岩石边坡生态种植基强度的正交试验

周 中¹, 巢万里², 刘宝琛¹, 王星华¹

(1.中南大学 土木建筑学院, 湖南 长沙, 410075;

2.湖南省交通科学研究院, 湖南 长沙, 410015)

摘要: 采用正交实验, 在种子能够发芽的前提下, 研究水泥(A)、 土壤(B)、 腐殖质(C)和水(D)4个因素在不同水平下对基材无侧限抗压强度的影响。 通过正交试验确定了不同龄期时4种因素对基材的影响顺序、 各因素的显著性水平及混合基材的优化配比方案。 研究结果表明: 龄期为3 d和7 d时, 4种因素对基材无侧限抗压强度影响顺序从大到小依次为: 水泥、 土、 腐殖质、 水;14 d和28 d影响的顺序分别为: 水泥、 腐殖质、 土、 水和水泥; 腐殖质、 水、 土; 龄期为3 d和7 d时, 应选取的基材最佳配比分别为A₂B₂C₁D₄和A₂B₂C₂D₄; 龄期为14 d和28 d时, 应选取的基材最佳配比均是A₂B₂C₂D₃; 对基材1周内无侧限抗压强度有显著性影响的因素是水泥, 对基材2周后有显著性影响的因素除了水泥外, 还有腐殖质。

关键词: 岩石边坡; 生态种植基; 生态护坡; 正交试验

中图分类号:S157.4 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)06-1112-05

Orthogonal test on strength of planting material for rock slope

ZHOU Zhong¹, CHAO Wan-li², LIU Bao-chen¹, WANG Xing-hua¹

(1. School of Civil and Architectural Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;

2.Hunan Communications Research Institute, Changsha 410075, China)

Abstract: Using the lab orthogonal test, and based on the precondition that seeds can be germinated, the effects of base material mixtures (concrete(A), soil(B), humus and crude fiber(C) and water content(D)) with different compositions on its unconfined compressive strength were studied. By orthogonal test, the orders of four factors to influence base material unconfined compressive strength, the significance levels of different factors and the optimization compound ratio scheme of base material mixture at different ages were determined. The results show that the four factors affecting base material unconfined compressive strength with the 3 d and 7 d curing age are in a descending order as follows: concrete, soil, humus and water. The influence order for 14 d is: concrete, humus, soil and water, for 28 d is: concrete, humus, water and soil. The optimization compound ratio scheme of base material mixture with the 3 d and 7 d curing age are A₂B₂C₁D₄ and A₂B₂C₂D₄, 14 d and 28 d are A₂B₂C₂D₃. Within one week concrete content has significant influence on the base material unconfined compressive strength, after two weeks not only concrete content but also humus content has significant influence.

Key words: rock slope; planting material; eco-slope-engineering; orthogonal test

在铁路、 公路、 堤坝等工程建设中, 经常要开挖大量的边坡。 边坡的开挖破坏了原有植被覆盖层, 导致出现大量的次生裸地以及产生严重的水土流失现象, 造成了生态环境的严重失衡^[1]。 随着人们环境意识的增强, 对此类工程大多要求项目开发与环境保护兼顾, 这种理念实际上是生态与经济可持续发展的一种。 伴随这种可持续发展的理念绿色植被护坡(即生态护坡)应允而生^[2-5]。 生态护坡技术的应用在国外发达国家已有很长的历史, 如美国于1936年在南加利福尼亚州的Angeles Crest公路边坡治理中就应用了生态护坡技术^[6], 日本的生态护坡几乎与其公路建设同步发展, 至今已有半个多世纪的历史, 获得了多项生态护坡技术的专利。 国内在生态护坡方面研究比较少, 多限于引进外国的施工技术。 最近几年, 生态护坡逐渐受到国内工程界的重视, 成为研究的热点^[7-10]。

生态护坡中的基材, 除要求其具有较好的肥力及保水性以提供植物生长所需的养分和水分外, 还要具有一定的抗冲刷能力及一定的强度, 以防止基材脱落和坡面浅层溜坍^[11-14]。 为了配制适合植物生长并有一定强度的种植基材, 进行室内正交试验研究, 在植物种子能够发芽的基础上, 考虑水泥、 土壤、 有机质与粗纤维的混合物和水4个因素在不同的水平下对于基材的影响。 选择一个相对较好的混合基材配比组合, 以寻求在不同龄期时基材强度的最佳方案, 为生态护坡工程中基材的合理配比提供可靠的参考依据。

1 生态种植基正交试验

采用正交试验研究水泥、 土壤、 有机质与粗纤维的混合物和水4个因素对于基材的影响, 就每种因素拟考虑4个水平。 选取的正交试验表为L₁₆(4⁵), 不考虑各因素的交互作用, 即假定它们之间相互没有影响。 在种子能够发芽的基础上并考虑工程实际情况, 本试验采用的因素与对应的水平数如表1所示。

表 1   正交试验的因素及水平

Table 1   Factors and levels of orthogonal test g 

本试验步骤为: 首先将所取的土壤烘干粉碎, 用2.5 mm的筛子过筛, 然后, 用天平称取每一试验号中所需的水泥、 土和腐殖质, 将它们充分搅拌均匀, 最后量取所需的水加入其中, 进行充分搅拌。 基材混合物制备完成后, 再将其填充入4 cm×4 cm×4 cm(长×宽×高)的模子里, 过2 d成型后, 将模子拆除, 然后将试样在标准条件下养护。 同一配比(共16种配比)的试样分别养护成3 d, 7 d, 14 d和28 d共4组试样, 对每一组试样做3次平行试验, 即每一配比需做4×3=12个试样, 共做16×12=192个试样。 最后, 在第3天、 第7天、 第14天和第28天用无侧限仪进行强度测定。 试验所用的模具及试样和破坏后的试样分别如图1和图2所示。

图 1   试验所用的模具及试样

Fig. 1   Dies and samples in test

图 2   破坏后的试样

Fig. 2   Sample after fracture

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

由于试验中采用的试样尺寸与应变控制式无侧限仪的标准试样不一致, 所以, 需对所得数据进行修正, 修正后所得每组试样3 d, 7 d, 14 d及28 d的无侧限抗压强度均值如表2所示。

表 2   无侧限抗压强度均值表

Table 2   Mean value of unconfined compressive strength kPa 

根据表2所列试验数据, 作部分试样强度随时间的变化图, 如图3所示。

图 3   强度随时间的变化图

Fig. 3   Variation of strength with time

由图3可以看出, 不同配比试样的强度值相差很大, 最大可达7~8倍。 由此可见, 合理配比对提高基材强度的重要性。 由试样的强度随时间的变化趋势可知, 随着时间的增长, 试样的强度是逐渐增大的, 但是, 除了5号试样外, 其余试样在2周后的强度增幅很小, 14 d时已达到28 d时强度值的84.5%。

2.2 试验结果分析

希望在所得到的数据中, 通过统计分析后达到以下几个目标:

a. 分清各因素对基材强度影响的主次顺序;

b. 找出使基材强度比较大的优化配比方案;

c. 分析各因素与基材强度指标间的关系, 即当因素水平变化时基材强度如何变化, 找出基材强度随因素水平变化的规律和趋势;

d. 区分因素各水平对应的试验结果的差异是由于因素水平不同引起的, 还是由于试验误差引起的;

e. 对于影响基材强度的各因素的重要程度给予精确的数量估计。

对于前3个目标, 运用正交试验的直观分析法(即极差分析和因素水平影响趋势图)来实现, 对于后2个目标, 采用方差分析来实现。

2.2.1 直观分析法

对试验所得的基材的不同龄期的无侧限抗压强度值进行正交试验的极差分析, 并画出各因素不同龄期时的水平影响趋势图, 水泥、 土、 腐殖质和水与基材无侧限抗压强度的关系图分别如图4~7所示。

由图4~7可以得出如下结论:

a. 基材不同龄期的试验曲线的走势具有很好的相似性, 由试验曲线可以看出基材的强度随着龄期的增加而增强。

图 4   无侧限抗压强度与水泥含量的关系

Fig. 4   Relationship between unconfined compressive strength and cement content

图 5   无侧限抗压强度与土壤含量的关系

Fig. 5   Relationship between unconfined compressive strength and soil content

图 6   无侧限抗压强度与腐殖质含量的关系

Fig. 6   Relationship between unconfined compressive strength and humus content

b. 4种因素对基材不同龄期的无侧限抗压强度影响的主次顺序分别为: 龄期为3 d和7 d时, 主次顺序均为A→B→C→D, 即水泥→土→腐殖质→水; 龄期为14 d时, 主次顺序为A→C→B→D, 即水泥→腐殖质→土→水; 龄期为28 d时, 主次顺序为A→C→D→B, 即水泥→腐殖质→水→土。

c. 龄期为3 d时, 应选取的基材最佳配比是[CM(22] A₂B₂C₁D₄, 即各因素的质量比为m_<sub>水泥∶ m_土∶

图 7   无侧限抗压强度与含水量的关系

Fig. 7   Relationship between unconfined compressive strength and water content

m_腐殖质∶m_水=1.00∶6.83∶1.50∶10.00; 龄期为7 d时, 应选取的基材最佳配比是A₂B₂C₂D₄, 即各因素的质量比为m_水泥∶m_土∶m_腐殖质∶m_水=1.00∶6.83∶1.83∶10.00; 龄期为14 d和28 d时, 应选取的基材最佳配比均是A₂B₂C₂D₃, 即各因素的质量比为m_水泥∶m_土∶m_腐殖质∶m_水=1.00∶6.83∶1.83∶9.17。 由此可见, 在要求基材有较高的早期强度的条件下, 应采取的混合基材配比方案为A₂B₂C₁D₄或A₂B₂C₂D₄; 若对基材的早期强度要求不高, 而对后期强度要求较高则采用的混合基材配比方案为A₂B₂C₂D₃。

d. 并不是水泥含量越高, 基材的强度就越高, 而是在水泥的第2水平时基材的强度达到最大, 所以, 加大水泥含量并不一定能提高基材的强度。 其原因可能是随着水泥含量的增加, 基材中提供植被生长所需养分的腐殖质的含量增加, 而腐殖质是一种松散材料, 它的加入, 反而使基材的强度降低。

2.2.2 正交试验的方差分析

上述极差分析, 只是直观地进行分析, 并没有对于在试验中由于各种原因而引起的误差进行分析, 没有对各因素的显著性水平给一个定量的衡量。 为了达到后2个分析目标, 需采用正交试验的方差分析法对试验数据进行分析。

表 3   方差分析结果

Table 3   Results of variance analysis

对基材不同龄期时的无侧限抗压强度值进行正交试验的方差分析, 分析结果如表3所示。

由正交试验的方差分析可以得出如下结论:

a. 因素各水平对应的试验结果的差异是由因素水平不同引起的, 并不是由试验误差引起的;

b. 对基材初期(1周内)强度有显著性影响的因素是水泥;

c. 对基材2周后的强度有显著性影响的因素除了水泥外, 还有腐殖质;

d. 基材强度的决定性因素是水泥量, 但是, 随着龄期的增长, 腐殖质对基材强度的影响越来越大。

3 结 论

a. 获取了不同龄期时水泥、 土、 腐殖质和水4种因素对基材无侧限抗压强度影响的主次顺序, 并得出各因素对基材无侧限抗压强度影响的显著性水平, 找出具有显著性影响的因素。

b. 得到了不同龄期时为获取较高基材无侧限抗压强度值的混合基材的优化配比方案, 可为生态护坡工程中基材的合理配比提供可靠参考依据。

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收稿日期:2005-03-12

作者简介: 周 中(1978-), 男, 河南驻马店人, 博士研究生, 从事边坡稳定性及生态护坡研究

论文联系人: 周 中, 男, 博士研究生; 电话: 13319541496(手机); E-mail: dazhong78@sohu.com