CN104715108A - 石灰处理软土路基最佳方案的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及交通、道路，为提供一种基于响应面优化法的确定石灰处理软土路基最佳方案的新方法，本发明采取的技术方案是，石灰处理软土路基最佳方案的确定方法，包括如下步骤：一、确定各结构层参数材料参数指标主要有：原状软土路基回弹模量E₀、石灰土层回弹模量E₁、石灰土层处理深度h_x、路面各结构层参数；二、计算路基顶压应变和道路使用寿命步骤1：计算路基顶压应变步骤2：计算道路使用寿命步骤3：计算路基不同处理方案下的工程费用三、通过响应面优化软件确定最佳处理方案本发明主要应用于交通、道路建设施工。

Description

石灰处理软土路基最佳方案的确定方法

技术领域

本发明涉及交通、道路，具体来说是涉及石灰处理软土路基最佳方案的确定方法。

技术背景

软土中多含有大量腐殖质，土基承载力极低，土基回弹模量往往难以达到规定的要求，会对路面结构的承载能力和整体稳定性带来不良影响。利用石灰处理软土路基以提高土基回弹模量是工程中经常采用的技术措施，同时也取得了不错的效果。

但是，由于石灰掺量、压实度、石灰处理路基深度等因素对土基回弹模量都有很大影响，到目前为止，还没有关于确定石灰处理软土路基最佳方案的研究，造成在实际工程中石灰处理软土路基方案盲目性和随意性很大。为此，有必要从众多处理方案中选择出最佳的处理方案，本专利从经济和技术两方面综合考虑，应用响应面优化法从技术经济两方面进行综合比选。

发明内容

为了克服现有技术的不足，提供一种基于响应面优化法的确定石灰处理软土路基最佳方案的新方法，为此，本发明采取的技术方案是，石灰处理软土路基最佳方案的确定方法，包括如下步骤：

一、确定各结构层参数

材料参数指标主要有：原状软土路基回弹模量E₀、石灰土层回弹模量E₁、石灰土层处理深度h_x、路面各结构层参数；

材料参数指标的采集方法：原状软土路基的回弹模量通过贝克曼梁法或承载板法测量；石灰土层回弹模量通过顶面法或承载板法测量；石灰土层处理深度和路面各结构层参数为设计值；

二、计算路基顶压应变和道路使用寿命

步骤1：计算路基顶压应变

将路面各结构层及石灰土处理深度的设计值及通过试验获得的软土路基及石灰土回弹模量值等参数输入Kenpave路面计算程序，在计算结果中提取出路基顶压应变计算结果；

步骤2：计算道路使用寿命

步骤3：计算路基不同处理方案下的工程费用

除去各方案共有的部分，需要计算路基工程费用的施工过程及计算公式为：

(1)挖掘机开挖设计处理深度软土的费用：

U₁＝a×x×y×z  (1)

式中：a—挖掘机基价(元)；

x—路基宽度(m)；

y—路基长度(m)；

z—石灰土处理厚度(m)。

(2)自卸车将土方运至指定料场的费用：

U₂＝b×x×y×z  (2)

式中：b—15t自卸车基价(元)；

(3)在料场将土方与石灰拌合均匀并运回至施工现场摊铺的费用：

$U_3=\frac{c\×x\×y\×z}{0.2}---\left(3\right)$

式中：c—石灰+拌合+运回(20cm)基价(元)；

(4)压路机碾压至设计压实度的费用：

U₄＝d×x×y×m×n  (4)

式中：d—20t压路机基价(元)；

(5)路基施工总费用：

U＝U₁+U₂+U₃+U₄  (5)

由以上各公式计算出每种施工方案的工程费用；

三、通过响应面优化软件确定最佳处理方案。

道路使用寿命用累计荷载作用次数来表征，其值通过美国AI设计法的永久变形准则计算，计算公式如下：

N_d＝1.365×10^-9(ε_z)^-4.477  (6)

式中：N_d—累计荷载作用次数，即使用寿命；

ε_z—路基顶压应变；

对于施工中用到的机械，根据各地区租赁市场的行情来具体确定；压路机碾压遍数与压实度的关系，通过土方路基试验段进行确定。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

本发明提先计算出不同处理方案的工程费用和道路使用寿命，再对这两个指标应用响应面法对处理方案进行优化比选。因而本发明不失为一种科学、快速、行之有效的专业化测量评方法。

附图说明

图1石灰含量、压实度与使用寿命的响应面图。

图2石灰含量、压实度与费用的响应面图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于响应面优化法的确定石灰处理软土路基最佳方案的新方法。

本专利发明了一种石灰处理软土路基顶面当量回弹模量换算新方法。技术方案是：为了使路基顶面当量回弹模量值达到规范的要求值，石灰土层的处理方案有多种可选，比如不同的石灰含量、不同的压实度、不同的处理深度等。这些因素的不同就会造成路基处理的工程费用和道路的使用寿命不同，因此，可以先计算出不同处理方案的工程费用和道路使用寿命，再对这两个指标应用响应面法对处理方案进行优化比选。主要包含以下步骤：

一、确定各结构层参数

该换算方法所需要的材料参数指标主要有：原状软土路基回弹模量E₀、石灰土层回弹模量E₁、石灰土层处理深度h_x、路面各结构层参数。

材料参数指标的采集方法：原状软土路基的回弹模量通过贝克曼梁法或承载板法测量；石灰土层回弹模量可以通过顶面法或承载板法测量；石灰土层处理深度和路面各结构层参数为设计值。本发明原则上推荐上述方法，但不排除采用其它科学、快速、行之有效的专业化测量方法。

二、计算路基顶压应变和道路使用寿命

步骤1：计算路基顶压应变

将路面各结构层及石灰土处理深度的设计值及通过试验获得的软土路基及石灰土回弹模量值等参数输入Kenpave路面计算程序，在计算结果中提取出路基顶压应变计算结果。

步骤二：计算道路使用寿命

道路使用寿命用累计荷载作用次数来表征，其值通过美国AI设计法的永久变形准则计算，计算公式如下：

N_d＝1.365×10^-9(ε_z)^-4.477  (7)

式中：N_d—累计荷载作用次数，即使用寿命；

ε_z—路基顶压应变。

步骤三：计算路基不同处理方案下的工程费用

除去各方案共有的部分，需要计算路基工程费用的施工过程及计算公式为：

(1)挖掘机开挖设计处理深度软土的费用：

U₁＝a×x×y×z  (8)

式中：a—挖掘机基价(元)；

x—路基宽度(m)；

y—路基长度(m)；

z—石灰土处理厚度(m)。

(2)自卸车将土方运至指定料场的费用：

U₂＝b×x×y×z  (9)

式中：b—15t自卸车基价(元)；

x—路基宽度(m)；

y—路基长度(m)；

z—石灰土处理厚度(m)。

(3)在料场将土方与石灰拌合均匀并运回至施工现场摊铺(20cm)的费用：

$U_3=\frac{c\×x\×y\×z}{0.2}---\left(10\right)$

式中：c—石灰+拌合+运回(20cm)基价(元)；

x—路基宽度(m)；

y—路基长度(m)；

z—石灰土处理厚度(m)。

(4)压路机碾压至设计压实度的费用：

U₄＝d×x×y×m×n  (11)

式中：d—20t压路机基价(元)；

x—路基宽度(m)；

y—路基长度(m)；

m—压路机碾压至设计压实度的遍数；

n—石灰土分层碾压层数。

(5)路基施工总费用：

U＝U₁+U₂+U₃+U₄  (12)

由以上各公式计算出每种施工方案的工程费用。

对于施工中用到的机械，可以根据各地区租赁市场的行情来具体确定。压路机碾压遍数与压实度的关系，可以通过土方路基试验段进行确定。

三、通过响应面优化软件确定最佳处理方案

在有关响应面实验优化的研究中，Design-Expert是使用最广泛的软件，因此，本法，发明选择Design-Expert 8.0来进行最佳石灰处理方案比选。

计算实例

一、确定各结构层参数

现有某快速路，其软土路基的天然含水量为30％，道路总长为1000m，路基宽30m，施工现场距料场1000m。软土经石灰处理的方案以及通过室内外试验测得的其回弹模量值见下表。

表1石灰处理软土路基方案及其回弹模量值

方案序号	石灰含量/％	压实度/％	回弹模量/MPa
					0	—	11.2
1	8	96	31.8
				2	8	98	33.0
3	10	96	38.6
				4	10	98	40.1
5	12	96	59.4
				6	12	98	65.1

《城市道路路基设计规范》对快速路路基回弹模量值的要求为不小于30MPa，通过当量回弹模量计算公式可以得到各方案的石灰处理厚度，见下表。

表2各方案石灰处理厚度

方案序号	1	2	3	4	5	6
							厚度/m	1.12	1.05	0.83	0.78	0.42	0.37

对于快速路路面结构，选择下表所示路面结构。

表3快速路路面结构参数

二、计算路基顶压应变和道路使用寿命

步骤一：计算路基顶压应变

应用Kenpave路面计算程序，将各参数输入其中，分别计算出不同方案下的路基顶压应变，见表4。

表4各方案下路基顶压应变

步骤二：计算道路使用寿命

道路使用寿命用累计荷载作用次数来表征，其值通过美国AI设计法的永久变形准则计算，计算公式如下：

N_d＝1.365×10^-9(ε_z)^-4.477  (13)

式中：N_d—累计荷载作用次数，即使用寿命；

ε_z—路基顶压应变。

计算结果如下：

表5各方案下路基顶压应变

步骤三：计算路基不同处理方案下的工程费用

调研该地区的租赁市场行情，选用下表所示的施工机械费用定额。

表6施工机械费用定额

对于压路机碾压遍数与压实度的关系，选择如下表7所示的对应关系。

表7碾压遍数与压实度关系

由此计算出来的各方案施工费用见下表8。

表8各方案路基施工费用

三、通过响应面优化软件确定最佳处理方案

根据Central Composite实验设计原理，应用Design-Expert8.0统计分析软件对石灰含量和压实度进行响应面实验设计。首先输入试验方案，如表9。

表9响应面试验方案

序号	石灰含量T/％	压实度K/％	使用寿命	费用U/万元
					1	8	96	2.42E+09	962.0
2	8	98	2.44E+09	902.1
					3	10	96	2.52E+09	750.2
4	10	98	2.54E+09	705.3
					5	12	96	2.63E+09	385.9
6	12	98	2.65E+09	340.1

对表9中使用寿命、费用及石灰含量和压实度两个因素的数值，应该Design-Expert8.0软件进行多元回归分析，得到使用寿命的回归方程和工程费用的回归方程及方差分析表。

N＝1.104×10⁹+5.207×10⁷×T+9.369×10⁶×K  (14)

表10使用寿命回归方程的方差分析

来源	平方和	自由度	均方差	F	P＞F
						模型	4.390×1016	2	2.195×1016	906.85	＜0.0001
T	4.338×1016	1	4.338×1016	1791.88	＜0.0001

K	5.266×1014	1	5.266×1014	21.75	0.0186
						残差	7.262×1013	3	2.421×1013
总离差	4.398×1016	5

注：R²＝0.9983，R² _adj＝0.9972，CV＝0.19％。

由表10可知，使用寿命回归方程中，F回归＝906.85＞F_0.99(2，3)＝30.8，大于F值的概率P＜0.0001，说明此回归模型预测效果良好；模型的复相关系数R²＝0.9983，说明此模型与实际使用拟合良好；方程的矫正决定系数R² _adj＝0.9972，说明该方程能解释99.72％的响应值变化，仅有总变异的0.028％不能用此模型解释；CV(使用寿命的变异系数)表示实验的精确度，CV值越高，实验的可靠性越低，本试验的CV值0.19％很低，说明实验操作可信。

U＝4.532×10⁷-1.423×10⁶×T-2.511×10⁵×K  (15)

表11工程费用回归方程的方差分析

来源	平方和	自由度	均方差	F	P＞F
						模型	3.276×1013	2	1.638×1013	56.82	0.0041
T	3.238×1013	1	3.238×1013	112.32	0.0018
						K	3.782×1011	1	3.782×1011	1.31	0.3352
残差	8.648×1011	3	2.883×1011
						总离差	3.362×1013	5

注：R²＝0.9743，R² _adj＝0.9571，CV＝7.96％。

由表11可知，使用寿命回归方程中，F回归＝56.82＞F_0.99(2，3)＝30.8，大于F值的概率P＝0.0041，说明此回归模型预测效果良好；模型的复相关系数R²＝0.9743，说明此模型与实际使用拟合良好；方程的矫正决定系数R² _adj＝0.9571，说明该方程能解释95.71％的响应值变化，仅有总变异的4.29％不能用此模型解释；CV(使用寿命的变异系数)表示实验的精确度，CV值越高，实验的可靠性越低，本试验的CV值7.96％较低，说明实验操作可信。

响应面图是响应值对各实验因子所构成的三维空间曲面图，从响应面分析图上可以形象的看出各因素对响应值的影响(图1、图2)。

本文中优化目标有两个，一个是路基工程费用尽量小，另一个是道路使用寿命尽量长，设置优化目标时，前一个选择最小值，后一个选择最大值，将在此条件下获得的优化结果作为石灰土处理的最佳方案。由此优化得到的石灰土最佳处理方案为方案6，见表12。

表1230％含水量时粘性土快速路石灰土最佳处理方案

道路等级	含水量/％	石灰含量/％	压实度/％	处理深度/m
					快速路	30	12	98	0.37

Claims (3)

1.一种石灰处理软土路基最佳方案的确定方法，其特征是，包括如下步骤：

一、确定各结构层参数

材料参数指标主要有：原状软土路基回弹模量E₀、石灰土层回弹模量E₁、石灰土层处理深度h_x、路面各结构层参数；

材料参数指标的采集方法：原状软土路基的回弹模量通过贝克曼梁法或承载板法测量；石灰土层回弹模量通过顶面法或承载板法测量；石灰土层处理深度和路面各结构层参数为设计值；

二、计算路基顶压应变和道路使用寿命

步骤1：计算路基顶压应变

将路面各结构层及石灰土处理深度的设计值及通过试验获得的软土路基及石灰土回弹模量值等参数输入Kenpave路面计算程序，在计算结果中提取出路基顶压应变计算结果；

步骤2：计算道路使用寿命

步骤3：计算路基不同处理方案下的工程费用

除去各方案共有的部分，需要计算路基工程费用的施工过程及计算公式为：

(1)挖掘机开挖设计处理深度软土的费用：

U₁＝a×x×y×z    (1) 

式中：a—挖掘机基价(元)；

x—路基宽度(m)；

y—路基长度(m)；

z—石灰土处理厚度(m)。

(2)自卸车将土方运至指定料场的费用：

U₂＝b×x×y×z    (2) 

式中：b—15t自卸车基价(元)；

(3)在料场将土方与石灰拌合均匀并运回至施工现场摊铺的费用：

式中：c—石灰+拌合+运回(20cm)基价(元)；

(4)压路机碾压至设计压实度的费用：

U₄＝d×x×y×m×n    (4) 

式中：d—20t压路机基价(元)；

(5)路基施工总费用：

U＝U₁+U₂+U₃+U₄    (5) 

由以上各公式计算出每种施工方案的工程费用；

三、通过响应面优化软件确定最佳处理方案。

2.如权利要求1所述的石灰处理软土路基最佳方案的确定方法，其特征是，道路使用寿命用累计荷载作用次数来表征，其值通过美国AI设计法的永久变形准则计算，计算公式如下：

N_d＝1.365×10^-9(ε_z)^-4.477    (6) 

式中：N_d—累计荷载作用次数，即使用寿命；

ε_z—路基顶压应变。

3.如权利要求1所述的石灰处理软土路基最佳方案的确定方法，其特征是，对于施工中用到的机械，根据各地区租赁市场的行情来具体确定；压路机碾压遍数与压实度的关系，通过土方路基试验段进行确定。