0.2,0.1,0.1,0.1,0.1};{ 03(k )}={0.3,0.1,0.6,0.5,0.3,0.0}; { 04(k )}={0.8,0.9,0.4,0.5,0.6,0.1};{ 05(k )}={0.4,0.6,0.6,0.3,0.6,0.1}; { 06(k )}={0.6,0.7,0.9,0,0.7,0.2};{ 07(k)}={0.2,0.1,0.1,0.2,0.1,0.1}.第一级最小差: 01(min k )=min k X 0(k )-X 1(k )=min k{0.4,0.6,0.6,0.3,0.6,0.1}=0.1.同理: 02(min k )=0.1, 03(min k )=0, 04(min k )=0.1, 05(min k )=0.1, 06(min k )=0, 07(min k)=0.1.第一级最大差: 01(max k )=0.6, 02(max k )=0.2, 03(max k )=0.6, 04(ma x k )=0.9, 05(max k)=0.6, 06(max k )=0.9, 07(max k)=0.2.69第6期余 翔,等:土石混填料路基沉降影响因素敏感性分析70南昌工程学院学报2009年第二级最小、最大差: min=0, ma x=0.9.(2)关联系数这里P取0.5,由公式(4)可得关联系数:01(k)=0.8,0.4,0.4,0.6,0.4,0.8; 02(k)=0.7,0 7,0 8,0 8,0 8,0.8;03(k)=0.6,0.8,0.4,0.5,0.6,1.0; 04(k)=0.4,0.3,0.5,0.5,0.4,0.8;05(k)=0 5,0 4,0 4,0 6,0 4,0 8; 06(k)=0.4,0.4,0.3,1.0,0.4,0.7;07(k)=0.7,0.8,0.8,0.7,0.8,0.8.(3)敏感度分析根据公式(5)可以得出关联度:r01=0.57,r02=0.77,r03=0.65,r04=0.48,r05=0.52,r06=0.53,r07= 0 77,即:r02=r07>r03>r01>r06>r05>r04.因此,对于土石混填料路基最终沉降量的诸多影响因素中,路基压缩系数和竣工时沉降量对其影响最大,土石混填料的风化系数、路基高度、路堤高宽比和施工工期对最终沉降量影响较大,土石混填料的颗粒不均匀系数影响较小.3 结束语灰色关联度将复杂的路基沉降系统视为一灰色系统,利用基于多指标的路基沉降系统的关联度分析法,分析出各因素对路基沉降的影响程度.灰色关联度计算步骤较少,简单易算,结果直观.通过以上计算结果可以看出,为了减小土石混填料路基的最终沉降量应降低路基压缩系数和竣工时沉降量,应选择风化系数较小的土石混填料做为路基填料.参考文献:[1]叶万军,王东耀.土石混填料作为路基填料的可行性室内试验研究[J].公路,2007(8):180-183.[2]吴瑞麟,余海洋,石立万.拓宽路堤不均匀沉降敏感性因素仿真分析[J].华中科技大学学报:城市科学版,2007,24(4):13-16.[3]邓聚龙.灰理论基础[M].武汉:华中理工大学出版社,2002.[4]刘海松,范 敏,倪万魁等.灰色关联度法在公路地质灾害危险性评价中的应用[J].水文地质工程地质,2005(3):32-34.[5]陈志波,简文彬.边坡稳定性影响因素敏感性灰色关联分析[J].防灾减灾工程学报,2006,26(4):474-477.(上接第55页)4 结束语建立在非线性有限元理论基础上的强度储备安全系数法,通过借助ANSYS在计算机上的模拟迭代程序可以很快求出相应的安全系数,算例表明计算值与理论值基本吻合,误差在允许范围之内,同时将该方法用于拱坝坝肩稳定实例分析,能很好地模拟求解坝肩及岩体的抗滑稳定安全系数.参考文献:[1]何蕴龙,肖 伟.桑郎拱坝整体稳定安全度分析[J].武汉大学学报:工学版,2007,40(4):23-26.[2]沈聚敏,王传志,江见鲸.钢筋混凝土有限元与板壳极限分析[M].北京:清华大学出版社,1993.[3]江见鲸.钢筋混凝土结构非线性有限元分析[M].西安:陕西科学技术出版社,2002.[4]龚曙光,谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程[M].北京:机械工业出版社,2004.[5]郝文化.ANSYS在土木工程中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2005.[6]孙林松,王德信,谢能刚.接触问题有限元分析方法综述[J].水利水电科技进展,2001(3):21-23.[7]沈 可,张仲卿.三维抗滑稳定分析中的点安全系数法[J].人民珠江,2003(2):21-22.[8]张建海,何江达,范景伟.小湾高拱坝三维有限元弹塑性分析[J].云南水力发电,2000,16(1):61-64.[9]章杭惠.混凝土拱坝病险及加固仿真[D].南京:河海大学,2003.。