基于正交試驗的PHC樁網復合地基沉降的影響因素分析

張 亮，張涵實，李海峰，劉宇辰

(1.天津市公路事業發展服務中心，天津 300301；2.河北工業大學 土木與交通學院，天津 300401；3.天津高速公路集團有限公司，天津 300384)

0 引 言

軟土地基高填方路基工程對地基承載力和控制沉降具有很高的要求，采用樁網協同作用的PHC樁網復合地基，是一種有效提高地基承載能力、控制地基沉降并減小工后沉降的加固方法。對樁網復合地基沉降影響的因素有許多，如：樁長、樁徑、樁間距、樁帽、墊層厚度、墊層模量等。正交試驗是一種分析各種影響因素的常用方法，為了進一步分析PHC樁網復合地基沉降影響因素，為優化PHC樁網復合地基設計提供參考，本文采用正交試驗探討了影響沉降的主要因素及其主次性，進而得出基于最小地基沉降效果的PHC樁網復合地基最優設計參數優化。

1 正交試驗方法

1.1 正交試驗方法概述

對于影響因素較少的實驗，采用全面實驗的方式分析計算規模并不大，具有一定的可行性。但實驗因素較多時，考慮到所需實驗次數過多，時間較長等條件限制，進行全面實驗不僅不現實而且可實施性較差。如果運用數學擺列方程的方法去優化相關設計參數其計算過程又繁瑣且任務重。因此本文采用正交試驗方法對PHC樁網復合地基的沉降影響因素進行分析。

1.2 計算Mij與Rj

在正交實驗中首先明確三個名稱的含義，(1)目標：所需要考察的結果；(2)因素：對考察目標產生的影響；(3)水平：各因素不同的條件。設A，B……表示不同的因素，q表示各因素水平數；Aj表示A因素的第i個水平(i=1，2，3……q)；Aij表示j因素的第i個水平的值(j=A，B……，i=1，2……，q)，Yij表示j因素在 第i個水平下的試驗結果，Yij服從正態分布的隨機變量。Aij進行n次試驗得到n個結果定義為Yijk(k=1，2……，n)。

Mij作為正交試驗結果統計的關鍵參數之一，其表示因素j在i水平下n次試驗的平均值，如公式(1)所示。

(1)

極差Rj作為另一個重要參數，其主要作用是用來評判因素對優化目標影響的主次性。當某因素的極差Rj值愈大則證明目標受該因素的影響愈大，反之亦然。極差Rj值的計算方法，如公式(2)所示。

Rj=max{M1j,M2j,M3j,…,Mqj}-min{M1j,M2j,M3j,…,Mqj}

(2)

2 PHC樁網復合地基正交試驗方案

2.1 正交試驗因素和水平

根據有限元的計算模擬結果及上述正交試驗原理，結合天津濱海新區津沽公路橋頭引道路堤的綜合地基處理工程建設，選擇對沉降影響較大的因素進行正交試驗，綜合對比后選取樁長、樁徑、樁間距、墊層厚度、墊層模量5個影響因素，各選取四個水平繪制因素水平表，如表1所示。

2.2 正交試驗方案

本文選用5因素4水平正交試驗，選擇正交試驗表L16(45)，得到關于PHC樁網復合地基參數優化設計的正交試驗方案，如表2所示。

表2 PHC樁網復合地基參數優化正交試驗方案

3 正交實驗結果與分析

依次分別對16種PHC樁網復合地基模型進行分析，主要采集加固區表面、加固區中心(距地基面中心7 m)兩個斷面中心點的沉降值，得出加固區表面、加固區中心面處沉降正交試驗極差分析結果，如表3、表4所示。

表3 加固區表面沉降正交實驗極差分析

從表3和表4的沉降試驗結果及正交試驗極差分析結果可知：(1)各因素對加固區表面中心的沉降影響的主次性為：樁長>墊層厚度>樁徑>樁間距>墊層模量，加固區表面位置設計參數最優組合為A2B1C3D4E2，樁長14 m、樁徑為0.4 m、樁間距為2.8 m、墊層厚度取0.8 m、墊層模量為80 MPa。(2)各因素對加固區中心的沉降影響的主次性為：樁長>墊層厚度>樁徑>樁間距>墊層模量，加固區位置設計參數最優組合為A1B3C3D4E2，樁長12 m、樁徑為0.6 m、樁間距為2.8 m、墊層厚度取0.8 m、墊層模量為80 MPa。

表4 加固區中心面沉降正交實驗極差分析

4 結 論

基于五因素四水平正交正交試驗，對PHC樁網復合地基不同的設計參數樁長、樁徑、樁間距、墊層厚度、墊層模量對沉降的影響過來進行了系統的分析，試驗結果表明。

(1)各因素對加固區表面中心的沉降影響的主次性為：樁長>墊層厚度>樁徑>樁間距>墊層模量，加固區表面位置設計參數最優組合為A2B1C3D4E2，樁長14 m、樁徑為0.4 m、樁間距為2.8 m、墊層厚度取0.8 m、墊層模量為80 MPa。

(2)各因素對加固區中心的沉降影響的主次性為：樁長>墊層厚度>樁徑>樁間距>墊層模量，加固區位置設計參數最優組合為A1B3C3D4E2，樁長12 m、樁徑為0.6 m、樁間距為2.8 m、墊層厚度取0.8 m、墊層模量為80 MPa。

(3)本文的研究成果可對復合地基的優化設計提供基礎參考。